巧克力流变学

4.5 食品流变学的应用

4.5.1食品流变学在巧克力生产中的应用

巧克力的种类很多。但是总的来说，占其体积35%的物质是可可脂等油脂，其余的物质基本上是处于悬浮状态的固体。在体积大约占65%的固体物质中，一部分是糖，另一部分是可可粉，巧克力中通常还含有一些少量的调味物质，如乳粉等;或者含有少量的表面活性物质，如作为增塑剂的卵磷脂。此外，油脂和固体粒子的相互作用产生的胶体物质和油脂本身的分子物质直接影响巧克力加工工艺和产品品质及保存性。

巧克力的风味主要取决于其口溶性。巧克力在口中的融解速度越快，风味的放出速度也越快，巧克力就越好吃。好的口溶性是由于在很小温度范围内巧克力的固体脂比例急速下降而产生的，这个性质取决于可可脂的融解特性。可可脂的主要成分是甘油酷，一般地说，甘油酷形成结晶多形，不同的结晶其融解速度也不一样。可可脂可以分成融解温度在17.3℃~36.3℃范围的I形到Ⅵ形的六种结晶多形，其中最稳定的结晶是36℃下融解的Ⅵ形结晶。

在巧克力生产工艺中常用的是用34℃左右急速融解的V形结晶进行接种的方法。在生产过程中，巧克力是以液体状态存在的，液体状态的巧克力是具有屈服应力的假塑性物质，此时对其特性的实验室检验就可借助于流变学的测量方法。

1 巧克力生产中表观粘度的控制

巧克力的表观粘度一般用旋转粘度计测量，但要求粘度计的测量间隙足够大。当微粒平均直径约为30μm时，粘度仪的测量间隙应在lmm以上。

巧克力属于高粘度流体。粘度太大时，搅拌困难，输送管道阻力增加，泵的负荷增大，原料的流动性下降造成填充成型性能变差，供给原料的喷嘴堵塞等故障。所以，在巧克力的加工工艺中，必须注意控制表观粘度的变化。

巧克力的表观粘度与原料种类有关。引起液态巧克力表观粘度变化的原因是油脂含量、固体粒子的粒度、原料水分含量、乳化剂用量和种类以及油脂的结晶化等。油脂含量越大，流动性越好，砂糖等固体粒子的粒子越细小，与脂肪接触的总表面就越大，相对地减少了游离脂肪，故粘度会增大。巧克力增加水分，可以促进亲水性固体粒子的相互作用，进一步增强非牛顿流体的性质。添加乳化剂粘度会减小。混合后的液体巧克力原料，一般保存在稳定结晶不融解的温度(30-31℃)。但由于稳定结晶也随时间引起结晶化，所以液态巧克力的表观粘度也随时间增大。

工艺中粘度的上升速度与液态巧克力的品温、种晶量、接种法中种晶的多形和油脂的种类有关，图4一55表示深色巧克力中接种0.2%的V型可可脂结晶粉后，表观粘度随时间的变化规律。由图可知，初始阶段粘度增加缓慢，接种30min后的粘度急剧上升。这是由于搅拌中引起晶体的相互碰撞产生二次核，导致油脂的结晶化显著增加的缘故。我们把开始接种到粘度急剧上升为止(3mV)的时间称为结晶化时间。图4一56表示结晶量与结晶化时间的关系。由图可以预测工程中表观勃度突然上升为止的时间。

2 巧克力的屈服特性与Casson方程式的应用

(1)巧克力的两个表观屈服应力值(如图4一57):通常认为，只有在剪切速率超过大约1s-1的条件下所测得的数据才能应用Cassan方程，这是由于经验表明，在较低剪切速率条件下，该方程不能与实际流动特性曲线相吻合。由图4一57可知，有12个点完全位于一条直线上，与这12个点相对应的剪切速率范围差不多是40个单位的范围内。如果沿剪切速率趋于零的方向外推曲线，可在应力轴上得一截距，这个截距所标明的应力值就是屈服应力。在本例中，屈服应力可确定为38.6Pa，粘度可确定为2.38Pa·s。Cassan方程与实验数据很吻合，因此人们有理由确信Cassan方程对巧克力的适应性，并可认为巧克力就相当于具有38.6Pa屈服应力的液体。

然而，当在更低的剪切速率条件下继续进行实验时，将会很明显地看出巧克力在远小于38.6Pa的剪切应力作用下也能流动。在图4一57中，用“X”符号标绘了4个应力小于38.6Pa 的测量值，这4个点也可用一条直线来拟合，此时剪切应力截距(屈服应力)仅为3.9Pa，对

应的粘度(也称Cassan粘度)为132Pa·s。由于所选择的剪切速率测量范围不同，巧克力就呈

现出相差一个数量级的两个表观屈服应力。这两个屈服应力都是用如下的方法确定的:首先

不断地改变粘度仪的速度，测出应力值，做出曲线，然后将曲线外推至零剪切速率而最终得

到屈服值。因此，这两个屈服应力值仅仅是推测值。要想得到直接测量的屈服应力值，只有

借助于可以改变外加应力的粘度仪，将外加应力从零逐渐增加，测量相应的流动特性数据，

如图4一58所示。这个曲线在小于1s-1剪切速率的范围内具有较多的测量数据。可以看出，

外推图4一58曲线可得到约3Pa的屈服应力，而能够观测到流动时的最低的应力值则为1Pao

这个曲线的上下两部分均可用Cassan方程进行合理的拟合。上述这些结果证实了关于巧克

力具有两个表观屈服值的早期发现。

根据上述结果，可以假定巧克力的刚性结构分两步破裂。当只受到较小的外加应力作用

时，在巧克力结构的薄弱部分将会出现缝隙，较大的聚集体由于本身夹带较大量的液态脂肪

而能够开始做相互间的滑动，聚集体之间的液膜起到润滑作用。由于此时对滑动的阻力较大，

这个区域中将显示出较高的粘度。但是，聚集体只能承受有限的剪切应力，一旦应力达到其

临界值，聚集体就开始破裂，这时将产生很多润滑条件更好的表面，以致出现完全自由的运

动，而且随着聚集体的不断破裂，这个区域中的粘度将逐渐降低。

(2)Casson方程式的应用:现在我们可以继续讨论有关屈服值的问题。为了便于讨论可以举一个给方旦糖涂布巧克力层的例子。首先把方旦糖浸没在40℃的融化巧克力中:然后给定los使过量

的巧克力从方旦糖表面流走。假设在这段时间内温度保持不

变，直到最后一刻突然发生迅速的冷却，使面层凝固。在这

种前提下，可以很容易计算出勃附在方旦糖竖直表面的巧克

力面层厚度。图4一59(a)中标绘了lomm竖直表面的巧克力

面层断面图。这个图是根据图4一57的数据，用Cassan方

程计算得到的。运用Cassan方程时，忽略了巧克力试样在

最低剪切速率段显示出来的特性。我们可将图4一59(a)与

图4一59(b)进行比较。图4一59(b)的面层厚度完全是根据

实际测量数据计算出来的。从图中可以看出，Cassan方程计

算值比实际的勃附层质量约多2%。但是还必须指出，若把

巧克力视作牛顿液体，所得出的面层质量计算值几乎与按

Casson方程计算的值具有相同的精度。因此，看起来面层总

质量计算值与选用何种模型来表示巧克力的流变特性关系

不大。

4.5.2食品流变学在奶油蛋糕加工中的应用

按表4一13的配方比制造的奶油蛋糕的蠕变曲线如图4一60(a)所示，其蠕变特性可用

图4一60(b)所示的八要素模型解释。式中各粘弹系数的计算结果列于表4一14中。