Кондитерская промышленность

Измельчение и термическая обработка какао-бобов и шоколадных масс

Режим обжарки какао-бобов обычно контролируется по уменьшению содержания в них влаги или по конечной температуре процесса.

В процессе обжарки бобов происходят значительные изменения различных веществ, входящих в состав какао-бобов.

Объективным показателем степени обжарки бобов следует считать количество редуцирующих сахаров, содержащихся в обжаренных какао-бобах, которое уменьшается в процессе термической обработки. В качестве величины, характеризующей качество обжаренных какао-бобов, удобно использовать коэффициент степени обжарки Коб, равный отношению конечного содержания редуцирующих сахаров в обжаренных какао-бобах (%) — К.С.Р.С. к начальному их содержанию (%) в сырых бобах – Н.С.Р.С.

коэффициент степени обжарки

Например, на основании органолептических оценок, проведенных в лабораториях пищевой технологии Франции, Японии и др. стран установлено, что наиболее рациональным режимам обжарки способствуют следующие значения коэффициента обжарки:

Коб = 0,3—0,4 – для молочного шоколада с содержанием молока 18%, а с содержанием 25% молока – 0,4—0,5. Причем температура обжарки должна быть 110—130 градусов. Установлено также, что рациональные значения Коб для целых какао-бобов и какао-крупки различны. Для целых бобов наилучшие результаты соответствуют Коб = 0,3—0,4, а для какао*крупки Коб = 0,4—0,5.

Таким образом, использование коэффициента Коб позволяет осуществлять эффективный контроль за качеством термической обработки какао бобов и развития аромата какао бобов с учетом особенностей как технологического характера, так и используемого при приготовлении какао тертого, а также при коншировании шоколадных масс.

Исследованиями установлено, что какао содержит в своем составе 310 ароматических соединений, из которых 46 являются специфическими для аромата какао и не входят в состав других пищевых продуктов. Сырые какао-бобы не имеют специфического аромата, и только в процессе обжарки в них образуется характерный для какао продуктов аромат, который в дальнейшем в процессе последующей обработки является основой для аромата, характерного для шоколада.

Современное технологическое оборудование для термической обработки (обжарки) какао-бобов обеспечивает высокую точность поддержания заданной температуры, тем не менее перепад температур между центральной и периферийными зонами достигает иногда 12 градусов в зависимости от степени измельченности исходного сырья. При обжарке какао-крупки с частицами размером менее 0,5 мм процесс термообработки практически равномерен по объему.

Устойчивое формирование аромата при термической обработке какао бобов определяется следующими факторами:

  • сырые какао-бобы должны быть предварительно высушены до содержания влаги около 2,5% при температуре не выше 100 градусов по Цельсию;
  • для каждой дисперсности исходного для термической обработки сырья существует оптимальный режим наиболее полного образования аромата. Например, для дисперсности менее 200мкм оптимальной является температура 123 градуса при продолжительности 4 минуты. Процесс формирования устойчивого аромата зависит не только от температуры и продолжительности термической обработки, но и от географического происхождения какао-бобов, как это показано в следующей таблице:

    Процесс формирования устойчивого аро* мата зависит не только от температуры и продолжительности термической обработки, но и от географического происхождения какао-бобов
    Таблица 1 — Процесс формирования устойчивого аромата зависит не только от температуры и продолжительности термической обработки, но и от географического происхождения какао-бобов
  • на образование аромата оказывает влияние характер теплопередачи. Конвекционный способ ведет к значительной потере типичных для какао-продуктов ароматических веществ;
  • термическая обработка под давлением или в закрытых устройствах отрицательно сказывается на образовании аромата;

 обработка какао тертого в тонком слое обеспечивает непрерывность термической обработки и возможность создания надежной системы управления регулированием оптимальными параметрами, как предварительной сушки какао*бобов, так и последующего дробления и получения какао тертого.

По сравнению с кофе, арахисом, орехами обжаренные какао-бобы содержат только в них присутствующие в большом количестве кислоты, сложные эфиры, пиразины и амины, и в то же время не содержат пиридинов и тиофенов.

Основными и решающими факторами, определяющими ароматические качества шоколадной массы в коншмашинах, являются температура, продолжительность обработки, количество воздушной фазы, а также величина слоя обрабатываемого продукта.

При определенной температуре увеличение продолжительности обработки вызывает интенсификацию формирования аромата лишь до определенной величины продолжительности, после которой наступает ухудшение ароматизации шоколадной массы.

Исследованиями установлено, что процесс ароматизации главным образом связан с процессом перехода связанной уксусной кислоты в уксусную кислоту в шоколадной массе, а не с уменьшением количества дубильных веществ и удалением летучих веществ.

Облагораживание вкуса и аромата шоколада определяется не только степенью измельчения какао тертого, но и выбором способа фракционного испарения нежелательной части легколетучих продуктов и полного сохранения веществ, обусловливающих специфический шоколадный аромат какао тертого. В основе таких способов лежит:

  •  быстрая передача тепла от поверхности нагрева к обрабатываемой массе в виде тонкого и равномерного слоя;
  • полное и своевременное удаление продукта из зоны термической обработки;
  • точность регулирования и поддержания заданной температуры термообработки.

Наиболее р0аспространенным способом термической обработки в интересах наилучшей ароматизации являются ротационно-конвекционный и ротационно-пленочный с непрерывным распылением слоя обрабатываемого продукта.

В основе конструкции аппаратов реализующих эти способы лежит принцип вертикальной компоновки системы «ротор – статор» с гравитационным движением сверху вниз обрабатываемого продукта в зазоре между лопатками ротора и корпусом статора.

При первом способе вращение фасонного ротора с жестко закрепленными лопастями внутри цилиндра с обогревающей рубашкой вызывает турбулентное движение поступающего сверху высокодисперсного какао тертого с большим коэффициентом теплопередачи от стенки цилиндра, к которой отбрасывается волнообразно завихряемый продукт.

Удаление легколетучих продуктов нежелательной ароматизации ускоряется, если процесс обработки ведется при пониженном давлении, создаваемом специальной вакуумирующей установкой.

Ротационный пленочный аппарат с помощью закрепленных на роторе лопаток распыляет в кольцевом пространстве между статором и ротором подаваемый сверху продукт и наносит на внутреннюю поверхность цилиндрического статора тонкий слой какао тертого. Интенсивный тепломассообмен обеспечивается подаваемым снизу горячим воздухом в процессе распыления какао-крупки, движущейся вниз и отдающей воздуху влагу. Воздух, насыщенный парами влаги и легколетучими веществами, удаляется через верхнюю часть аппарата.

Таким образом, при первом способе влага удаляется конвекционной сушкой, с передачей тепла путем диссипации тепловой энергии и частично непосредственным теплообменом с воздухом, а во втором случае – испарением влаги в тонком слое с передачей тепла контактом с горячей стенкой корпуса и частично путем диссипации тепловой энергии.

Измельчение шоколадных полуфабрикатов и шоколадных масс является самостоятельной технологической операцией в общем процессе, существенно влияющей на реологию, аромат, фазовые преобразования конечного продукта в шоколадном производстве.

Во фракциях размером более 100 мкм после измельчения на различных типах размольного оборудования всегда обнаруживаются различия в форме частиц.

Практическое значение в технологии шоколадного производства имеют тип вида измельчения: при помощи одной поверхности твердого тела (методом удара), при помощи двух поверхностей твердого тела (между валками или шарами) и без помощи поверхностей твердых тел (методом среза).

При помощи ударного измельчения с высокими скоростями рабочих органов возможно получение частиц величиной до 50—110 мкм.

При измельчении частиц методом валкового раздавливания с начальной величиной зазора между валками 200—300 мкм до конечного зазора – 5 мкм образуются частицы с шириной более 30мкм, что определяет необходимость дополнительной обработки для уменьшения грубых частиц в готовой массе.

Наличие в шоколадной массе частиц менее 4 мкм резко ухудшает показатели вязкости получаемой суспензии.

Использование вальцовых машин-мельниц не приводит к получению какой-то стандартной величины измельчения. Она зависит от качественных показателей обрабатываемого продукта, а также от отладки оборудования, конструктивных особенностей вальцовых мельниц.

Для измельчения какао тертого, смеси какао тертого с молочным порошком и для обработки шоколадных масс могут применяться шариковые мельницы, в которых происходит постоянное перемешивание уже измельченных и неизмельченных частиц, разделение которых как при вальцевании невозможно.

Обработка какао тертого на шариковых мельницах позволяет получать хорошее измельчение в диапазоне от 5 до 100 мкм в зависимости от размера шариков.

Мельницы ударного типа для тонкого измельчения обычно используются для размола сахара или смесей сахара и сухого молока и работают в замкнутом цикле.

При выборе способа измельчения учитывают не только экономические факторы (например, затраты на электроэнергию: вальцовые мельницы 6—10 кВт·ч/т; шариковые – 40—100кВт·ч/т; мельницы ударного типа для размола сахара и смесей сахара с сухим молоком – 45—50 кВт·ч/т), но и необходимость повышения эффективности процесса конширования. Выбор оптимальной и  экономически выгодной технологии измельчения невозможен без соответствующего выбора способа конширования, поскольку дальнейшее воздействие на шоколадную массу после конширования становится невозможным, так как ее компоненты, измельченные разными способами, попадают под влияние какао*масла, лецитина, рецептурного состава шоколадной смеси, которые изменяют характер трения твердых частиц друг о друга.

В производстве шоколадных масс без добавок хорошо зарекомендовали себя процессы измельчения вальцеванием и современные способы раздельного тонкого измельчения какао тертого и сахара, особенно для приготовления молочно-шоколадной глазури.

Установлено, что механическая обработка для изменения величины частиц оказывает существенное влияние на структуру и гомогенизацию обрабатываемой в процессе конширования шоколадной массы и, следовательно, на вкусовые качества и аромат шоколадных изделий.

На рисунке 1 указана зависимость показателей вкуса от относительной продолжительности конширования для горького и молочного шоколада.

  Рисунок 1 - Зависимость показателей вкуса от продолжительности конширования для горького (образец II) и молочного (образец III) шоколада

Рисунок 1 — Зависимость показателей вкуса от продолжительности конширования для горького (образец II) и молочного (образец III) шоколада

На рисунке 2 даны кривые, характеризующие вязкость шоколадной массы от продолжительности конширования. Измерения величины частиц в процессе конширования не обнаруживают существенного изменения размеров этих частиц. Улучшение показателя вязкости шоколадной массы на первой стадии ее обработки в коншмашинах связано с изменением структуры (гомогенизацией) массы, а также за счет снижения диссипации энергии от переменного воздействия рабочих органов коншмашины.

а) горький шоколад, образец II; б) молочный шоколад, образец III Рисунок 2 - Кривые, характеризующие вязкость образцов шоколадной массы при различной продолжительности конширования
а) горький шоколад, образец II; б) молочный шоколад, образец III
Рисунок 2 — Кривые, характеризующие вязкость образцов шоколадной массы при различной продолжительности конширования

При процессе конширования не происходит заметного измельчения твердых частиц, входящих в состав обрабатываемой шоколадной массы.

Развитие технологии производства шоколада шло чисто эмпирическим путем на основе операций кустарного производства этого продукта.

Научная оценка всех операций шоколадного производства в настоящее время базируется на анализе экономичности и качественных показателей конечного продукта.

Обычно рассматривается следующий базовый состав шоколадных масс: 35% какао-продуктов (какао-масла и какао-тертого), 45% сахара и 20% цельного сухого молока.

Общая технологическая схема производства шоколадных масс показана на рисунке 3. Из этой схемы видно, что при изготовлении шоколадной массы имеют место очень сложные физические (дробление, измельчение, эмульгирование) и химические (обжарка, конширование) процессы.

Рисунок 3 - Общая технологическая схема процесса производства шоколадных масс и шоколада
Рисунок 3 — Общая технологическая схема процесса производства шоколадных масс и шоколада

При этом следует иметь в виду, что качественные показатели шоколада и шоколадных изделий зависят не только от операций приведенной технологической схемы, но и от результатов первичной переработки сырья в месте произрастания какао-бобов. Процесс ферментации протекает, как правило, в эмпирических условиях, различных даже для отдельных партий какао-бобов.

Неправильно проведенная ферментация приводит к непоправимым по своим результатам последствиям: нужный аромат и вкус у таких какао-бобов не формируется, качество продукции из него низкое. Повторная ферментация нереальна в местах потребления какао-бобов. Первым этапом, на котором может быть сформировано управляющее воздействие на качество конечного продукта, является обжарка сырых какао-бобов.

Исследования и анализ опыта показывают, что наиболее целесообразным для образования хороших вкусовых и ароматических свойств является обжарка в два этапа: вначале просушка при 100 градусах до содержания влаги 2,5% в них, а затем обжарка в узком температурном интервале при колебаниях температуры не более 1,5 градусов.

Изготовление шоколадных масс из технологически правильно и хорошо обжаренных бобов позволяет существенно сократить продолжительность изготовления шоколадных масс с учетом того обстоятельства, что возможность удаления влаги и нежелательных летучих веществ остается только на этапе конширования шоколадной массы.

Установлено, что различные методы измельчения по разному изменяют свойства основных компонентов шоколадной массы, поэтому каждый из них целесообразно измельчать по-разному.

Так, сахар нужно измельчать в мелкую пудру на мельницах ударного типа, а молочный порошок — размалыванием между двумя твердыми поверхностями.

Поскольку для измельчения частиц какаовеллы требуется в 10раз больше энергии, чем на дробление на такие же по размеру частицы какао-крупки, то операция отделения какаовеллы от какао-бобов должна выполняться особенно тщательно.

Для полного извлечения какао-масла прессованием нет необходимости измельчать какао тертое тоньше, чем до частиц размером 15—20 мкм. Шариковые мельницы (аттриторы) непосредственно не применяют для измельчения какао-крупки, но после предварительного измельчения на вальцовых мельницах до 100мкм аттриторы измельчают частицы до 20—30 мкм.

Конширование, как последняя стадия технологического процесса обработки шоколадных масс, имеет решающее значение.

Термическая обработка тонкого слоя шоколадной массы с продувкой воздухом или азотом обеспечивает получение продукта с хорошо выраженным ароматом.

Разработка новых методов производства шоколадных масс основывается на изменении всего технологического процесса путем расчленения его на отдельные операции и поиска новых взаимосвязей между ними.

Например, использование мельниц ударного действия для очень тонкого измельчения сахарной пудры позволяет сократить число вальцовых мельниц.

Предварительное измельчение какао тертого мельницами ударного типа позволяет на заключительной стадии измельчения применять шариковые мельницы и повысить вкусовые и ароматические свойства шоколадной массы, уменьшить капиталовложения за счет снижения стоимости и обслуживания оборудования.

Для получения тонкой сахарной пудры можно использовать мельницы, снабженные сепараторами (классификаторами).

Разработка и внедрение двухзонных обжарочных аппаратов непрерывного действия позволило повысить эффективность технологии создания и развития аромата обработанного продукта. Заключительная вторичная фаза термической обработки какао-бобов может включить предварительное дробление в какао-крупку.

Для того, чтобы исключить воздействие на какао-бобы высоких температур, в ряде технологических схем используют способы термической обработки не какао*крупки, а какао тертого для того, чтобы сократить продолжительность конширования или вообще отказаться от него. Для этого какао тертый под избыточным давлением насосом прокачивается один или несколько раз через нагреваемую трубку, а затем поступает в камеру с нормальным давлением.

Термическая обработка какао тертого тонким распылением продукта по внутренней нагретой цилиндрической поверхности статора быстровращающимся ротором и создание противотока воздуха движению распыляемого продукта позволяет существенно повысить интенсивность обработки.

Применение специальных круглых ротационных гомогенизаторов позволяет в ряде случаев расчленить процесс рецептурирования шоколадной массы на две фазы (рисунок 4). После обжарки бобов какао-крупка измельчается, дезодорируется, обезвоживается, обрабатывается в мельнице ударного типа. В такой же мельнице измельчают в тонкую пудру сахар. Затем основные компоненты и добавки смешивают в смесителе непрерывного действия и получают основную рецептурную смесь, поступающую в ротационный гомогенизатор. Окончательная рецептура продукта формируется в специальных коншмашинах после внесения соответствующих добавок. Прошедшая такое конширование шоколадная масса поступает на темперирование и формование шоколадных изделий.

Рисунок 4 - Основные операции технологического процесса производства шоколадных масс и шоколада
Рисунок 4 — Основные операции технологического процесса
производства шоколадных масс и шоколада

Применение так называемого «крумба» – гранулированного продукта в виде смеси сгущенного молока с какао тертым, приготовляемого с использованием нагревания, интенсивной сушки и вакуумирования с протеканием реакций дезодорации и карамелизации позволило сократить продолжительность конширования.

Известны схемы, в которых все рецептурные компоненты отдельно тонко измельчаются и лишь после этого смешиваются в коншмашинах.

С 1972 года внедрены технологии шоколадных масс без конширования, разработанные на фабрике Линдт и Шпрюнтм (Швейцария) и реализованные аппаратно-технологической схемой, получившей название LSCP (Lindt und Sprungli Chocolate Process), представленной на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема технологического процесса производства шоколада без конширования по способу LSCP
Рисунок 5 — Схема технологического процесса производства шоколада без конширования по способу LSCP

На первом производственном участке сырые какао-бобы поступают на очистительно-сортировочную машину, откуда их направляют по сортам в промежуточные сборники, из которых они попадают на термообработку, после которой охлажденные какао*бобы поступают на дробильно*сортировочную машину.

Полученную какао-крупку передают в три промежуточных сборника. На автоматических весах порции какао-крупки отвешивают и направляют в реактор для водно-щелочной обработки под давлением (способ LВСТ). Водно-щелочной раствор поступает из дозатора. Обработанный (препарированный) продукт подают для подсушивания и термической обработки в сушилку. Затем какао крупку двухступенчатым способом измельчают в какао тертое, которое поступает в темперирующий сборник-накопитель.

Вторым производственным участком является линия СРА для дозирования, смешивания и обработки (обогащения) различных добавок – сухого молока, сахара, сухих сливок, какао-крупки и др.

Для того, чтобы придать добавкам ясно выраженные вкусовые и ароматические свойства, их смешивают в смесителе, где компоненты увлажняют раствором углекислой щелочи. После измельчения и подсушки в реакторе СРА полученный порошкообразный продукт поступает в приемник.

Третьим участком новой технологической схемы является линия ДЕSO. Поступающее сюда какао-масло дозируется дозатором 1, 2, 3 в установку, осуществляющую его дезодорацию. Получаемый дезодорированный продукт затем подается в сборник.

Четвертым участком является линия производства шоколадных масс. В смеситель этой линии подают из промежуточного сборника какао тертое, обработанные добавки с участка линии СРА и какао-масло с участка линии ДЕSO. Все компоненты тщательно перемешивают и массу вальцуют в два приема: сначала на  трехвальцовой мельнице, а затем пропускают через работающие параллельно две пятивалковые мельницы.

Провальцованный порошкообразный продукт поступает для операции разводки в горизонтальный двухвалковый смеситель с фасонными лопастями типа ZUK западногерманской фирмы Werner und Pfleiderer (рисунок 6). В зоны смесителя порошок подают последовательно: вначале продукт дезагломерируют фасонными валками без добавки какао-масла.

В следующей зоне его смешивают с какао-маслом. В две последние зоны вводят «разжижитель» (раствор лецитина в какао-масле), и шоколадная масса гомогенизируется под воздействием сложного вращательного движения специальной формы кулаков, надеваемых на концы валов горизонтального смесителя ZUK. Полученная шоколадная масса поступает в приемник и затем на производство.

1 – зона подачи провальцованной массы; 2 – зона подачи какаомасла; 3, 4 – зоны ведения «разжижителя»; 5 – кулаки, гомогенизирующие готовую массу Рисунок 6 - Рабочие органы двухвалкового смесителя типа ZUK фирмы Werner und Pfleiderer (ФРГ)
1 – зона подачи провальцованной массы; 2 – зона подачи какаомасла;
3, 4 – зоны ведения «разжижителя»; 5 – кулаки, гомогенизирующие готовую массу
Рисунок 6 — Рабочие органы двухвалкового смесителя типа ZUK фирмы Werner und Pfleiderer (ФРГ)

Способ LSСР экономически достаточно выгоден, так как оборудование, используемое для него, занимает значительно меньшую производственную площадь и характеризуется гораздо меньшим удельным расходом электроэнергии.