Важнейшим технологическим показателем шоколадных масс является вязкость. Вязкость зависит от температуры, влажности, дисперсности шоколадной массы, содержания в ней жира и прочности коагуляционных структурных образований из твердых частиц [3, 4].
Шоколадные массы проявляют аномалию вязкости в широком интервале температур от 30 до 80 °С и выше. При коншировании, когда масса подвергается интенсивной тепловой и механической обработке, она сохраняет достаточно высокую вязкость 11–14 Па×с.
При сокращении механического перемешивания происходит быстрое тиксотропное восстановление разрушенных коагуляционных структур, что ведет к резкому повышению вязкости шоколадной массы.
Такой характер изменения вязкости можно объяснить разной энергией связи частиц в коагуляционных контактах, которая зависит от природы вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды, энергетических условий коагуляции. На силу сцепления контактов существенное влияние оказывает жидкая пленка, ее толщина и полярность [2].
Процессы образования шоколадных масс определяются кинетикой взаимодействия частиц дисперсной фазы через прослойки дисперсионной среды, т.е. определяются поверхностными явлениями на границе раздела фаз. Величина этих взаимодействий, т.е. число и прочность связей, возникающих между твердыми частицами в единице объема системы, определяет ее структурно-механические свойства, от которых в результате зависят технологические свойства дисперсной системы, а также качество готового продукта [5].
Эффективное управление структурообразованием и регулирование свойств дисперсной системы может быть достигнуто введением добавок поверхностно-активных веществ, обусловливающих адсорбционное снижение прочности структуры, облегчение ее деформации и разрушения.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования были взяты отечественные фосфолипидные продукты растительного происхождения, обладающие высокими поверхностно-активными свойствами и позволяющие обеспечить регулирование технологических и потребительских свойств шоколадных масс.
При проведении экспериментальных исследований использовали общепринятые и специальные методы анализа состава и свойств продуктов, а также современные физико-химические методы анализа. Определение реологических характеристик полуфабрикатов проводили на приборах «Реотест-2» и Структурометр СТ-1.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты исследования поверхностно-активных свойств подсолнечных активированных фосфолипидов и БАД «Витол», выполненные на модельных структурированных системах, послужили теоретическим и экспериментальным обоснованием для разработки практических рекомендаций по их применению в производстве шоколадных масс.
Шоколадные массы в расплавленном состоянии, при котором осуществляются основные технологические процессы, представляют собой дисперсные системы и по классификации академика П.А. Ребиндера относятся к структурированным, двухфазным, пластично-вязким системам. В качестве твердой фазы в этой системе выступают микрокристаллы сахарозы, клеточные ткани бобов какао и различных добавок, а в качестве жидкой дисперсионной среды – какао масло [7].
Основными реологическими свойствами шоколадных масс, оказывающими значительное влияние на технологический процесс их получения и качество готового продукта, являются эффективная вязкость и структурная прочность, которые должны соответствовать оптимальным значениям.
Наиболее существенным показателем, определяющим реологические свойства шоколадных масс как структурированных дисперсных систем, является содержание в них жидкой дисперсионной среды, причем увеличение ее количества приводит к снижению прочностных характеристик масс.
Однако, рецептурное количество какао масла (30–34 %), выбор которого определяется рядом факторов, связанных с качеством и себестоимостью продукции, не обеспечивает заданных значений реологических свойств.
Оптимальные структурно-механические свойства шоколадной массы при сохранении в ней рецептурного количества какао масла могут быть достигнуты введением разжижителей, являющихся поверхностно-активными веществами.
Цель введения ПАВ в шоколадную массу – снижение ее вязкости, обеспечивающее частичную замену и экономию наиболее дорогостоящего рецептурного компонента – какао масла при сохранении высокого качества продукта.
Введение ПАВ приводит к адсорбционному снижению поверхностной энергии на границах между твердыми частицами дисперсной фазы и жидкой дисперсионной средой. Вязкость такой системы снижается, что позволяет снизить концентрацию дисперсионной среды.
Проявление подсолнечными активированными фосфолипидами и БАД «Витол» достаточно высоких поверхностно-активных свойств послужило основанием для разработки способа регулирования реологических характеристик шоколадных масс.
Исследования проводили на шоколадной массе (с содержанием жира 30 %), приготовленной по унифицированной рецептуре в производственных условиях.
На рис. 1 приведены зависимости изменения вязкости шоколадных масс от градиента скорости при введении 0,4 % указанных ПАВ, а на рис. 2 – зависимость вязкости шоколадной массы от дозировки ПАВ при градиенте скорости 30 с–1.
Анализ реологических кривых течения расплавленной (температура 40 °С) шоколадной массы показал, что введение в систему подсолнечных активированных фосфолипидов и БАД «Витол» приводит к значительному изменению характера деформационного поведения шоколадной массы.
Рис. 1. Зависимость изменения эффективной вязкости шоколадной массы от градиента скорости при введении 0,4 % ПАВ: 1 – СФК (контроль); 2 – ПАФ; 3 – БАД «Витол»
Рис. 2. Влияние дозировки ПАВ на вязкость шоколадной массы при градиенте скорости 30 с–1: 1 – ПАФ; 2 – БАД «Витол»
Кроме этого, показано, что ПАФ и БАД «Витол» как поверхностно-активные вещества значительно эффективнее действуют на структурно-механические характеристики шоколадных масс, чем СФК.
Для определения механизма действия различных ПАВ проводили исследования свойств тонких пленок какао масла, ПАФ и БАД «Витол».
Реологические свойства шоколадных полуфабрикатов зависят от соотношения какао масла и высокодисперсных твердых частиц, их природы, процессов химического взаимодействия между твердыми частицами, какао маслом и ПАВ, а также от характера течения массы.
В процессе обработки шоколадных масс какао масло часто распределяется между твердыми частицами в виде тонких пленок. Вязкость и пластическая прочность таких масс предопределяются силами взаимодействия между твердыми частицами и свойствами тонких пленок какао масла, покрывающих эти частицы [1].
Кроме того, кристаллики сахара при измельчении, транспортировании и хранении перед смешиванием с какао маслом покрываются тонким адсорбционным слоем воды, которая препятствует смачиванию их какао маслом.
Гидратные пленки могут присутствовать и на поверхности частиц какао тертого. Тонкие пленки воды на поверхности твердых частиц способствуют их взаимопритяжению, увеличивают силы трения, затрудняют их движение, повышая тем самым вязкость и пластическую прочность шоколадных масс.
Снижение вязкости шоколадных масс обеспечивается использованием ПАВ, которые, благодаря своему строению и свойствам по-разному сорбируются на гидрофильных и гидрофобных участках твердых частиц, образуя адсорбционные слои неодинаковой силы взаимодействия [6].
Таким образом, реологические свойства шоколадных масс во многом предопределяются физическими свойствами тонких пленок какао масла и ПАВ.
Изучение свойств какао масла и ПАВ на макроповерхностях в виде монослоев нерастворимых веществ является основой механизма их поведения и действия, связанного со строением молекул и способностью их растекаться и ориентироваться, что характерно для шоколадных масс при их обработке.
С целью приближения к реальным системам нами исследовано поведение тонких слоев какао масла, ПАФ и БАД «Витол» на различных жидких поверхностях. Изучение проводили методом монослоев. С помощью весов Лэнгмюра определяли поверхностное давление на поверхностную вязкость монослоев.
Поверхностное давление представляет собой разность поверхностных натяжений чистого растворителя и растворителя с нанесенной на него пленкой. Для монослоев толщина пленки имеет значение порядка 10 Ǻ, если поверхностное давление имеет значение 1 дин/см, то сила будет равной 107 дин/см2, т.е., умножая значение поверхностного давления на 10, получаем эквивалентное давление в атмосферах.
Отсюда видно, что даже весьма слабые силы в несколько десятых дин, измеряемые с помощью пленочных весов, соответствуют давлениям в сотни и тысячи атмосфер применительно к эффекту сжатия на молекулярном уровне.
Установлено, что максимальное поверхностное давление, создаваемое пленками какао масла и ПАВ, равно 16⋅10–3 Н/м при скорости сжатия 1,6–3,3⋅10–4 м/с. Подставив эти значения в формулу определения силы F, получим, что это соответствует обычному давлению 16 МПа.
F = p/h,
где p – поверхностное давление, Н/м; h – толщина пленки, Ǻ.
Вторым важным свойством монослоев является вязкость. Исследование этих вопросов впервые было проведено Д. Талмудом и С. Бреслером на щелевом вискозиметре [3].
Поверхностная вязкость характеризует подвижность молекул в пленке. Зависимость поверхностной вязкости от поверхностного давления связана с фазовым состоянием монослоя.
В пленках с ньютоновской вязкостью вязкость монослоя с увеличением давления линейно и монотонно возрастает. Такие пленки находятся в жидко-конденсированном состоянии. Поверхностную вязкость принято выражать в поверхностных пуазах.
Изучение поведения пленок какао масла проводилось на различных подложках, которые представляли собой буферные водные растворы.
Полученные результаты показали, что с повышением рН подложки поверхностное давление возрастает, пленка растягивается и стремится к растеканию.
Главная причина, вызывающая изменение поведения монослоев какао масла, заключается в их ионизации при изменении рН. Растворимость ионизированных пленок на щелевой подложке происходит, вероятно, вследствие сил отталкивания, действующих между ионизированными молекулами.
В реальной шоколадной массе в качестве подложек служат поверхности твердых частиц, покрытые адсорбционными водными пленками, по которым распространяются какао масло и ПАВ.
Поверхность этих частиц может содержать различные ионы, иметь электрический заряд, что оказывает влияние на поведение тонких пленок какао масла и ПАВ, изменяет их состояние и способность к распространению по поверхности. Это влияние будет сказываться на вязкости шоколадной массы, так как она представляет собой внутреннее трение, возникающее при движении твердых частиц в жидкой среде при наложении определенной нагрузки. Следовательно, факторы, способствующие растеканию пленок какао масла на жидких подложках, должны приводить к понижению вязкости шоколадных масс.
Введение ПАВ в пленки какао масла значительно облегчает растекание пленки какао масла на воде.
Данные приведены на рис. 3.
Рис. 3. Изотермы поверхностного давления пленок различных ПАВ на воде: 1 – БАД «Витол»; 2 – ПАФ; 3 – СФК (контроль)
Межмолекулярные силы в адсорбционной пленке ПАВ складываются из взаимодействия полярных групп и неполярных цепей, которое обусловлено силами притяжения. Взаимодействие параллельно ориентированных диполей приводит к возникновению сил отталкивания. Отталкивание диполей характерно для состояния молекул в адсорбционном слое. Гидратация полярных групп уменьшает их отталкивание, тогда как дегидратация полярных групп, растворенных в подложке электролитами, нарушает ориентацию молекул воды в поверхностном слое и тем самым освобождает силы отталкивания, что и приводит в результате к повышению поверхностного давления.
ПАФ, а особенно БАД «Витол» создают наибольшее поверхностное давление и наиболее плотные и устойчивые слои по сравнению с другими исследованными поверхностно-активными веществами. Это, вероятно, связано с меньшей гидрофильностью полярных групп поверхностно-активных веществ.
Большой интерес представляет подвижность молекул в поверхностном слое.
Изучение поверхностной вязкости с помощью щелевого вискозиметра позволило косвенно судить о подвижности молекул какао масла и ПАВ в поверхностном слое. При этом установлено, что с повышением температуры поверхностная вязкость пленок какао масла и ПАВ резко падает, что, вероятно, связано с процессом плавления и переходом из твердого состояния в жидкое.
При повышении поверхностного давления вязкость пленок возрастает, причем с повышением температуры степень ее роста уменьшается.
Таким образом, исследование свойств тонких слоев какао масла и БАД «Витол» на жидких поверхностях показало, что БАД «Витол» значительно повышает способность к распространению пленок какао масла по поверхности воды.
Полученные результаты имеют важное практическое значение, так как исследованные явления наблюдаются в реальных системах кондитерского производства, к которым относятся шоколадные массы.
Рецензенты:
Илларионова В.В., д.т.н., профессор кафедры технологии жиров, косметики, товароведения, процессов и аппаратов, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар;
Татарченко И.И., д.т.н., профессор кафедры технологии зерновых, хлебных, пищевкусовых и субтропических продуктов, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.
Работа поступила в редакцию 17.04.2015.