Ρεολογικές ιδιότητες της σοκολάτας Ζητούνται? Η Kinexus το κάνει εύκολο!

Γενικά

Η λιωμένη σοκολάτα μπορεί να περιγραφεί ως ένα συμπυκνωμένο εναιώρημα χονδροειδών λεπτών στερεών σωματιδίων, όπως σκόνη κακάο, ζάχαρη και σκόνη γάλακτος, που είναι διασκορπισμένα σε μια συνεχή φάση λίπους, συνήθως βούτυρο κακάο [1]. Η ρεολογική της συμπεριφορά καθορίζεται από τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των συστατικών της, μαζί με διάφορους άλλους παράγοντες, όπως η σύνθεση και η θερμοκρασία. Μεταξύ άλλων, η κατανομή του μεγέθους των σωματιδίων, ο τύπος του γαλακτωματοποιητή και η κρυσταλλοποίηση της ζάχαρης καθορίζουν το ιξώδες του προς επεξεργασία προϊόντος.

Από το ιξώδες της σοκολάτας στους ικανοποιημένους πελάτες ...και κατασκευαστές!

Με τη σειρά του, το διατμητικό ιξώδες της λιωμένης σοκολάτας επηρεάζει την αίσθηση που προσφέρει στους καταναλωτές. Αυτό το ιξώδες της σοκολάτας είναι εξαιρετικά σημαντικό όχι μόνο για την απόλαυση του καταναλωτή, αλλά και για τη διαδικασία παρασκευής και τον ποιοτικό έλεγχο του τελικού προϊόντος. Η ύπαρξη των κατάλληλων ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων στη λιωμένη σοκολάτα, για παράδειγμα, εγγυάται την αποτελεσματικότητα των διαδικασιών σωληνώσεων και χύτευσης, αποτρέποντας το σχηματισμό φυσαλίδων αέρα κατά τη χύτευση και εξασφαλίζοντας την παραγωγή ομοιογενών κελυφών κατά το περιτύλιγμα.

Το ιξώδες διάτμησης και το σημείο διαρροής είναι οι κύριες ρεολογικές ιδιότητες που ενδιαφέρουν στις βιομηχανικές διεργασίες της σοκολάτας. Το ιξώδες διάτμησης υπολογίζεται απλά διαιρώντας τη διατμητική τάση με τον ρυθμό διάτμησης. Το όριο διαρροής μπορεί να προσδιοριστεί με διάφορους τρόπους [2]. Ένας από αυτούς εφαρμόζει διάφορες συναρτήσεις μοντέλου, όπως το μοντέλο Casson, στην καμπύλη ροής.

Για να διασφαλιστούν υψηλά πρότυπα ποιότητας στις βιομηχανικές διαδικασίες στις οποίες υποβάλλονται οι διάφορες συνθέσεις κακάο, το Διεθνές Γραφείο Κακάο, Σοκολάτας και Ζαχαρωδών Προϊόντων (IOCCC) εξέδωσε το 2000 μια αναθεώρηση της αναλυτικής μεθόδου 46, η οποία ορίζει ένα τυποποιημένο πρωτόκολλο για τη μέτρηση του ιξώδους της σοκολάτας και των προϊόντων κακάο [3].

Αναλυτική μέθοδος 46 με το Kinexus Prime RotationalRheometer

Κατά την εφαρμογή αυτής της μεθόδου, το ιξώδες της λιωμένης σοκολάτας μετράται με ένα περιστροφικό ρεόμετρο εξοπλισμένο με γεωμετρία κύπελλου και βολβού από γυαλισμένο χάλυβα. Το άκρο του κύπελλου ή του ρότορα μπορεί να είναι κωνικό ή με εσοχή.

Η μέθοδος προδιαγράφει λεπτομερώς την προετοιμασία του δείγματος, δίνοντας συγκεκριμένο προσανατολισμό για υγρά και στερεά δείγματα λευκής, γάλακτος ή μαύρης σοκολάτας, με ή χωρίς ζάχαρη. Εν συντομία, τα δείγματα πρέπει αρχικά να θερμανθούν για ένα χρονικό διάστημα, όπου η θερμοκρασία και η διάρκεια εξαρτώνται από τον τύπο του προϊόντος κακάο. Η γεωμετρία πρέπει να προθερμανθεί στους 40°C για να αποφευχθεί η κρυστάλλωση της λιωμένης σοκολάτας κατά τη διαδικασία φόρτωσης. Χρειάζεται επίσης ένα στάδιο προθέρμανσης για να εξασφαλιστεί η ισορροπία της θερμοκρασίας, η ομοιογενής κατανομή του δείγματος στο εσωτερικό της γεωμετρίας και η εξάλειψη των φυσαλίδων αέρα.

Η προθέρμανση πραγματοποιείται στους 40°C (± 0,1°C) με σταθερό ρυθμό διάτμησης, συνήθως 5 ^s-1 (ή 2 ^s-1 για παχύτερα προϊόντα)- πρέπει να συνεχιστεί έως ότου η ροπή παραμένει σταθερή για τουλάχιστον 2 λεπτά με μέγιστη απόκλιση 2%. Η σταθεροποίηση πρέπει να επιτευχθεί εντός 15 λεπτών, διαφορετικά η μέτρηση δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί.

Η μέτρηση διεξάγεται στους 40°C σε τρία στάδια:

1. Ο ρυθμός διάτμησης αυξάνεται από 2 ^s-1 σε 50 ^s-1 σε διάστημα 3 λεπτών. Μπορεί να γίνει συνεχώς ή σταδιακά με ρυθμούς διάτμησης 2, 5, 10, 20 και 50 ^s-1.
2. Ο ρυθμός διάτμησης διατηρείται στα 50 ^s-1 για 1 λεπτό.
3. Ο ρυθμός διάτμησης μειώνεται από 50 ^s-1 σε 2 ^s-1 σε 3 λεπτά, και πάλι συνεχώς ή σταδιακά, ακολουθώντας το ίδιο σχήμα ρυθμού διάτμησης που ορίστηκε στο πρώτο βήμα.

Για να καταδειχθεί η εφαρμογή αυτής της ακολουθίας, τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη σύγκριση τεσσάρων διαφορετικών εμπορικών σοκολάτας μιας μάρκας συζητούνται στη συνέχεια. Η πρώτη ήταν μια σοκολάτα γάλακτος που περιείχε 55% κακάο και οι υπόλοιπες τρεις ήταν μπάρες μαύρης σοκολάτας που περιείχαν 70, 85 και 100% κακάο. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus Prime ultra+ εξοπλισμένου με κυλινδρικό φυσίγγιο και γεωμετρία cup-and-bob 34 mm. Η θερμοκρασία και τα αναλυτικά βήματα εφαρμόστηκαν ακριβώς όπως ορίζεται στην αναλυτική μέθοδο 46. Στο Σχήμα 1 απεικονίζεται ο ρυθμός διάτμησης (με πράσινο χρώμα) που εφαρμόστηκε κατά την προθέρμανση και τα τρία βήματα, καθώς και το ιξώδες διάτμησης (με μπλε χρώμα) που επιτεύχθηκε για μια σοκολάτα με 100 % κακάο.

Οι καμπύλες ιξώδους διάτμησης των τεσσάρων σοκολάτας που δοκιμάστηκαν δείχνουν διατμητική αραιωτική συμπεριφορά: όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός διάτμησης, τόσο χαμηλότερο είναι το ιξώδες διάτμησης- σχήμα 2. Οι καμπύλες ροής δεν απεικονίζουν ένα διαισθητικό αποτέλεσμα. Η σύνθεση, η συγκέντρωση κάθε συστατικού και η κατανομή μεγέθους των αιωρούμενων στερεών σωματιδίων επηρεάζουν άμεσα το ιξώδες της λιωμένης σοκολάτας.

Αυτά τα τέσσερα διαφορετικά δείγματα έχουν διαφορετικές συνθέσεις, όπως φαίνεται στον πίνακα 1, και συνεπώς διαφορετικό ιξώδες. Η σοκολάτα γάλακτος με 55% κακάο, για παράδειγμα, είναι η μόνη που περιέχει σκόνη κρέμας και γαλακτωματοποιητή.

Πίνακας 1: Σύνθεση και σειρά βάρους των σοκολατών γάλακτος και μαύρης σοκολάτας, με διαφορετικές συγκεντρώσεις κακάο.

*Σειρά βάρους: 1 = η υψηλότερη συγκέντρωση και 5 = η χαμηλότερη συγκέντρωση

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το μοντέλο Casson εφαρμόζεται στην προκύπτουσα καμπύλη ροής για τον προσδιορισμό της τάσης διαρροής Casson, δηλαδή της ελάχιστης διατμητικής τάσης που απαιτείται για να προκληθεί ροή, καθώς και του ιξώδους Casson, δηλαδή του τελικού ιξώδους στην περιοχή υψηλής διάτμησης. Η ακόλουθη εξίσωση περιγράφει την προσαρμογή του μοντέλου Casson:

Μια τυπική καμπύλη ροής με αυτόματη ανάλυση Casson παρουσιάζεται παρακάτω στο σχήμα 3, ενώ ο πίνακας 2 συνοψίζει τα αποτελέσματα της ανάλυσης Casson και για τους τέσσερις τύπους σοκολάτας.

Πίνακας 2: Αποτελέσματα της ανάλυσης Casson και για τις τέσσερις σοκολάτες.

rSpace Software - Απλή εφαρμογή SOP (Τυποποιημένες διαδικασίες λειτουργίας)

Το όριο διαρροής ορίζεται ως η διατμητική τάση πάνω από την οποία το ιξωδοελαστικό υλικό αρχίζει να ρέει. Όσο χαμηλότερη είναι η τάση διαρροής, τόσο μικρότερη είναι η αντίσταση της σοκολάτας στη ροή. Αποτελεί επομένως ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που θα καθορίσει τη δυνατότητα επεξεργασίας του σκευάσματος κακάο- για παράδειγμα, τη δύναμη που απαιτείται για την άντληση της λιωμένης σοκολάτας [4].

Παρόλο που η αναλυτική μέθοδος 46 έχει αποτελέσει αντικείμενο πολλών προτάσεων βελτίωσης σε διάφορες δημοσιεύσεις που προτείνουν, για παράδειγμα, αλλαγές στο διάστημα του ρυθμού διάτμησης ή την εφαρμογή διαφορετικών μαθηματικών μοντέλων για τη διόρθωση των παραμέτρων, η εφαρμογή της σε συνδυασμό με το μοντέλο Casson εξακολουθεί να αποτελεί το τυπικό πρωτόκολλο για τον προσδιορισμό του ιξώδους και του σημείου ροής της σοκολάτας [4]. Το μοντέλο Casson και η ακολουθία ανάλυσης είναι διαθέσιμα στη βιβλιοθήκη rSpace.

Το περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus διαθέτει τη δυνατότητα δημιουργίας μεθόδων ανάλυσης βάσει μεμονωμένων ρεολογικών δράσεων στο λογισμικό rSpace. Αυτές οι ακολουθίες μέτρησης μπορούν να δημιουργηθούν και να προσαρμοστούν ώστε να ικανοποιούν τις ανάγκες κάθε εργαστηριακής ρουτίνας. Εδώ, δημιουργήθηκε και εφαρμόστηκε μια ακολουθία μετρήσεων που περιέχει όλες τις λεπτομέρειες της αναλυτικής μεθόδου 46. Με ένα κλικ ξεκινά η μέτρηση- η επακόλουθη ανάλυση πραγματοποιείται χωρίς καμία παρέμβαση του χρήστη και τα τελικά αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένου του σημείου απόδοσης, δίνονται αυτόματα.