Обща информация
Разтопеният шоколад може да се опише като концентрирана суспензия от едри фини твърди частици, като какао на прах, захар и мляко на прах, диспергирани в мастна непрекъсната фаза, обикновено какаово масло [1]. Реологичното му поведение се определя от физикохимичните характеристики на компонентите му, както и от няколко други фактора, като състав и температура. Наред с другото, разпределението на размера на частиците, видът на емулгатора и кристализацията на захарта определят вискозитета на обработвания продукт.
От вискозитета на шоколада до доволните клиенти...и производители!
От своя страна вискозитетът на срязване на разтопения шоколад влияе върху усещането за вкус в устата на потребителите. Този вискозитет на шоколада е изключително важен не само от гледна точка на удоволствието на потребителя, но и в производствения процес и при контрола на качеството на крайния продукт. Наличието на подходящи вискоеластични свойства на разтопения шоколад, например, гарантира ефективността на процесите на формоване и леене, като предотвратява образуването на въздушни мехурчета по време на формоването и осигурява получаването на хомогенни черупки по време на енробирането.
Вискозитетът на срязване и границата на пластичност са основните реологични свойства, които представляват интерес в промишлените процеси на шоколада. Вискозитетът при срязване се изчислява просто, като се раздели напрежението при срязване на скоростта на срязване. Границата на пластичност може да се определи по различни начини [2]. Един от тях прилага различни моделни функции, като модела на Касон, върху кривата на потока.
За да се осигурят високи стандарти за качество върху промишлените процеси, на които се подлагат различните какаови формули, Международното бюро за какао, шоколад и захарни изделия (IOCCC) публикува през 2000 г. ревизия на Аналитичен метод 46, който определя стандартен протокол за измерване на вискозитета на шоколада и какаовите продукти [3].
Аналитичен метод 46 с ротационния апарат Kinexus PrimeРеометър
При следването на този метод вискозитетът на разтопения шоколад се измерва с ротационен реометър, оборудван с геометрия на чашка и кокалче, изработена от полирана стомана. Краят на чашката или ротора може да бъде коничен или вдлъбнат.
Методът предписва подробно подготовката на пробата, като дава конкретни указания за течни и твърди проби от бял, млечен или черен шоколад, със или без захар. Накратко, пробите трябва първоначално да се загреят за определен период от време, като температурата и продължителността зависят от вида на какаовия продукт. Геометрията трябва да бъде предварително подготвена до 40 °C, за да се избегне кристализацията на разтопения шоколад по време на процеса на зареждане. Необходима е и стъпка на предварително разрязване, за да се осигури температурно равновесие, хомогенно разпределение на пробата в геометрията и премахване на въздушните мехурчета.
Предварителното срязване се извършва при 40 °C (± 0,1 °C) при постоянна скорост на срязване, обикновено 5 s-1 (или 2 s-1 за по-дебели продукти); то трябва да продължи, докато въртящият момент остане постоянен за най-малко 2 минути с максимално отклонение от 2 %. Стабилизирането трябва да се постигне в рамките на 15 минути, в противен случай измерването не може да се извърши.
Измерването се извършва при 40 °C на три етапа:
- Скоростта на срязване се увеличава от 2 s-1 до 50 s-1 за период от 3 минути. Това може да се извърши непрекъснато или поетапно при скорост на срязване 2, 5, 10, 20 и 50 s-1.
- Скоростта на срязване се поддържа на 50 s-1 в продължение на 1 минута.
- Скоростта на срязване се намалява от 50 s-1 на 2 s-1 за 3 минути, отново непрекъснато или поетапно, като се следва същата схема на скоростта на срязване, определена в първия етап.
За да се илюстрира прилагането на тази последователност, по-долу се разглеждат резултатите, получени от сравнението на четири различни търговски шоколадови блокчета от една марка. Първият е млечен шоколад, съдържащ 55 % какао, а останалите три са тъмни шоколадови блокчета, съдържащи 70, 85 и 100 % какао. Измерванията бяха извършени с помощта на ротационен реометър Kinexus Prime ultra+, оборудван с цилиндричен патрон и 34-милиметрова геометрия на чашката и кокалчето. Температурата и аналитичните стъпки бяха приложени точно както е определено в Аналитичен метод 46. На фигура 1 е показана скоростта на срязване (в зелено), приложена по време на предварителното срязване и трите стъпки, както и вискозитетът на срязване (в синьо), постигнат за шоколад със 100 % какао.
Кривите на вискозитета при срязване на четирите тествани шоколада показват поведение на разреждане при срязване: колкото по-висока е скоростта на срязване, толкова по-нисък е вискозитетът при срязване; фигура 2. Кривите на потока не изобразяват интуитивен резултат. Съставът, концентрацията на всеки компонент и разпределението на размера на суспендираните твърди частици влияят пряко върху вискозитета на разтопения шоколад.
Тези четири различни проби имат различен състав, както е видно от таблица 1, и следователно различен вискозитет. Млечният шоколад с 55 % какао например е единственият, който съдържа сметана на прах и емулгатор.
Таблица 1: Състав и тегловен порядък на млечен и тъмен шоколад с различна концентрация на какао.
Съставки | Ред на теглото* | |||
|---|---|---|---|---|
100 % | 85 % | 70 % | 55 % | |
| Какаова маса | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Какаово масло | 2 | 2 | 3 | 3 |
| Леко какао на прах | 3 | 3 | - | - |
| Захар | - | 4 | 2 | 2 |
| Емулгатор | - | - | - | 5 |
| Крем на прах | - | - | - | 4 |
| Ванилия | - | 5 | 4 | - |
*Подреждане по тегло: 1 = най-високата концентрация и 5 = най-ниската концентрация
Както бе споменато по-горе, моделът на Касон се прилага върху получената крива на потока, за да се определи границата на протичане на Касон, т.е. минималното напрежение на срязване, необходимо за предизвикване на протичане, както и вискозитетът на Касон, т.е. крайният вискозитет в областта на високото срязване. Следното уравнение описва прилягането на модела на Касон:
Типична крива на потока с автоматичен анализ на Касон е показана по-долу на фигура 3, а в таблица 2 са обобщени резултатите от анализа на Касон за четирите вида шоколад.
Таблица 2: Резултати от анализа на Касон за четирите шоколада.
Проба | Напрежение на добива по Касон (Pa) | Вискозитет на срязване по Касон (Pa-s) |
|---|---|---|
| 55 % | 7.07 | 0.37 |
| 70 % | 5.30 | 1.19 |
| 85 % | 0.68 | 0.29 |
| 100 % | 1.45 | 0.91 |
rSpace Software - Просто приложение за SOP (стандартни оперативни процедури)
Напрежението на провлачване се определя като напрежението на срязване, над което вискоеластичният материал започва да тече. Колкото по-ниска е границата на провлачане, толкова по-ниско е съпротивлението на шоколада да тече. Следователно това е важна характеристика, която ще определи преработваемостта на какаовия състав; например силата, необходима за изпомпване на разтопения шоколад [4].
Въпреки че аналитичен метод 46 е бил обект на няколко предложения за подобрение в различни публикации, в които се предлагат например промени в интервала на скоростта на срязване или прилагане на различни математически модели за корекция на параметрите, прилагането му, свързано с модела на Касон, все още е стандартният протокол за определяне на вискозитета и границата на течливост на шоколада [4]. Моделът на Касон и последователността на анализа са налични в библиотеката rSpace.
Ротационният реометър Kinexus се отличава с възможността за създаване на методи за анализ въз основа на отделни реоложки действия в софтуера rSpace. Тези последователности от измервания могат да се създават и персонализират, за да отговарят на нуждите на всяка лабораторна рутина. Тук е създадена и приложена последователност от измервания, съдържаща всички детайли на аналитичен метод 46. С едно щракване на мишката се стартира измерването; последващият анализ се извършва без никаква намеса на потребителя, а крайните резултати, включително точката на добив, се дават автоматично.