Reologiska egenskaper hos choklad Önskas? Kinexus gör det enkelt!

Allmänt

Smält choklad kan beskrivas som en koncentrerad suspension av grova, fina fasta partiklar, såsom kakaopulver, socker och mjölkpulver, dispergerade i en kontinuerlig fettfas, vanligtvis kakaosmör [1]. Dess reologiska beteende bestäms av de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos dess komponenter, tillsammans med flera andra faktorer som sammansättning och temperatur. Bland annat bestämmer partikelstorleksfördelningen, typen av emulgeringsmedel och sockerkristallisering viskositeten hos den produkt som ska bearbetas.

Från chokladens viskositet till nöjda kunder ...och tillverkare!

I sin tur påverkar den smälta chokladens viskositet dess munkänsla för konsumenterna. Chokladens viskositet är extremt viktig, inte bara för att göra konsumenten nöjd, utan också i tillverkningsprocessen och för kvalitetskontrollen av slutprodukten. Att ha rätt viskoelastiska egenskaper i smält choklad garanterar till exempel effektiviteten i rör- och gjutningsprocesserna, förhindrar bildandet av luftbubblor under gjutningen och säkerställer produktionen av homogena skal under övergjutningen.

Skjuvviskositeten och flytgränsen är de viktigaste reologiska egenskaperna i de industriella processerna för choklad. Skjuvviskositeten beräknas helt enkelt genom att skjuvspänningen divideras med skjuvhastigheten. Flytspänningen kan bestämmas på olika sätt [2]. Ett av dem tillämpar olika modellfunktioner, t.ex. Casson-modellen, på flödeskurvan.

För att säkerställa höga kvalitetsstandarder för de industriella processer som de olika kakaoberedningarna utsätts för, publicerade International Office of Cocoa, Chocolate and Sugar Confectionary (IOCCC) år 2000 en revidering av analysmetod 46, som definierar ett standardprotokoll för mätning av viskositeten hos choklad och kakaoprodukter [3].

Analysmetod 46 med Kinexus Prime rotationsreometerReometer

Enligt denna metod mäts viskositeten hos den smälta chokladen med en rotationsreometer som är utrustad med en kopp- och bobgeometri av polerat stål. Rotorns ände kan vara konisk eller försänkt.

Metoden beskriver provberedningen i detalj och ger specifika anvisningar för flytande och fasta prover av vit, mjölk- eller mörk choklad, med eller utan socker. I korthet måste proverna först värmas upp under en tidsperiod, varvid temperatur och varaktighet beror på typen av kakaoprodukt. Geometrin måste förkonditioneras till 40°C för att undvika KristalliseringKristallisation är den fysiska processen av härdning under bildandet och tillväxten av kristaller. Under denna process frigörs kristallisationsvärme.kristallisering av den smälta chokladen under lastningsprocessen. Ett förskärningssteg behövs också för att säkerställa temperaturjämvikt, homogen provfördelning inuti geometrin och eliminering av luftbubblor.

Förskjuvningen utförs vid 40°C (± 0,1°C) med en konstant skjuvhastighet, vanligtvis 5 ^s-1 (eller 2 ^s-1 för tjockare produkter); den måste fortsätta tills vridmomentet förblir konstant i minst 2 minuter med en maximal avvikelse på 2%. Stabilisering måste uppnås inom 15 minuter, annars kan mätningen inte utföras.

Mätningen utförs vid 40°C i tre steg:

1. Skjuvhastigheten ökas från 2 ^s-1 till 50 ^s-1 under en period av 3 minuter. Det kan göras kontinuerligt eller stegvis med skjuvhastigheter på 2, 5, 10, 20 och 50 ^s-1.
2. Skjuvhastigheten hålls på 50 ^s-1 under 1 minut.
3. Skjuvhastigheten minskas från 50 ^s-1 till 2 ^s-1 på 3 minuter, återigen kontinuerligt eller stegvis, enligt samma skjuvhastighetsschema som definierades i det första steget.

För att illustrera tillämpningen av denna sekvens diskuteras nedan de resultat som erhållits från jämförelsen av fyra olika kommersiella chokladkakor av ett och samma märke. Den första var en mjölkchoklad som innehöll 55% kakao och de övriga tre var mörka chokladkakor som innehöll 70, 85 och 100% kakao. Mätningarna utfördes med en Kinexus Prime ultra+ rotationsreometer utrustad med en cylinderpatron och en 34 mm cup-and-bob-geometri. Temperaturen och de analytiska stegen tillämpades exakt enligt definitionen i Analysmetod 46. Figur 1 visar den skjuvhastighet (i grönt) som användes under förskärningen och de tre stegen samt den skjuvviskositet (i blått) som uppnåddes för en choklad med 100 % kakao.

Skjuvviskositetskurvorna för de fyra testade pralinerna visar ett skjuvtunnande beteende: ju högre skjuvhastighet, desto lägre skjuvviskositet; figur 2. Flödeskurvorna visar inte ett intuitivt resultat. Sammansättningen, koncentrationen av varje komponent och storleksfördelningen av de suspenderade fasta partiklarna påverkar direkt viskositeten hos den smälta chokladen.

Dessa fyra olika prover har olika sammansättningar, vilket framgår av tabell 1, och därmed olika viskositet. Mjölkchokladen med 55% kakao är t.ex. den enda som innehåller gräddpulver och emulgeringsmedel.

Tabell 1: Sammansättning och viktordning för mjölk- och mörk choklad med olika kakaokoncentrationer.

*Viktordning: 1 = den högsta koncentrationen och 5 = den lägsta koncentrationen

Som tidigare nämnts tillämpas Casson-modellen på den resulterande flödeskurvan för att bestämma Cassons SträckgränsFlytspänning definieras som den spänning under vilken inget flöde uppstår; bokstavligen beter sig som ett svagt fast ämne i vila och som en vätska när det flyter.flytspänning, d.v.s. den minsta skjuvspänning som krävs för att inducera flöde samt Cassons viskositet, d.v.s. den slutliga viskositeten i området med hög skjuvning. Följande ekvation beskriver Casson-modellens passform:

En typisk flödeskurva med automatisk Casson-analys visas nedan i figur 3, medan tabell 2 sammanfattar resultaten av Casson-analysen för alla fyra chokladtyperna.

Tabell 2: Resultat av Casson-analysen för alla fyra pralinerna.

rSpace Programvara - Enkel SOP-applikation (Standard Operating Procedures)

Flytspänningen definieras som den skjuvspänning över vilken det viskoelastiska materialet börjar flyta. Ju lägre flytspänningen är, desto lägre är chokladens flödesmotstånd. Det är därför en viktig egenskap som kommer att definiera processbarheten hos kakaoberedningen, till exempel den kraft som behövs för att pumpa den smälta chokladen [4].

Även om analysmetod 46 har varit föremål för flera förbättringsförslag i olika publikationer, där man t.ex. har föreslagit ändringar i skjuvhastighetsintervallet eller tillämpning av olika matematiska modeller för korrigering av parametrarna, är dess tillämpning i kombination med Casson-modellen fortfarande standardprotokollet för bestämning av viskositet och flytgräns för choklad [4]. Casson-modellen och analyssekvensen finns tillgängliga i biblioteket på rSpace.

Kinexus rotationsreometer har möjlighet att skapa analysmetoder baserade på individuella reologiska åtgärder i programvaran rSpace. Dessa mätsekvenser kan skapas och anpassas för att uppfylla behoven i alla laboratorierutiner. Här har en mätsekvens som innehåller alla detaljer i analysmetod 46 skapats och använts. Med ett klick startas mätningen; den efterföljande analysen utförs utan att användaren behöver ingripa och slutresultaten, inklusive avkastningspunkten, visas automatiskt.