Εισαγωγή
Το διατμητικό ιξώδες της σοκολάτας αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό για τη διασφάλιση σταθερής ποιότητας και τη βελτιστοποίηση των βιομηχανικών διεργασιών. Για την τυποποίηση της μέτρησης αυτής της κρίσιμης ιδιότητας, το Διεθνές Γραφείο Κακάο, Σοκολάτας και Ζαχαρωδών Προϊόντων (IOCCC) επικαιροποίησε την αναλυτική μέθοδο 46 το 2000. Η μέθοδος αυτή περιγράφει ένα πρωτόκολλο για τον προσδιορισμό του ιξώδους της σοκολάτας και των προϊόντων με βάση το κακάο. Περιγράφει σχολαστικά την προετοιμασία του δείγματος και τη διαδικασία μέτρησης, προσαρμοσμένη στους διάφορους τύπους προϊόντων κακάο.
Στη συνέχεια, δύο σοκολάτες (σοκολάτα γάλακτος και μαύρη σοκολάτα) μετρώνται με το περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus σύμφωνα με την εν λόγω SOP (Standard Operating Procedure). Στη συνέχεια, εφαρμόζεται η ανάλυση Casson στις καμπύλες. Πρόκειται για ένα μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τη συμπεριφορά ροής της σοκολάτας, ιδίως το όριο διαρροής της. Η τιμή αυτή είναι σημαντική στη βιομηχανία σοκολάτας, για παράδειγμα, για τις διαδικασίες άντλησης, καθώς αντιπροσωπεύει την ελάχιστη δύναμη που απαιτείται για να προκληθεί ροή.
Το μοντέλο Casson χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό της συμπεριφοράς ροής ρευστών που παρουσιάζουν συμπεριφορά τάσης διαρροής, όπως η σοκολάτα, το αίμα ή τα μελάνια εκτύπωσης. Εκφράζεται ως εξής:
σ:
Σ0: τάση διαρροής Casson (τάση που απαιτείται για την έναρξη της ροής) [Pa]
k: Τερματικό ιξώδες διάτμησης (ιξώδες σε υψηλό ρυθμό διάτμησης) [Pa-s]
- γ: Ρυθμός διάτμησης [s-1]
Παράμετροι μέτρησης
Κάθε σοκολάτα αποθηκεύτηκε στους 60°C και στη συνέχεια ομογενοποιήθηκε χειροκίνητα με σπάτουλα πριν εισαχθεί στη γεωμετρία, η οποία διατηρήθηκε στους 40°C. Ο πίνακας 1 συνοψίζει τις συνθήκες μέτρησης.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Όργανο | Kinexus Prime ultra+ |
|---|---|
| Κασέτα | Κύλινδρος |
| Δοκιμή | Περιστροφή |
| Γεωμετρία | Κύπελλο και κύλινδρος: 25 mm |
| Διάκενο | 9.15 mm |
| Θερμοκρασία | 40°C |
| Ρυθµός διάτµησης |
|
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 1 απεικονίζεται η γραφική παράσταση των καμπυλών ιξώδους διάτμησης για τις σοκολάτες γάλακτος και μαύρης σοκολάτας κατά τη διάρκεια της εξέλιξης του ρυθμού διάτμησης μεταξύ 2 και 50 s-1 (UP, κύκλοι) και μεταξύ 50 και 2 s-1 (DOWN, τετράγωνα). Τα δύο δείγματα παρουσιάζουν διατμητική αραιωτική συμπεριφορά με καλή συμφωνία μεταξύ της ανοδικής και της καθοδικής ράμπας: Το ιξώδες διάτμησης μειώνεται με την αύξηση των ρυθμών διάτμησης. Αυτό είναι επωφελές για την επεξεργασία, επειδή η μείωση του ιξώδους διάτμησης στους ρυθμούς διάτμησης που απαιτούνται για λειτουργίες όπως η άντληση μειώνει την αντίσταση στη ροή. Με αυτόν τον τρόπο, η μεταφορά της σοκολάτας μέσω σωλήνων κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας είναι ευκολότερη και απαιτεί λιγότερη ενέργεια.
Η μαύρη σοκολάτα έχει υψηλότερο ιξώδες διάτμησης από τη σοκολάτα γάλακτος σε όλο το μετρούμενο εύρος ρυθμού διάτμησης. Αυτό την καθιστά καταλληλότερη για εφαρμογές επικάλυψης, στις οποίες το ιξώδες διάτμησης αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό για την επίτευξη ομοιόμορφου στρώματος σε καραμέλες χωρίς να στάζει και να απλώνεται. Επιπλέον, η ιδιότητα αυτή σχετίζεται και με την αίσθηση του στόματος του καταναλωτή: Όσο υψηλότερο είναι το ιξώδες διάτμησης, τόσο πιο κρεμώδης θεωρείται η σοκολάτα.
Τα σχήματα 2 και 3 παρουσιάζουν τα αποτελέσματα της ανάλυσης Casson για το εύρος ρυθμού διάτμησης μεταξύ 5 και 50 s-1 για τις σοκολάτες γάλακτος και τις μαύρες σοκολάτες, αντίστοιχα. Η ανάλυση πραγματοποιείται αυτόματα στο λογισμικό μέτρησης και αξιολόγησης rSpace μόλις ολοκληρωθεί η μέτρηση.
Τόσο οι πίνακες προς τα πάνω όσο και προς τα κάτω του ρυθμού διάτμησης παρουσιάζουν καλή συσχέτιση μεταξύ των μετρούμενων καμπυλών ροής και του μοντέλου Casson. Το όριο διαρροής της μαύρης σοκολάτας είναι πολύ υψηλότερο από εκείνο της σοκολάτας γάλακτος, πράγμα που σημαίνει ότι η άντληση θα ήταν πιο δύσκολη, δηλαδή θα απαιτούσε μεγαλύτερη δύναμη.
Πώς να ελέγξετε την επαναληψιμότητα της δοκιμής: Μετρήσεις ελεγχόμενης ταχύτητας διάτμησης και διατμητικής τάσης
Μια αξιόπιστη μέθοδος για τον έλεγχο της επαναληψιμότητας των μετρήσεων είναι η διεξαγωγή τους είτε με άλλη γεωμετρία είτε με διαφορετικό είδος ελέγχου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ένα ιξώδες διάτμησης σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και ρυθμό διάτμησης είναι μια απόλυτη τιμή. Είναι ανεξάρτητη από τη γεωμετρία που χρησιμοποιείται. Επίσης, είτε ελέγχεται με ρυθμό διάτμησης είτε με διατμητική τάση, πρέπει να λαμβάνεται η ίδια τιμή.
Για να γίνει αυτό κατανοητό, πραγματοποιήθηκε μέτρηση σε μαύρη σοκολάτα με τον ίδιο σχεδόν τρόπο. Η μόνη διαφορά ήταν ότι αντί για έναν πίνακα διατμητικού ρυθμού πάνω-κάτω, εφαρμόστηκε ένας πίνακας διατμητικής τάσης πάνω-κάτω. Οι προκύπτουσες καμπύλες που εμφανίζονται στο σχήμα 4 παρουσιάζουν καλή επαναληψιμότητα.
Συμπέρασμα
Οι καμπύλες ιξώδους διάτμησης που εκτελούνται με το περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus χρησιμοποιούνται όχι μόνο για να διασφαλιστεί η σταθερή ποιότητα σε όλες τις παρτίδες, αλλά βοηθούν επίσης στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς της σοκολάτας κατά την επεξεργασία καθώς και της αίσθησης στο στόμα. Έτσι, η ρεολογική κατανόηση της σοκολάτας είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας και το σχεδιασμό των προϊόντων.
Οι ακολουθίες καθώς και η αξιολόγηση της ανάλυσης Casson που ακολουθείται αυτόματα μετά από κάθε μέτρηση μετατρέπουν μια αρχικά πολύπλοκη μέθοδο σε δραστηριότητα ρουτίνας.