Kontrola jakości tłuszczów w czekoladzie metodą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC)
Bezpieczeństwo i jakość produktów spożywczych analizowane są z różnych perspektyw. Tłuszcz, jeden z głównych składników czekolady, charakteryzuje się niską temperaturą topnienia i wieloma formami krystalicznymi. Czynniki takie jak zmiany w formowaniu kryształów podczas topienia tłuszczu oraz zawartość tłuszczu stałego w temperaturze pokojowej determinują takie cechy, jak twardość czy płynność.
Aby ocenić te cechy, do pomiaru temperatury topnienia tłuszczów stosuje się m.in. różnicowe kalorymetry skaningowe (DSC).
DSC do określania topnienia i zawartości tłuszczu stałego w czekoladzie
Różnicowa kalorymetria skaningowa jest częścią rodziny analiz termicznych i stanowi prostą metodę charakteryzowania czekolady poprzez analizę jej reakcji na zmiany temperatury. Wyniki, oparte na zawartości masła kakaowego, dostarczają ważnych informacji o produkcie, takich jak temperatura topnienia, krystalizacja, stabilność podczas przechowywania i tekstura.
Pomiary DSC czekolady
Czekolada to produkt spożywczy na bazie tłuszczu, którego głównym składnikiem jest skrystalizowane masło kakaowe z ziaren kakaowca. Znanych jest 6 rodzajów polimorfów krystalicznych masła kakaowego (typ I–VI). Im wyższa liczba, tym bardziej stabilna termicznie jest struktura. Analiza polimorfów krystalicznych masła kakaowego pozwala określić cechy produktu umożliwiające produkcję wyrobów wysokiej jakości.
Badanymi próbkami były ogólnodostępne czekolady mleczne o wysokiej zawartości kakao, tj. 86% oraz czekolady kremowe.
Podczas pomiaru szybkość ogrzewania wynosiła 10°C/min, zakres temperatur od -50°C do 60°C przy użyciu otwartych aluminiowych tygielków. Badane próbki ważyły 5 mg.
Zielona krzywa przedstawia typowy przebieg DSC dla kremowej czekolady. Piki endotermiczne (piki topnienia – ku dołowi) odpowiadają temperaturom topnienia około 10°C i 28°C.
DSC pozwala również na badanie wpływu przechowywania w niskiej temperaturze. Gdy próbka znajduje się w piecu, można obniżyć temperaturę do poziomu poniżej zera, co wpłynie na krystalizację czekolady, a tym samym na jej teksturę. Wykonanie testu DSC przed schłodzeniem i kolejnego po nim pozwala porównać wyniki i sprawdzić, czy produkt nadal zachowuje wymagane właściwości po przechowywaniu w niskich temperaturach i transporcie. Zazwyczaj narażenie na bardzo niskie temperatury obniża temperaturę topnienia czekolady.
Zachowanie tłuszczu nie jest jedynym czynnikiem kształtującym teksturę czekolady – liczy się również jej receptura. Aby pokazać, jak różne rodzaje czekolady reagują na temperaturę, próbki testowano zarówno w stanie surowym, jak i po rozpuszczeniu i schłodzeniu w kontrolowanych warunkach.
Rysunek 2. przedstawia zachowanie się czekolady kremowej, mlecznej i o wysokiej zawartości kakao podczas topnienia. Czekolada kremowa wykazuje piki endotermiczne w temperaturach około 10°C i 28°C. Oznacza to, że w tym przypadku większość tłuszczu zostanie stopiona tuż powyżej temperatury pokojowej, a czekolada będzie miała kremową, miękką konsystencję.
Czekolada mleczna i o wysokiej zawartości kakao z kolei wykazują piki topnienia w temperaturach około 33°C i 34°C. Większość ich tłuszczu topi się powyżej temperatury pokojowej, dlatego są one twarde przy pierwszym kęsie, a następnie stopniowo miękną.
Te trzy rodzaje czekolady schłodzono następnie do temperatury -50°C z szybkością 10°C/min w celu ich rekrystalizacji.
Rysunek 3. przedstawia krzywe DSC dla drugiego etapu ogrzewania. Porównując krzywe pierwszego i drugiego etapu ogrzewania, można zaobserwować, że temperatura topnienia wszystkich próbek uległa obniżeniu, a część czekolady nadal topi się w temperaturze pokojowej. Wskazuje to, że proces chłodzenia w dużym stopniu wpłynął na właściwości topnienia wszystkich tych czekolad.
Jak pokazano na rysunku 1., DSC może również mierzyć zawartość tłuszczu stałego (SFC), która jest wskaźnikiem zawartości tłuszczu i olejów w żywności. Pomiaru dokonuje się zazwyczaj za pomocą impulsowego NMR. Można również zastosować prostą alternatywną technikę, uzyskując krzywą całkową z piku(ów) topnienia DSC. Kwantyfikacja SFC jest ważną właściwością, ponieważ wpływa na miękkość lub twardość czekolady. Producenci mogą modyfikować tę właściwość, aby sprostać potrzebom i wymaganiom klientów.
Rysunek 4. przedstawia zawartości tłuszczów stałych dla trzech rodzajów czekolady. Czekolady kremowe i mleczne zaczynają tracić tłuszcz stały poniżej 0°C, podczas gdy czekolada o wysokiej zawartości kakao zaczyna się topić dopiero w temperaturze pokojowej.
Obraz w czasie rzeczywistym – system Real View™
Innym sposobem na zrozumienie procesu topnienia czekolady jest wykorzystanie przechwytywania obrazu w czasie rzeczywistym w połączeniu z DSC. Rysunki 5. i 6. przedstawiają wyniki DSC dla białej i gorzkiej czekolady. W tej metodzie chłodzenia i podgrzewania, obrazy w czasie rzeczywistym pomagają zilustrować proces topnienia i krystalizacji.
Podczas gdy biała czekolada wykazuje szczyt topnienia w temperaturze 11,6°C, obrazy pokazują, że jej wygląd nie zmienia się aż do całkowitego roztopienia w temperaturze 32,4°C.
Przechwytywanie obrazu w czasie rzeczywistym możliwe jest dzięki innowacyjnemu systemowi Real View™, który umożliwia obserwację na żywo zmian w próbce w temperaturze od -50°C do 300°C. System ten zbiera wysokorozdzielcze zdjęcia z pomiaru, które są precyzyjnie przypisane do danej temperatury i czasu pomiaru. Daje to wyraźniejszy obraz procesu topnienia i krystalizacji niż sam termogram i pozwala szybciej wykrywać nieprawidłowości.
Podsumowanie
Temperatura ma ogromny wpływ na właściwości czekolady, dlatego zrozumienie jej wpływu jest kluczowe do uzyskania odpowiedniej konsystencji. Analizator DSC pozwala użytkownikom obserwować, jak topi się czekolada, obliczać zawartość tłuszczu stałego w różnych temperaturach oraz rejestrować obraz w czasie rzeczywistym, wizualnie potwierdzać zachodzące procesy na każdym etapie nagrzewania i chłodzenia.
Metoda różnicowej kalorymetrii skaningowej jest przydatna w rozwoju produktów i ocenie jakości, ponieważ umożliwia uzyskanie danych o strukturze krystalicznej próbek pomiarowych o różnych właściwościach topnienia lub historii termicznej.
Analizatory termiczne NEXTA DSC firmy Hitachi zostały zaprojektowane z myślą o dokładności, czułości i łatwości obsługi. Unikalna konstrukcja pieca o niskiej pojemności cieplnej i trójwarstwowej izolacji zapewnia doskonałą płaskość linii bazowej, co pozwala na wykrywanie najmniejszych zmian właściwości termicznych próbek.
Źródła:
Nota aplikacyjna Hitachi: „Estimating the Solid Fat Content of Chocolate and Butter Products Using DSC to investigate of the taste of edible fats