Investigating cocoa butter crystallization using rheology and Raman spectroscopy

Význam tématu

Krystalizace kakaového másla určuje texturu, lesk a stabilitu čokoládových výrobků. Porozumění tomuto procesu je klíčové pro optimalizaci výrobních postupů, kontrolu kvality a předcházení nežádoucím jevům jako fat bloom.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo prozkoumat izotermickou krystalizaci kakaového másla pomocí simultánních měření reologie a in situ Ramanovy spektroskopie (RheoRaman). Kombinací obou technik se odhalily samostatné fáze tuhnutí a krystalizace, které by jednotlivě zůstaly nepovšimnuty.

Použitá instrumentace

• HAAKE MARS 60 Rheometer se 35 mm serrated destičkou
• DXR3 Flex Raman Spectrometer
• RheoRaman modul pro HAAKE MARS Rheometry
• OMNIC software pro sběr a analýzu Ramanových dat
• Elektrické topné prvky a vodní lázeň pro tepelnou kontrolu vzorku

Materiály a metoda

Vzorkem bylo komerčně dostupné organické kakaové máslo Theobroma cacao. Reologická měření probíhala v oscilačním režimu při frekvenci 1 Hz a deformaci 0,1 %. Vzorky byly zahřáty na 60 °C, vyrovnány 10 min, poté ochlazeny temp. 10 °C/min na 22 °C a drženy 120 min s odečty každých 10 s. Ramanová spektroskopie byla prováděna s 532 nm laserem, 10 mW, rozsah 50–3500 cm⁻¹, 2 s expozice, 4 opakování.

Hlavní výsledky a diskuse

Měření odhalila dvoufázový krystalizační průběh: nejprve elasticko-viskózní modul G′ a G″ prudce vzrostly, což indikuje amorfní zatuhnutí, následovalo formování krystalických struktur zaznamenané nárůstem poměrů intenzit Ramanových pásů I2882/I2850 a I1130/I2850. Mezi reologickou odezvou a spektroskopickými markery se objevil časový posun 15–20 min. Klíčové Ramanovy pásy: 2850 cm⁻¹ (sym. CH₂), 2882 cm⁻¹ (asym. CH₂), 1130 cm⁻¹ (sym. C–C).

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje souběžné sledování molekulárních změn a makroskopických mechanických vlastností v reálném čase. Tento přístup podporuje řízení kvality ve výrobě čokolády, optimalizaci temperace a minimalizaci vadných partií. Postupy lze aplikovat i na polymerizaci, gelaci a další materiálové systémy.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření RheoRaman technik pro on-line monitorování průmyslových procesů, automatizaci řízení výroby a analýzu nových lipidových směsí. Další oblastí je výzkum chemicko-fyzikálních přeměn u polymerů, gelů a kompozitních materiálů.

Závěr

Simultánní reologická a Ramanova analýza odhalila, že kakaové máslo krystalizuje ve dvou krocích: nejdříve amorfní tuhnutí, poté přechod do krystalické fáze. Hyphenace těchto technik poskytuje detailní vhled do složitých materiálových procesů.

Reference

1. K. Sato, Crystallization of Lipids: Fundamentals and Applications in Food, Cosmetics and Pharmaceuticals, John Wiley, 2018.
2. S. Bresson, D. Rousseau, S. Ghosh, M. El Marssi, V. Faivre, Raman spectroscopy of the polymorphic forms and liquid state of cocoa butter, Eur. J. Lipid Sci. Technol. 113, 992–1004, 2011.
3. R. G. Snyder, H. L. Strauss, C. A. Elliger, C–H stretching modes and the structure of n-alkyl chains. 1. Long, disordered chains, J. Phys. Chem. 86, 5145–5150, 1982.
4. R. J. Meier, Studying the length of trans conformational sequences in polyethylene using Raman spectroscopy: A computational study, Polymer 43, 517–522, 2002.
5. M. Zheng, M. Du, Phase behavior, conformations, thermodynamic properties, and molecular motion of multicomponent paraffin waxes: A Raman spectroscopy study, Vib. Spectrosc. 40, 219–224, 2006.