IVLV AG Schokolade IVLV Projektteam Kontaktintensität Kurztitel: Kontaktintensität II Forschungsstelle Fraunhofer IVV, Freising Bearbeitung M.Sc. Susanne Naumann
Laufzeit 2020
Finanzierung 2020 durch IVLV
1 Forschungsthema
Auswirkungen des Kontakts zwischen Schokolade, Füllung bzw. Form oder Kühlband auf die Fettreifbildung von Pralinen
2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Da Schokoladenprodukte aus mikrobiologischer und chemischer Sicht sehr stabile Lebensmittel darstellen, sind vor allem physikalische Vorgänge für unerwünschte Qualitätsänderungen während der Lagerung von Bedeutung. Insbesondere Fettreifbildung auf der Schokoladenoberfläche und Erweichung von Schokoladenhülsen durch Migration von Inhaltsstoffen der Füllung sind Hauptursachen für eine begrenzte Lagerstabilität. Wenn sich diese Qualitätsmängel schon vor dem Mindesthaltbarkeitsdatum (MHD) zeigen, zieht das Reklamationen der Verbraucher nach sich bzw. das Produkt muss zurückgerufen werden und ist dann auch nicht mehr zu verkaufen.
Die praktische Überprüfung der Stabilität der Schokoladenprodukte gegen diese Veränderungen ist extrem zeitaufwändig, da die Lagerzeit in der Regel 6 Monate und mehr beträgt. Das ist gerade bei Neu- und Weiterentwicklungen von Produkten aber auch Herstellungsprozessen viel zu lang, um zeitnah reagieren zu können.
Die Vorgänge, die zu den unerwünschten Qualitätsveränderungen in und auf der Schokolade (z.B. Fettreif) führen, wurden in den letzten Jahrzehnten weltweit intensiv erforscht. Zu deren mathematischer Beschreibung wurden unterschiedliche Modelle, basierend auf Diffusion oder kapillarem Fließen, entwickelt. Vorrangiges Ziel war dabei die Aufklärung der Mikroprozesse während der Lagerung. Dabei steht vor allem die Migration von Inhaltsstoffen der Füllung in die Schokolade im Vordergrund. Zwar ist bereits seit längerem bekannt, dass der Kontakt zwischen Füllung und Schokolade sich ebenfalls auf die Migration und auf die daraus resultierende Fettreifbildung auswirkt, jedoch sind keine genaueren Untersuchungen dazu bekannt. Die zur Bildung von Fettreif ebenfalls notwenige Kristallisation des migrierten Fetts an der Oberfläche wurde bisher wenig beachtet und daher ist auch der Einfluss der Oberflächenstruktur der Schokolade auf die Fettreifbildung kaum untersucht.
3 Wissenschaftlich-technischer Ansatz
3.1 Stand der Forschung und Entwicklung
Die Analyse des Standes von Forschung und Entwicklung konzentriert sich entsprechend der Zielrichtung des Projektes vor allem auf Veränderungen in Schokoladenerzeugnissen mit veränderten Oberflächeneigenschaften während der Lagerung.
Bezüglich der Einflussparameter auf die Migration von Fettbestandteilen aus Füllungen liegen sehr viele Untersuchungen vor. Die Lagertemperatur hat gravierenden Einfluss, da sie sich auf den Festfettgehalt der Schokoladen und damit auf den Diffusionskoeffizienten sowie die Resistenz gegen Ölmigration auswirkt (Ziegleder, 2002). Für die Entwicklung von Fettreif ist zudem die Kristallisationstendenz der an die Oberfläche migrierten Triacylglyceride (TAG) relevant (Ziegleder, et al., 1999), welche ebenfalls stark durch die Lagertemperatur beeinflusst wird. Die Kristallisation läuft in Anwesenheit von Oberflächen als heterogene Kristallisation ab, bei der keine Kristallkeime gebildet werden müssen. Dies bedingt, dass die Beschaffenheit der Oberfläche sich direkt auf die Geschwindigkeit und Intensität der Kristallisation auswirkt. Eigene Untersuchungen zeigten, dass Produkte mit starkem Glanz zu späterem und weniger auffälligem Fettreif führen (Rothkopf, 30.06.2016). Im IGF-Projekt
„Untersuchung und Optimierung der Glanzbildung auf Oberflächen ausgeformter Schokolade“ Nr. 18817 N des Deutschen Instituts für Lebensmitteltechnik e.V. (DIL) wurden die Auswirkungen der Formenoberfläche auf den Glanz von Schokolade untersucht. Dabei wurde unter anderem untersucht, wie sich die Oberflächen von Schokoladenformen mit langer Nutzung verändern und wie sich dies auf den Glanz der Schokoladenoberfläche auswirkt. Fettreif stand bei diesem Projekt jedoch nicht im Fokus.
3.2 Arbeitshypothese
Bei aktuellen Untersuchungen und aus den Erfahrungen bei den IVLV-Projekten „Haltbarkeit von Pralinen“ und „Kontaktintensität 1“ (2019 laufend) ergeben sich Hinweise auf die Korrelation von Kontaktintensität zwischen Füllung, Hülse und Form bzw. Kühlband und die spätere Fettreifneigung. Besteht im frischen Produkt ein mechanisch fester Kontakt zwischen Füllung und Schokoladenhülse, ist dort mit verstärkter Fettmigration und Fettreif zu rechnen;
bei schwachem Kontakt scheint die Haltbarkeit länger. Dabei beeinflusst sowohl die Produktion der Schokoladenhülse (Verfahren und Geschwindigkeit) als auch die Beschaffenheit der Füllung (Temperierung, Temperatur, Ölanteil) die Kontaktintensität.
Laufende Arbeiten 2019 zeigen diese Zusammenhänge mit Fokus auf das Herstellverfahren und die Temperatur bei der Verarbeitung der Schokoladenhülsen genauer.
Die größten Fettreifprobleme zeigen sich bei überzogenen Artikeln, und dort vorwiegend am Schokoladenboden. Deshalb sollen die Arbeiten 2020 mit überzogenen Artikeln fortgesetzt werden. Wir gehen davon aus, dass der Kontakt zwischen Schokoladenboden und Kühlband eine entscheidende Rolle spielt, da beim Ablösen der gekühlten Produkte vom Band minimale Defekte am Produktboden auftreten können, die später als Ausgangspunkt für die Fettreifkristallisation dienen. Beim Ablösen von Schokoladen von Kühl- und Transportband spielt die Klebrigkeit der Schokolade eine Rolle. Bei ausreichender Kristallisation ist infolge von Kontraktion der Schokolade das Ablösen erleichtert. Bei nicht optimaler Kristallisation (zu tiefe Temperatur / zu kurze Kühlzeit) bleibt die Schokolade leicht klebrig und kann nicht störungsfrei abgelöst werden.
Einschlägig bekannt sind auch Fingerabdrücke an Schokoladen während der Produktion oder beim Verpacken, die sich später als Fettreif zeigen.
4 Lösungsweg
Im Projekt sollen die Einflüsse von Festfettgehalt, polymorpher Kristallform und Temperatur auf die Klebrigkeit von Bitterschokolade untersucht werden. Als Messtechnik dient ein Textur Analyzer mit entsprechender Applikation für Klebrigkeit. Als Modelle dienen flache Schokoladentafeln. Diese können auf unterschiedlichen Materialien (Adhäsion) und bei verschiedenen Temperaturen (Festfettgehalt) gelagert werden, um die Intensität des Kontakts zu variieren. Anschließend werden diese Tafeln mit einer fettbasierten Füllung versehen. Die gefüllten Modelltafeln werden gelagert und während der Lagerung auf Fettreifbildung / Glanzverlust (DigiEye - WI) untersucht
AP 1 Entwicklung und Etablierung von Modellen zur Simulation unterschiedlicher Kontaktstärken zwischen Schokolade und Form/ Kühlband
Zur Simulation der Kontaktstärke zwischen Schokolade und Form bzw. Kühlband werden verschiedene Materialien verwendet, deren Oberflächeneigenschaften, wie Rauhigkeit und Oberflächenenergie bekannt sind. Dafür kommen verschiedene Kunststoffe (polar / apolar) in Betracht, aber auch Metall oder beschichtete Papiere. Zudem kann die Klebrigkeit und damit der Kontakt zwischen den Oberflächen durch die Temperatur der Schokolade variiert werden.
In diesem Arbeitspaket soll eine Auswahl von Materialien getroffen werden, die sich in ihren Eigenschaften möglichst stark unterscheiden. Zudem soll die Herstellung der Modellsysteme getestet und optimiert werden.
AP 2 Identifizierung der wesentlichen Einflussfaktoren auf die Kontaktintensität Zu den zu untersuchenden Faktoren zur Beeinflussung der Kontaktintensität gehören unter anderem der Aggregatszustand der Schokolade (fest/ flüssig bzw. Festfettanteil), welche maßgeblich durch die Temperatur und den Grad der Kristallisation bestimmt wird. Außerdem sind der Einfluss der Materialeigenschaften der Form bzw. des Bands und die anschließende Kühltemperatur von Bedeutung.
• Der Aggregatszustand beschreibt, dass das Fett in der Schokolade zwar vollständig flüssig sein kann, aber selten komplett fest ist. Bei den gängigen Verarbeitungstemperaturen und auch bei der Kühlung ist immer nur ein Teil des Fetts fest, der sogenannte Festfettgehalt (SFC – solid fat content).
• Die Temperatur der Schokolade, aber auch der Form bzw. des Kühlbands soll im Rahmen der produktionstechnischen Möglichkeiten verändert werden. Dazu zählen der Erhalt der Temperierung der Schokolade und das Vermeiden von Kristallisation in einer unerwünschten instabilen Kristallform.
• Der Grad der Kristallisation der Schokolade verändert sich besonders stark direkt nach der Herstellung, aber auch noch in den ersten 2-3 Woche bei der Lagerung. Der Kristallisationsgrad wirkt sich vor allem auf die Stabilität der Schokolade und auf ihren Widerstand gegen migrierendes Öl aus der Füllung aus. Jedoch können auch die
Oberflächeneigenschaften und die Stabilität der mit der Form in Kontakt kommenden Grenzschicht betroffen sein, wenn beispielsweise die Schokolade direkt in die Verkaufsverpackung gegossen wird.
• Die Materialeigenschaften der Form bzw. des Kühlbands wirken sich direkt auf die Oberfläche der Schokolade aus. Dabei ist die Schokoladenoberfläche keine direkte Abbildung der Formoberfläche, sondern wird auch stark durch die Oberflächenladung beeinflusst (siehe IGF-Projekt: 18817 N).
In diesem AP soll eine Messtechnik zur Bestimmung der Klebrigkeit in Abhängigkeit der Temperatur und damit des SFC etabliert werden. Zusätzlich sollen die Oberflächeneigenschaften der ausgewählten Materialien bestimmt werden.
AP 3 Untersuchung des Zusammenhangs von Kontaktintensität und Fettreifbildung Mit dem Wissen über die Einflussfaktoren werden anschließend Modelle hergestellt und gelagert. Folgende Modelle sollen erstellt werden. In allen Fällen wird die Schokolade flüssig aufgebracht und nach der Herstellung mit einer fettbasierten Füllschicht in Kontakt gebracht und gelagert.
• Variation der Oberfläche (polar, apolar, Rauhigkeit)
• Kühltemperatur und -dauer
Die Herstellung wird über die Festfettgehalte SFC anhand NMR und Schmelzkurven am DSC kontrolliert. Die Modelle werden anschließend gelagert und während der Lagerung auf und Fettreifbildung (DigiEye - WI) untersucht.
5 Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für KMU
Die deutsche Schokoladenindustrie produzierte nach Angaben des BDSI im Jahr 2018 rund 1,1 Mio. t Schokoladenwaren (Online verfügbar unter http://www.bdsi.de/, zuletzt geprüft am 29.10.2019). Das Projekt ist zudem für die Hersteller von überzogenen Schokoladenerzeugnissen, z.B. Keksen oder Riegel, wirtschaftlich relevant. Im Jahr 2014 wurden Pralinen und andere gefüllte Schokoladenerzeugnisse in einem Gesamtwert von ca.
1,5 Mrd. € hergestellt. Diese Produkte wurden von mehr als 250 Betrieben produziert, von denen 44 % weniger als 100 Beschäftigte hatten (Süßwarentaschenbuch, 2010). Wenn man davon ausgeht, dass auf der Basis vorsichtiger Schätzungen nur 1 % dieser Erzeugnisse aufgrund von Fettreiferscheinungen während des MHD nicht mehr verkauft werden können, entspricht das bereits einem Wert von 15 Mill. € pro Jahr. Eine Verringerung dieser Reklamationsquote um ein Drittel summiert sich somit schon zu einer jährlichen Einsparung von bis zu 5 Mill. €.
KMU haben nicht die finanzielle Kapazität oder instrumentelle Ausstattung, um die nötige Vorlaufforschung allein zu leisten. Sie können aber die in der Gemeinschaftsforschung gewonnenen Erkenntnisse unmittelbar bei der Produktion umsetzen und erhalten ergänzende Erkenntnisse. Mit den neuen Kenntnissen und Werkzeugen aus dem Projekt kann die Produktentwicklung in der Schokoladenindustrie deutlich verbessert werden. Die Unternehmen erhalten weniger Reklamationen durch unerwartete Qualitätseinbußen vor Erreichen des MHD.
6 Beabsichtigte Umsetzung der angestrebten Forschungsergebnisse
Die Einbindung des Projekts in die Arbeitsgruppe Schokoladentechnologie der Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V. (IVLV) sichert den effektiven und kontinuierlichen Wissenstransfer zu den Unternehmen. Der Antragsteller betreut diese industrielle Gruppe mit ca. 60 Mitgliedern aus Schokoladenindustrie und Anlagenbau. Die Ergebnisse werden bereits während des laufenden Projekts im projektbegleitenden Team diskutiert, genutzt und praktisch angewandt. Die Ergebnisse werden in Fachzeitschriften publiziert und in Seminaren der ZDS Solingen referiert. Als Fortsetzung der gemeinschaftlichen Projektarbeit ergeben sich in der IVLV auch Möglichkeiten zur Beratung von KMU. Über einen Lehrauftrag und Kooperation mit FH Weihenstephan sollen Erkenntnisse auch in die Lehre übergehen.
7 Finanzierungsplan
Projekt: Kontaktintensität 2 Kosten für 2020: 51.200 €
Wiss.-techn. Personal
1 Angestellter mit wissenschaftlicher Ausbildung: 0,5 MM
Organisation der Versuche, Auswertung, Berichterstattung, Wissenstransfer, Organisation des projektbegleitenden Ausschusses
Übriges Fachpersonal
1 Angestellter mit wiss. Ausbildung (Techniker/HiWi): 3,9 MM physikalische und chemischen Messungen
Materialkosten
NMR-Röhrchen für Festfettgehaltmessung
8 Literaturverzeichnis
Choi, Y.J., et al. 2007. Oil migration in chocolate. Applied Magnetic Resonance. 2007, Bd.
32, 1-2, S. 205-220.
Ghosh, V., Ziegler, G.R. und Anantheswaran, R.C. 2002. Fat, moisture, and ethanol migration through chocolates and confectionary coatings. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2002, Bd. 42, 6, S. 583-626.
Green, N.L. und Rousseau, D. 2014. Oil migration: novel approaches to a familiar problem.
Lipid Technology. 2014, Bd. 26, 11-12, S. 243-245.
Juul, B. 2010. Beat migration bloom by optimizing your process. Manufacturing Confectioner. 2010, Bd. 90, 5, S. 68-75.
Khan, R.S. und Rousseau, D. 2006. Hazelnut oil migration in dark chocolate - kinetic, thermodynamic and structural considerations. European Journal of Lipid Science and Technology. 2006, Bd. 108, 8, S. 434-443.
Lee, W.L., McCarthy, M.J. und McCarthy, K.L. 2010. Oil migration in 2-component confectionery systems. Journal of Food Science. 2010, Bd. 75, 1, S. E83-E89.
Rothkopf, Isabell. 30.06.2016. Einfluss von Nachtemperierung und unterschiedlichen Lagertemperaturen auf Fettreifbildung. Freising : IVLV, 30.06.2016.
Rumsey, T. R. und McCarthy, K. L. 2012. Modeling oil migration in two-layer chocolate- almond confectionery products. Journal of Food Engineering. 2012, Bd. 111, 1, S. 149-155.
Smith, K.W., Cain, F.W. und Talbot, G. 2007. Effect of nut oil migration on polymor-phic transformation in a model system. Food Chemistry. 2007, Bd. 102, 3, S. 656-663.
Smith, P.R. und Dahlman, A. 2005. The use of atomic force microscopy to measure the formation and development of chocolate bloom in pralines. Journal of the American Oil Chemists' Society. 2005, Bd. 82, 3, S. 165-168.
Ziegleder, G. 2002. Qualitätserhalt gefüllter Schokoladen am Beispiel Fettmigration. [Hrsg.]
FEI. Forschung im Dienste der Lebensmittelqualität. 60, 2002.
Ziegleder, G. und Schwingshandl, I. 1999. Fettreif - eine Frage der Lagertemperatur.
Süsswaren. 1999, Bd. 43, 4, S. 36-38.
Ziegleder, G., et al. 2011. Haltbarkeit von Pralinen - Einfluss der Produktionstechnik.
Deutsche Molkereizeitung. 2011, Bd. 65, 2, S. 21-23.
Ziegleder, G., Moser, C. und Geier-Greguska, J. 1996. Kinetik der Fettmigration in Schokoladenprodukten - Teil 2: Einfluss von Lagertemperatur, Diffusionskoeffizient, Festfettgehalt. Fett/Lipid. 1996, Bd. 98, 7-8, S. 253–256.
Ziegleder, G., Petz, A. und Mikle, H. 2001. Fettmigration und Fettreif in gefüllten Schokoladen - Die dominierenden Einflussgrößen. Zucker- und Süßwarenwirtschaft. 2001, Bd. 54, 7-8, S. 29-31.
Ziegler, G. und Szlachetka, K. 2005. Where is the nut oil in chocolate? New Food. 2005, Bd. 8, 3, S. 46.
8 Interessierte Unternehmen
laut Abstimmung bei der Sitzung der AG Schokolade 2018 & 2019 Alfred Ritter
August Storck Bühler AG Cargill
Chocolat Halba Confiserie Lauenstein Formulaction
Griesson Heidi Chocolat Hochschule Trier ION S.A.
JR Die Schokoladenfabrik Läderach
LCI
Lebkuchenherstellung Artmann Maestrani
Max Weiss GmbH Minderleinsmühle Mondelez
Nestle Deutschland Orkla
Piasten
RPN Excellence AG Sollich KG
Swiss Food Research
Viba Sweets/Confiserie Heilemann Wilhelm Reuss
