약관 및 출처
초콜릿은 아즈텍 시대부터 인류에게 알려졌지만 코코아를 함유한 음료의 형태였습니다. "초콜릿"이라는 용어는 쓴 물 또는 코코아 물을 뜻하는 아즈텍어 Xocolatl에서 유래되었습니다. 이 음료는 카카오 식물의 씨앗과 차가운 물로 만들어졌으며 술에 취하게 하는 것으로 여겨졌습니다. 아즈텍 세계에서는 고귀한 혈통의 성인 남성에게만 제공되었으며 여성과 어린이에게는 적합하지 않은 것으로 여겨졌습니다. 아즈텍의 왕 몬테주마는 large 엄청난 양의 코코아를 마셨다고 합니다. 그의 통치 기간 동안 코코아 콩은 화폐의 한 형태로도 사용되었습니다.
1528년 에르난 코르테스 시대의 스페인 정복자들이 코코아를 유럽으로 가져왔고, 1544년 스페인 궁정에서 처음으로 코코아 음료가 시음되었습니다. 1673년 네덜란드인 얀츠 폰 휴스덴이 브레멘에서 처음으로 대중에게 초콜릿을 제공했습니다. 그러나 18세기와 19세기에 이르러서야 코코아 콩이 대량으로 취급되기 시작했습니다. 코코아 콩은 매우 비싸서 부유한 귀족들만 살 수 있었죠.
1804년, A. 미에테는 독일에서 가장 오래된 초콜릿 공장인 할로렌 초콜릿 공장을 할레 안 데어 살레 마을에 설립했습니다.
스위스 최초의 초콜릿 공장은 1819년 브베에서 프랑수아-루이 카이에가 설립한 이후 필립 슈샤르(1824), 장 토블러(1830), 루돌프 스프렁글리(1845), 다니엘 피터와 앙리 네슬레(1875)가 뒤를 이어 설립했습니다. 스위스 초콜릿의 뛰어난 명성에 크게 기여한 콘칭 공정은 루돌프 린트에게로 거슬러 올라갑니다.
코코아 펜촉, 코코아 매스, 코코아 버터 및 코코아 파우더
카카오나무의 식물명인 테오브로마 카카오는 그리스어(테오스: "신", 브로마: "음식")에서 유래했습니다. 이 이름은 이 식물에 대한 높은 평가를 표현합니다. 테오브로마 카카오는 콜리플라워 식물로, 이미 갈탄화된 줄기에서 꽃과 열매가 모두 발달합니다(그림 1).
15~20cm 길이의 노란색 열매는 무게가 약 0.5kg이며 30~60개의 흰색 씨앗 콩이 들어 있습니다. 수확 후 분리하여 발효 및 건조시킵니다. 약 10일 정도 걸리는 발효 과정에서 많은 쓴 물질이 분해되고 코코아 콩 특유의 풍미와 색이 생깁니다.
그림 2는 껍질을 벗기지 않은 발효된 원두를 보여줍니다. 일반적으로 이 상태의 원두는 다른 나라로 운송되어 초콜릿으로 가공됩니다. 초콜릿 생산에 중요한 코코아 매스는 콩을 잘게 부수면 생성되며, 이를 코코아 파우더와 코코아 버터로 가공합니다.
코코아 매스는 실제로 콩을 말리고 껍질 부분을 제거한 후 남은 코코아 닙을 가리키는 용어입니다. 이 닙을 갈면 코코아 버터에 포함된 지방이 흘러나와 닙을 점성이 있는 짙은 갈색 덩어리로 묶어줍니다. 이 코코아 덩어리를 압착하면 코코아 버터가 흘러나오고 압착된 케이크는 코코아 가루로 분쇄할 수 있습니다. 이 분말은 잔류 지방 함량에 따라 강력 탈유(약 11%~12% 지방) 또는 약 탈유(약 20%~22% 지방)로 지정됩니다.
성분 및 효과
코코아에는 상대적으로 높은 지방 함량(코코아 버터 54%) 외에도 기분 개선 효과가 있는 것으로 알려진 몇 가지 물질이 함유되어 있습니다. 카페인과 매우 유사한 메틸잔틴 계열의 물질인 세로토닌, 도파민, 테오브로민(3.7-디메틸잔틴, C7H8N4O2)이 바로 그것입니다. 코코아에는 이러한 성분이 small 농도로만 함유되어 있지만, "초콜릿이 행복해진다"는 일반적인 생각의 배경에는 이러한 성분이 있는 것이 틀림없습니다. 코코아 섭취의 건강 측면은 아직 결정적으로 밝혀지지 않았으며 현재 연구 중인 주제입니다. 하지만 코코아 함량이 높은 초콜릿(50% 이상)의 경우 건강 증진 효과가 있다는 사실은 여러 개별 연구에서 확인된 바 있습니다. 이러한 긍정적인 효과에는 혈관 침전물 감소, 혈압 및 LDL 콜레스테롤 수치 저하, 피부 기능 및 전반적인 신체 기능 개선 등이 포함됩니다.
그림 3은 다양한 수준의 코코아 함량을 가진 다양한 초콜릿 바를 보여줍니다.
코코아 버터의 다형성
화학적으로 코코아 버터는 주로 팔미트산, 스테아르산, 올레산, 리놀레산 등 다양한 지방산의 트리글리세라이드로 구성되어 있습니다. 코코아 버터의 뚜렷한 다형성으로 인해 17°C에서 36°C 사이의 온도 범위에서 녹는 6가지 결정 구조를 가진 것으로 알려져 있습니다. 초콜릿을 생산하기 위해서는 액체 초콜릿 덩어리가 응고되는 동안 소위 "ß-변성 양이온"이라고 불리는 V 다형체가 형성되는 것이 특히 중요합니다. 이는 "템퍼링"이라는 특수 열처리를 통해 이루어집니다. 템퍼링 과정에서 초콜릿 덩어리는 냉각을 거친 후 재가열되어 원하지 않는 저융점 결정을 다시 녹입니다. 코코아 버터에서 결정화 핵의 형성이 매우 느리게 일어나기 때문에 결정화 과정이 매우 느리고 결정화가 눈에 띄기 전에 초콜릿 덩어리가 매우 과냉각될 수 있기 때문에 정확한 온도를 찾는 것이 어렵습니다. 그러나 가열 시 저융점 결정 형태는 이미 액화되었지만 열역학적 측면에서 가장 안정적인 ß-변형인 고융점 결정이 상당량 남아 있는 경우, 이 결정은 후속 냉각 시 결정화 핵으로 작용하게 됩니다. 따라서 재냉각 중에는 거의 독점적으로 원하는 ß-변형이 형성됩니다.
이 과정은 시차 주사 열량 측정법 (DSC)을 통해 쉽게 재현하고 분석할 수 있습니다. 특정 초콜릿(코코아 함량 60%)의 녹는 거동은 그림 4에 나와 있습니다. 초콜릿 생산 과정에서 목표로 하는 ß 변형의 경우, 약 25°C에서 천천히 녹기 시작하여 33.2°C의 첫 번째 가열(빨간색)에서 최대치에 도달합니다. 냉각(파란색) 중에는 22.7°C에서 결정화가 시작되는 것을 추정된 엔드셋으로 감지할 수 있습니다.
그러나 용융물의 일부는 결정화가 시작되기 전에 15°C까지 과냉각할 수 있습니다. 5K/min의 냉각 속도에서 이 샘플은 결정화가 완료되기까지 약 -5°C까지 걸립니다. 냉각 곡선의 피크 형태에서 이미 이전의 산업 생산 상황과는 대조적으로 더 낮은 온도에서 녹는 코코아 버터의 여러 변형이 DSC 기기 내에서 냉각된 결과로 발생했음을 알 수 있습니다. 이는 두 번째 가열 결과(검은색)에서도 추가로 확인됩니다.
냉각 중 DSC 기기에서 형성된 변형은 10°C가 조금 넘는 온도에서 이미 녹기 시작하며, 이는 흡열 반응열로 표시됩니다. 녹는 것은 이미 28°C에서 완료되었는데, 이는 첫 번째 가열 시 원래 초콜릿이 겨우 녹기 시작했던 온도입니다. 또 다른 중요한 발견은 용융과 결정화 영역의 적분으로 알 수 있습니다. 이는 잠열 값에 비례하므로 시료의 결정화 정도를 측정할 수 있습니다. 원래 상태의 시료 결정 부분에서는 49.5 J/g의 용융 엔탈피가 발생했지만(첫 번째 가열, 빨간색 곡선), 30.0 J/g의 용융 엔탈피만 검출되었습니다(검은색 곡선).
이는 냉각 곡선 중에 얻어진 결정성 정도에 해당합니다(냉각 곡선 비교, 파란색). 이는 5 K/min의 선형 속도로 DSC에서 냉각하는 동안 원래 초콜릿 생산 환경과 다른 저융점 변형이 발생했을 뿐만 아니라 결정성 정도가 눈에 띄게 감소했음을 의미합니다. 이는 위에서 언급한 바와 같이 고융점 ß 변형의 목표 비율을 large 생성하기 위해서는 특별한 온도 처리가 필요하다는 것을 확인시켜 줍니다.
템퍼링에의한 초콜릿의 결정화 정도 변화 템퍼링의방법
초콜릿의 산업 생산에서 액체 초콜릿 덩어리는 원하는 고융점 ß-변성 양이온을 구체적으로 얻고 코코아 버터의 결정화를 억제하기 위해 기계적 및 열적 처리를 거치게 됩니다. 이러한 처리의 시뮬레이션은 DSC 기기에서 부분적으로 이루어질 수 있지만, 당연히 기계적 구성 요소 없이도 가능합니다. 그림 5는 일련의 템퍼링 테스트에 대한 20°C 이상과 24°C 이상에서의 용융 피크 영역 부분의 변화를 보여줍니다. 결정화 테스트 1은 5K/min의 선형 냉각 속도를 사용했을 때의 결과를 설명합니다. 테스트 2~5는 노화 온도(1)와 원하지 않는 다형성의 결정화 핵이 다시 용융되는 온도(2)를 변화시킵니다. 결정화 테스트 5는 선형 냉각과 비교했을 때 결정성이 뚜렷하게 증가했음을 보여줍니다. 이는 샘플을 14°C에서 10분간 템퍼링한 후 30°C로 가열함으로써 달성되었습니다. 해당 온도 프로그램은 그림 6에 나와 있습니다.
코코아 함량과 용융의 관계 열량
다양한 수준의 코코아 함량을 가진 초콜릿을 조사한 결과, 초콜릿 간의 관계는 대체로 선형적이라는 것을 알 수 있습니다. 코코아 함량이 증가함에 따라 결정성 코코아 버터의 양도 증가하고 따라서 녹는 데 필요한 에너지의 양도 증가합니다. 용융 엔탈피는 첫 번째 가열의 피크 영역에서 직접 결정할 수 있습니다. 공칭 코코아 함량과 감지된 용융 엔탈피를 적용하면 그림 7에 표시된 선형 관계를 얻을 수 있습니다. 나열된 값은 각각 다섯 번의 측정값에 대한 평균값입니다. 표시된 오차 막대는 실제 측정 오차를 나타내는 것이 아니라 이 선형 관계가 + 3%의 상관관계로 적용된다는 것을 보여줄 뿐입니다.
용융 피크 면적은 다양한 초콜릿 샘플의 용융 거동을 정량화하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 피크의 위치와 형태를 사용하여 온도 범위와 용융 과정을 결정하는 데도 도움이 되므로 각 샘플에 대해 개별적으로 해당 온도에서 포함된 지방(코코아 버터)의 양이 여전히 고체이고 이미 액체인 양을 지정할 수 있습니다. 이 정보를 고형 지방 지수(SFI)라고도 합니다. 피크 영역이 100%로 스케일링되고 코스가 표면 적분으로 표시되는 경우 이러한 주장에 쉽게 도달할 수 있습니다. 이러한 적용은 그림 8에 조사된 모든 초콜릿 샘플에 대해 나와 있습니다. 우선, 해당 지방 함량의 정확히 절반이 여전히 고체 상태인 온도를 명확하게 확인할 수 있으며, 둘째, 주어진 온도(여기서는 30°C)에서 이미 녹은 지방의 어느 부분을 쉽게 추론할 수 있습니다.
문헌에는 초콜릿의 용융 및 결정화 거동을 조사하기 위해 여기에 표시된 것 외에도 DSC 측정 결과가 제공하는 정보를 강조하는 많은 예가 포함되어 있습니다. Cammenga 등은 일반적으로 과자에 대한 시차 주사 열량계의 사용에 대해 설명합니다. 설탕과 설탕 대체물은 일반적으로 질량 기준으로 이러한 제품의 대부분을 구성하며 유리 전이 온도, 결정성, 용융 온도 및 상변환 엔탈피와 같은 측정 가능한 특성은 저장 안정성뿐만 아니라 생리 화학적 및 기술적 특성에 큰 영향을 미칩니다 [1].
지글레더 등은 일련의 연구를 통해 초콜릿의 장기 안정성[2]과 팻 블룸 형성[3]에 대해 설명합니다.
채프먼 등[4]과 메르켄 등[5]은 초콜릿의 다형성과 가공성에 초점을 맞춘 연구를 수행했으며, 츄스너 등[6]과 지글레더 등[7]은 초콜릿과 초콜릿 덩어리의 냉각 조건과 결정화에 관한 수많은 조사를 수행했습니다.
요약
코코아 버터는 6가지 구조(다형성)로 결정화되며, 그 중 초콜릿 생산에는 소위 ß-변형이라는 구조가 선호됩니다. 이러한 결과를 얻으려면 "템퍼링"이라는 특수 온도 처리 절차가 필요합니다. DSC(시차 주사 열량계)를 사용하면 코코아 버터의 용융 온도를 측정하여 생산 중에 발생하는 변형 양이온에 대한 정보를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 코코아 버터 결정 부분의 변형 엔탈피(용융 엔탈피)를 정량화할 수 있는 변환 엔탈피도 측정할 수 있습니다. 코코아 함량이 32%에서 99% 사이인 다양한 초콜릿을 조사해 본 결과, 특정 코코아 함량과 DSC로 측정한 용융 엔탈피 사이에 대체로 선형적인 관계가 있음을 확인할 수 있었습니다. 또한 템퍼링이 코코아 버터의 개별 결정 변성기의 양과 분화에 미치는 영향도 조사할 수 있는 것으로 나타났습니다. 등온 상과 관련된 냉각 속도와 초콜릿 덩어리의 단기간 재가열은 모두 결과 결정도에 영향을 미칩니다. 따라서 온도 제어를 변화시킴으로써 생산 과정에서 발생하는 초콜릿 덩어리의 템퍼링을 DSC 분석 내에서 재현할 수 있습니다. DSC 분석에서 측정 프로그램의 온도 제어가 가능한 것 외에도 DSC 결과에 포함된 정보는 입고 제품 검사, 생산 관리 및 품질 관리와 같은 분야에서 초콜릿 생산을 위한 여러 가지 추가적인 안전 보호 가능성을 제공합니다.