Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zielgerichtete Zerkleinerung von Zuckerpartikeln zur Herstellung von Zartbitter-Schokoladenmasse mit angepassten Fließeigenschaften

Die Zerkleinerung der Feststoffe, insbesondere des Zuckers, stellt zusammen mit dem nachfolgenden Conchieren den qualitätsbestimmenden Schritt im Rahmen der Herstellung von Schokoladenmasse dar.

Die Wechselwirkungen zwischen den zerkleinerten Partikeln beeinflussen in erheblichem Maße die makroskopischen Eigenschaften der Schokoladenmasse, wie z. B. die Agglomeration der Feststoffpartikel, die Immobilisierung der Kakaobutter an Partikeloberflächen, und damit das Fließverhalten. Bisher ist wenig darüber bekannt, welches Zerkleinerungsverfahren zu welchen Oberflächenveränderungen der Feststoffe führt und wie sich diese auf die makroskopischen Eigenschaften der Schokoladenmasse genau auswirken.

Ziel des Vorhabens ist es, Prozessstrategien zu erarbeiten, die eine gezielte Zerkleinerung von Zuckerpartikeln für die Herstellung von Zartbitter-Schokoladen mit gewünschten Fließeigenschaften erlauben. Insbesondere soll der Zusatz teurer Kakaobutter vermieden werden, die derzeit eingesetzt wird, um die Fließeigenschaften einzustellen.

Die Ergebnisse eröffnen Herstellern neue Möglichkeiten zur Produktentwicklung und zur Kosteneinsparung. Sie sind insbesondere für Hersteller von Schokoladenmassen und Nuss-Nougat-Cremes relevant; 80 % dieser Unternehmen sind KMU mit weniger als 250 Mitarbeitern.

Ergebniszusammenfassung:

Die Zerkleinerung in der Kugelmühle basiert auf Impulseinwirkung. Es wird bereits nach kurzen Mahlzeiten ein signifikanter Anteil an kleinen Partikeln gebildet, was die Bimodalität der Verteilung erklärt. Diese Bimodalität bleibt auch nach sehr langen Zerkleinerungszeiten erhalten. Die Walzenzerkleinerung beruht auf der Einwirkung von Druck und Scherung. Die Partikelgröße wird zwischen den Walzenpaaren kontinuierlich vermindert. Infolge der rheologischen Eigenschaften von Saccharose kommt es neben Bruchereignissen auch zur Deformation der Partikel.

Die Charakterisierung des amorphen Zustands erfolgte global durch die Quantifizierung der Sorptionseigenschaften und beispielhaft durch die Untersuchung der Partikeloberflächen mittels Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM). Es ist davon auszugehen, dass dichte amorphe Strukturen (erstarrte Schmelze) langsamer Wasser aufnehmen, als amorphe Strukturen, die durch Impulseinwirkung entstanden sind. Die Wechselwirkungen mit Wasser erfolgen bei Proben aus der Kugelmühlenvermahlung durchschnittlich intensiver als bei dem walzenvermahlenen Zucker.

Zwei Populationsbilanzmodelle für die Prozesse Kugelmühlen- und Walzenzerkleinerung wurden erfolgreich implementiert. Es wurde eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den berechneten Werten erreicht. Es wurde gezeigt, dass die Populationsbilanzmodelle zur Bestimmung optimaler Auslegungs-/Betriebsbedingungen verwendet werden können/könnten. Darüber hinaus geben die Ergebnisse der MD-Simulation neue Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Medium. Sie können mit Ergebnissen rheologischen Messungen verglichen werden. Auf dieser Basis können Vorhersagen hinsichtlich einer Anpassung des Zerkleinerungsprozesses getroffen werden. Die Ergebnisse der Simulation lieferten detaillierte neue Einblicke in die Immobilisierung von flüssiger Kakaobutter auf kristallinen und amorphen Zuckeroberflächen und die Partikelwechselwirkungen.