Warunki i pochodzenie
Czekolada była znana ludzkości już w czasach Azteków, ale w formie napoju zawierającego kakao. Termin "czekolada" pochodzi od azteckiego słowa Xocolatl oznaczającego gorzką wodę lub wodę kakaową. Napój ten był wytwarzany z nasion kakaowca i zimnej wody i był uważany za odurzający. W świecie Azteków był on zarezerwowany dla dorosłych mężczyzn o szlachetnym pochodzeniu i nie był uważany za odpowiedni dla kobiet i dzieci. Król Azteków, Montezuma, podobno pił kakao w ilościach large. Za jego panowania ziarna kakaowca były również używane jako forma waluty.
W 1528 roku hiszpańscy konkwistadorzy ery Hernána Cortésa przywieźli kakao do Europy; napój ten został po raz pierwszy skosztowany na hiszpańskim dworze w 1544 roku. W 1673 roku Holender Jantz von Huesden po raz pierwszy zaserwował czekoladę publiczności w Bremie. Jednak dopiero w XVIII i XIX wieku ziarna kakaowca były tam przetwarzane w larger ilościach. Ponieważ były one bardzo drogie, tylko bogata szlachta mogła sobie na nie pozwolić.
W 1804 r. A. Miehte założył fabrykę czekolady Halloren, najstarszą fabrykę czekolady w Niemczech, w mieście Halle an der Saale.
Pierwszą szwajcarską fabrykę czekolady założył François-Louis Cailler w 1819 roku w Vevey, a następnie Philippe Suchard (1824), Jean Tobler (1830), Rudolf Sprüngli (1845) oraz Daniel Peter i Henri Nestlé (1875). Proces konszowania, który largely przyczynił się do doskonałej reputacji szwajcarskiej czekolady, pochodzi od Rudolphe'a Lindta.
Śrut kakaowy, miazga kakaowa, masło kakaowe i kakao w proszku
Botaniczna nazwa kakaowca, Theobroma cacao, pochodzi z języka greckiego (theos: "Bóg"; broma: "pożywienie"). Nazwa ta wyraża wysokie uznanie dla tej rośliny. Theobroma cacao jest rośliną kauliflorous, a więc rozwija zarówno swoje kwiaty, jak i później owoce na już zdrewniałym pniu (rysunek 1).
Żółte owoce o długości 15-20 cm ważą około pół kilograma i zawierają od 30 do 60 białych ziaren. Po zbiorach są one poddawane fermentacji i suszone. Podczas fermentacji, która trwa około 10 dni, wiele gorzkich substancji ulega rozkładowi, a ziarna kakaowca nabierają charakterystycznego smaku i koloru.
Rysunek 2 przedstawia sfermentowane, nieobrane ziarna. Zazwyczaj w tym stanie ziarna są wysyłane do innych krajów, gdzie są następnie przetwarzane na czekoladę. Miazga kakaowa - która jest ważna dla produkcji czekolady - jest uzyskiwana podczas rozdrabniania ziaren; następnie jest przetwarzana na proszek kakaowy i masło kakaowe.
Miazga kakaowa jest w rzeczywistości terminem określającym ziarna kakaowca pozostałe po wysuszeniu ziaren i usunięciu z nich łusek. Gdy ziarna są mielone, zawarty w nich tłuszcz - masło kakaowe - wypływa i wiąże ziarna w lepką, ciemnobrązową masę. Po sprasowaniu tej masy kakaowej, masło kakaowe wypływa, a sprasowane ciasto można zmielić na proszek kakaowy. W zależności od resztkowej zawartości tłuszczu, proszek ten jest określany jako silnie odtłuszczony (ok. 11% do 12% tłuszczu) lub lekko odtłuszczony (ok. 20% do 22% tłuszczu).
Składniki i działanie
Oprócz stosunkowo wysokiej zawartości tłuszczu (54% masła kakaowego), kakao zawiera również kilka substancji znanych z działania poprawiającego nastrój. Są to serotonina, dopamina i teobromina (3,7-dimetyloksantyna, C7H8N4O2), substancja z klasy metyloksantyn bardzo podobna do kofeiny. Chociaż tylko small stężenia tych składników są zawarte w kakao, muszą one być przyczyną powszechnego przekonania, że "czekolada uszczęśliwia". Aspekty zdrowotne spożywania kakao nie zostały jeszcze ostatecznie ustalone i nadal są przedmiotem aktualnych badańarch. Jednakże w licznych badaniach potwierdzono efekty prozdrowotne, szczególnie w przypadku czekolady o wysokiej zawartości kakao (> 50%). Te pozytywne efekty obejmują redukcję złogów w naczyniach krwionośnych, obniżenie ciśnienia krwi i poziomu cholesterolu LDL, a także poprawę funkcjonalności skóry i ogólnej sprawności fizycznej.
Rysunek 3 przedstawia asortyment tabliczek czekolady o różnej zawartości kakao.
Polimorfizm masła kakaowego
Pod względem chemicznym masło kakaowe składa się głównie z trójglicerydów różnych kwasów tłuszczowych, głównie kwasu palmitynowego, stearynowego, oleinowego i linolowego. Ze względu na wyraźny PolimorfizmPolimorfizm to zdolność materiału stałego do tworzenia różnych struktur krystalicznych (synonimy: formy, modyfikacje).polimorfizm masła kakaowego, wiadomo, że ma ono sześć struktur krystalicznych, które topią się w zakresie temperatur od 17°C do 36°C. W przypadku produkcji czekolady szczególnie ważne jest, aby polimorf V - tak zwana "modyfikacja ß" - powstawał podczas krzepnięcia płynnej masy czekoladowej. Osiąga się to poprzez specjalną obróbkę cieplną zwaną "odpuszczaniem". Podczas odpuszczania masa czekoladowa jest poddawana określonemu chłodzeniu, a następnie jest ponownie podgrzewana w celu ponownego stopienia niepożądanych niskotopliwych kryształów. Trudno jest tutaj znaleźć właściwą temperaturę, ponieważ tworzenie się jąder krystalizacji w maśle kakaowym zachodzi bardzo powoli; tj. proces krystalizacji jest bardzo powolny, a masa czekoladowa może być znacznie przechłodzona, zanim KrystalizacjaKrystalizacja to fizyczny proces twardnienia podczas tworzenia i wzrostu kryształów. Podczas tego procesu uwalniane jest ciepło krystalizacji.krystalizacja stanie się zauważalna. Jednak w przypadku ogrzewania, gdy niskotopliwe formy krystaliczne już się upłynniły, ale wystarczająca ilość wysokotopliwych kryształów - które są najbardziej stabilną modyfikacją ß pod względem termodynamicznym - nadal pozostaje, wówczas służą one jako jądra krystalizacji dla późniejszego chłodzenia. Dlatego podczas ponownego chłodzenia powstaje prawie wyłącznie pożądana modyfikacja ß.
Proces ten można łatwo odtworzyć i przeanalizować za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Zachowanie podczas topnienia pewnej czekolady (z 60% zawartością kakao) przedstawiono na rysunku 4. W przypadku modyfikacji ß, która jest celem podczas produkcji czekolady, topnienie rozpoczyna się powoli w temperaturze około 25°C i osiąga maksimum podczas pierwszego ogrzewania (kolor czerwony) w temperaturze 33,2°C. Podczas chłodzenia (niebieski) początek krystalizacji w 22,7°C można wykryć jako ekstrapolowany punkt końcowy.
Jednak część stopionego materiału może zostać przechłodzona do 15°C, zanim te porcje zaczną krystalizować. Przy szybkości chłodzenia 5 K/min, próbka potrzebuje około -5°C, aby zakończyć krystalizację. Na podstawie szczytowej postaci krzywej chłodzenia można już zauważyć, że - w przeciwieństwie do poprzedniej sytuacji w produkcji przemysłowej - w wyniku chłodzenia w urządzeniu DSC doszło do wielu modyfikacji masła kakaowego, które topi się w niższych temperaturach. Potwierdzają to dodatkowo wyniki drugiego ogrzewania (kolor czarny).
Modyfikacje powstałe w przyrządzie DSC podczas chłodzenia zaczynają się topić już w temperaturze nieco ponad 10°C, na co wskazuje endotermiczne ciepło reakcji. Topnienie kończy się już w temperaturze 28°C, czyli w temperaturze, w której oryginalna czekolada ledwo zaczęła się topić podczas pierwszego podgrzewania. Kolejnym ważnym odkryciem jest całka z obszarów topnienia i krystalizacji. Są one proporcjonalne do wartości ciepła utajonego i dlatego są miarą stopnia krystaliczności próbki. Chociaż krystaliczne części próbki w jej pierwotnym stanie doprowadziły do entalpii topnienia 49,5 J/g (pierwsze ogrzewanie, czerwona krzywa), wykryto entalpię topnienia tylko 30,0 J/g (czarna krzywa).
Odpowiada to stopniowi krystaliczności uzyskanemu podczas krzywej chłodzenia (porównaj krzywą chłodzenia, kolor niebieski). Oznacza to nie tylko, że - podczas chłodzenia w DSC z liniową szybkością 5 K/min - wystąpiły inne niskotopliwe modyfikacje niż w przypadku oryginalnych warunków produkcji czekolady, ale także, żeKrystaliczność / stopień krystalicznościKrystaliczność odnosi się do stopnia uporządkowania strukturalnego ciała stałego. W krysztale układ atomów lub cząsteczek jest spójny i powtarzalny. Wiele materiałów, takich jak ceramika szklana i niektóre polimery, można przygotować w taki sposób, aby uzyskać mieszaninę obszarów krystalicznych i amorficznych. stopień krystaliczności wyraźnie się zmniejszył. To z kolei potwierdza, że - jak wspomniano powyżej - wymagana jest specjalna obróbka termiczna w celu docelowego wytworzenia large proporcji wysokotopliwej modyfikacji ß.
Zmiana stopnia krystalizacji czekolady za pomocą odpuszczania
W przemysłowej produkcji czekolady płynna masa czekoladowa jest poddawana obróbce mechanicznej i termicznej w celu uzyskania pożądanej modyfikacji ß o wysokiej temperaturze topnienia i powstrzymania krystalizacji masła kakaowego. Symulację takiej obróbki można częściowo osiągnąć w urządzeniu DSC, ale, co zrozumiałe, bez elementu mechanicznego. Rysunek 5 przedstawia zmiany w porcjach powierzchni piku topnienia powyżej 20°C i powyżej 24°C dla serii testów odpuszczania. Test krystalizacji 1 opisuje wyniki, gdy stosowana jest liniowa szybkość chłodzenia 5 K/min. Testy od 2 do 5 różnią się temperaturą starzenia (1) i temperaturą, w której jądra krystalizacji niepożądanego polimorfizmu są ponownie stopione (2). Test krystalizacji 5 wykazuje wyraźny wzrost krystaliczności w porównaniu do chłodzenia liniowego. Osiągnięto to poprzez odpuszczanie próbki przez 10 minut w temperaturze 14°, a następnie podgrzanie jej do 30°C. Odpowiedni program temperaturowy przedstawiono na rysunku 6.
Zależność między zawartością kakao a entalpią topnienia
Po zbadaniu czekolad o różnej zawartości kakao można zauważyć, że zależność między nimi jest largely liniowa. Wraz ze wzrostem zawartości kakao wzrasta również ilość krystalicznego masła kakaowego, a tym samym ilość energii niezbędnej do stopienia. Entalpię topnienia można bezpośrednio określić na podstawie powierzchni piku pierwszego ogrzewania. Zastosowanie nominalnej zawartości kakao i wykrytej entalpii topnienia daje liniową zależność przedstawioną na rysunku 7. Podane wartości są wartościami średnimi dla pięciu pomiarów. Przedstawione słupki błędów nie reprezentują rzeczywistych błędów pomiarowych, a jedynie ilustrują, że ta liniowa zależność ma zastosowanie z korelacją + 3%.
Ponieważ obszar piku topnienia pomaga nie tylko w ilościowym określeniu zachowania topnienia różnych próbek czekolady, ale także - dzięki wykorzystaniu położenia i kształtu piku - w określeniu zakresu temperatur i procesu topnienia, możliwe jest określenie, dla każdej próbki indywidualnie, ile zawartego tłuszczu (masła kakaowego) jest nadal w stanie stałym w odpowiedniej temperaturze, a ile jest już płynne. Informacja ta jest również znana jako wskaźnik zawartości tłuszczu stałego (SFI). Łatwo jest dojść do takiego stwierdzenia, jeśli obszar piku jest skalowany do 100%, a przebieg jest przedstawiony jako całka powierzchniowa. Taka aplikacja jest pokazana dla wszystkich badanych próbek czekolady na rysunku 8. Po pierwsze, można wyraźnie zobaczyć, w jakiej temperaturze dokładnie połowa odpowiedniej zawartości tłuszczu jest nadal stała; a po drugie, można łatwo wywnioskować, jaka część zawartego tłuszczu jest już stopiona w danej temperaturze (tutaj 30°C).
Literatura zawiera wiele przykładów podkreślających informacje oferowane przez wyniki pomiarów DSC, oprócz tych przedstawionych tutaj, do badania zachowania czekolady podczas topnienia i krystalizacji. Cammenga i in. opisują zastosowanie różnicowej kalorymetrii skaningowej dla słodyczy w ogóle. Cukier i substytuty cukru zwykle stanowią większość masy takich produktów, a mierzalne właściwości, takie jak Temperatura zeszkleniaPrzejście szkliste jest jedną z najważniejszych właściwości materiałów amorficznych i półkrystalicznych, np. szkieł nieorganicznych, metali amorficznych, polimerów, farmaceutyków i składników żywności itp. i opisuje obszar temperatury, w którym właściwości mechaniczne materiałów zmieniają się z twardych i kruchych na bardziej miękkie, odkształcalne lub gumowate.temperatura zeszklenia, krystaliczność, Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo).temperatura topnienia i entalpie przemian fazowych - by wymienić tylko kilka - mają duży wpływ na właściwości fizykochemiczne i technologiczne, a także na stabilność przechowywania [1].
W całej serii prac Ziegleder i in. opisują długoterminową stabilność [2] i tworzenie się wykwitów tłuszczowych w czekoladzie [3].
Chapman i wsp. [4] oraz Merken i wsp. [5] skupili się w swoich pracach na polimorfizmie i przetwarzalności czekolady, podczas gdy Tscheuschner i wsp. [6] oraz Ziegleder i wsp. [7] przeprowadzili liczne badania dotyczące warunków chłodzenia i krystalizacji czekolady i masy czekoladowej.
Podsumowanie
Masło kakaowe krystalizuje w sześciu różnych strukturach (PolimorfizmPolimorfizm to zdolność materiału stałego do tworzenia różnych struktur krystalicznych (synonimy: formy, modyfikacje).polimorfizm), z których jedna - tak zwana modyfikacja ß - jest preferowana do produkcji czekolady. Aby osiągnąć ten rezultat, konieczna jest specjalna procedura obróbki termicznej zwana "temperowaniem". Za pomocą DSC (różnicowej kalorymetrii skaningowej) można nie tylko określić temperaturę topnienia masła kakaowego, która dostarcza informacji o modyfikacjach zachodzących podczas produkcji, ale można również określić entalpię przemiany (entalpię topnienia), która pozwala również na ilościowe określenie krystalicznych części masła kakaowego. largeBadając różne czekolady o zawartości kakao od 32% do 99%, można było potwierdzić, że istnieje liniowa zależność między określoną zawartością kakao a entalpią topnienia określoną za pomocą DSC. Ponadto wykazano, że możliwe jest również zbadanie wpływu odpuszczania na ilość i zróżnicowanie poszczególnych krystalicznych modyfikacji masła kakaowego. Szybkość chłodzenia w połączeniu z fazami izotermicznymi i późniejsze krótkotrwałe podgrzewanie masy czekoladowej mają wpływ na wynikowyKrystaliczność / stopień krystalicznościKrystaliczność odnosi się do stopnia uporządkowania strukturalnego ciała stałego. W krysztale układ atomów lub cząsteczek jest spójny i powtarzalny. Wiele materiałów, takich jak ceramika szklana i niektóre polimery, można przygotować w taki sposób, aby uzyskać mieszaninę obszarów krystalicznych i amorficznych. stopień krystaliczności. Możliwe jest zatem odtworzenie temperowania masy czekoladowej występującego w produkcji w ramach analizy DSC poprzez zmianę kontroli temperatury. Oprócz elastycznej kontroli temperatury programów pomiarowych w analizie DSC, informacje zawarte w wynikach DSC dają szereg dalszych możliwości zabezpieczenia produkcji czekolady w obszarach takich jak kontrola towarów przychodzących, kontrola produkcji i kontrola jakości.