ココアマスの粒子径が口当たりに与える影響：トライボロジー測定

はじめに

トライボロジーとは、相互作用する表面が運動するシステムにおける摩擦、摩耗、潤滑の研究である。トライボロジーは食品科学において大きな関心を集めており、食品の構造と感覚との関係を理解するために用いられている。

トライボロジーの測定は、食物の摂取、咀嚼、嚥下時に関与するプロセスを代表するものであり、その結果、口当たりに関する洞察が得られる[1]。トライボロジーの測定には、口腔内の処理中に食品と唾液の混合物によって潤滑される舌と口蓋のペアなどのトライボシステムを使用する[2]。以下では、カカオマスの粒子径が、ソフトで低圧のトライボロジーにおける挙動に及ぼす影響について検討する。この応用に関する詳細は[3]を参照。

材料と試験条件

同じ組成を確保するため、同じバッチのカカオマスから3つの試料を調製した。各試料は横型ボールミル（NETZSCH Grinding & Dispersing）で粉砕した。

各試料のD90体積相当径は、マスターサイザー3000レーザー回折式粒度分布測定装置（Malvern Panalytical）を用いて測定した。調製した3つの試料は、粒度分布（D90）が異なっていた：粗いカカオマス試料は33μm、medium カカオマス試料は26μm、細かいカカオマス試料は20μmであった。

トライボロジー測定は、アクティブフード付きペルチェプレートカートリッジとボールオンスリーピントライボロジーセル(NETZSCH Analyzing & Testing)を装備したKinexus Prime ultra+ 回転型レオメーターを用いて行った。上部測定ジオメトリーには直径12.7mmのホウケイ酸ガラスボールを使用し、下部試料には口腔内の軟らかい舌と口蓋のトリボペアを表すSIL30シリコンウレタンエラストマーピン（カーボン社製）を使用した。ピンは水平に対して45°傾いている。シャフトは、トリボ接点での各摺動速度に対応する規定の角速度で回転する（左図1参照）。この回転運動に必要なトルクは、トライボロジー測定中に記録される。

測定は40℃、法線力1Nで行った。測定プログラムの詳細は表1に示す（[1]も参照）。

トライボロジー試験とは別に、3つの試料のせん断粘度曲線も測定した。これらの結果はここでは紹介しないが、[1]を参照されたい。その結果、せん断速度が速い（3 ^s-1以上）場合、せん断粘度は粗いカカオマスの試料で最も高く、細かいカカオマスの試料で最も低いことがわかりました。

表1：トライボロジー測定のパラメータ

結果と考察

図2は、粗いカカオマス、medium 、細かいカカオマスのトライボロジー測定から得られた拡張ストリベック曲線とストリベック曲線を示している。

最低すべり速度で観察される摩擦の増加（ストリベック曲線の延長）は、柔らかい試料の変形に起因する。3つの試料の曲線はすべて重なっている。このことは、この現象が粒子径に依存せず、代わりに軟質試料の本質的なバルク特性に支配されていることを示唆している。微細なカカオマス試料では、拡張ストリベック曲線（図2左）とストリベック曲線（図2右）の両方において、摩擦の局所的な極大が見られる。この挙動の原因として考えられるのは、small 粒子が回転するボールとエラストマーの間に固着することで、表面粗さが効果的に増大し、その結果摩擦が増大することである。

微細なカカオマス試料は最も高い限界摩擦を示すが（図3）、粗いカカオマス試料とmedium カカオマス試料ではこの係数に大きな違いはない。限界摩擦を超えると、粗いカカオマス試料の摩擦は著しく減少する。この挙動を説明する一つの可能性は、粗い粒子が大きすぎて回転するガラス球とエラストマーの間の空間に入り込めず、懸濁液の固形分体積率が低くなることである。その結果、トリボ接触部での摩擦が低くなる。

図4（流体力学領域のすべり速度範囲におけるStribeck曲線）は、流体力学領域における摩擦が粗いカカオマス試料で最も大きく、細かいカカオマス試料で最も小さいことを示している。粒子径が大きいほど、移行が起こる摺動速度は低くなる。これは、粗い試料のせん断速度が高いほどせん断粘度が高いことと一致する（[1]参照）。

結論

粒度分布の異なる3種類のカカオマス試料のトライボロジー特性を比較した。その結果、摩擦挙動の違いが検出されたが、これは異なる潤滑メカニズムに関連している可能性がある。その他の説明や示唆されるメカニズムについては、[1]に記載されています。