Köstlichkeiten perfektioniert… Optimierung der Rheologie von Schokolade

Schokolade ist einer der weltweit beliebtesten Snacks. 2017 konnte die Schweiz den höchsten Schokoladenkonsum pro Kopf verzeichnen. Fast neun Kilo der süßen Köstlichkeit verzehrten die Bürger in diesem Jahr.

Der einzigartige Reiz von Schokolade liegt an ihrem Geschmack, Aroma und Mundgefühl. Diese drei Attribute verbinden sich zu dem komplexen Geschmack von Schokolade. Da die natürlichen Inhaltsstoffe von Schokolade je nach Anbaubedingungen variieren, unternehmen Schokoladenhersteller einige Anstrengungen, um sicherzustellen, dass der Geschmack ihrer Schokoladenprodukte mit ihrem charakteristischen Aroma übereinstimmt. Dafür müssen analytische Techniken mit teuren sensorischen Tests in Einklang gebracht werden. Die sensorische Prüfung jeder einzelnen Charge ist nicht wirklich praktikabel, so wünschenswert diese Aufgabe auch sein mag!

Was macht Schokolade zu einem perfekten Genuss?

Es gibt mehrere wichtige Faktoren, um Schokolade attraktiver zu machen.

Dazu gehören:

• Eine Schmelztemperaturen und SchmelzenthalpienDie Schmelzenthalpie einer Substanz, auch bekannt als latente Wärme, stellt ein Maß der Energiezufuhr dar, typischerweise Wärme, welche notwendig ist, um eine Substanz vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der die Substanz von einem festen (kristallinen) in den flüssigen Zustand (isotrope Schmelze) übergeht.Schmelztemperatur von unter 37 °C, sodass sie im Mund schmilzt
• Glanz, sodass sie ansprechend aussieht
• Eine zarte Textur, die ein angenehmes Mundgefühl vermittelt
• Ein gewisser Biss

Die Fließeigenschaften der Fettphase (Kakaobutter, die mit anderen Fetten gemischt sein kann) regulieren, wie sich die Schokolade im Mund verteilt und beeinflussen die Wahrnehmung des Geschmacks. Die Fließeigenschaften oder rheologische Eigenschaften von Schokolade haben auch einen erheblichen Einfluss auf deren Herstellungsprozess. Eine Verringerung der Partikelgröße erhöht die Viskosität, was zu einer Verstopfung von Leitungen führen kann, wenn die flüssige Schokolade im Werk von A nach B transportiert wird.

Das Endprodukt kann ein Riegel oder eine Tafel aus fester Schokolade sein, oder die Schokolade kann als Überzug für eine Füllkern dienen. Schokolade für Überzüge werden oft daraufhin optimiert und können eine andere Rezeptur besitzen als Schokolade für Tafeln.

Rheologische Prüfung für eine perfekte Schokolade

Die Messung der Viskosität ist eine der grundlegendsten Messungen an Schokolade.

Eine kleine Probenmenge wird mit einer festen Scherrate (Geschwindigkeit) geschert und die SpannungSpannung ist definiert als Kraftniveau, das auf eine Probe mit definiertem Querschnitt aufgebracht wird (Spannung = Kraft/Fläche). Proben mit runden oder rechteckigen Querschnitten können komprimiert oder gestreckt werden. Elastische Materialien, wie Elastomere, können bis um das 5- oder 10-fache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden.Spannung (Kraft), die zum Erreichen dieser Scherrate erforderlich ist, wird aufgezeichnet. Die Scherviskosität kann dann berechnet werden, indem die Schubspannung durch die Scherrate geteilt wird.

Einfluss der Temperatur auf die Viskosität von Schokolade

Das Viskositäts-Temperatur-Profil von Schokolade ist von entscheidender Bedeutung, wenn es um die Optimierung der Rezeptur und des Temperierprozesses geht, ja sogar die Umgebung, in der sie verzehrt wird, muss berücksichtigt werden. Interessant ist zum Beispiel, dass der Schmelzpunkt von Schokoeis signifikant erniedrigt werden muss. Das liegt daran, dass beim Verzehr eines Eisriegels die Mundtemperatur deutlich abfällt und eine Standard-Schokoladenrezeptur unter diesen Bedingungen nicht schmilzt. Das Ergebnis des Überzugs von Eiscreme mit einer Standardschokolade wäre, dass sie nur einen leichten Kakaogeschmack aufweist, jedoch auch ein Mundgefühl von Eiscreme mit festen Stücken darin vermittelt. Glücklicherweise kann die Rheologie von fester Schokolade vollständig charakterisiert werden, wie in Abbildung 1 dargestellt ist. Dies ermöglicht, sowohl den Biss von fester Schokolade als auch das Aroma der Schokolade oberhalb des Schmelzpunkts zu optimieren, sodass sich dieses voll entfalten kann.

Für geringer viskosen Schokoladensirup finden Viskositätstests Anwendung. Bemerkenswert ist, dass die Viskosität bei ca. 18 bis 24 °C um fast zwei Größenordnungen abfällt, wie in Abbildung 2 zu sehen ist.

Viskosität von Zartbitter-, Vollmilch- und weißer Schokolade

Für die folgende Messung wurde Zartbitter-, Vollmilch- und weiße Schokolade aus einem Sortiment und von einer Marke ausgewählt, um Abweichungen im Herstellungsprozess der Schokolade und bei den Inhaltsstoffen zu minimieren. Die festen Inhaltsstoffe von Zartbitter-, Vollmilch- und weißer Schokolade sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Feste Inhaltsstoffe in verschiedenen Schokoladenarten

Die Zartbitterschokolade weist über den gemessenen Scherratenbereich die geringste Viskosität auf und lässt sich am einfachsten durch die Anlage leiten (Abbildung 3, rote Symbole und Kurve). Interessanterweise besitzt die Milchschokolade (blaue Symbole und Kurve in Abb. 3) eine höhere Viskosität, aber eine ähnliche Fließgrenze wie die Zartbitterschokolade (Tabelle 2). Dies deutet darauf hin, dass Milch- und Zartbitterschokolade ähnliche Slumpeigenschaften besitzen und die Formen auf ähnliche Weise befüllen.

Die weiße Schokolade verfügt über den gesamten Bereich über die höchste Viskosität (grüne Symbole und Kurve in Abb. 3) und mit einigem Abstand auch über die höchste Fließgrenze (ebenfalls Tabelle 2). Weiße Schokolade ist unter Kochlehrlingen und Süßwarenherstellern als die am schwierigsten zu verarbeitende Variante bekannt und weist auch in diesem Fall sehr unterschiedliche rheologische Eigenschaften auf.

Tabelle 2: Fließgrenze und Scherviskosität für Zartbitter-, Milch und weiße Schokolade desselben Herstellers

Wie die Verarbeitung von Schokolade optimiert werden kann

Weitere Einblicke in die rheologischen Eigenschaften von Schokolade können durch Oszillationstests mit einem Rotationsrheometer erhalten werden. Dadurch lassen sich zusätzliche Informationen über die viskoelastischen Eigenschaften von Schokolade durch den Elastizitätsmodul (G’), Viskositätsmodul (G’’) und den Phasenwinkel (δ) gewinnen. Außerdem stellt dies eine alternative Methode zur Bestimmung der Fließgrenze im Vergleich zum stationären Schertest dar.  

Die Elastizitäts- und Viskositätsmodule beziehen sich auf die mikrostrukturellen Eigenschaften von Schokolade und können eingesetzt werden, um Wechselwirkungen zwischen den Komponenten und um Schmelzeigenschaften von Schokolade zu untersuchen, indem die feststoff- und flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften ausgewertet werden.

Die Fließgrenze, d.h. die Spannung, die erforderlich ist, um das feste Gefüge aufzubrechen und es zum Fließen zu bringen, hat Einfluss darauf, wie die Schokolade die Formen überzieht und wie gut sie an den Wänden der Form haftet oder runterläuft, bevor sie fest wird. Oszillationsmessungen sind zerstörungsfreie Prüfungen, die zeigen, wie sich das Material unter kleinen Verformungen oder Kräften verhält, bevor das Material nachgibt und zu fließen beginnt. Der Spannungs- oder Dehnungsbereich, in dem dieses Verhalten auftritt, wird als linearer viskoelastischer Bereich (LVR) bezeichnet.

Durch Messung von G’ in Abhängigkeit der Schubspannung kann die Fließgrenze der Struktur bestimmt werden ‒ dies wird im Allgemeinen als die Spannung angesehen, bei der G’ abzufallen beginnt und der LVR endet (siehe Abb. 4, blaue Symbole und Kurve). Wichtig zu beachten ist, dass verschiedene Fließgrenzenmethoden leicht unterschiedliche Antworten liefern können. Zum Beispiel werden Modelle von Casson und Windhab üblicherweise zur Bestimmung der Fließgrenze von Schokolade verwendet, indem in einem Schubspannungs-Scherraten-Diagramm die Schubspannung bis zur Scherrate Null extrapoliert wird. Obwohl Oszillationstests weniger verbreitet sind, hat sich gezeigt, dass diese die Unterschiede zwischen Schokoladen besser herausfiltern können. Für die untersuchte Milchschokolade wurde eine Fließgrenze von 0, 45 Pa ermittelt (Abbildung 4).

Rheologie für die Qualitätssicherung von Schokoladenprodukten

Die Textur oder das Mundgefühl von Schokolade sind entscheidend für die Wahrnehmung der Produktqualität durch den Verbraucher. Durch die Korrelation von teuren sensorischen Tests mit analytischen Ergebnissen ist es möglich, die strukturellen Aspekte des charakteristischen Geschmacks von Schokoladenmarken genau zu kontrollieren. Das Mundgefühl lässt sich durch Bestimmung des Fließverhalten mittels Rheologie.

Quellen

https://www.statista.com/statistics/819288/worldwide-chocolate-consumption-by-country/#:~:text=Global%20consumption,over%20the%20last%20five%20years.

www.howitworksdaily.com/why-is-chocolate-so-tasty

Chan, F. and De Kee, D. (1994) Yield stress and small amplitude oscillatory flow in transient networks. Industrial & engineering chemistry research, 33(10), p2374-2376

De Graef, V., Depypere, F., Minnaert, M., & Dewettinck, K. (2011). Chocolate Yield StressYield stress is defined as the stress below which no flow occurs; literally behaves like a weak solid at rest and a liquid when yielded.yield stress as measured by oscillatory rheology. Food Research International, 44(9), 2660–2665.