Untersuchung des Einflusses amorpher und kristalliner Laktose in Milchpulver auf die Eigenschaften von Milchschokolade

Fachbereich Agrarwirtschaft und Lebensmittelwissenschaften Studiengang Lebensmitteltechnologie

WS 2010/11

Bachelorarbeit

Untersuchung des Einflusses amorpher und kristalliner

Laktose in Milchpulver auf die Eigenschaften von

Milchschokolade

Verfasser: Thorsten Wenker

Betreuer: Prof. Dr. S. Bolenz

Dipl. Ing. (FH) André Manske

Neubrandenburg, den 21.02.2011

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

AMP amorphes Milchpulver KM Kugelmühle KMP kristallines Milchpulver MV Mischversuch V Versuch WA-Schokolade Walzwerk-Schokolade WW Walzwerk

INHALTSVERZEICHNIS Seite

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS... 2

1 EINLEITUNG ... 5

2 STAND DER TECHNIK ... 6

2.1 ZERKLEINERUNG VON SCHOKOLADENMASSEN... 6

2.1.1 Zerkleinerung ... 6

2.1.2 Walzwerke ... 6

2.1.3 Rührwerkskugelmühlen ... 7

2.1.4 Einfluss der Partikelgröße ... 8

2.2 CONCHIEREN ... 9

2.3 WIENER VERFAHREN ... 11

2.4 TECHNOLOGISCHE HINTERGRÜNDE DER ROHSTOFFE ... 12

2.4.1 Milchpulverherstellung ... 12

2.4.2 Laktose ... 13

2.4.3 Milchpulvertrocknung (Dry –Mix) ... 14

2.4.4 Kakaomasse... 15

2.5 MISCHEN VON SCHOKOLADEN ... 16

3 MATERIAL UND METHODEN ... 17

3.1 WERKZEUGE UND MASCHINEN... 17

3.1.1 Dreiwalzwerk ... 17 3.1.2 Inline-Mischer ... 18 3.1.3 Labor-Conche... 18 3.1.4 Universalküchenmaschine... 19 3.1.5 Rührwerkskugelmühle ... 19 3.2 ROHSTOFFE ... 19 3.3 REZEPTUR... 20 3.4 VERSUCHSÜBERSICHT... 20 3.5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG... 21 3.5.1 Milchpulvertrocknung ... 21 3.5.2 Versuch 1 (WW/AMP) ... 22 3.5.3 Versuch 2 (WW/KMP)... 23 3.5.4 Versuch 3 (KM/AMP)... 23 3.5.5 Versuch 4 (KM/KMP)... 24

3.5.6 Mischversuche... 25

3.6 ANALYTISCHE MESSMETHODEN ... 25

3.6.1 Laserbeugungsspektrometer... 25

3.6.2 Rotationsrheometer ... 27

3.6.3 Mikrometerschraube ... 29

3.6.4 Restfeuchtebestimmung mittels Seesand ... 30

3.6.5 Schnellfeuchtebestimmung ... 30

3.6.6 Mikroskop... 31

4 ERGEBNISSE UND DISKUSSIONEN ... 32

4.1 MILCHPULVERTROCKNUNG ... 32 4.2 VERSUCHE 1-4 ... 33 4.2.1 Versuch 1 (WW/AMP) ... 33 4.2.2 Versuch 2 (WW/KMP)... 35 4.2.3 Versuch 3 (KM/AMP)... 37 4.2.4 Versuch 4 (KM/KMP)... 40

4.3 VERLEICH DER VERSUCHE 1-4... 43

4.4 MISCHVERSUCHE ... 47

5 DISKUSSION UND SCHLUSSFOLGERUNG... 54

6 ZUSAMMENFASSUNG ... 55 ABSTRACT ... 57 LITERATURVERZEICHNIS ... 58 ABBILDUNGSVERZEICHNIS ... 60 TABELLENVERZEICHNIS ... 62 ANHANG ... 64

1 EINLEITUNG

Schokolade erfreut sich sowohl bei Kindern, als auch bei Erwachsenen großer Beliebtheit und spielt auf dem Süßwarenmarkt eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund ist die Forschung auf diesem Gebiet unabdingbar.

Da Schokolade Milchpulver enthält, ist auch der Einfluss der darin enthaltenen Laktose, auf die Eigenschaften der Schokolade von Bedeutung. Da dieser Aspekt noch nicht tief greifend untersucht wurde, soll diese Projektarbeit an dieser Stelle eingreifen.

Das Augenmerk soll hierbei auf dem unterschiedlichen Einfluss kristalliner und amorpher Laktose liegen. Hierzu sollen Schokoladen, mit Milchpulver mit einem hohen Anteil kristalliner, sowie einem hohen Anteil amorpher Laktose, hergestellt werden.

Dabei wird zum einen die konventionelle Herstellungsmethode mittels Walzwerk eingesetzt und zum anderen die alternative Herstellungsmethode mittels Kugelmühle. Des Weiteren sollen die „Walzwerk-Schokoladen“ und die „Kugelmühlen-Schokoladen“ in verschiedenen Verhältnissen miteinander gemischt werden. Dies um zu überprüfen, ob durch den hohen Feingutanteil einer mit Hilfe eines Walzwerkes hergestellten Schokolade und den hohen Grobgutanteil einer mittels Kugelmühle hergestellten Schokolade, synergetische Effekte auftreten. Diese könnten theoretisch zu verbesserten Fließeigenschaften führen.

2 STAND DER TECHNIK

2.1 ZERKLEINERUNG VON SCHOKOLADENMASSEN

2.1.1 Zerkleinerung

Die Zerkleinerung der Schokoladenmasse nimmt im Bereich der Schokoladenherstellung eine sehr wichtige Rolle ein.

Sie besitzt direkten Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften und somit auch auf die Qualität einer Schokolade. Somit beeinflusst sie z.B. die Viskosität und den Schmelz des Endproduktes. Wichtig ist des Weiteren auch, dass die verwendeten Zerkleinerungsmaschinen eine ausreichend kleine Partikelgröße erzeugen, um ein sandiges Mundgefühl beim Verzehr zu verhindern (Beckett, 2008).

2.1.2 Walzwerke

Bei der Herstellung von Schokolade kommen hauptsächlich Walzwerke zur Zerkleinerung zum Einsatz. Diese Zerkleinerung erfolgt in zwei Schritten. Im ersten wird die Schokoladengrundmasse, bestehend aus Kakaomasse, Kakaobutter, Milchpulver, Zucker, Gewürzen und Aromen, mit Hilfe eines Zweiwalzwerkes vorzerkleinert. Dieses besteht aus zwei horizontal nebeneinander angebrachten Walzen, die entgegengesetzt zueinander drehen. Die Schokoladenmasse wird hierbei in den Spalt eingezogen, was die Zerkleinerung zur Folge hat (Vorlesung Bolenz, 2009). In diesem Schritt wird die Schokoladenmasse auf eine maximale Krongröße von 200 μm zerkleinert. Auf Grund der resultierenden Oberflächenvergrößerung kommt es zu einer Verfestigung der Schokoladengrundmasse.

Anschließend wird die Masse einem Fünfwalzwerk zur Feinzerkleinerung zugeführt. Bei diesem sind die Walzen übereinander angebracht und können von innen mit Wasser gekühlt werden (Tscheuschner, 2004). Durch eine hydraulische Steuerung sind die Anpressdrücke zwischen den einzelnen Walzen einstellbar (Vorlesung Bolenz, 2009).

Die ersten beiden Walzen, die in einem Winkel übereinander angebracht sind, bilden die Produktaufgabe und sind in ihrem Spalt einstellbar. Die Umfangsgeschwindigkeit der zweiten Walze kann variiert werden.

Die Umfangsgeschwindigkeit nimmt von der ersten bis zur fünften Walze stetig zu, wodurch der Produktfilm immer an die folgende Walze übertragen wird.

Der Spalt zwischen den einzelnen Walzen nimmt stetig ab, was zur Folge hat, dass die Partikel immer weiter zerkleinert werden. Somit entsteht eine Endfeinheit, die bei etwa 20 μm liegt (Beckett, 2009). Der an der letzten Walze anhaftende Produktfilm wird schließlich mittels Abstreifmesser entfernt (Tscheuschner, 2004).

Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Fünfwalzwerkes.

Abbildung 1: schematischer Aufbau eines Fünfwalzwerkes (Beckett, 2008)

2.1.3 Rührwerkskugelmühlen

Rührwerkskugelmühlen dienen der Nasszerkleinerung im Bereich der Feinst- und Kolloidmahlung von vorzerkleinertem Gut. Sie bestehen aus einem horizontal oder vertikal gelagerten Behälter, der den Mahlraum bildet und zu 80 bis 90% mit Kugeln gefüllt ist, die als Mahlkörper dienen (Schwister, 2010). Diese Kugeln können aus Glas, Stahl, Zirkoniumoxid oder Korund bestehen und einen Durchmesser von 1,5 bis 12 mm aufweisen (Hirschberg, 1999). Durch einen integrierten mehrstufigen Scheibenrührer oder ein Rotor-Stator-System, werden die Mahlkugeln bewegt, was eine Zerkleinerung des Mahlgutes durch Reibung zur Folge hat.

Diese Reibung und der damit verbundene Temperaturanstieg macht eine Kühlung mittels Doppelmantel nötig. Des Weiteren befindet sich am Austritt der Rührwerkskugelmühle eine Vorrichtung, die die Mahlkugeln zurück hält (Stieß, 1994).

Abbildung 2: Rührwerkskugelmühle der Firma Lipp

2.1.4 Einfluss der Partikelgröße

Die Partikelgröße beeinflusst die physikalischen Eigenschaften und somit die Qualität einer Schokolade maßgeblich. Zum einen spielt die Partikelgröße eine Rolle, da sie laut Beckett (2008) nicht über 30 μm liegen sollte, da ansonsten die Schokolade beim Verzehr ein sandiges Mundgefühl erzeugt. Des Weiteren zeigten Versuche, dass Schokolade mit einer Partikelgröße von 20 μm ein belagbildendes Mundgefühl erzeugt.

Jedoch spielt nicht nur die Partikelgröße, sondern auch die Partikelgrößenverteilung eine Rolle. Letztere hat nämlich direkten Einfluss auf die Viskosität einer Schokolade.

Um die Viskosität einer Schokolade zu reduzieren, kann der Fettgehalt erhöht werden oder bis zu einem gewissen Maß auch ein Emulgator verwendet werden. Problematisch ist jedoch, dass ein erhöhter Fettgehalt auf Grund des hohen Preises des Fettes unwirtschaftlich ist.

Um die Viskosität auf anderem Wege zu senken, kann die Partikelgrößenverteilung genutzt werden. Besitzt eine Schokolade eine unimodale Partikelgrößenverteilung, bedeutet das, dass sie nur ein Maximum besitzt. In diesem Fall liegt zwischen den einzelnen Partikeln ein großer Teil

Fett, das nicht dafür genutzt werden kann, die Partikel der Schokolade zu benetzten. Diese Tatsache erhöht die Viskosität. Um dies zu ändern, kann eine bimodale Partikelgrößenverteilung genutzt werden. D.h., dass die Partikelgrößenverteilung zwei Maxima aufweist, eins bei den feineren Partikeln und eins bei den gröberen. In diesem Fall legen sich die feinen Partikel zwischen die groben und verdrängen somit das dort vorliegende Fett, welches anschließend frei vorliegt und dafür genutzt werden kann, die Partikel zu umhüllen und somit die Viskosität zu senken (Beckett, 2008). Dies wird durch Abbildung 3 verdeutlicht.

Abbildung 3: uni- und bimodale Partikelverteilung (Beckett, 2008)

Um ein optimales Ergebnis zu erhalten, sollte die Mischung der Partikel zu 37% aus feinen und zu 63% aus groben Partikeln bestehen (Servais, 2002). Des Weiteren sollten die groben Partikel mindestens siebenmal so groß sein wie die feinen.

Ein weiterer Effekt, der im Falle der bimodalen Partikelgrößenverteilung die Viskosität senkt, ist, dass die kleinen Partikel den großen als Schmiermittel dienen (Do etal, 2007).

2.2 CONCHIEREN

Nachdem die Schokoladengrundmasse mit Hilfe des Walzwerks zerkleinert wurde, gelangt sie zur Conche. Das Conchieren dient der Endveredelung der Schokolade, wobei es zu einer Verbesserung der Fließeigenschaften und einer Veredelung des Aromas kommt (Kleinert, 1997). Das Conchieren teilt sich in drei Phasen ein. In der ersten Phase, der sog. Trockenconchieren, soll durch Zuführen von Wärme durch den temperierbaren Doppelmantel der Conche und durch Reibung des Rührwerks, die Schokoladenmasse entfeuchtet und entgast werden (Vorlesung Bolenz, 2009). Der Feuchtigkeitsgehalt der Schokoladenmasse liegt zu Beginn des Conchierens

bei etwa 1% und muss auf etwa 0,5% reduziert werden um optimale Fließeigenschaften zu erhalten (Bolenz, 2008) (Kleinert, 1997). Versuche zeigten, dass bei einer Restfeuchte von über 1%, pro 0,3% weiterer Feuchtigkeit 1% mehr Fett benötigt wird, um die gleichen Fließeigenschaften zu erhalten. Hierdurch kann Fett eingespart werden, was wirtschaftlich von großer Bedeutung ist (Beckett, 2009).

Des Weiteren werden durch das so verdampfende Wasser auch unerwünschte niedermolekulare, wasserdampfflüchtige Komponenten entfernt, was eine Verbesserung des Schokoladenaromas zur Folge hat (Kleinert, 1997). Schließlich werden in dieser Phase auch die Nichtfettbestandteile durch Scherung mit Fett umhüllt, was eine weitere Verbesserung der Fließeigenschaften zur Folge hat.

In der zweiten Phase, der sog. pastösen Phase, findet eine Zugabe von Kakaobutter statt, was eine Verflüssigung der Schokoladenmasse zur Folge hat. Des Weiteren findet durch die Scherung ein weiterer Temperaturanstieg statt. Dieser macht eine Kühlung der Masse mit Hilfe des Doppelmantels der Conche nötig. Auch in dieser Phase findet eine Veredelung des Aromas statt.

In der dritten und letzten Phase, der flüssigen Phase, werden die restliche Kakaobutter und das Lezithin hinzugefügt. Dadurch kommt es zu einer starken Verflüssigung der Masse. Des Weiteren wird die Schokoladenmasse in dieser Phase durch das Rührwerk homogenisiert (Vorlesung Bolenz, 2009).

Abbildung 4 zeigt den Aufbau einer Doppel-Überschlag-Conche im Querschnitt.

Abbildung 4: Schematische Darstellung einer Doppel-Überschlag-Conche im Querschnitt (Beckett, 2008)

2.3 WIENER VERFAHREN

Beim Wiener Verfahren wird Schokolade in einem kontinuierlichen Prozess mittels Kugelmühle hergestellt. Hierbei befindet sich die Schokoladenmasse in einem Vorratstank, in dem sie durch ein Rührwerk kontinuierlich bewegt wird. Des Weiteren werden mittels Zwangslüftung die Conchierreaktionen gesteigert und ein Teil der in der Schokoladenmasse befindlichen Feuchtigkeit entfernt. Um den Feuchtigkeitsentzug zu steigern, befinden sich in einigen dieser Behälter Sprüh- oder Zentrifugiervorrichtungen, die einen dünnen Produktfilm erzeugen.

Von hier aus wird die Masse kontinuierlich in eine Kugelmühle befördert. Diese wird von Masse mehrmals durchlaufen, bis die benötigte Endfeinheit erreicht wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es kostengünstig ist und durch die geschlossene Bauweise die Gefahr von Verunreinigungen gering ist (Beckett 2009).

Von Nachteil ist, dass die Schokoladenmasse stets pumpfähig sein muss, was einen erhöhten Fettgehalt nötig macht, was wiederum den Feuchtigkeitsentzug erschwert. Des Weiteren findet bei diesem Verfahren im Gegensatz zur konventionellen Herstellung keine Trockenconchierphase statt. Diese beiden Aspekte sorgen für einen erhöhten Feuchtigkeitsgehalt im Endprodukt. Dieser Feuchtigkeitsgehalt sorgt dafür, dass eine solche Schokolade einen höheren Fettgehalt benötigt, als eine nach dem konventionellen Verfahren hergestellt Schokolade, um dieselben Fließeigenschaften zu erhalten. Durch den hohen Preis der Kakaobutter ist dies jedoch unwirtschaftlich. Aus diesem Grund eignet sich dieses Verfahren besonders für sog. Compounds, die preiswerte pflanzliche Fett enthalten.

Abbildung 5 zeigt den schematischen Aufbau einer Wiener Anlage.

2.4 TECHNOLOGISCHE HINTERGRÜNDE DER ROHSTOFFE

2.4.1 Milchpulverherstellung

Zur Herstellung von Milchpulver können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Die Sprühtrocknung und die Walzentrocknung sind hierbei am weitesten verbreitet. Eine weitere Methode ist die Gefriertrocknung, die der Herstellung sehr hochwertiger Pulverqualitäten dient, jedoch auf Grund des hohen Energieverbrauchs nur in geringem Maße Anwendung findet (Tetra Pak, 2003). Nachdem die Milch gereinigt, standardisiert und thermisch behandelt wurde, erfolgt eine Erhöhung des Trockenmassegehaltes durch Eindampfung (Tscheuschner, 2004).

Anschließend wird das Konzentrat homogenisiert und der Trocknungseinrichtung zugeführt. Bei der Sprühtrocknung dient ein Sprühturm der Trocknung, der mit heißer Luft gefüllt ist. Die Lufttemperatur liegt unter 100 °C. Am Kopf dieses Sprühturmes wird das Konzentrat durch Versprühen fein verteilt. Während die so entstandenen Tropfen im Inneren nach unten fallen, wird ein Großteil des in ihnen vorliegenden Wassers verdampft.

Bei der Walzentrocknung wird das Konzentrat in einem dünnen Film auf eine etwa 100 °C heiße Oberfläche aufgebracht, getrocknet und durch Schabemesser von der Walzenoberfläche entfernt und anschließend in Mühlen zu Pulver vermahlen (Tscheuschner, 2004).

Je nach Intensität der Wärmebehandlung findet eine Einteilung in verschiedene Kategorien statt. Mit steigender Intensität, steigt auch der Grad der Molkenproteindenaturierung, diese wird üblicherweise als Molkenprotein-Stickstoff (Nitrogen)-Index (MPNI), d.h. in mg undenaturierter Molkenproteinstickstoff pro Gramm Pulver, ausgedrückt. Sie ist von der Temperatur/Zeit-Kombination, der die Milch vor und während der Eindampfung und Trocknung ausgesetzt wurde, anhängig. Somit findet eine Einteilung in „low-heat-“, „medium heat-“ und „high-heat-Pulvertypen“ statt (Tetra Pak, 2003).

Um ein Milchpulver zu erhalten, das hauptsächlich amorphe Laktose enthält, wird die Milch bei ca. 75 °C auf einen Wassergehalt von 40-50% eingedampft. Anschließend erfolgt direkt die Trocknung mittels Sprühturm. Die Laktose des so entstandenen Milchpulvers besitzt zu etwa 85% eine amorphe Struktur.

Um ein Milchpulver mit einem hohen Gehalt kristalliner Laktose zu erhalten, erfolgt nach der Eindampfung der Milch, bei einer Temperatur von 55°C und einem Wassergehalt von 40-50%, eine Vorkristallisation durch Abkühlen von 55 °C auf 8 °C während einer Dauer von sechs Stunden. In Anschluss daran erfolgt die Trocknung mittels Sprühturm. Die Laktose des so entstandenen Milchpulvers besitzt zu 80% eine kristalline Form (Nordmilch, 2008).

2.4.2 Laktose

Laktose ist ein Disaccharid, das aus den Monomeren Glucose und Galaktose aufgebaut ist. Diese sind über das C1-Atom der Galaktose und dem C4-Atom der Glukose glycosidisch miteinander verknüpft (Töpel, 2004).

Je nach Stellung der Hydroxylgruppe am C1-Atom der Glukose liegt Laktose in der Į- und der ȕ-Form vor. In einer wässrigen Lösung stellt sich ein temperaturabhängiges Gleichgewicht zwischen Į- und ȕ-Laktose ein. Somit tritt bei einer Temperatur von 20°C ein Verhältnis von ȕ- zu Į-Laktose von 1,68 ein (Krömker, 2007).

Beim Auskristallisieren aus übersättigten Laktoselösungen entsteht bei Temperaturen unterhalb von 93,5 °C das Į-Laktose-Monohydrat, oberhalb dieser Temperatur entsteht ȕ-Laktose (Töpel, 2004).

Laktose tritt jedoch nicht nur in kristalliner, sondern auch in amorpher Form auf. Diese Laktose setzt sich aus dem stark hygroskopischen Į-Laktose-Anhydrid und der nur geringfügig hygroskopischen ȕ-Laktose zusammen (Krömker, 2007).

Durch die Wasseraufnahme geht das Į-Laktose-Anhydrid in Į-Laktose-Monohydrat über und ordnet sich in das Kristallgitter ein. So kommt es zu einem Verklumpen von Laktose mit Eiweiß. Diese Klumpenbildung erfolgt in drei Schritten:

1. Adsorption der Feuchtigkeit durch amorphe Laktose

2. Adhäsion und Zusammenkleben der Pulverteilchen miteinander

3. Verfestigung der Pulvermasse infolge der Kristallisation des Į-Laktose-Monohydrates

Aufgrund dieser Vorgänge kommt es zu einer schlechten Dispergierbarkeit des Pulvers, zu einer Brückenbildung in Pulversilos und Sprühtürmen, zu einer Destabilisierung des Fettkügelchenhülle und Bildung von freiem Fett in Vollmilchpulver und zu einer teilweisen Destabilisierung der Caseinmicellen und folglich Vergrößerung des Sedimentanteils.

Amorphe Laktose entsteht bei einer schnellen Trocknung von laktosehaltigen Lösungen, wie z.B. Milch oder Molke. Dies ist besonders bei der Sprüh- und der Gefriertrocknung der Fall (Töpel, 2004).

In Versuchen konnte festgestellt werden, dass amorphe Lactose der Hauptgrund für Grießbildung in Schokoladen ist. Problematisch ist dies, da Grießbildung zu Qualitätsmängeln führt (Tscheuschner 1993).

2.4.3 Milchpulvertrocknung (Dry-Mix)

Ein großer Nachteil der konventionellen Milchschokoladenherstellung ist die lange Conchierzeit. Hauptgrund hierfür ist, die durch das Milchpulver eingebrachte Feuchtigkeit, die während der Trockenconchierphase reduziert werden muss.

Ein Patent Bolenz (2007) beschreibt ein Verfahren bei dem Milchpulver nachgetrocknet wird und dadurch die Trockenconchierphase entfällt und der Conchiervorgang erheblich reduziert werden kann.

Normalerweise besitzt Milchpulver eine Restfeuchte von etwa 4%, für die Schokoladenherstellung wäre jedoch eine Restfeuchte von weniger als 1% ideal. Die Trocknung unterhalb dieses Wertes ist jedoch auf Grund der Sorptionsisotherme schwierig. D.h., dass die Wasseraktivität des Milchpulvers, das sog. freie Wasser, im Gleichgewicht mit der relativen Luftfeuchte der Umgebung steht. Liegt die Luftfeuchtigkeit über der Wasseraktivität des Milchpulvers, nimmt das Milchpulver Wasser aus der Umgebung auf (Töpel, 2004).

Des Weiteren scheitert eine weitere Trocknung an der Hygroskopizität des Milchpulvers. Würde bei der Herstellung von Milchpulver die Trocknung fortgesetzt werden, um den Feuchtigkeitsgehalt weiter zu senken, würde es des Weiteren zu einem sog. Glasübergang kommen. Das bedeutet, dass bei Erreichen einer bestimmten Temperatur, verändert sich die Struktur der Laktose, die Matrix des Milchpulverpartikels wird gummiartig und klebrig. Hinzu kommt, dass eingeschlossenes Fett austreten kann. Dies hätte eine klebrig-pastöse Masse zur Folge. Diese würde an den Trocknungseinrichtungen kleben und den Wärmeübergang beinträchtigen. Des Weiteren könnte durch die klebrig-pastöse Struktur der Wassergehalt nicht weiter gesenkt werden. Schließlich würde es auch zu einer Veränderung der Farbe und des Geschmacks kommen (Patent Bolenz, 2007).

Aus diesen Gründen wird bei dem erwähnten Verfahren das Milchpulver einer Nachtrocknung unterzogen. Wobei die Trocknungstemperatur unter 100 °C liegen sollte, um einen Glasübergang zu verhindern. Die Trocknung kann ruhend auf Hordenblechen durchgeführt werden oder mit Hilfe von Trocknungseinrichtungen, die nur einen geringen Eintrag von mechanischer Energie verursachen, wie z.B. Band- oder Fliessbetttrockner. Dies, da ein hoher Eintrag von mechanischer Energie einen Glasübergang verursachen kann. Somit kann Milchpulver mit einer

Restfeuchte von unter 0,6% bereitgestellt werden. Problematisch hierbei ist jedoch, dass auf Grund der Hygroskopizität, das Milchpulver nach der Trocknung sofort wieder Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt. Abhilfe kann hierbei ein Dispergieren des Milchpulvers in Fett im Anschluss an die Trocknung schaffen. Hierbei handelt es sich um Fett das Rezepturbestandteil ist.

Die so entstandene Masse kann anschließend granuliert oder zu Pellets verarbeitet werden. Um eine evtl. auftretende Staubentwicklung während der Trocknung zu unterbinden, kann dem Milchpulver eine geringe Menge Fett beigefügt werden. Weiter kann dem Milchpulver auch Zucker beigefügt werden, was zu Folge hat, dass das Milchpulver während der Trocknung, auch unter Einwirkung von mechanischer Energie und höheren Temperaturen, rieselfähig bleibt und somit einem Glasübergang vorbeugt. Des Weiteren sind durch die Zuckerzugabe auch höhere Trocknungstemperaturen möglich, da der Zucker durch das Bereitstellen seiner Oberfläche, das Verkleben und Verfestigen des Pulvers verhindert und austretendes Fett aufnimmt. Schließlich werden durch die Zuckerzugabe spezifische Geschmacksnoten im Endprodukt, die auf erfolgende Maillard-Reaktion zurückzuführen ist, erzeugt (Patent Bolenz, 2007).

2.4.4 Kakaomasse

Zu Beginn der Kakaomassenherstellung müssen die Kakaobohnen gereinigt werden. Dies um Fremdmaterialien wie z.B. Steine und Metallteile zu entfernen, um die Kakaoverarbeitungsmaschinen zu schonen (Beckett, 2009). Anschließend erfolgt die thermische Behandlung mittels Sattdampf, Infrarot, Heißluft oder Röstung (Beckett, 1990).

Durch diese Behandlung kann die Schale der Kakaobohne einfacher entfernt werden. Dies geschieht durch sog. Kakaobohnenwurfbrecher. In angeschlossenen Sichtanlagen wird der Kakaokernbruch (Nibs) von den Schalen entfernt (Kleinert, 1997).

Anschließend erfolgt die zweistufige Zerkleinerung der Kakaobohnen. Im ersten Schritt werden die Nibs mit Hilfe von Schlagmessermühlen, Stiftmühlen oder Scheibenmühlen vorzerkleinert. Die anschließende Feinzerkleinerung erfolgt mittels Dreiwalzwerken, Drillingsmühlen oder Rührwerkskugelmühlen (Vorlesung Bolenz, 2009). Eine ausreichende Zerkleinerung spielt bei der Kakaobutterherstellung eine große Rolle, da nur so die gesamte Kakaobutter aus den Zellverbänden frei gelegt werden kann (Kleinert, 1997).

Wichtig bei der Herstellung von Kakaomasse ist das Debakterisieren. Der hohe Keimgehalt, den die Kakaobohnen vor der Verarbeitung aufweisen, muss reduziert werden. Dabei werden entweder die ganzen Bohnen, die Nibs oder die Kakaomasse mit Sattdampf behandelt.

Problematisch sind die noch in der Kakaomasse enthaltenen unerwünschten flüchtigen Aromastoffe, wie z.B. Essigsäure. Diese Stoffe können durch eine Dünnschichtbehandlung entfernt werden.

Hierbei wird die Kakaomasse in einem dünnen Film auf eine beheizte Fläche aufgetragen. Dadurch verflüchtigen sich die o.g. unerwünschten Aromastoffe und des Weiteren auch ein Teil der enthaltenen Feuchtigkeit. Zur Dünnschichtbehandlung können unterschiedliche Verfahrensweisen zum Einsatz kommen, wie z.B. das Petzomat-Dünnschichtverfahren, das mit Heißluft arbeitet, oder der Luwa-Dünnschichtverdampfer (Kleinert, 1997).

2.5 MISCHEN VON SCHOKOLADEN

In vorherigen Versuchen zum Thema Schokolade, die an der Hochschule Neubrandenburg durchgeführt wurden, wurde festgestellt, dass bei der Walzenzerkleinerung ein hoher Feingutanteil und bei der Kugelmühlenzerkleinerung ein hoher Grobgutanteil entsteht. Somit liegt die Vermutung nahe, dass durch Mischen von Schokoladen beider Herstellungsverfahren ein synergetischer Effekt auftritt was eine Schokolade mit verbesserten Fließeigenschaften zur Folge hat (Bolenz; Manske, 2009). Dies, da die Mischung der Partikel einer solchen Schokolade eventuell näher an das von Servais (2002) beschriebene Verhältnis von 37% feinen und 63% groben Partikeln heranreicht, als die Ausgangsprodukte.

3 MATERIAL UND METHODE

3.1 WERKZEUGE UND MASCHINEN

3.1.1 Dreiwalzwerk

Für die Durchführung der Versuche dieser Projektarbeit wurde zur Zerkleinerung der Schokoladenmasse ein Dreiwalzwerk eingesetzt. Hierbei handelte es sich um das Modell WDLH 300 der Firma F.B. Lehmann Maschinenfabrik GmbH (Aalen, Deutschland).

Die Einstellung erfolgt über den Anpressdruck (dynamischer Spalt) (Bolenz, 2009).

Die Frequenz kann stufenlos eingestellt werden und wurde für die Versuche dieser Projektarbeit auf 40 Hz eingestellt. Die einzelnen Walzen dieses Walzwerkes können mittels Wasser temperiert werden, wodurch ein Auskristallisieren der Schokoladenmasse auf der Walze verhindert wird. In allen Versuchen dieser Studienarbeit wurde eine Temperatur von 45°C gewählt. Die Zerkleinerung läuft folgendermaßen ab. Die Schokoladenmasse wird auf die erste Walze aufgetragen. Von dort wird sie auf die zweite Walze übertragen, dies dadurch, dass die zweite sich etwas schneller dreht, als die erste Walze. Daraufhin wird die Masse auf die dritte Walze übertragen, die sich mit der höchsten Drehzahl bewegt. Anschließend wird das so entstandene Walzgut mittels Abschabemesser von der Walze entfernt. Die folgende Abbildung zeigt den schematischen Aufbau des Dreiwalzwerkes.

3.1.2 Inline-Mischer

Zum Nachscheren der hergestellten Produkte wurde der Inline-Mischer Reflector® Typ R003 der Firma Lipp Mischtechnik GmbH (Mannheim, Deutschland) eingesetzt. Ziel war es, die rauen Partikel, die bei der Herstellung mit einer Kugelmühle entstehen, abzurunden. Dadurch soll die Grenzviskosität reduziert werden. Gleichzeitig steigt erfahrungsgemäß jedoch die Fließgrenze, da beim Nachscheren die Partikel in gewissem Umfang zerkleinert werden und besonders kleine Partikel die Fließgrenze erhöhen. Ein weiterer Effekt ist, dass Agglomerate aufgespalten werden. Der Inline-Mischer besteht aus einem Rotorflügel mit ihren verzahnten Enden, der die Zahnringe des zylindrischen Stators durchkämmt. Hierbei bilden Rotorflügel und Stator eine Scherzone. Die Scherrate ist drehzahlabhängig und kann stufenlos eingestellt werden. Beim Passieren des Inline-Mischers bilden die Partikel durch die Zentrifugalbeschleunigung des Rotors in der Scherzone einen turbulent umlaufenden Produktring. Große und schwere Partikel bewegen sich hierbei vorwiegend außen im Produktring und unterstehen großer Scherung (Firma Lipp Mischtechnik GmbH, 2010). Folgende Abbildung zeigt den Rotorflügel mit den verzahnten Enden und den zylindrischen Stator, der mit Zahnringen besetzt ist.

Abbildung 7: Reflector® R003 der Firma Lipp Mischtechnik GmbH

3.1.3 Labor-Conche

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurde die Labor-Conche Modell IMC-E 10 der Firma Lipp (Mannheim, Deutschland) benutzt. Das Wirkprinzip kann Kapitel 2.2 auf Seite 9 entnommen werden.

Die Labor-Conche besteht aus einem horizontal gelagerten Edelstahlbehälter, der über einen Doppelmantel temperiert werden kann. Des Weiteren besitzt sie eine einseitig gelagerte

Mischwelle, auf der das Mischelement angebracht ist. Die Drehzahl ist stufenlos einstellbar und beträgt maximal 200 U/min.

Das Befüllen findet über eine oberhalb des Behälters befindliche Öffnung, den sog. Dom statt. Zur Inspektion und Reinigung befindet sich eine große Reinigungstür an der Stirnseite.

Seitlich an diesem Dom befindet sich ein Belüftungsstutzen mit Ventilator zum Einblasen von Luft in den Produktraum. Die Produkt- und Wassertemperatur kann einem Display abgelesen werden (Firma Lipp Mischtechnik GmbH, 2010).

3.1.4 Universalküchenmaschine

Um das Walgut nach dem Vor- und Feinwalzen aufzufetten, musste dieses mit der dazu benötigten Kakaobutter intensiv vermischt werden. Dazu wurde die Universalküchenmaschine des Typs A 200, der Firma Hobart (Offenburg, Deutschland) verwendet. Anschließend wurde die Schokoladenmasse dem Feinstwalzen überführt. Das Gerät verfügt über drei einstellbare Geschwindigkeitsstufen und einen Kesselinhalt von 20 l.

3.1.5 Rührwerkskugelmühle

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurde mit der Rührwerkskugelmühle Modell IMPACTOR® IMP5 der Firma Lipp GmbH (Mannheim, Deutschland) gearbeitet.

Die Funktionsweise einer Rührwerkskugelmühle kann Kapitel 2.1.3 auf Seite 7 entnommen werden.

3.2 ROHSTOFFE

In diesem Kapitel wird angegeben, welche Rohstoffe bei der Durchführung der Versuche verwendet wurden.

Tabelle 1: verwendeten Rohstoffe und deren Lieferanten

Rohstoff Lieferant

Zucker Nordzucker AG, Braunschweig, Deutschland

Kakaobutter Lipp GmbH, Mannheim, Deutschland Kakaomasse Kakao-Verarbeitung, Berlin, Deutschland Magermilchpulver (amorph u. kristallin) Nordmilch AG, Standort Zeven, Deutschland Butterreinfett Uelzena, Uelzen, Deutschland

Sojalezithin (E322) Lipp GmbH, Mannheim, Deutschland

Vanillin Silesia Gerhard Hanke GmbH

Neuss, Deutschland

3.3 REZEPTUR

Im Rahmen dieser Projektarbeit fand eine Basisschokoladenrezeptur Verwendung, mit der bereits eine Vielzahl von Projektarbeiten an der Hochschule Neubrandenburg durchgeführt wurde.

Die folgende Tabelle zeigt die verwendete Rezeptur.

Tabelle 2: Rezeptur

Zutat Menge (%) % Fett % Fett in Mix

Zucker 50,19 - - Kakaobutter 17,6 100 17,6 Kakaomasse 13,0 55,0 7,15 Magermilchpulver 13,7 1,0 0,137 Butterreinfett 4,8 99,8 4,79 Lezithin 0,7 94,0 0,658 Vanillin 0,01 - - Gesamt 100 30,335 3.4 VERSUCHSÜBERSICHT

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurden acht Versuche durchgeführt. In den ersten vier wurden Schokoladen aus amorpher bzw. kristalliner Laktose enthaltenden Milchpulvern hergestellt.

Dabei wurden die Produkte zum einen mit Hilfe eines Walzwerkes und zum anderen mit Hilfe einer Kugelmühle hergestellt.

Im Rahmen der übrigen vier Versuche, wurden die mittels Walzwerkes hergestellten Schokoladen mit den mittels Kugelmühle produzierten Schokoladen, in verschiedenen Verhältnissen gemischt.

Dies, um zu überprüfen, ob der bereits in Kapitel 2.5 (Seite 16) beschriebene syergetische Effekt auftritt.

In folgender Auflistung sind alle Versuche mit dazugehöriger Beschreibung angegeben.

Tabelle 3: Auflistung der durchgeführten Versuche

Beschreibung

Versuch 1 (WW/AMP) Herstellung mittels Walzwerk, unter Verwendung von amorphen Milchpulver

Versuch 2 (WW/KMP) Herstellung mittels Walzwerk, unter Verwendung von kristallinem Milchpulver

Versuch 3 (KM/AMP) Herstellung mittels Kugelmühle, unter Verwendung von amorphen Milchpulver

Versuch 4 (KM/KMP) Herstellung mittels Kugelmühle, unter Verwendung von kristallinem Milchpulver

Versuch 5 (MV V1+V3 1:1) Mischung der Schokoladen der Versuche 1 und 3 im Verhältnis 1:1

Versuch 6 (MV V1+V3 2:1) Mischung der Schokoladen der Versuche 1 und 3 im Verhältnis 2:1

Versuch 7 (MV V2+V4 1:1) Mischung der Schokoladen der Versuche 2 und 4 im Verhältnis 1:1

Versuch 8 (MV V2+V4 2:1) Mischung der Schokoladen der Versuche 2 und 4 im Verhältnis 2:1

3.5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG

Vorab ist zu sagen, dass das verwendete Dreiwalzwerk einen Defekt aufwies. Aus diesem Grund konnten nicht die gewünschten geringen Partikelgrößen erreicht werden. Deshalb wurde in allen Versuchen versucht, einen d90-Wert von etwa 33 μm zu erreichen.

3.5.1 Milchpulvertrocknung

Das Milchpulver wurde in einer ein bis eineinhalb Zentimeter dicken Schicht bei 80 °C für einer Dauer von etwa 18 Stunden getrocknet. Verwendet wurde hierbei der Trockenschrank Function Line T 20 der Firma Heraeus (Hanau, Deutschland). Das so getrocknete Milchpulver wurde

anschließend zu einem Dry-Mix verarbeitet, indem 60% Milchpulver mit 40% Kakaobutter gemischt wurde.

3.5.2 Versuch 1 (WW/AMP)

Verwendet wurde hierbei ein Milchpulver, das zum größten Teil amorphe Laktose enthält. Zu Beginn des Versuches wurde die Schokoladengrundmasse laut der in Tabelle 2 auf Seite 20 angegebenen Rezeptur abgewogen. Erfahrungsgemäß ist ein Fettgehalt der zu walzenden Schokoladenmasse von 23% für das Vor- und Feinwalzen besonders geeignet, da somit eine ausreichende Zerkleinerung gewährleistet ist. Dies wurde erreicht, indem nur ein Teil der Kakaobutter der Masse zugeführt wurde. Auch das Lezithin und Vanillin wurde noch nicht zur Schokoladenmasse gegeben. Die Frequenz des Dreiwalzwerkes wurde auf 40 Hz eingestellt und die Walzen auf eine Temperatur von 45 °C temperiert. Standardmäßig wird die Schokoladenmasse bei einem Druck von 10 bar am ersten Spalt und 30 bar am zweiten Spalt vorgewalzt. Da das Walzwerk jedoch zum gegebenen Zeitpunkt einen Defekt aufwies, wodurch die benötigten Partikelgrößen nicht mehr erreicht werden konnten, wurde der Druck auf 50 und 70 bar erhöht. Der Druck beim anschließenden Feinwalzen wurde von den standardmäßigen 100 und 120 bar auf 110 und 130 bar erhöht. Da durch diese beiden Walzgänge sich die spezifische Oberfläche der Partikel der Schokolade erhöht, steigt auch die Viskosität, was die Güte der Zerkleinerung des anschließenden Feinstwalzen verschlechtern würde. Aus diesem Grund erfolgte nach dem Feinwalzen ein Auffetten auf 26% Fett. Die Berechnung zur Einstellung des Fettgehaltes befindet sich im Anhang in Tabelle 27 (Seite 64).

Beim Vorwalzen wies die Schokoladenmasse eine hohe Viskosität auf, die erfahrungsgemäß auch bei der Verwendung von konventionellem Milchpulver auftritt. Nach dem Auffetten wies die Masse eine sehr leicht pastöse Form auf, die erfahrungsgemäß auch bei der Verwendung von konventionellem Milchpulver auftritt.

Nach der Zerkleinerung erfolgte das Conchieren. Dabei wurde zu Beginn dem Walzgut das Vanillin zugefügt. Während des Conchierens wurde der Schokoladenmasse das Lezithin und die restliche Kakaobutter beigefügt. Dabei wurde bei der ersten Zugabe erst ein Drittel des Lezithins und bei der zweiten Zugabe die restlichen zwei Drittel hinzugefügt. Nachfolgende Tabelle zeigt das verwendete Conchierschema.

Tabelle 4: Conchierschema Versuch 1 und 2 Zeit (min) T Wasser

(°C)

U/min Deckel Ventilator Zugabe/Bemerkungen

- 10 80 - offen an Feinwalzgut einfüllen

0 80 80 offen an

10 80 120 offen an

25 80 140 offen an

50 80 140 offen an Lezithin 1

55 80 120 geschlossen aus keine Belüftung

70 80 140 geschlossen aus Kakaobutter

80 85 200 geschlossen aus Lezithin 2

90 40 200 geschlossen aus Masse kühlen

100 40 - geschlossen aus entleeren

Trotz der erhöhten Drücke konnte der erwünschte d90-Wert von 28-29 μm nicht erreicht werden. Stattdessen wurde nur ein Wert von 32,9μm erreicht. Dies war anschließend die Zielpartikelgröße für die übrigen Versuche.

3.5.3 Versuch 2 (WW/KMP)

Die Vorgehensweise bei diesem Versuch war die gleiche wie im Versuch 1. Jedoch mit dem Unterschied, dass Milchpulver verwendet wurde, das größtenteils kristalline Laktose enthält. Auch der Fettgehalt der Schokoladengrundmasse und die Drücke beim Walzen waren die gleichen. Conchiert wurde nach dem gleichen Schema wie Versuch 1.

3.5.4 Versuch 3 (KM/AMP)

Bei diesem Versuch wurde die Zerkleinerung der Schokoladenmasse mittels Kugelmühle durchgeführt. Verwendet wurde dabei das amorphe Laktose enthaltende Milchpulver.

Der Fettgehalt der Schokoladenmasse wurde auf 25,82% eingestellt. Hierbei wies die Masse eine Viskosität auf, bei der sie pumpfähig war. Von den insgesamt 0,7% Lezithin wurde der Masse 0,4% zugesetzt. Die restlichen 0,3% wurden zum Ende der Zerkleinerung hinzugegeben.

Anschließend wurde die Masse der Kugelmühle über eine Excenter-Schneckenpumpe zugeführt. Die Zerkleinerung erfolgte im Kreislauf, dies wurde erreicht, indem die Masse aus der Kugelmühle über eine Zuleitung in den Trichter der Schneckenpumpe floss und von da aus wieder der Kugelmühle zugeführt wurde. Betrieben wurde die Kugelmühle bei einer Frequenz von 25 Hz. Während der Zerkleinerung wurde die Partikelgröße mit einer Mikrometerschraube überwacht. Da diese jedoch im Bereich sehr feiner Partikel nicht ausreichend genau misst, wurde zum Ende der Zerkleinerung die Partikelgröße mit Hilfe der Laserbeugungspektrometrie gemessen. Ziel war hierbei ein d90-Wert von etwa 34 μm, da durch das anschließende Nachscheren die Partikelgröße erfahrungsgemäß noch leicht sinkt und somit anschließend mit den Partikelgrößen der Versuche 1 und 2 vergleichbar ist.

Nach einer 70-minütigen Zerkleinerung ergab sich ein d90-Wert von 35,4 μm. Da dieser Wert etwas zu hoch war, wurde die Zerkleinerung um weitere zwei Minuten verlängert und die Schokolade anschließend aus der Kugelmühle entnommen.

Alle während der Zerkleinerung gesammelten Daten sind der Tabelle 29 auf Seite 67 zu entnehmen. Während der Zerkleinerung war zu beobachten, dass die Viskosität und somit die Leistungsaufnahme schnell anstieg, wodurch Fett zugegeben werden musste, um diese zu senken. Nachdem die Masse ausreichend zerkleinert war, wurde sie mit Hilfe des Reflector R003 der Firma Lipp Mischtechnik GmbH bei einer Drehzahl von 6000 U/min nachgeschert.

3.5.5 Versuch 4 (KM/KMP)

Die Vorgehensweise war hierbei dieselbe wie im Versuch 3, mit dem Unterschied, dass kristalline Laktose enthaltenes Milchpulver verwendet wurde. Hierbei reichte jedoch ein Fettgehalt von 25,82% nicht aus, um eine ausreichend niedrige Viskosität zu erhalten, wodurch die Masse pumpfähig gewesen wäre. Aus diesem Grund wurde der Fettgehalt auf 28,71% erhöht. Auch bei diesem Versuch wurde die Masse anschließend der Kugelmühle zugeführt.

Nach einer 75-minütigen Zerkleinerung wurde ein d90-Wert von 37,5 μm ermittelt, da dieser Wert zu hoch lag, wurde die Zerkleinerung für eine Dauer von sechs Minuten fortgesetzt.

Alle während der Zerkleinerung gesammelten Daten sind der Tabelle 31 auf Seite 70 zu entnehmen. Auch diese Schokolade wurde anschließend nachgeschert.

3.5.6 Mischversuche

Im Rahmen der Mischversuche wurden jeweils die mittels Walzwerk und mittels Kugelmühle hergestellten Schokoladen in den Verhältnissen 1:1 und 2:1 miteinander gemischt und anschließend nachgeschert, um eine optimale Durchmischung der beiden Produkte zu erreichen. Durchgeführt wurde dies mit dem Inline-Mischer Reflector R003 der Firma Lipp Mischtechnik GmbH, bei einer Drehzahl von 6000 U/min. Jede Schokolade wurde insgesamt in drei Durchgängen nachgeschert.

3.6 ANALYTISCHE MESSMETHODEN

3.6.1 Laserbeugungsspektrometer

Um die Partikelgrößenverteilung einer Schokolade zu messen, wird die sog. Laserbeugungsspektrometrie eingesetzt. Diese Analysenmethode beruht auf dem Prinzip der Fraunhofer-Beugung.

Licht wird von Partikeln in Abhängigkeit von ihrer Größe unterschiedlich stark gestreut wird. In dem Gerät befindet sich ein Helium-Neon-Laser, der von ihm erzeugt Strahl wird von einer Strahlaufweitungseinheit aufgeweitet und mittels einer Linse parallelisiert. Anschließend trifft der Strahl das Teilchenkollektiv, das sich in einem Probenbehälter befindet. Das Laserlicht wird in Abhängigkeit der Partikelgröße unterschiedlich stark gestreut. Eine hinter dem Probenbehälter befindliche Fourier-Linse hat die Aufgabe, das Beugungslicht eines Partikels einer bestimmten Größe, unabhängig von der Position des Partikels, immer an der gleichen Stelle, eines hinter der Linse befindlichen Rindetektors, abzubilden. Das gebeugte Licht bildet auf dem Detektor ein radialsymmetrisches Beugungsmuster (Wozniak, 2003).

Mit Hilfe eines Recievers und eines PCs können anschließend diese Daten ausgewertet und die Partikelgrößenverteilung ermittelt werden. Die Probenkonzentration, auch optische Konzentration genannt, kann durch die Trennung des ungestreuten Hauptstrahls vom gestreuten Licht und der Ermittlung des ungestreuten Lichtes bestimmt werden (Vorlesung Bolenz, 2009). Abbildung 8 zeigt den schematischen Aufbau eines Laserbeugungsspektrometers

Abbildung 8: schematische Darstellung eines Laserbeugungsspektrometers (Wozniak, 2003)

Durchführung der Messung

Zu Beginn der Messung wurde eine kleine Menge Probe mit Öl in einem Mörser vermischt. Anschließend wurde die so entstandene Probe in eine Reagenzglas gefüllt, welches anschließend für eine Dauer von 15 Minuten in ein temperiertes Ultraschallbad gestellt wurde um eventuell vorhandene Agglomerate zu zerteilen. Zu Beginn führt das Laserbeugungsspektrometer eine Referenzmessung durch um den Nullpunkt festzulegen. Anschließend wurde die Probe tropfenweise in den mit Öl gefüllten Probenbehälter gegeben, bis eine optische Konzentration zwischen 18 und 25% erreicht wurde. Daraufhin erfolgte die Messung mit zwei Wiederholungen.

Darstellung der Ergebnisse

Das Ergebnis wird zuerst in Form einer Verteilungsfunktion angegeben. Hieraus werden anschließend rechnergestützt die sog. d10-, d50- und d90-Werte berechnet.

Dabei bedeutet ein d90-Wert von 28 μm, dass 90% aller Partikel kleiner gleich 28 μm sind. Des Weiteren wird von der Software zur Auswertung ein Diagramm erstellt, in dem die Partikelgrößenverteilung dargestellt wird. Sie wird über die Summenhäufigkeit Q3 und die Dichtverteilung p3 angegeben.

Zur weiteren Auswertung kann der Span und die spezifische Breite herangezogen werden, die die Breite des Partikelspektrums angeben.

Span = ( d90 - d10 ) / d50. spez. Breite = d90/d10.

Ein weiterer wichtiger Wert ist die spezifische Oberfläche. Je kleiner die Partikel sind, desto höher ist die spezifische Oberfläche. Heraus können Rückschlüsse auf die Fließeigenschaften gezogen werden.

3.6.2 Rotationsrheometer

Wie sich ein Körper bei Beanspruchung durch äußere Kräfte verformt, wird als Rhelogie bezeichnet. Hierbei können Festkörper Flüssigkeiten und Gase als Körper bezeichnet werden (Schramm, 2000).

Die Rheologie einer Schokolade ist von großer Bedeutung, da sie direkten Einfluss auf die Endproduktqualität (z.B. Schmelz) und die Verarbeitungsfähigkeit (z.B. Abtafeln) hat. Das Fließen idealer Fluide, wie Flüssigkeiten und Gase, wird durch eine irreversible Verformung hervorgerufen. Dieses Verhalten wird durch die wirksame Schubspannung (IJ) verursacht. In der laminaren Schichtenströmung zwischen zwei ebenen Platten ergibt sich ein Geschwindigkeitsabfall, der je nach Art der Flüssigkeit unterschiedlich ist. Dieser Geschwindigkeitsabfall wird auch als Scherrate (Ȗ oder D) bezeichnet.

Das Fließverhalten einer Flüssigkeit wird durch den Zusammenhang zwischen Schubspannung und Scherrate beschrieben. Dieser kann in einem Diagramm dargestellt werden, in dem die Schubspannung die Ordinate und die Scherrate die Abszisse bildet. Dieses Diagramm wird „Fließkurve“ genannt. Die scheinbare Viskosität, die von der Scherrate abhängig ist, ergibt sich aus dem Quotienten der Schubspannung und der herrschenden Scherrate (Vorlesung Bolenz, 2009).

Ein solches Gerät besteht aus einem zylindrischen Messbecher, der die flüssige Probe enthält. Umgeben ist dieser von einem Temperiermantel, der für eine genaue Temperierung der Probe sorgt. In diesem Messbecher befindet sich ein innerer Zylinder, der als Drehkörper bezeichnet wird, welcher über einen Motor angetrieben wird. Das Drehmoment, und damit die Scherrate, wird von dem Steuerprogramm vorgegeben. Dadurch beginnt die Probe in dem zwischen dem äußeren und dem inneren Zylinder liegenden Spalt zu fließen (Schramm 2000). Dabei setzt die Probe dem Drehmoment einen Widerstand entgegen. Dieser wird an der Achse als Schubspannung (IJ = Kraft pro Fläche) gemessen.

Diese Messung erfolgt in drei Abschnitten. Im ersten Abschnitt werden Scherraten von 0-30 s-1 verwendet. Im zweiten Scherraten von 30-0,1 s-1. Anschleißend erfolgt im dritten Abschnitt die eigentliche Messung. Hierbei werden bei Scherraten von 1-60 s-1 eine Vielzahl von Messungen durchgeführt. Aus den hierbei gemessenen Schubspannungen und den vorgegebenen Scherraten können anschließend Werte wie die Fließgrenze und Grenzviskosität berechnet werden (Vorlesung Bolenz, 2009). Die Fließgrenze ist die Kraft die benötigt wird um eine Flüssigkeit zum fließen zubringen. Die Grenzviskosität, auch unendliche Viskosität genannt, beschreibt den Grenzwert der Viskositätsfunktion für unendlich hohe Scherraten (Metzger, 2000).

Zur Auswertung der Messungen können unterschiedliche Modelle herangezogen werden.

Casson: IJ1/2= IJC1/2+(ȘC*ȖÚ )1/2

IJ: Schubspannung IJC: Casson-Fließgrenze ȘC: Viskosität nach Casson ȖÚ : Scherrate

(Mezger, 2000)

Ursprünglich wurde diese Formel zur Beurteilung von Farben entwickelt, jedoch findet sie noch heute in der Süßwarenindustrie die am weitesten verbreitete Anwendung (Vorlesung Bolenz, 2009). Tscheuschner: IJ = IJ0+Ș’*ȖÚ +Șstr1*[ȖÚ r]-n*ȖÚ IJ0: Fließgrenze ȖÚ : Scherrate IJ: Schubspannung Șstr1: Strukturviskosität Ș’: Gleichgewichtsviskosität (Tscheuschner, 1996)

Diese Formel wurde von Tscheuschner entwickelt und dient der Messung von Schokoladen (Tscheuschner, 2004)

Windhab: IJ = IJ0+(IJ1- IJ0)*[1-exp(-ȖÚ /ȖÚ *)]+Ș’*ȖÚ IJ: Schubspannung ȖÚ : Scherrate Ș’: Gleichgewichtsviskosität IJ0: Fließgrenze IJ1: Schubspannung

Dieses Modell wird von der IOCCC für Schokoladenschmelzen bei einer Temperatur von 40 °C im Scherratenbereich ȖÚ = 2 bis 50 1/s empfohlen (Mezger, 2000).

3.6.3 Mikrometerschraube

Mit Hilfe einer Mikrometerschraube wurde während der Versuche die Partikelgröße überwacht. Da diese Messmethode jedoch im sehr feinen Bereich ungenau ist, wurde die Partikelgröße zum Ende der Versuche mit der im Kapitel 3.6.1 auf Seite 25 beschriebenen Laserbeugungsspektrometrie gemessen.

Zur Messung wird eine kleine Menge Probe auf den Anschlag der Mikrometerschraube aufgetragen, anschließend wird der Antrieb so lange gedreht, bis die Messspindel auf den Anschlag trifft. Um zu verhindern, dass unterschiedliche Messergebnisse auf Grund von unterschiedlich starkem Anziehen der Messtrommel auftreten, wird sie so lange gedreht bis sie dreimal „klickt“. Danach kann das Ergebnis an der Skala abgelesen werden. Dazu wird überprüft welcher Wert rechts der auf der linken Seite liegenden Null-Markierung gegenüberliegt. Dieser Wert wird mit zehn multipliziert. Daraufhin wird überprüft welche Markierungen der linken und rechten Skala parallel zueinander liegen. Der hierbei auf der linken Skala liegende Wert wird mit dem ersten Wert addiert. Der Wert gibt die Partikelgröße in Mikrometer an.

Abbildung 9: Mikrometerschraube

3.6.4 Restfeuchtebestimmung mittels Seesand

Mit Hilfe dieser Methode wurde der Restfeuchtegehalt der Produkte der Hauptversuche ermittelt. Hierbei kann der Restfeuchtegehalt einer Probe mit einer hohen Genauigkeit ermittelt werden. Dazu wird eine eingewogene Menge an Probe mit getrocknetem Seesand vermischt. Dies um eine Oberflächenvergrößerung zu erreichen um somit eine verbesserte Trocknung zu erhalten. Anschließend wird die Probe bei 70 °C und einem Druck von 22 mbar für zwei Stunden im Vakuumtrockenschrank getrocknet und anschließend für eine Dauer von 30 Minuten abgekühlt. Der so entstandene Gewichtsverlust wird durch abwiegen ermittelt und gibt den Restfeuchtegehalt der Probe an.

Verwendet wurde der Vakuumtrockenschrank VT 6025 der Firma Heraeus (Hanau, Deutschland).

3.6.5 Schnellfeuchtebestimmung

Dieses Verfahren wurde genutzt, um den Feuchtigkeitsgehalt der Milchpulver zu messen. Verwendet wurde hierbei das Gerät MB 45 der Firma Ohaus (Pine Brook, USA).

Zur Messung wird eine kleine Menge Probe (etwa 2 g) auf die Waagschale des Gerätes gegeben. Das Gerät misst mit Hilfe der integrierten Waage das Gewicht der Probe. Anschließend wird diese mittels UV-Strahlen getrocknet, wodurch sich das Gewicht reduziert. Wenn für eine Dauer von 90 Sekunden keine Gewichtsänderung eintritt, wird die Messung beendet. Mit Hilfe des

Anschlag Messspindel

Messtrommel Messbügel

entstandenen Gewichtsverlustes wird der Feuchttigkeitsgehalt der Probe automatisch vom Gerät berechnet und angezeigt.

3.6.6 Miksoskop

Zur Untersuchung der Form der Milchpulverpartikel wurde ein Mikroskop verwendet. Genutzt wurde dabei das Gerät Eclipse E 400 der Firma Nikon (Tokyo, Japan). Dabei handelt es sich um ein Lichtmikroskop mit integrierter Digitalkamera. Dies ermöglicht das Fotografieren von untersuchten Proben.

Hierzu wurde eine kleine Menge Probe in Öl dispergiert und anschließend ein tropfen der so entstandenen Probe auf einen Objektträger gegeben und mit einem Deckgläschen abgedeckt. Anschließend erfolgte die Untersuchung.

4 ERGEBNISSE UND DISKUSSIONEN

4.1 MILCHPULVERTROCKNUNG

Bei der Dry-Mix-Herstellung fiel deutlich auf, dass der Dry-Mix, der mit dem amorphen Milchpulver hergestellt wurde, trotz gleichem Kakaobuttergehalt eine deutlich niedrigere Viskosität aufwies, als der, der mit kristallinem Milchpulver hergestellt wurde.

Eigentlich wäre es andersherum zu erwarten gewesen, da sich bei der Partikelgrößenbestimmung der Milchpulver herausstellte, dass das „amorphe“ Milchpulver einen d90-Wert von 100,89μm und das „kristalline“ Milchpulver einen d90-Wert von 315,63μm besaß.

Das amorphe Milchpulver zeigte im Gegensatz zum kristallinen Milchpulver nach der Trocknung eine sehr starke Klumpenbildung. Darin könnte die Erklärung für die niedrigere Viskosität liegen. Es könnte sein, dass während der Dry-Mix-Bereitung nicht alle Agglomerate gelöst wurden, wodurch die spezifische Oberfläche sank und somit auch die Viskosität.

Um dies zu überprüfen wurde eine Probe beider Dry-Mix-Sorten unter dem Mikroskop betrachtet.

Bei der Untersuchung konnte die o.g. Theorie nicht bestätigt werden. Jedoch viel auf, dass die Partikel in dem „amorphen“ Dry-Mix eine runde Form aufweisen, hingegen konnte in dem „kristallinen“ Dry-Mix eine Vielzahl von Partikeln mit einer eckigen Form entdeckt werden. Somit ist es höchstwahrscheinlich, dass diese Partikel schlechter aneinander vorbeigleiten können und somit die Viskosität des „kristallinen“ Dry-Mixes erhöhen. Die beiden folgenden Abbildungen zeigen Bilder der mikroskopierten Dry-Mix-Sorten.

Abbildung 11: mikroskopisches Bild des „kristallinen“ Dry-Mixes

Beim amorphen Milchpulver wurde vom Hersteller ein Feuchtigkeitsgehalt von max. 4,0% angegeben.

Dies wurde mittels Schnellfeuchtebestimmung mit Hilfe von UV-Strahlen überprüft. Dabei ergab sich bei einer Dreifachbestimmung ein Wert von 4,25%.

Beim kristallinen Milchpulver wurde ein Feuchtigkeitsgehalt von 3,33% angegeben. Gemessen wurde ein Wert von 3,88%.

Da diese Werte von Tag zu Tag, je nach Luftfeuchtigkeit stark schwanken können, wurde zur Rezepturberechnung der Hauptversuche 3 und 4, bei beiden Milchpulvern ein Feuchtigkeitsgehalt von 4% veranschlagt.

4.2 VERSUCHE 1-4

In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Versuche 1-4 dargestellt.

4.2.1 Versuch 1 (WW/AMP)

In diesem Versuch wurde die Schokolade auf konventionelle Weise mit Hilfe eines Dreiwalzwerkes, unter Verwendung eines Milchpulvers, das größtenteils amorphe Laktose enthält.

Welche Werte zur Auswertung von der Software berechnet werden, kann Kapitel 3.6.1 auf Seite 25 entnommen werden.

Tabelle 5: d-Werte, spez. Oberfläche, Span, rel. Breite V 1

Abbildung 12: Partikelgrößenverteilung V 1 (mit Anzeige für Anteil Partikel unter 8,172μm)

Bei Betrachtung der Tabelle 5 ist zu erkennen, dass der d90-Wert mit 32,949 μm hoch liegt. Ein niedrigerer Wert war jedoch auf Grund des Defektes des Walzwerkes nicht möglich.

Bei Betrachtung der Abbildung 12 fällt deutlich eine bimodale Partikelgrößenverteilung auf. Dabei liegt das erste Maxim zwischen 5,313 und 7,216 μm und das zweite zwischen 18,290 und 24,844 μm. Wie bereits in Kapitel 2.1.4 auf Seite 8 genannt, fand Servais (2002) heraus, dass das Mischungsverhältnis der Partikel bei 37% feinen und 63% groben Partikeln liegen sollte, um optimale Fließeigenschaften zu erhalten.

Das Softwareprogramm des Laserbeugungsspektrometers besitzt die Funktion, dass der prozentuale Anteil einer, mit dem Cursors fixierten Fraktion, angezeigt wird. Diese Funktion wurde genutzt, um festzustellen wie hoch der Anteil feiner Partikel ist. Somit kann überprüft werden, inwieweit die Partikelgrößenverteilungen der in den Versuchen dieser Projektarbeit hergestellten Produkte, an dieses Verhältnis heranreichen. Dazu wird in Abbildung 12 die d10 [μm] d50 [μm] d90 [μm] spez.Oberfläche [m2/cm3]

Span relative Breite

beschriebene Funktion exemplarisch gezeigt, bei den übrigen Versuchen werden nur die Prozentwerte angegeben, ohne die entsprechenden Diagramme, um den Umfang dieser Arbeit zu reduzieren. Als feine Partikel werden hierbei alle Partikel unter einen Wert von 8,172 μm bezeichnet. Leider ermöglicht es die Software nicht einen Wert von genau 8 μm zu fixieren. Bei der Schokolade des Versuches 1 liegt der Anteil der feinen Partikel bei 47,7% und ist somit zu hoch. Dies verschlechtert nicht nur die Grenzviskosität, sondern auch die Fließgrenze, da diese besonders von den feinen Partikeln beeinflusst wird.

Die Rheologiemessung ergab folgende Werte.

Tabelle 6: Fließgrenze und unendliche Viskosität V 1

Fließgrenze [Pa] unendliche Viskosität [Pa*s] Windhab 30,400 2,896 Casson 20,543 1,753

Tabelle 7: Schubspannungen bei konstanten Scherraten V 1

Scherrate [s-1] Schubspannung [Pa]

5 55,99 40 166,50 60 223,27

Die Tabellen 6 und 7 zeigen, dass die Schokolade gute Fließeigenschaften aufweist. Ein Grund dafür ist, dass der d90-Wert bei 32,9 μm liegt. Normalerweise wird versucht einen Wert von etwa 29-30 μm zu erreichen, was auch eher den im Handel befindlichen Produkten entspricht, was auf Grund des defekten Walzwerkes nicht möglich war.

4.2.2 Versuch 2 (WW/KMP)

Im Rahmen dieses Versuches, wurde die Schokolade mittels Walzwerkes hergestellt, unter Verwendung eines Milchpulvers, das zum größten Teil kristalline Laktose enthält.

Die vorzuwalzende Schokoladengrundmasse wies im Vergleich zu der des Versuches 1 eine deutlich höhere Viskosität auf. Sie zeigte eine Konsistenz auf, bei der sie nicht mehr fließfähig war. Des Weiteren ist zu sagen, dass die Masse nur sehr schlecht das Walzwerk durchlief, was mit einem erhöhten Zeitaufwand verbunden war. Nach dem Auffetten wies die Schokoladenmasse eine pastöse Form auf, was die Durchführung des anschließenden Feinstwalzen weiter verschlechterte.

Particle Size Distribution

Walzenschokolade (kristallin), Mittwoch, 19. Januar 2011 15:20:05 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Die Laserbeugungsspektrometrie ergab folgende Ergebnisse.

Tabelle 8: d-Werte, spez. Oberfläche, Span, rel. Breite V 2

Abbildung 13: Partikelgrößenverteilung V 2

An Hand der Tabelle 8 ist zu erkennen, dass der ermittelte d90-Wert mit 31,98 μm um nur 0,969 μm niedriger ist, als der des Versuches 1. Somit konnte erreicht werden, zwei Produkte

herzustellen, die direkt miteinander vergleichbar sind. Durch Abbildung 13 wird deutlich, dass eine bimodale Partikelgrößenverteilung vorliegt. Dabei liegt das erste Maxim zwischen 5,051 und 6,861 μm und das zweite zwischen 17,835 und 24,225 μm. Des Weiteren liegen 48,45% der Partikel unter 8,172 μm, wodurch die Abweichung zu dem von Servais (2002) beschriebenen Verhältnis in diesem Versuch größer ist, als im Versuch 1. Die Tatsache, dass in diesen beiden Versuchen ein zu hoher Feinanteil erzeugt wurde, deckt sich mit früheren Erfahrungen, die mit d10 [μm] d50 [μm] d90 [μm] spez.Oberfläche [m2/cm3]

Span relative Breite

dem verwendeten Dreiwalzwerk an der Hochschule Neubrandenburg gemacht wurden (Bolenz; Manske, 2009) .

Die durchgeführte Rheologiemessung ergab folgende Ergebnisse.

Tabelle 9: Fließgrenze und unendliche Viskosität V 2

Fließgrenze [Pa] unendliche Viskosität [Pa*s] Windhab 33,5825 2,6962 Casson 23,755 1,5896

Tabelle 10: Schubspannungen bei konstanten Scherraten V 2

Scherrate [s-1] Schubspannung [Pa]

5 58,76 40 164,35 60 217,30

Bei Betrachtung der Grenzviskosität fällt auf, dass sie zwar im Vergleich zu der des Versuches 1 ein geringeren Wert aufweist, dieser Unterschied beträgt 0,1634 Pa*s (nach Casson). Des Weiteren fällt auf, dass die Fließgrenze um 3,212 Pa (nach Casson) höher liegt als im Versuch 1. Dies ist auf den höheren Feinanteil im Versuch 2 zurückzuführen.

4.2.3 Versuch 3 (KM/AMP)

Hierbei wurde eine Schokolade mit Hilfe der Kugelmühle hergestellt, wobei ein Milchpulver verwendet wurde, das hauptsächlich amorphe Laktose enthält. Nach der Zerkleinerung wurde die Schokolade mit Hilfe des Inline-Mischers nachgeschert.

In der folgenden Tabelle und Abbildung sind die Ergebnisse der Partikelgrößenbestimmung dargestellt.

Tabelle 11: d-Werte, spez. Oberfläche, Span, rel. Breite V 3 ungeschert und nachgeschert d10 [μm] d50 [μm] d90 [μm] spez.Oberfläche [m2/cm3_] Span relative Breite ungeschert 3,252 11,103 33,688 0,828 2,741 10,359 nachgeschert 3,127 10,546 31,799 0,866 2,719 10,169

Particle Size Distribution

KM-Schokolade (amorph) ungeschert, Donnerstag, 20. Januar 2011 11:36 KM-Schokolade (amorph) nachgeschert, Montag, 24. Januar 2011 15:48:3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Abbildung 14: Partikelgrößenverteilung V 3 ungeschert und nachgeschert

Durch Tabelle 11 wird deutlich, dass der d90-Wert in diesem Versuch höher liegt, als in den Versuchen 1 und 2. Dies war nötig, um die Senkung der Partikelgröße durch das Nachscheren ausgleichen zu können. Somit zeigt die spezifische Oberfläche einen geringen Wert auf. Dies ist jedoch auch auf den geringeren Anteil Feingut zurückzuführen, der bei der ungescherten

Schokolade bei 37,98% unter 8,172 μm liegt und somit deutlich geringer ausfällt als bei den Versuchen 1 und 2. Durch das Nachscheren wurde der Anteil auf 39,85% erhöht und der d90-Wert auf 31,799 gesenkt.

Durch die Abbildung 14 wird deutlich, dass eine unimodale Partikelgrößenverteilung vorliegt. Wobei bei der ungescherten Schokolade das Maxim zwischen 11,911 und 16,179 μm liegt und bei der nachgescherten zwischen 11,325 und 15,383 μm.

Die Rheologiemessungen der ungescherten und der nachgescherten Schokoladen ergaben folgende Ergebnisse.

Tabelle 12: Fließgrenze und unendliche Viskosität V 3 ungeschert und nachgeschert

Fließgrenze [Pa] unendliche Viskosität [Pa*s]

Windhab 24,625 6,076 ungeschert Casson 12,833 4,342 Windhab 30,134 6,769 nachgeschert Casson 17,940 4,673

Tabelle 13: Schubspannungen bei konstanten Scherraten V 3 ungeschert und nachgeschert

Scherrate [s-1] Schubspannung [Pa]

5 69,38 40 297,65 ungeschert 60 423,97 5 84,39 40 325,65 nachgeschert 60 438,95

Durch das Nachscheren wurde die Grenzviskosität um 0,331 Pa*s (nach Casson) erhöht. Der Anstieg der Fließgrenze ist auf den höheren Feinanteil der nachgescherten Probe zurückzuführen. Durch Tabelle 13 wird deutlich, dass die nachgescherte Probe sowohl bei niedrigen, als auch bei hohen Scherraten höhere Schubspannungen aufweist, als die ungescherte. Dies wird auch durch die folgende Abbildung deutlich.

Abbildung 15: Fließkurven V3 ungeschert und nachgeschert

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 Scherrate [1/s] S chub spa nn un g [P a] ungeschert nachgeschert

Dass die Fließeigenschaften sich durch das Nachscheren leicht verschlechtert haben, steht völlig im Gegensatz zu den bisherigen Erfahrungen. Grund könnte eventuell sein, dass während des Nachscherens zwar die Partikel weiter zerkleinert wurden, jedoch nicht abgerundet wurden. Eventuell könnte aber auch der Anstieg der spezifischen Oberfläche dafür verantwortlich sein.

4.2.4 Versuch 4 (KM/KMP)

Im Rahmen dieses Versuches wurde eine Schokolade mit Hilfe der Kugelmühle hergestellt. Verwendet wurde hierbei ein hauptsächlich kristalline Laktose enthaltenes Milchpulver.

Während der Durchführunf fiel auf, dass die Viskosität der Schokoladengrundmasse nach dem erstmaligen Durchlaufen der Kugelmühle sank. Grund hierfür könnte die Form der Milchpulverpartikel sein. Wie bereits in Kapitel 4.1 auf Seite 32 erwähnt, wiesen die Partikel des „kristallinen“ Milchpulvers zum Teil eine eckige Form auf. Dies hat zur Folge, dass die Partikel schlecht aneinander vorbeigleiten können und somit die Viskosität steigt, was allgemein eine Erklärung für die höhere Viskosität des Schokoladengrundmasse des Versuches 4 im Vergleich zu Versuch 3 wäre. Beim Durchlaufen der Kugelmühle könnte es dazu kommen, dass die eckigen Partikel neue Formen annehmen und es somit zu einer Senkung der Viskosität kommt. Die Partikelgrößenbestimmung erbrachte folgende Ergebnisse.

Tabelle 14: d-Werte, spez. Oberfläche, Span, rel. Breite V 4 ungeschert und nachgeschert d10 [μm] d50 [μm] d90 [μm] spez.Oberfläche [m2/cm3] Span relative Breite ungeschert 3,268 11,287 33,809 0,817 2,704 10,345 nachgeschert 3,238 11,162 34,233 0,827 2,777 10,572

Particle Size Distribution

KM-Schokolade (kristallin) ungeschert, Donnerstag, 20. Januar 2011 13:37 KM-Schokolade (kristallin) nachgeschert, Dienstag, 25. Januar 2011 14:04

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Abbildung 16: Partikelgrößenverteilung V 4 ungeschert und nachgeschert

Es ist zu erkennen, dass der d90-Wert dieses Produkts um nur 0,121 μm von dem des Versuches 3 abweicht. Dadurch sind direkte Vergleiche möglich.

Der Feingutanteil (unter 8,172 μm) liegt bei der ungescherten Schokolade bei 37,45%, bei der nachgescherten Schokolade bei 37,93%. Durch Tabelle 14 wird deutlich, dass im Bereich der feinen Partikel eine Reduzierung der Partikelgröße erfolgte, bei den groben Partikeln jedoch eine Erhöhung. Dies wird auch durch Abbildung 16 ersichtlich. Dort ist auch erkennbar, dass eine ausgeprägte Unimodalität vorliegt, wobei bei der ungescherten Schokolade das Maxim zwischen 13,176 und 17,897μm liegt und bei der nachgescherten Schokolade zwischen 12,527 und 17,016 μm. Die spezifische Oberfläche hat durch das Nachscheren zwar zugenommen, jedoch im Vergleich zu Versuch 3 deutlich geringer. Somit kann die Vermutung geäußert werden, dass das Nachscheren auf die Partikelgröße des „kristallinen“ Milchpulvers geringeren Einfluss besitzt, als auf die des „amorphen“ Milchpulvers. Dies wiederum könnte bedeuten, dass amorphes Milchpulver eher zu agglomeriern neigt und dass beim nachscheren diese Agglomerate getrennt werden.

Folgend sind die Ergebnisse der Rheologiemessungen dargestellt.

Tabelle 15: Fließgrenze und unendliche Viskosität V 4 ungeschert und nachgeschert

Fließgrenze [Pa] unendliche Viskosität [Pa*s]

Windhab 25,119 4,895 ungeschert Casson 13,123 3,437 Windhab 30,498 5,411 nachgeschert Casson 17,811 3,726

Tabelle 16: Schubspannungen bei konstanten Scherraten V 4 ungeschert und nachgeschert

Scherrate [s-1_{] Schubspannung [Pa]}

5 59,75 40 238,00 ungeschert 60 332,92 5 74,77 40 276,70 nachgeschert 60 378,00

Vorab ist zu sagen, dass das Nachscheren zweimal durchgeführt wurde. Beim ersten Mal stellte sich heraus, dass die sich Grenzviskosität durch das Nachscheren erhöht hatte.

Dadurch bestand der Verdacht, dass sich in der beim Nachscheren verwendeten Excenter-Schneckenpumpe eine kleine Menge Wasser befand, was zu einer Erhöhung der Viskosität geführt hätte. Aus diesem Grund wurde das Nachscheren wiederholt, hierbei befand sich die Schneckenpumpe mehrere Tage bei 50°C im Wärmeschrank, wodurch sie ausgiebig trocknen konnte. Des Weiteren wurde vor dem Nachscheren, mit Hilfe eine Papiertuches überprüft, ob sich noch restliches Wasser in der Pumpe befand. Hierbei konnte jedoch kein zurückgebliebenes Wasser entdeckt werden. Die durch das Nachscheren erhaltene Probe wurde rheologisch untersucht, wobei sich herausstellte, dass ebenfalls beim zweiten Versuch die Grenzviskosität anstieg. Somit steht fest, dass der Anstieg der der Grenzviskosität nicht auf einen Wassereintrag zurückzuführen ist.

Die Verschlechterung der Fließgrenze ist auf den höheren Anteil feiner Partikel zurückzuführen, jedoch hätte sich die Grenzviskosität verbessern müssen. Jedoch verschlechterte sie sich um 0,289 Pa*s (nach Casson). Eine Erklärung könnte sein, dass die Partikel geringfügig zerkleinert wurden, jedoch die eingetragene Energie nicht ausreichte, um die Partikel abzurunden. Die Verschlechterung der Fließeigenschaften wird auch durch die folgende Abbildung deutlich, die die Fließkurven beider Schokoladen zeigt.

Abbildung 17: Fließkurven V4 ungeschert und nachgeschert

4.3 VERGLEICHE DER VERSUCHE 1 - 4

In diesem Kapitel sollen die Versuche 1-4 miteinander verglichen werden. Hierzu wären von den „Kugelmühlen-Schokoladen“ eigentlich die Werte der nachgescherten Schokoladen herangezogen worden. Da das Nachscheren jedoch zu einer Verschlechterung der Fließeigenschaften führte, werden die Werte der ungescherten Schokoladen herangezogen.

In folgender Tabelle sind die Ergebnisse der Partikelgrößenbestimmung der Versuche 1-4 dargestellt.

Tabelle 17: d-Werte, spez. Oberfläche, Span, rel. Breite V 1, V 2, V 3 (ungeschert), V 4 (ungeschert) d10 [μm] d50 [μm] d90 [μm] spez.Oberfläche [m2/cm3] Span relative Breite Feinanteil (%) (<8,172μm) V 1 (amorph) 2,514 8,753 32,949 1,04 3,477 13,106 47,7 V 2 (kristallin) 2,431 8,572 31,98 1,07 3,447 13,155 48,45 V 3 (amorph) 3,252 11,103 33,688 0,828 2,741 10,359 37,98 V 4 (kristallin) 3,268 11,287 33,809 0,817 2,704 10,345 37,45 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 Scherrate [1/s] S c hu bs pa nn un g [ P a ] ungeschert nachgeschert

Particle Size Distribution

Walzenschokolade (amorph), Donnerstag, 20. Januar 2011 14:22:35 Walzenschokolade (kristallin), Mittwoch, 19. Januar 2011 15:20:05 KM-Schokolade (amorph) ungeschert, Donnerstag, 20. Januar 2011 11:36 KM-Schokolade (kristallin) ungeschert, Donnerstag, 20. Januar 2011 13:37

Abbildung 18: Partikelgrößenverteilung V 1, V 2, V 3 (ungeschert), V 4 (ungeschert)

Durch Tabelle 17 wird deutlich, dass die Schokoladen die mit Hilfe der Kugelmühle hergestellt wurden, die höchsten d-Werte aufweisen. Dies führt zu einer geringeren spezifischen Oberfläche, jedoch fällt diese hierbei auch geringer aus, weil bei diesen Produkten der Feinanteil deutlich geringer ist. Weiter zeigt sich, dass das Partikelspektrum dieser beiden Schokoladen schmaler ist, als das der beiden nach dem konventionellen Verfahren hergestellten Produkte.

Der Feinanteil der beiden mittels Kugelmühle hergestellten Schokoladen liegt deutlich näher an dem von Servais (2002) beschriebenen optimalen Verhältnis von 37% feinen und 63% groben Partikeln. Die beiden mit dem Walzwerk hergestellten Schokoladen weichen hier von deutlich ab, was zur Folge hat, dass die Fließeigenschaften sich verschlechtern. Nachteilig der Schokoladen der Versuche 3 und 4 ist ihre Unimodalität, was auch durch Abbildung 18 deutlich wird.

KM (kristallin) KM (amorph)

WW (amorph)

Tabelle 18: Fließgrenze und unendliche Viskosität V 1, V 2, V 3 (ungeschert), V 4 (ungeschert) Fließgrenze [Pa] unendliche Viskosität [Pa*s]

Windhab 30,400 2,896 HV 1 (amorph) Casson 20,543 1,753 Windhab 33,5825 2,6962 HV 2 (kristallin) Casson 23,755 1,5896 Windhab 24,625 6,076 HV 3 (amorph) (ungeschert) Casson 12,833 4,342 Windhab 25,119 4,895 HV 4 (kristallin) (ungeschert) Casson 13,123 3,437

Tabelle 19: Schubspannungen bei konstanten Scherraten V 1, V 2, V 3 (ungeschert), V 4 (ungeschert)

Scherrate [s-1] Schubspannung [Pa]

5 55,99 40 166,50 V 1 (amorph) 60 223,27 5 58,76 40 164,35 V 2 (kristallin) 60 217,30 5 69,38 40 297,65 V 3 (amorph) ungeschert 60 423,97 5 59,75 40 238,00 V 4 (kristallin) ungeschert 60 332,92