Villkor och ursprung
Choklad var känt för mänskligheten så långt tillbaka som hos aztekerna, men då i form av en kakaohaltig dryck. Termen "choklad" härstammar från aztekernas ord Xocolatl som betyder bittert vatten eller kakaovatten. Drycken gjordes av kakaoväxtens frön och kallt vatten och ansågs vara berusande. I aztekernas värld var den reserverad för vuxna män av ädel härkomst och ansågs inte lämplig för kvinnor och barn. Aztekernas kung, Montezuma, drack enligt uppgift large mängder kakao. Under hans styre användes kakaobönor också som en form av valuta.
År 1528 förde de spanska erövrarna under Hernán Cortés tid kakao till Europa; drycken smakades för första gången vid det spanska hovet 1544. År 1673 serverade holländaren Jantz von Huesden för första gången choklad till allmänheten i Bremen. Det var dock inte förrän på 1700- och 1800-talen som kakaobönor behandlades i större mängder. Eftersom de var mycket dyra var det bara den rika adeln som hade råd med dem.
År 1804 grundade A. Miehte chokladfabriken Halloren, Tysklands äldsta chokladfabrik, i staden Halle an der Saale.
Den första schweiziska chokladfabriken grundades av François-Louis Cailler 1819 i Vevey, följd av Philippe Suchard (1824), Jean Tobler (1830), Rudolf Sprüngli (1845) samt Daniel Peter och Henri Nestlé (1875). Concheringsprocessen, som i hög grad bidrog till den schweiziska chokladens utmärkta rykte, går tillbaka till Rudolphe Lindt.
Kakaonibs, kakaomassa, kakaosmör och kakao Pulver
Det botaniska namnet på kakaoträdet, Theobroma cacao, härstammar från grekiskan (theos: "Gud"; broma: "mat"). Detta namn uttrycker den höga uppskattningen för denna växt. Theobroma cacao är en blomkålsväxt och utvecklar därför både sina blommor och senare sina frukter på den redan förvedade stammen (figur 1).
De 15 - 20 cm långa gula frukterna väger ungefär ett halvt kilo och innehåller 30 till 60 vita fröbönor. Efter skörden fermenteras och torkas dessa separat. Under jäsningen, som tar cirka 10 dagar, bryts många bittra ämnen ner och kakaobönorna utvecklar sin karakteristiska smak och färg.
Figur 2 visar de fermenterade, oskalade bönorna. Det är vanligtvis i detta tillstånd som bönorna fraktas till andra länder, där de sedan bearbetas till choklad. Kakaomassan - som är viktig för chokladtillverkningen - bildas när bönorna bryts sönder och bearbetas sedan till kakaopulver och kakaosmör.
Kakaomassa är egentligen benämningen på de kakaonibs som blir kvar efter att bönorna torkats och skaldelarna avlägsnats. När dessa nibs mals flyter det fett som finns i dem - kakaosmöret - ut och binder nibsen till en trögflytande, mörkbrun massa. När denna kakaomassa pressas flyter kakaosmöret ut och den pressade kakan kan malas till kakaopulver. Beroende på den kvarvarande fetthalten betecknas detta pulver som starkt avoljat (ca 11-12% fett) eller lätt avoljat (ca 20-22% fett).
Ingredienser och effekt
Förutom den relativt höga fetthalten (54% kakaosmör) innehåller kakao också några ämnen som är kända för att ha en stämningshöjande effekt. Dessa är serotonin, dopamin och teobromin (3,7-dimetylxanthin, C7H8N4O2), ett ämne från metylxanthinklassen som är mycket likt koffein. Även om endast small koncentrationer av dessa ingredienser finns i kakao, måste de vara orsaken bakom den vanliga uppfattningen att "choklad gör dig lycklig". Hälsoaspekterna av kakaokonsumtion har ännu inte slutgiltigt fastställts och är fortfarande föremål för pågående forskningsarbete. I ett flertal separata studier har dock hälsofrämjande effekter bekräftats, särskilt för choklad med hög kakaohalt (> 50%). Dessa positiva effekter omfattar bland annat minskning av avlagringar i blodkärlen, sänkning av blodtrycket och LDL-kolesterolnivåerna samt förbättrad hudfunktion och allmän fysisk prestationsförmåga.
Figur 3 visar ett sortiment av chokladkakor med olika kakaohalt.
Polymorfism hos kakaosmör
Kemiskt sett består kakaosmör huvudsakligen av triglycerider från olika fettsyror, främst palmitinsyra, stearinsyra, oljesyra och linolsyra. På grund av kakaosmörets utpräglade PolymorfismPolymorfism är förmågan hos ett fast material att bilda olika kristallina strukturer (synonymer: former, modifieringar).polymorfism är det känt att det har sex kristallstrukturer som smälter i temperaturområdet mellan 17°C och 36°C. Vid chokladtillverkning är det särskilt viktigt att V-polymorfen - den s.k. "ß-modifieringen" - bildas under stelningen av den flytande chokladmassan. Detta uppnås genom en speciell värmebehandling som kallas "temperering". Under tempereringen utsätts chokladmassan för en bestämd nedkylning och värms sedan upp igen för att återsmälta oönskade lågsmältande kristaller. Det är svårt att hitta rätt temperatur här eftersom bildandet av kristallisationskärnor i kakaosmör sker mycket långsamt, dvs kristallisationsprocessen är mycket långsam och chokladmassan kan vara mycket överkyld innan kristallisationen blir märkbar. Men i uppvärmningsfall där de lågsmältande kristallformerna redan har smält, men tillräckligt stora mängder högsmältande kristaller - som är den mest stabila ß-modifieringen i termodynamiska termer - fortfarande finns kvar, slutar dessa att fungera som kristallisationskärnor för den efterföljande kylningen. Under återkylningen är det därför nästan uteslutande den önskade ß-modifieringen som bildas.
Denna process kan enkelt reproduceras och analyseras med hjälp av DSC ( Differential Scanning Calorimetry ). Smältbeteendet hos en viss choklad (med 60% kakaohalt) visas i figur 4. För den ß-modifiering som eftersträvas vid tillverkningen av choklad börjar smältningen långsamt vid ca 25°C och når sin maximala topp vid den första uppvärmningen (röd) vid 33,2°C. Under kylningen (blå) kan kristallisationsstarten vid 22,7°C upptäckas som ett extrapolerat slutvärde.
En del av smältan kan dock överkylas till 15°C innan dessa delar börjar kristallisera. Vid en kylhastighet på 5 K/min tar det för detta prov till ca -5°C innan kristalliseringen är avslutad. Det framgår redan av kylkurvans toppform att - i motsats till den föregående industriella produktionssituationen - flera modifieringar av kakaosmöret som smälter vid lägre temperaturer har inträffat som ett resultat av att det har kylts i DSC-instrumentet. Detta bekräftas dessutom av resultaten från den andra uppvärmningen (svart).
De modifieringar som bildas i DSC-instrumentet under kylningen börjar smälta redan vid drygt 10°C, vilket framgår av den endotermiska reaktionsvärmen. Smältningen är avslutad redan vid 28 °C, en temperatur vid vilken den ursprungliga chokladen knappt hade börjat smälta under den första uppvärmningen. Ett annat viktigt resultat är integralen av smält- och kristallisationsområdena. Dessa är proportionella mot latentvärmevärdena och är därför ett mått på provets kristallinitetsgrad. Även om de kristallina delarna av provet i sitt ursprungliga tillstånd ledde till en smältentalpi på 49,5 J/g (första uppvärmningen, röd kurva), upptäcktes en smältentalpi på endast 30,0 J/g (svart kurva).
Detta motsvarar den kristallinitetsgrad som erhölls under kylningskurvan (jämför kylningskurva, blå). Detta innebär inte bara att det under kylningen i DSC med en linjär hastighet på 5 K/min har skett andra lågsmältande modifieringar än under de ursprungliga produktionsförhållandena för choklad, utan också att kristallinitetsgraden har minskat märkbart. Detta bekräftar i sin tur att det - som nämnts ovan - krävs en särskild temperaturbehandling för att på ett målinriktat sätt generera en large andel av den högsmältande ß-modifieringen.
Variation av kristallisationsgraden hos choklad med hjälp av temperering
Vid industriell tillverkning av choklad utsätts den flytande chokladmassan för en mekanisk och termisk behandling för att specifikt erhålla den önskade högsmältande ß-modifieringen och för att undertrycka kristalliseringen av kakaosmöret. Simulering av en sådan behandling kan delvis göras i DSC-instrumentet, men förstås utan den mekaniska komponenten. Figur 5 visar förändringen i smälttopparnas areaandelar över 20°C och över 24°C för en serie tempereringstester. Kristalliseringstest 1 beskriver resultaten när en linjär kylhastighet på 5 K/min används. I test 2 till 5 varieras åldringstemperaturen (1) och den temperatur vid vilken kristallisationskärnorna för den oönskade polymorfismen åter smälter (2). Kristallisationstest 5 visar en tydlig ökning av kristalliniteten jämfört med den linjära kylningen. Detta uppnåddes genom att temperera provet i 10 minuter vid 14° och därefter värma upp det till 30°C. Motsvarande temperaturprogram presenteras i figur 6.
Samband mellan kakaohalt och smältning Enthalpy
När man undersöker choklad med olika kakaohalt kan man se att förhållandet mellan dem i stort sett är linjärt. När kakaohalten ökar, ökar också mängden kristallint kakaosmör och därmed också den energimängd som krävs för smältningen. Smältentalpin kan bestämmas direkt från topparean vid den första upphettningen. Tillämpning av den nominella kakaohalten och den detekterade smältentalpin ger ett linjärt förhållande, vilket visas i figur 7. De angivna värdena är medelvärden för fem mätningar vardera. De avbildade felstaplarna representerar inte de faktiska mätfelen, utan illustrerar endast att detta linjära samband gäller med en korrelation på + 3%.
Eftersom smälttoppens area inte bara hjälper till att kvantifiera smältbeteendet hos olika chokladprover, utan också - genom att använda toppens position och form - för att bestämma temperaturområdet och smältprocessen, är det möjligt att för varje enskilt prov ange hur mycket av det fett (kakaosmör) som ingår som fortfarande är fast vid motsvarande temperatur och hur mycket som redan är flytande. Denna information är också känd som Solid Fat Index (SFI). Det är lätt att komma fram till ett sådant påstående om toppområdet skalas till 100% och förloppet avbildas som en ytintegral. En sådan tillämpning visas för alla de undersökta chokladproverna i figur 8. För det första kan man tydligt se vid vilken temperatur exakt hälften av motsvarande fettinnehåll fortfarande är fast, och för det andra kan man enkelt räkna ut hur stor del av det ingående fettet som redan är smält vid en viss temperatur (här 30°C).
I litteraturen finns många exempel som belyser den information som DSC-mätresultaten ger, förutom de som visas här för undersökning av chokladens smält- och kristallisationsbeteende. Cammenga et al. beskriver användningen av Differential Scanning Calorimetry för sötsaker i allmänhet. Socker och sockersubstitut utgör vanligtvis massan av sådana produkter, och mätbara egenskaper som glasövergångstemperatur, Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.kristallinitet, Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur och fasomvandlingsentalpier - för att bara nämna några - har ett stort inflytande på de fysiokemiska och tekniska egenskaperna samt på lagringsstabiliteten [1].
I en lång rad arbeten beskriver Ziegleder et al. den långsiktiga stabiliteten [2] och fettblomningen i choklad [3].
Chapman et al. [4] och Merken et al. [5] fokuserade på PolymorfismPolymorfism är förmågan hos ett fast material att bilda olika kristallina strukturer (synonymer: former, modifieringar).polymorfism och chokladens bearbetbarhet i sina arbeten, medan Tscheuschner et al. [6] och Ziegleder et al. [7] utförde många undersökningar om kylningsförhållanden och KristalliseringKristallisation är den fysiska processen av härdning under bildandet och tillväxten av kristaller. Under denna process frigörs kristallisationsvärme.kristallisering av choklad och chokladmassa.
Sammanfattning
Kakaosmör kristalliserar i sex olika strukturer (PolymorfismPolymorfism är förmågan hos ett fast material att bilda olika kristallina strukturer (synonymer: former, modifieringar).polymorfism), varav en - den så kallade ß-modifieringen - är att föredra vid chokladtillverkning. För att uppnå detta resultat krävs en speciell temperaturbehandlingsprocedur som kallas "temperering". Med hjälp av DSC (Differential Scanning Calorimetry) kan man inte bara bestämma kakaosmörets Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur, vilket ger information om de modifieringar som sker under produktionen, utan man kan också bestämma omvandlingsentalpin (smältentalpin), vilket gör det möjligt att kvantifiera de kristallina delarna av kakaosmöret. Genom att undersöka olika praliner med en kakaohalt på mellan 32% och 99% kunde man bekräfta att det finns ett i stort sett linjärt samband mellan den specificerade kakaohalten och smältentalpin som bestämts med hjälp av DSC. Dessutom visade det sig att det också är möjligt att undersöka tempereringens inverkan på mängden och differentieringen av de enskilda kristallina modifieringarna av kakaosmör. Kylningshastigheten i samband med isotermiska faser och eventuell efterföljande kortvarig återuppvärmning av chokladmassan har alla en inverkan på den resulterande graden av Kristallinitet / Grad av kristallinitetMed kristallinitet avses graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är arrangemanget av atomer eller molekyler konsekvent och repetitivt. Många material, t.ex. glaskeramik och vissa polymerer, kan framställas på ett sådant sätt att en blandning av kristallina och amorfa områden uppstår.kristallinitet. Det är alltså möjligt att återskapa den temperering av chokladmassan som sker under produktionen i en DSC-analys genom att variera temperaturregleringen. Förutom den flexibla temperaturregleringen av mätprogrammen i en DSC-analys ger informationen i DSC-resultaten ett antal ytterligare skyddsmöjligheter för chokladproduktion inom områden som inkommande varuinspektion, produktionsstyrning och kvalitetskontroll.