Общепринятое название высококачественного природного эмульгатора и поверхностно-активного вещества (ПАВ) — лецитин. Его промышленное применение началось почти 50 лет назад, и за это время лецитин оказал существенное влияние на развитие пищевой промышленности, особенно на производство шоколада. Лецитин присутствует во всех животных и растительных тканях (больше всего в яичном желтке — 8-10%). В сливочном масле лецитина 0,5-1,2%, а при его производстве из соевого масла, которое является в настоящее время главным и самым дешевым источником растительного лецитина, выход лецитина составляет 2,5%.
Лецитин растительного происхождения в современном промышленном виде представляет собой ценную пищевую добавку. Его используют как при изготовлении пищевых продуктов (шоколада, маргарина, растительных жиров, быстрорастворимых порошков для приготовления напитков, выпечных изделий), так и при производстве красок, резины, пластиков и косметики.
Объемы применения этого эмульгатора многократно возросли после разработки технологии извлечения лецитина из соевого масла — его производство из этого источника оказалось более чем в 100 раз дешевле получения лецитина из яичного желтка.
Благодаря своей молекулярной структуре промышленный лецитин обладает липофильными и гидрофильными свойствами, что обусловливает его выдающиеся качества как эмульгатора и смачивающего агента.
Виды растительного лецитина Соевый лецитин
Соевый лецитин получают из бобов сои путем выщелачивания растворителем на установках непрерывного действия. Раствор выпаривают и лецитин осаждают от неочищенного масла с помощью пара и воды. Осадок центрифугируют, а остаточную влагу удаляют вакуумной сушкой. В результате применения такой технологии получается продукт светло-коричневого цвета, содержащий около 65% фосфатидов, нерастворимых в ацетоне, и осадок (главным образом из соевого масла). Путем выбора соответствующего растворителя и способа дегуммирования можно повысить качество и уменьшить горечь сои, однако наибольшую степень очистки дает обработка ацетоном. Ацетон удаляет осадочное соевое масло, а также другие нежелательные ароматы и стерины, но фосфатиды остаются в нерастворимом виде и подвергаются повторному растворению в какао-масле или другом растительном масле.
В некоторых случаях изделия должны быть светлого цвета, и тогда используют отбеливающие вещества — перекиси водорода и бензоила. Все большее применение находят обезжиренные фосфатиды (особенно в качестве пищевой добавки), но в них должно содержаться 2-3% жира, так как при полном обезжиривании они быстро портятся, окисляются и становятся нерастворимыми.
Хотя на рынке имеются очищенные и обесцвеченные формы лецитина, большинство промышленных видов лецитина включают «носитель» (соевое масло). Первоначально этот носитель был пластичным, но в настоящее время он присутствует в жидкой форме, которая лучше растворима и поддается механическому перемешиванию.
Примерный состав промышленного лецитина:
Соевое масло, % | 35 |
Химический лецитин, % (фосфатидилхолин) | 18 |
Цефалин, % (фосфатидил этаноламин) | 15 |
Инозитфосфатиды, % | 11 |
Другие фосфолипиды и полярные липиды, % | 9 |
Углеводы (стерин глюкозид), % | 12 |
Инозит, мг/г | 14 |
Холин, мг/г | 23 |
Токоферол, мг/г | 1,3 |
Биотин, мкг/г | 0,42 |
Фолиевая кислота, мкг/г | 0,60 |
Тиамин, мкг/г | 0,115 |
Рибофлавин, мкг/г | 0,33 |
Пантотеновая кислота, мкг/г | 5,59 |
Пиридоксин, мкг/г | 0,29 |
Ниацин, мкг/г | 0,12 |
Основные аналитические данные (по методу АО С Б) [6]:
Ацетон нерастворимый | 62-65% |
Йодное число | 95 |
Число омыления | 196 |
Фосфор | 2% |
Удельная масса (при 25 °С) | 1,0305 |
pH | 6,6 |
Содержание влаги | шах 1% |
Кислотное число | шах 30 |
Бензол, нерастворимый | тах 0,3 |
Перекисное число | тах 5 |
Свинец | шах 10 ррт[*] |
Мышьяк | тах 3 ррт |
Железо | тах 40 ррт |
Прочие металлы | тах 15 ррт |
КОЕ | 5,000 максимум |
Сальмонелла /25 г | нет |
Дрожжи, плесени/г | нет |
Энтеробактерии/г | нет |
Химическая структура основного фосфатидного соединения (фосфатидилхолина) выглядит следующим образом:
Путем применения современных методов анализа установлено, что данное содержание этого соединения в составе экстрагированного «натурального» лецитина существенно варьирует. Это касается главным образом связей жирных кислот R и R1 которые могут связывать любые высшие жирные кислоты — пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолевую или линоленовую.
Промышленный соевый лецитин растворим в углеводородах, жирных кислотах, а также в горячих животных и растительных жирах. Он не растворим в полярных растворителях (например в ацетоне) или воде, однако вода в небольших количествах диспергируется в лецитине и при дальнейшем добавлении воды получается эмульсия. Это свойство полезно при необходимости диспергировать в жире некоторое растворимое в воде вещество (например краситель).
Отделенные от соевого масла фосфатиды менее стабильны и в отсутствии токоферола быстро разрушаются. Установлено, что при наличии соевого масла собственно лецитин сохраняется на протяжении длительного времени, но в слегка ароматизированных продуктах (например в молочном шоколаде) после некоторого их хранения обнаруживается изменение вкусо-ароматических характеристик. Подобное изменение рассмотрено в работе [6], где автор отделил от соевого масла 2-пентилфуран, который, как утверждается, и вызывает нежелательный посторонний аромат.
Прочие лецитины растительного происхождения
Растительные лецитины в промышленном масштабе производят из арахисового, хлопкового и кукурузного масел. Их основные свойства приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Свойства растительных лецитинов
Хлопковое масло | Арахисовое масло | |
Содержание нерастворимо | 54 | 72 |
го ацетона, % | ||
Содержание фосфора, % | 1,9 | 2,4 |
Содержание влаги, % | 1,0 | 1,0 |
Внешний вид | Темно-коричневый | Светло-коричневый |
Консистенция | Вязкая жидкость | Пластичное твердое |
вещество | ||
Цвет, запах | Сильный,иногда неприят | Очень легкий запах, |
ный запах и вкус | кисловатый вкус |
Подобные лецитины отличаются большим разнообразием и у них обычно понижена способность к снижению вязкости. До сих пор их производство не удовлетворяло потребности шоколадной индустрии. Лецитин же из арахисового масла (при наличии) не дает изменений вкусо-ароматических свойств, характерных для соевого лецитина, что позволяет его использовать для производства нежного молочного шоколада.
Производят и два других вида натуральных лецитинов. В США производят высококачественный лецитин из сафлорового масла, но он уступает по спросу соевому лецитину. В годы второй мировой войны в Германии из-за дефицита тропических масел вырабатывали лецитин из рапсового масла, но с тех пор он так и не стал продуктом массового спроса. Подробнее об этом см. [И].
Синтетические фосфолипиды и модифицированные лецитины растительного происхождения
Химический лецитин — это фосфатидилхолин, главный компонент растительного (соевого) лецитина.
В настоящее время производят различные синтетические фосфолипиды. Один из них, разработанный компанией Кэдбери (СасІЬигу) и названный «ГА», ис
пользуют достаточно широко. В молочном шоколаде он не вызывает изменения вкуса и обладает лучшей по сравнению с соевым лецитином способностью к снижению вязкости.
пользуют достаточно широко. В молочном шоколаде он не вызывает изменения вкуса и обладает лучшей по сравнению с соевым лецитином способностью к снижению вязкости.
YN получают из рапсового масла путем проведения последовательных реакций, а именно:
- глицеролиза в газовой среде азота;
- фосфорилирования глицеролов пентоксидом фосфора;
- нейтрализации аммиаком, фильтрации и перемешивания с определенным количеством какао-масла.
В результате получают вещество со следующим составом:
- трифосфатидная кислота (с содержанием Р 1,7%);
- бифосфатидная кислота (с содержанием Р 2,49%);
- бифосфатид-монофосфатидная кислота (с содержанием Р 3,28%);
- бифосфатид-лизофосфатидная кислота (с содержанием Р 3,77%) или ее эквивалент с содержанием циклических форм в соотношении 1:2;
- монофосфатидная кислота (с содержанием Р 4,62%);
Триглицериды (неактивные) | 40% |
Нейтральные фосфолипиды — пункт а) выше | 15% |
Смешанная фосфатидная кислота — пункты Ь)-F) выше в виде | |
солей NH4 | 40% |
NH4 — в основном соли фосфорной кислоты (с некоторым присутствием органических веществ) | 5% |
- лизофосфатидная кислота (с содержанием Р 7,35%) или ее эквивалент с содержанием циклических форм в соотношении 1:2.
Присутствие полимерных органических соединений не выявлено.
Проверка YN на токсичность
По мере совершенствования продукта Британская ассоциация по исследованию промышленных биологических препаратов (BIBRA) провела проверки токсичности YN[7, 8].
В Великобритании использование YNразрешено с 1962 г. согласно Инструкции № 720 по использованию эмульгаторов и стабилизаторов. Позже Директивой ЕЭС № 422 от 30 июня 1980 г. (80/608/ЕЕС) было одобрено использование этого препарата в продуктах на основе какао и шоколада. В настоящее время (по состоянию на 1999 г.) использование YN официально разрешено в Великобритании, ФРГ, Ирландии, Исландии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, Канаде, Новой Зеландии, Гане, Кении и Нигерии.
YN поставляется и другими фирмами, специализирующимися на выпуске лецитина [14].
Фракционированные и модифицированные лецитины растительного происхождения
Подобные лецитины находят применение в приготовлении эмульсий типа «вода в масле» и «масло в воде», а также в покрытии порошков, когда для приготовления шоколадных напитков и какао-порошков требуется быстрое смачивание.
Модифицированные лецитины с улучшенными гидрофильными свойствами используют в хлебопечении. Фракционирование лецитина проводят путем экстрагирования природного лецитина спиртом. Растворимая в спирте фракция диспергируется в воде и быстро образует эмульсию типа «масло в воде», а нерастворимая фракция образует эмульсию типа «вода в масле».
Состав и свойства типичных подобных лецитинов представлены в табл. 4.2 [6].
Таблица 4.2. Типичные модифицированные лецитины
Вещество | Очищенный от масла натуральный лецитин, % | Фосфатидилхолин + концентрат цефали- на (растворимый в спирте), % | Инозитфосфатиды + концентрат цефали- на (нерастворимый в спирте), % |
Химический лецитин | 26,8 | 55 | 10 |
Химический цефалин | 22,4 | 25 | 30 |
И нозитфосфати ды | 16,4 | 7 | 40 |
Соевое масло | 3,1 | 4 | 4 |
Прочие | 31,3 | 9 | 16 |
К этим концентратам в зависимости от их назначения добавляют «носители» — примерами пищевых применений могут служить какао- или другое растительное масло, а также пропиленгликоль. Гидроксилированные лецитины получают путем обработки перекисью водорода, молочной и уксусной кислотой, что повышает гидрофильные свойства. В соединении с моно- и диглицеридами в составе кондитерских и хлебобулочных изделий они улучшают текстуру изделий и облегчают их обработку.
Применение лецитина растительного происхождения и других фосфолипидов в шоколаде
Шоколад представляет собой дисперсию мельчайших твердых частиц в жировой фазе. В случае темного шоколада эти твердые частицы состоят из сахара и перемолотого какао-продукта. В молочном шоколаде присутствуют частицы сухого вещества молока и молочный жир, который включен также в жировую фазу.
На первых стадиях производства шоколада жир находится полностью в жидком состоянии, но на последующих стадиях шоколад, используемый для формования и глазирования, присутствует в оттемперированной форме. Эта твердая фаза включает также некоторое количество кристаллов жира (обычно какао-масла), влияющих на текучесть шоколада, а также частицы сахара, какао-порошка и молока.
Вязкость
Из-за содержания твердых веществ шоколад ведет себя не как истинная жидкость, проявляя свойства неныотоновской жидкости. Поэтому вязкость жидкого шоколада намного выше вязкости жидких жиров (70 и 0,4 пз соответственно). Текучесть шоколада во многом зависит от скорости, с которой твердые частицы в жидкой фазе могут перемещаться относительно друг друга. Очевидно, что добавление ПАВ оказывает на текучесть большой эффект, что и происходит при добавлении лецитина. Шоколад вязкостью, пригодной для формования и глазирования, можно получить с существенно меньшим содержанием какао-масла, если включить в его состав лецитин. Так как какао-масло довольно дорого, экономическая выгода от использования лецитина очевидна.
Эффект от добавления лецитина в жировой компонент предназначенного для глазирования темного шоколада показан на рис. 4.1. Лецитин уменьшает содержание какао-масла на 5%, что дает около 13% общего содержания жиров.
Влияние содержания влаги на вязкость шоколада. Обычно шоколад содержит 0,5-1,5% влаги. В случае дальнейшего добавления небольшого количества «свободной» влаги вязкость смеси значительно возрастет. Если то же самое количество воды включить просто в состав жидкого жира, аналогичного изменения вязкости не произойдет, но при добавлении ее в смеси с мелкими частицами сахара и жира она окажет на вязкость тот же эффект, что и в шоколаде.
Рис. 4.1. Влияние лецитина на содержание жира в темном шоколаде для глазирования
Добавление лецитина в шоколад или в смесь жира и сахара дает заметное снижение вязкости (см. рис. 4.2). Воздействие его на смесь какао-продуктов и жира намного меньше.
Лецитин проявляет как гидрофильные, так и липофильные свойства. Несмотря на то что действие лецитина в шоколаде до конца не изучено, в работе [10] приводятся следующие соображения.
Влага на поверхности частиц сахара увеличивает трение между ними, что вызывает увеличение сопротивления при перемещении этих частиц и сказывается на повышении вязкости.
При добавлении лецитина гидрофильные группы молекул прочно присоединяются к молекулам воды на поверхности частиц сахара, из-за чего трение уменьшается, подвижность частиц возрастает и вязкость снижается.
Рис. 4.2. Влияние лецитина на вязкость (вискозиметр Redwood)
Подтверждения этой теории дали эксперименты, выявившие, что некоторая доля лецитина прочно связывается с частицами шоколада, например:
- если шоколад, к которому было добавлено известное количество лецитина, экстрагируется теплым растворителем на основе продуктов перегонки нефти, в экстрагированном жире присутствует не весь лецитин даже при проведении повторного экстрагирования; экстрагированием можно теоретически получить около 70% лецитина;
- приготавливают смесь мелких частиц сахара, какао-масла и лецитина и определяют ее вязкость; затем смесь экстрагируют, используя петролейный эфир, пока сахар не обезжирится; далее этот сахар снова смешивается с тем же количеством свежего какао-масла; вязкость смеси будет близка к вязкости первоначальной смеси, и это свидетельствует о том, что активность лецитина поддерживается на частицах сахара на том же уровне.
Эти эксперименты показывают, что для снижения вязкости шоколада эффективно лишь увеличение общей доли лецитина, но это не совсем так, что доказывается вышеприведенными графиками (рис. 4.1 и 4.2), когда устойчивое снижение вязкости было достигнуто путем добавления лецитина в количестве около 0,5%. Некоторую роль в уменьшении вязкости играют, очевидно, молекулы лецитина, не прикрепленные к твердым частицам, но механизм их действия до конца не изучен.
Прочие влияния добавления лецитина на физические свойства
Кроме заметного снижения вязкости шоколада при добавлении лецитина можно обнаружить и другие изменения физических свойств.
Роль температуры. При нагревании шоколада без лецитина выше определенных температур наблюдается заметное увеличение вязкости. Для темного шоколада эта критическая температура составляет около 90 °С (в процессе обработки шоколада она достигается очень редко), но для молочного шоколада существенное увеличение вязкости наблюдается уже около 60 °С. Хотя обработку шоколада осуществляют преимущественно при температурах ниже 52 °С, для развития вкусоароматических свойств конширование иногда проводят при 60 °С. Добавление лецитина позволяет повышать температуру без изменения вязкости (для молочного шоколада можно использовать температуры до 80 °С).
Вместе с тем из-за различных свойств сухого молока (особенно сухого цельного молока, СЦМ) при высоких температурах конширования в шоколаде может происходить грануляция. Ее вероятность снижается, если использовать обезжиренное сухое молоко (см. «Производство шоколада»).
Темперирование. Темперирование необходимо для формирования в жидком шоколаде стабильных кристаллов какао-масла. Надлежащим образом темперированный шоколад при нормальных условиях хранения не подвержен обесцвечиванию или образованию налета. Добавление лецитина меняет условия темперирования и наблюдается переохлаждение до несколько более низких температур.
Из-за такого изменения модели кристаллизации неоднократно заявлялось, что лецитин препятствует появлению налета, а также влияет на блеск и обрабатываемость темперированного шоколада. До сих пор достаточных подтверждений подобного влияния нет, поэтому очень важно выявить различия в условиях темперирования и соответствующим образом отрегулировать технологию.
Если по ошибке или по какой-либо другой причине содержание лецитина превысит нормальный уровень в 0,5%, произойдет заметное изменение условий темперирования. Обычно температура «схватывания» шоколада составляет 27-29 °С, но при добавлении более 1% лецитина эта температура может понизиться до 21 °С. Иногда эта проблема возникает в автоматизированных системах диспергирования лецитина.
Способность YN к снижению вязкости (по сравнению с соевым лецитином).
Способность YN снижать вязкость наблюдается при его добавлении до 0,8% и более. Еще больший эффект оказывает его добавление в шоколад в меньшей пропорции (0,1-0,5%). При использовании около 0,5% соевого лецитина вязкость снижается, а его добавление сверх этого количества приводит к ее повышению.
Был проведен ряд опытов с молочным шоколадом, причем для определения вязкости использовался вискозиметр Брукфилда (Brookfield) при разных скоростях сдвига. Было установлено, что вязкость шоколада меняется в зависимости от скорости сдвига.
Графики, показывающие снижение вязкости в зависимости от количества добавленных YN и соевого лецитина при разных скоростях сдвига, приведены на рис. 4.3.
Использовался молочный шоколад с общим содержанием жира 34,0%, в который добавляли 0,1-0,5% лецитина. Какао-масло добавляли во все виды шоколада с содержанием лецитина ниже 0,5%. Таким образом, общее количество жира (включая лецитин) во всех опытных образцах составило 34,5%.
Определение вязкости проводилось при температуре 40 °С, при которой жир не образовывал гранул.
Как видно из вышеприведенных графиков, способность к снижению вязкости у YN по сравнению с соевым лецитином составляет 5/3.
Уклон кривых для соевого лецитина становится заметно более плоским по сравнению с YN на уровне добавления 0,5%, а следующий пример кривых (рис. 4.4) иллюстрирует влияние на вязкость при добавлении YN в количестве до 0,9% (сущест-
венное снижение вязкости наблюдается в интервале 0,5-0,9%). В ходе экспериментов был использован жирный молочный шоколад с общим содержанием жира 32,5%.
Мы используем различные термины, связанные с вязкостью, — в частности, «скорость сдвига», «динамическое сопротивление сдвигу», «ньютоновские» и «неньютоновские жидкости». Ниже мы будем применять их в связи с определением вязкости глазури, изготовленной на основе шоколада и растительных жиров.
Прочие ПАВ
Помимо YN разработаны и другие фосфатиды и сложные глицериды, применяемые в производстве шоколада и других пищевых продуктов.
В приготовлении шоколадной глазури не так давно широко применялись соединения Chovis, разработанные фирмой Emulsol Company of America, но по сравнению с лецитином они оказались слишком дорогими. Они официально разрешены к при-
менению в пищевых продуктах в США [19] и имеют много общего с YN. Если YNсостоит из аммиачных солей фосфатидных кислот, то соединения Chovis — это натриевые соли: 1,2-диглицерид фосфата одновалентного натрия и 1-моноглицерид- 3-натрийфосфат.
Для использования в маргарине был предложен американский Emargol, представляющий собой 1-моностеарин-3 сульфоацетат натрия.
Несколько фосфатных моноглицеридов производятся фирмой Witco Chemical Со. под коммерческим названием Emcol, однако об их применении в производстве шоколада данных нет.
На экспериментальной основе в состав шоколада включали эфиры сахарозы [15]. Стеараты сорбита (Span 60, Tween 60) в шоколадной глазури оказались неэффективными, однако в составе глазури на основе растительных жиров они оказались полезны.
Полиглицерилрицинолеат, частичный полиглицериловый сложный эфир перэтирифицированных жирных кислот касторового масла, усиливает действие лецитина и оказался очень действенным при корректировке динамического сопротивления сдвигу высоковязких шоколадов.
Эти данные приводятся в [1], что подтверждается таблицами 4.3 и 4.4.
Таблица 4.3. Темный шоколад
При добавлении лецитина, %
|
Пластическая вязкость (пз)
Динамическое сопротивление сдвигу (дин/см2)
|
При добавлении PGPR, %
|
Пластическая вязкость (пз)
|
Динамическое сопротивление сдвигу (дин/см2)
|
0,3
|
18,5 155
|
0,1
|
12,5
|
151
|
0,7
|
17,1 221
|
0,2
|
14,8
|
82
|
1,3
|
12,4 285
|
0,5
|
14,9
|
13
|
Таблица 4.4. Молочный шоколад с содержанием 0,5% лецитина
|
||||
При добавлении PGPR, %
|
Пластическая
вязкость(пз)
|
Динамическое сопротивление сдвигу
(дин/см )
|
||
0
|
15,3
|
72
|
||
0,1
|
15,2
|
64
|
||
0,2
|
15,6
|
56
|
||
0,3
|
17,4
|
30
|
||
0,4
|
16,4
|
26
|
Реология, вязкость, определение, измерение вязкости
Термины «реология» и «вязкость» в пищевой промышленности зачастую употребляют для описания свойства текучести различных продуктов.
«Реология» — это «наука о деформации и текучести вещества», а понятие «вязкость» связано с внутренним трением текучих сред.
Чтобы вызвать и сохранить течение вещества, требуется энергия. Математическое представление вязкости довольно сложно, и мы его касаться не будем (подробнее см. литературу в конце главы).
Тем не менее базовые представления о некоторых понятиях, связанных с измерением вязкости, необходимы — особенно если речь идет о текучих свойствах шоколада.
Существует два основных типа жидкостей — ньютоновские и не ньютоновские. Вязкость ньютоновских жидкостей не зависит от скорости сдвига (смешивания), но она меняется с изменением температуры. К ньютоновским жидкостям относятся вода, спирт, маловязкие растительные масла и глицерин. Жидкости более сложные, а именно шоколад или краски (включая типографские), называют «не ньютоновскими». На их вязкость влияет присутствие в суспензии твердых частиц, а также температура.
Течение этих жидкостей начинается при достижении определенного предела текучести (см. ниже), после чего их вязкость снижается, а скорость сдвига возрастает.
Вышеупомянутые свойства текучести были изучены в [3] на примере печатной краски, а применительно к шоколаду эти результаты впоследствии были подтверждены в [18].
Вскоре выяснилось, что значения, полученные в [3], более близки к параметрам текучести шоколада, чем данные, полученные с использованием односкоростного ротационного вискозиметра (например McMichael) или диафрагмового вискозиметра {Redwood). Величины Кассона (Casson) [3] в настоящее время определяют следующим образом:
Пластическая вязкость — это сила, необходимая для поддержания постоянного течения некоторой текучей массы.
Динамическое сопротивление сдвигу {предел текучести) — это сила, необходимая для инициации течения некоторой текучей массы.
Значение этих величин еще более возросло с появлением лецитина и использованием высоковязких (менее текучих) видов шоколада. Высоковязкий молочный шоколад особенно подвержен колебаниям из-за содержания в нем белков молока.
Практическое значение указанных величин можно проиллюстрировать следующим образом.
Низкое динамическое сопротивление сдвигу облегчает процесс формования. Формовочную шоколадную массу зачастую готовят по рецептуре, которая отличается низким содержанием жира, а следовательно, обладает повышенной вязкостью и устойчивостью к текучести, в связи с чем для ее вытекания в формы требуется значительная энергия. Установлено, что динамическое сопротивление сдвигу можно уменьшить с помощью синергических эмульгаторов (например полиглицериново- го полирицинолеата).
При глазировании шоколадом для предотвращения разрушения украшений и во избежание стекания шоколада от центра, что приводит к образованию подтеков на кромках, необходимо довольно высокое динамическое сопротивление сдвигу.
Применение односкоростных ротационных или диафрагмовых вискозиметров показывает, что можно получить два шоколада с идентичными величинами вязкости, но из-за различного динамического сопротивления сдвигу по-разному влияющими на производительность оборудования. Прежде это являлось причиной частых споров между производственным персоналом и службами контроля.
Вискозиметры
Существуют разные вискозиметры. Некоторые из них просты, недороги и позволяют определять вязкость только опытным путем, тогда как другие более сложны и позволяют получить точные и полные данные о текучих свойствах ньютоновских и не ньютоновских жидкостей.
Простые вискозиметры
В прежние времена шоколад изготовляли более текучим, однако с ростом цен на какао-масло текучесть шоколада все уменьшалась, а вязкость росла.
Текучесть жидкого шоколада можно измерять с помощью простых вискозиметров для измерения вязкости смазочных масел (типа вискозиметров Редвуда). Многие фирмы конструировали собственные приборы и устанавливали свои производственные стандарты. Подобные устройства довольно дешевы и по-прежнему используются на небольших предприятиях, работающих с текучими ингредиентами или глазурью для мороженого.
Вискозиметр Редвуда (рис. 4.5) состоит из цилиндрической камеры с рубашкой и маленькой трубкой у основания. Эта трубка имеет заданные длину и диаметр.
Рубашку заполняют водой (38 °С), температура которой обычно регулируется термостатом. Охлажденный с 49 °С до этой температуры шоколад заливают до определенного деления камеры, а в отверстие снизу вводится стержень с шариком на конце. Когда шарик высвобождается, шоколад перетекает в небольшой ковш, и время наполнения ковша фиксируют. Обычно этот процесс длится 25-60 с в зависимости от размеров регулируемого отверстия.
Этот эмпирический инструмент вполне подходит для работы с тонкой глазурью. Вязкость составной глазури измеряется при температуре 49 °С. Устройство для измерения вязкости более густых покрытий основано на принципе падающего шарика, только вместо шарика используют градуированный конус. Как и в предыдущем случае, шоколад доводят до нужной температуры. Конус закрепляют над шоколадной массой на определенной высоте, затем отпускают и по делениям на его поверхности измеряют глубину погружения (рис. 4.6).
Рис. 4.5. Вискозиметр Редвуда
Рис. 4.6. Вискозиметр с падающим конусом
Этот тоже эмпирический инструмент является полезным средством измерения вязкости глазури.
Для работы же с современным высокопроизводительным оборудованием и при постоянном использовании высоковязкого шоколада с низким содержанием какао-масла требуются более точные инструменты.
Ротационные вискозиметры
В шоколадной промышленности применяют ротационные односкоростные вискозиметры Мак-Майкла (MacMichael) и многоскоростные вискозиметры Брукфилда и Хааке {Brookfield, Haake).
Вискозиметр Мак-Майкла (рис. 4.7). Этот ротационный вискозиметр одобрен Американской ассоциацией технологов кондитерской промышленности и принят Национальной ассоциацией кондитеров США. Принцип его действия состоит в следующем. Металлический цилиндр подвешен на скрученной проволоке и погружен в чашку с тестируемым шоколадом. Шоколад при заданной температуре заливают в чашку до соответствующего деления цилиндра и чашку вращают с заданной скоростью. Изгибпроволоки, вызванный движением вращающегося шоколада, измеряют по шкале, прикрепленной к проволоке. Для получения точных результатов прибор следует хранить в шкафу с регулируемой температурой.
Применяются следующие температуры и параметры:
Шоколад
Чашка — внутренний диаметр 6,9 см, вращение со скоростью 15 об/мин.
Цилиндр — диаметр 2,0 см, глубина погружения 3 см.
Скрученная проволока — № 26.
Температура шоколада — 38 °С (охлажден с температуры 50 °С).
Составная глазурь
То же, что и для шоколада, но температура 43,6 °С (охлаждена с 52 °С).
Глазурь для мороженого
Температура — 38 °С.
Вместо цилиндра — диск диаметром 5,7 см, глубина погружения 4 см.
У вискозиметра Мак-Майкла следует регулярно проверять скорость вращения и скрученность проволоки относительно эталона.
Недостатком этого вискозиметра является невозможность получения полной информации о текучих свойствах различных видов шоколада. Кроме того, что данный прибор является односкоростным, он не позволяет точно установить расстояние между чашкой и цилиндром.
Отношение диаметра цилиндра и чашки настолько мало, что сдвиг шоколада осуществляется неравномерно по всему зазору. Данные вискозиметров Мак-Майкла и Брукфилда сравнивались в [17], где было обнаружено, что при заданной скорости вращения на вискозиметре Брукфилда (20 об/мин) данные, полученные на нем, соответствуют данным вискозиметра Мак-Майкла с постоянным коэффициентом 3,40.
Вискозиметры Брукфилда/Хааке. С помощью подобных вискозиметров можно точно определять такие параметры, как пластическая вязкость и динамическое сопротивление сдвигу. Принцип их действия графически представлен на рис. 4.8 и описан в [17]. Разработки компании и методы их использования подробно изложены в фирменном материале [9].
Измерение осуществляется следующим образом.
Пробу шоколадной массы подвергают тщательному плавлению и перемешиванию при температуре 50 °С, избегая попадания воздуха. Затем ее охлаждают до температуры около 43 °С и переносят в чашку вискозиметра.
Температура внешнего цилиндра поддерживается водяной рубашкой и термостатом на уровне 40°С±0,10.
Внутренний цилиндр приводится в движение, когда температура шоколада стабилизируется на уровне 40 °С.
Данные о вязкости снимаются сначала при возрастании
Рис. 4.8. Принцип действия вискозиметров Брукфилда/Хааке
(от 1 до 50 об/мин) скоростей сдвига, а затем при их снижении. Расчет производят по средним значениям.
(от 1 до 50 об/мин) скоростей сдвига, а затем при их снижении. Расчет производят по средним значениям.
Проба шоколадной массы вливается в кольцевой зазор между цилиндрами. Вращающий момент измеряют при вращении центрального цилиндра с определенной скоростью.
Согласно взглядам Кассона, для измерения пластической вязкости и динамического сопротивления сдвига следует отложить на графике квадратный корень скорости сдвига (об/мин) относительно квадратного корня касательного напряжения (по данным вискозиметра). В результате получится прямая, изображенная на рис. 4.9. Сложных вычислений на производстве можно избежать, применив компьютерную систему фирмы Ричардсон (Richardson) (штат Калифорния).
Получив количественные данные, как же их использовать в изучении различных свойств продукта?
На текучие свойства шоколада влияют содержание влаги и какао-масла, жира, размер частиц, рабочая температура и тип ингредиентов. Полученные в ходе измерений цифры позволяют составить рабочую технологическую таблицу и таблицу рецептуры (рис. 4.10). Напротив каждой группы показателей следует отмечать любые изменения ингредиентов, рецептуры, технологических параметров, а также результаты наблюдений.
Рис. 4.9. Определение пластической вязкости и динамического сопротивления сдвигу
Дата | Тип
шоколада |
Пластическая вязкость | Динамическое сопротивление сдвигу | Содержание жира (какао- масла) | Содержание влаги | Размер
частиц |
Приме
чания |
Мобилометр Гарднера
Этот прибор изначально был рекомендован в 1932 г. Американской ассоциации издателей газет для измерения консистенции печатной краски. Возможность его применения в производстве шоколада изучалась в [12], и он оказался надежным и недорогим средством определения пластической вязкости и динамического сопротивления сдвигу.
Прибор состоит из вертикально установленного на ровном основании и вертикальной стойке цилиндра, через который под заданной нагрузкой на заданное расстояние вниз и за определенное время перемещается установленный на кронштейне плунжер. Под действием тяжести плунжера жидкость вытесняется вверх через четыре отверстия в диске плунжера.
Плунжер представляет собой поршневой шток, нижний винтовой конец которого прикреплен к диску (с 51 или 4 отверстиями, или сплошному), тогда как верхний полый конец поддерживает поддон, который можно нагрузить дополнительно. Масса всего плунжера составляет 100 г, включая диск, поршневой шток и поддон без нагрузки.
Шоколад для измерений доводят до температуры 40 °С, трубку наполняют на 1 см от верха. Поршень совершает однократное движение вверх и вниз для удаления пузырьков воздуха. Поршневой шток маркирован в см, и для определения вязкости фиксируют время, затраченное на его погружение на 10 см.
Затем на верхний поддон кладут груз и повторяют испытание. Изменяя нагрузку, снимают ряд показаний, на основе которых можно вычислить пластическую вязкость и динамическое сопротивление сдвигу.
Следует отметить, что между данными мобилометра и вискозиметра Гааке наблюдается хорошее соответствие, и в настоящее время ведутся дальнейшие исследования.
Использование лецитина в шоколаде, какао-порошке и шоколадных напитках
Шоколад
Из вышеизложенного должно быть ясно, что действие лецитина является чисто поверхностным, и поэтому важно, чтобы на поверхности твердых частиц шоколада было активизировано максимальное количество добавленного лецитина.
Количество лецитина, которое в составе шоколада является эффективным, довольно ограниченно и составляет 0,2-0,6% для соевых и прочих растительных лецитинов и до 1% — для синтетического фосфолипида К/У. В первом случае цифры относятся к природным лецитинам промышленного назначения. Соевые продукты содержат обычно от 65% до 70% активных фосфолипидов. Остаток — растительное масло согласно происхождению продукта, и его можно заменить какао-маслом или рафинированным растительным маслом. В странах, где добавление лецитина ограничено нормативными актами, иногда определяют содержание активных фосфолипидов. В других странах применение заменителей лецитина до сих пор запрещено.
Контроль вязкости шоколада является сложной процедурой, и простое добавление, к примеру, 0,5% лецитина вместе с другими ингредиентами не обеспечивает максимального снижения вязкости. На практике лецитин добавляют в основном для сохранения какао-масла в ходе всего технологического процесса, и поэтому иногда стоит распределить его внесение между стадиями измельчения и конширо- вания. Чтобы получить максимальное снижение вязкости, лецитин следует добавлять по возможности ближе к окончанию конширования, что связано с необходимостью удержания лецитина на поверхности частиц. Слишком сухая или слишком жидкая смесь не будет поступать к измельчающим вальцам с оптимальной скоростью, что приведет к образованию на них неровной пленки. Если же очищенная масса может быть приведена в надлежащее физическое состояние с низким содержанием какао-масла, то эффект экономии этого масла будет заметен на протяжении всего технологического процесса.
Таким образом, если общая добавка лецитина составляет 0,5%, то целесообразно добавить на стадии перемешивания перед измельчением 0,15-0,2%, а остальное — в конце конширования. Если на стадии измельчения шоколадная масса без лецитина имеет содержание какао-масла, к примеру, 27% (для обеспечения прохождения через вальцы), то при добавлении лецитина та же консистенция достигается при содержании какао-масла на 1-2% меньше. Фактическое содержание какао-масла зависит от рецептуры и размера частиц, но сниженное содержание какао-масла при добавлении лецитина скажется и на его содержании в готовом шоколаде.
Следующая стадия предназначена для удаления «хлопьев» с измельчающих вальцов и их превращения в подвижную массу, пригодную для конширования без дополнительного добавления лецитина. Это достигается путем механического взбалтывания и перемешивания — будь то в отдельном миксере или на первой стадии работы ротационной или непрерывной коншмашины. Эту часть технологии называют «сухим коншированием» (см. главу 5 «Производство шоколада»), после чего следует перемешивание с более высокой скоростью и (в некоторых случаях) добавление какао-масла.
В конце конширования остаток лецитина добавляют вместе с вкусовыми добавками, и через некоторое время, достаточное для диспергирования, проверяют вязкость. При необходимости ее регулируют, добавляя какао-масло. Ни в коем случае не следует регулировать вязкость путем добавления лецитина.
Иногда можно достичь дополнительного снижения вязкости с помощью быстрого перемешивания после конширования, однако это зависит от типа шоколада и содержания какао-масла. Степень такого снижения можно установить лишь опытным путем.
Какао-порошок и шоколадные напитки
Тонко измельченные порошки, особенно жиросодержащие (какао-порошок и шоколадный порошок для приготовления напитков), трудно смачиваются и диспергируются в воде или водосодержащих жидкостях — таких как молоко.
Использование в качестве ПАВ лецитина или модифицированного лецитина вызывает изменения в физической структуре порошка, благодаря чему и происходит диспергирование.
Зачастую добавление лецитина совмещают с процессом «инстантизации» (см. раздел «Сухое молоко» в главе 5). Это позволяет «сцепить» мелкие частицы в агломераты с капиллярными каналами, через которые просачивается жидкость, вызывая смачивающий эффект. Подобные агломераты также влияют на плотность материала, и поэтому при данной массе он имеет больший объем.
Модифицированные лецитины в настоящее время производят специально для изготовления смачиваемых порошков [13]; их используют в жидком виде, распыляя при нормальных температурах на порошки специальными миксерами и пульверизаторами или в ходе распылительной сушки. Если же порошок был уже агломерирован, можно добавить модифицированный лецитин в порошке путем простого сухого перемешивания.
Литература
- .Bamford, Н. F., Gardiner, K.J., Howat, G. Н., Thomson, A. F. The use of Polyglycerol Polyricinoleate in Chocolate. — Confectionery Production U.K., 1970.
- Cadbury Bros. Ltd. British Patent № 1 032 465. — 1966.
- Casson, N. Flow Equation for Pigment-Oil Suspensions of the Printing Ink Type // Rheol- ogy of Disperse Systems. — London: Pergamon Press, 1959.
- Chang, S. S., Wilson ,J. R. Soya bean oil in our foods // 111. Med. J. — 1964.
- Chang, S. S. Reversion flavors in soya bean oil // Chem. Ind., London. — 1966.
- EichbergJ. American lecithin Co., Atlanta, Ga.
- Fouer, G. Metabolic fate of j2P labelled emulsifier YN in rats // Fd. Cosmet. Toxicol. — London, 1967.-№5(5).-P. 631.
- Gaunt, I. F., Grasso, P., Gangoli, S. D. Short term toxicity study of emulsifier YN in rats //Fd. Cosmet. Toxicol. — London, 1967. — № 5(5). — P. 623.
- Haake Inc., Karlsruhe, West Germany.
- Harris, T. L. Suiface active lipids in foods. — Monograph № 32. — London: Society of Chemical Industry, 1968.
- .Maridey, K. S. Oilseeds and related industries of Germany // U.S. Dept. Comm. Office Tech. Serv. P.S. Rept. -1945. — № 18. — P. 302.
- Martin, R. A., Smullen,J. F. Simplified instrumentation for the measurement of chocolate viscosity // Manf. Conf. — May, 1981.
- Meyer, Lucas, 1985. Hamburg, West Germany.
- Meyer, Lucas. Metarin-Froctionated Lecithin. — Hamburg, West Germany. — 1983.
- Osipow, L., Snell, F. D., York, W. C., Finchler, A. // Ind. Eng. Chem., London — № 48. — P. 1459.
- Richardson, T. W. Richardson Researches Inc., Hayward, Calif., 1979/
- Robbins, J. W. A quick reliable method for measuring yield value, plastic viscosity and «MacMichael» Viscosity of Chocolate // Manuf Confect. — 1979.
- Steiner, E. H. Rheology of disperse systems // Rheology of Disperse Systems / Casson N. — London: Pergamon Press, 1959.
- Definitions and Standards for Foods / U.S. Food and Drugs Administration. — 1944. — Title 21. Pt 14, Cacao Products, Sec. 14.6 (a) and 14.7 (a).
- U.S. Patent № 2 629 662.
- Witco Chemical Co. Inc., Chicago, 111.
[*]partspermillion, частей на миллион. — Примеч. ред.