配料对巧克力品质影响的研究进展

何瑞芳,张　虹,毕艳兰,沈　琪

(1.河南工业大学 粮油食品学院,河南郑州 450001;2.丰益(上海)生物技术研发中心有限公司,上海 200137)



配料对巧克力品质影响的研究进展

何瑞芳1,2,张虹2,毕艳兰1,沈琪2

(1.河南工业大学 粮油食品学院,河南郑州 450001;2.丰益(上海)生物技术研发中心有限公司,上海 200137)

巧克力浆料是由非脂相,如糖、可可粉、乳粉等物质分散于以油脂为连续相而形成的悬浮液体系。可可脂、可可液块和糖是巧克力的主要成分,这些组分会影响巧克力浆料的流变性、质构及其微观结构等,从而影响巧克力及巧克力制品的品质。研究巧克力品质的影响因素对于调整产品配方,改善加工工艺,提高产品品质具有重要的指导意义。本文主要从产品配方如原料油、糖类及微量组分对巧克力品质的影响进行了综述,期待能为巧克力生产提供一定的指导作用。

巧克力,结晶,糖类,加工工艺

巧克力又名朱古力,是一种以可可制品(可可脂、可可液块或可可粉)、白砂糖和/或甜味剂为主要原料,添加或不添加乳制品、食品添加剂,经特定工艺制成的固体食品[1],以其细腻润滑的口感和特有的芳香吸引了无数消费者。随着我国经济的发展和饮食结构的变化,巧克力正以10%～15%的年增长率迅猛发展,市场消费潜力高达200亿元[2]。

巧克力配料如可可脂、糖类及微量组分等都与巧克力品质息息相关。油脂的结晶特性与油脂的结晶程度、晶型的转化和形成的网状结构有关,会直接影响到巧克力产品的品质,如口熔性(排块巧克力)、涂抹性(巧克力酱)、货架期等。巧克力中较常见的起霜现象也是由于巧克力在储存过程中油脂发生晶型转化或者油脂迁移至表面而重新结晶引起的[3-4]。因此,研究可可脂、糖类及微量组分对巧克力品质的影响对于调整巧克力及其制品的配方,改善产品品质都有重要的指导意义。目前国内外学者针对巧克力品质的影响因素的研究主要集中在产品配料(原料油、糖及微量成分)和加工工艺上。本文将从原料油、糖类、微量组分对国内外研究成果进行总结,以期为巧克力的科学加工、储存及新产品的开发等提供一定的指导。

1　巧克力简介

1.1巧克力的分类

巧克力的分类比较复杂,在国际上也不统一,中国、美国和英国对巧克力的分类[1,5]见表1。

1.2巧克力的加工工艺

巧克力的加工工艺[6]见图1。

图1　巧克力生产的工艺流程Fig.1　Technical process of chocolate production

巧克力加工工艺中的关键工序包括精磨、精炼和调温。其中,精磨是将可可脂、可可液块、糖粉、卵磷脂等初步混匀后,再放入三辊机或五辊机进行精磨,将其颗粒度降到15～35 μm,形成高度乳化的、均一的物理分散体系[7-8]。精炼是把上述混合物投入精炼机,在一定温度下精炼一段时间,以去除部分水分和挥发性酸,改善巧克力风味[7-8]。调温是将经过精炼的物料从40 ℃降温到29 ℃,使巧克力浆料中的油脂形成稳定和不稳定的细小晶型;再继续冷却到27 ℃,使油脂进一步结晶;最后回升到29～30 ℃,把不稳定晶型转化为稳定晶型[9]。需要指出的是,非月桂酸型代可可脂及月桂酸型代可可脂在加工过程中可形成较稳定的β′晶型,无需调温。

表1　巧克力的分类[1,5]

1.3巧克力配方

不同种类巧克力的配方不同,见表2[6,10],但其主要原料均为可可固形物、糖类或乳粉类,为了提高体系的稳定性或赋予产品特殊风味,还会加入一些乳化剂等微量成分。

表2　巧克力配方

2　原料油

原料油的结晶习性、脂肪酸组成、甘油三酯的组成和结构,以及不同油脂间的相容性是影响巧克力品质的重要因素。巧克力通常使用的原料油主要包括可可脂及可可脂代用品。可可脂的加工性能独特,是极佳的巧克力原料油脂,但由于地区和气候的限制,可可脂逐渐不能满足巧克力工业的发展,可可脂替代物应运而生。

2.1可可脂

可可脂(Cocoa Butter,简称CB)是巧克力中的主要原料之一,主要由98%甘三酯、1%游离脂肪酸、0.3%甘二酯和0.2%单甘酯等组成[11],有6种晶体形态,即Ⅰ～Ⅵ型,其稳定性和温度机制[7-8,12-13]见图2。在加工过程中,可可脂形成的最佳晶体形态是V型,制得的巧克力有光泽,不易起霜,质量较好。若可可脂形成Ⅰ～Ⅳ型(不稳定),在储存过程中会逐渐转化为较稳定晶型,这种晶型的转化常常引起巧克力起霜,即巧克力表面呈现灰白色,使产品质量下降[14]。因此,添加可可脂的巧克力在加工过程中要进行适当的调温处理,使不稳定晶型转化为稳定晶型,改善巧克力质量。

图2　可可脂6种晶型的稳定性和温度机制[7,8,12,13]Fig.2　Characteristics for different polymorphisms of cocoa butter

此外,生产可可脂的原料-可可豆的质量与巧克力及其制品的风味和口感亦密切相关,因此,也应严格控制可可豆的质量,方法如下[7-8,15]:①可可豆的挑选:应该选择发酵较好(pH5.20～5.49)、干燥(水分含量6%～8%,高于8%易滋生霉菌,低于6%,可可豆易碎,使后续加工变得困难)、无虫害、无异味、无污染的可可豆;②清洁、破碎、风选:筛选豆子并去除石子、带状物、金属、木屑、土壤粒子等,之后将可可豆破碎并送至风选机将壳去除;③灭菌:灭菌是将可可豆经过长时间高温处理将菌落总数降到500 CFU/g以下,并杀死所有致病菌;④碱化:为了改善可可粉或可可液块的色泽和风味,用碱液如碳酸钾或碳酸钠处理可可粒使之pH从5.2～5.6升到pH6.8～7.5,之后将其置于100 ℃干燥将碱液去除;⑤焙烤:可可豆经过焙烤可以使发酵和干燥时产生的风味前体物质如氨基酸、还原糖等释放出可可风味;⑥研磨:可可粒中含有55%的固态可可脂,经过研磨,可使可可脂变为粒径为30 μm的液块。78%～90%的可可脂是经过压榨制得的,残余脂质可以通过超临界流体萃取。

2.2可可脂代用品

可可脂代用品可以分为类可可脂(Cocoa Butter Equivalents,简称CBE)、非月桂酸型代可可脂(Cocoa Butter Replacers,简称CBR)及月桂酸型代可可脂(Cocoa Butter Substitutes,简称CBS),其组成[8,11,16]见表3。CBE的脂肪酸组成和甘三酯类型与CB极为相似,其主要特性如结晶、质构等也较为接近。而CBR和CBS与CB的脂肪酸组成和甘三酯类型则极为不同,但它们的物理特性和口感非常相似。CBR与CBS在结晶过程中可自发形成较为稳定的β′晶型,故在加工过程中无需调温,使生产工艺简化,成本降低。

表3　可可脂及可可脂代用品种类,性质和组成概况

注:P-棕榈酸;O-油酸;S-硬脂酸;E-反式油酸;L-亚油酸;M-豆蔻酸。

2.3油脂相容性

在制作巧克力及其制品时常常会加入不同种类的油脂,两种油脂的相容性可能会影响产品的物理特性。油脂的相容性是在结晶过程中,不同油脂的甘三酯分子之间相互兼容的程度。在巧克力加工过程中,若油脂间的相容性较差,会造成巧克力涂层软化,夹心硬化,表面光泽消失等,使得制得的巧克力质量下降。可可脂与中熔点乳脂的相容性较好,高熔点乳脂添加量大于15%时会使巧克力硬化,低熔点乳脂添加量大于5%时会使巧克力软化[17]。CBE的甘三酯组成与天然可可脂类似,相容性好,见图3a[17-19](曲线上的质量分数代表固体脂肪含量),其等固相图近似于一条直线;CBS与CB相容性较差,见图3b[17,19-21],在等固相图中体现为小于理想混合物的SFC,二者混合时常出现共晶现象。共晶现象的产生,通常会导致巧克力产品的软化,如果是夹心产品,在储存期间,则会使夹心变硬,表面光泽消失。因此,在制备巧克力的过程中,应根据不同的原料油组成,适当调整工艺参数,以得到较好的产品质量。

图3　二元体系的等固相图Fig. 3　Iso-solid phase diagram of binary system注:图3a. CB与CBE等固相图[17-19];b. CB与CBS等固相图[17,19-21]。

3　糖类

糖在巧克力中的含量约为35%～55%[22],主要用作甜味剂、填充剂。糖对巧克力的口感、质构、风味等有重要影响。近年来,为了符合消费者对低糖、低能量的需求,聚葡萄糖、菊糖、麦芽糖醇、木糖醇等蔗糖替代品逐渐用于巧克力中。部分糖如麦芽糖、乳糖可以参与非酶褐变如美拉德反应[23],赋予巧克力特殊的香味和色泽。同时糖的添加也会带来不良影响:由于蔗糖及蔗糖替代品如糖醇的分子中有多个羟基,容易吸收水分,当储存环境中的相对湿度较高或将巧克力从低温区域转移至高温区域时,巧克力中的糖吸收水分,部分溶解,当表面水分蒸发以后,糖晶体留在巧克力表面,导致巧克力糖霜的产生[7],致使巧克力产品质量下降。

有学者指出:糖颗粒可以为可可脂的结晶提供非均匀成核位点,有加快晶体生长速率的趋势[12,24-25]。以下将从糖的体积分数和糖的粒子大小进行阐述。

3.1糖的体积分数

糖除了能够赋予巧克力产品很好的风味外,其分散于巧克力浆料中的粒子颗粒的大小也会影响流体的流动性。流体粘度增加的程度取决于分散粒子的体积分数φ[26]:

φ=V粒子/(V粒子+V间隙)

(1)

式中,V粒子:分散粒子所占的体积;V间隙:间隙的体积。对于稀溶液,φ<0.1,粘度与粒子的体积分数成线性相关,这可以通过爱因斯坦(Einstein)方程[27]验证。

ηs=ηm*(1+[η]φ)

(2)

式中,ηs:悬浮液粘度,ηm:分散相粘度,[η]:固有粘度(当粒子是球形时,[η]=2.5)。方程(2)只适用于粒子为球形或粒子间无相互作用的流体。当粒子在流体中的体积分数达到最大(φm)时,粘度增加最为明显。在φm处,粒子在悬浮液中形成三维结构,此时悬浮液不易流动。

异麦芽酮糖醇的密度(1.50 g/cm3)比蔗糖(1.60 g/cm3)、麦芽糖醇(1.6 g/cm3)、木糖醇(1.52 g/cm3)低,在巧克力中占的体积分数较大(巧克力配方中各物料均是以质量比添加的),与可可脂接触的表面积大,使得巧克力浆料的粘度较大[28]。因此,当蔗糖替代品添加量一定时,可以根据它们的体积分数大小初步筛选巧克力中的蔗糖替代品,如选择体积分数大小与蔗糖相近的。

3.2糖的粒子大小

不同甜味剂对巧克力流变性的影响因颗粒大小的不同而异。假设一定浓度的悬浮液中所有粒子对流体的影响大小等于每个粒子对流体的影响的总和,Ball等[29]将Einstein方程整合为克里格和多尔蒂(Kriege and Dougherty)方程(3),得出相对粘度ηr:

ηr=ηs/ηm=(1-φ/φm)-[η]*φm

(3)

从方程(3)可以看出,粒子大小影响φm,从而影响粘度。φm受很多因素的影响,如粒子重排、粒子大小。当φ小于0.2时,粒子大小对对悬浮液粘度的影响很小,但是对于浓度较高的悬浮液,粒子间的相对运动受阻,即使粒子大小差异很小,对悬浮液的流动性影响也很大。巧克力配方中脂肪含量约为30%,降低脂肪含量会使巧克力浆料的粘度增加,口熔性变差。T-A.L. DO等选取了不同的脂肪含量(30%、25%、22%)与粒子大小(d90:27-107 μm),实验结果表明当脂肪含量为22%时,粒子大小对浆料粘度的影响最大,且通过选取合适的糖的粒子大小,可将脂肪含量降到22%而不使巧克力浆料的粘度增加[26]。

在保持相同固体含量的情况下,固体颗粒越小,与可可脂的接触面积越大,巧克力浆料的塑性粘度、屈服值越大,粘度越大[28,30-31]。但Emmanuel Ohene Afoakwa等[32]指出表观粘度和屈服值与脂肪和卵磷脂的含量关系密切,而与粒子大小分布的关系较小。林雯雯等[22]发现添加卵磷脂后,蔗糖颗粒越细,熔化和结晶温度越高,影响巧克力的熔化特性。因此,可以通过控制分散相的颗粒大小改善巧克力品质。在加工过程中,大颗粒制得的浆料的流变特性较好,但是大颗粒影响产品的口感。美国推荐的巧克力中糖颗粒平均粒径为30～33 μm,最大不超过50 μm,欧洲推荐的平均粒径为20～23 μm,最大不超过35～40 μm[28]。

4　微量组分

为了改善油脂的结晶行为,常常在体系中添加除糖类以外的物质,如乳化剂等。另外油脂本身会含有一些除甘三酯外的其它微量组分,包括脂类成分(如游离脂肪酸、甘一酯、甘二酯、卵磷脂、蜡等)和非脂类成分(如矿物质、金属离子、蛋白质等),这些微量组分也会影响油脂的结晶。但目前非脂类微量组分对油脂结晶的影响的研究有限[33-35]。

4.1乳化剂

不同种类的乳化剂对油脂结晶的影响不同。由于部分乳化剂在油脂中的低溶解度,可以作为晶核,促进较高熔点的甘三酯的结晶,且产生的晶体较小[36]。卵磷脂(Lecithin)是一种天然乳化剂,广泛用于巧克力生产,而卵磷脂的添加延长了CB、CBS的半结晶时间,但它在巧克力加工过程中可以显著降低体系粘度[22,37-38]。山梨醇酐单硬脂酸酯(Span60)和聚乙氧基硬脂酸山梨糖醇(Tween60)可促进可可脂结晶,促进Ⅳ型向Ⅴ型的转化,延缓Ⅴ型向Ⅵ的转化,从而延缓巧克力产品的起霜,且Span系列和Tween系列之间有协同作用[37-38]。

乳化剂的HLB值也对油脂结晶有影响。Jun-Hyun Oh等[39]发现大部分蔗糖聚酯(SPE)如油酸型蔗糖酯O-1570、硬脂酸型蔗糖酯S-1670和S-570、棕榈酸型蔗糖酯P-1670、肉豆蔻酸型蔗糖酯M-1695、月桂酸型蔗糖酯L-595(HLB5-16)可以促进可可脂Ⅴ型向Ⅵ型转变,改变程度取决于SPE的HLB值。然而HLB为1的硬脂酸型蔗糖酯S-170 脂肪酸链长与可可脂相似,抑制了Ⅴ型向Ⅵ型转变。因此,选择性使用SPE可以延缓晶型转变的速度。

4.2微量脂质

脂类微量组分对油脂的结晶的影响程度取决于微量组分与油脂结构的相似性,当二者相似度较大时,微量组分可以嵌入油脂的晶格或吸附于成核位点,从而促进结晶。微量脂质(甘一酯、甘二酯、胆固醇等)的含量和组成影响可可脂的固化特性。R.A. Tietz等[40]发现乳脂(约含2.5%微量脂质)和乳脂分提混合物的结晶诱导时间最短,含有两倍微量脂质(约5%)的乳脂,开始成核的时间较晚,这是因为少量的微量脂质可以作为可可脂结晶的成核位点,促进可可脂的结晶,但是当其含量较高时,会阻碍可可脂结晶。10%的乳脂可降低可可脂的结晶速率,降低乳脂与可可脂混合物的熔点,使巧克力质地变松软。这对混有坚果和葵花籽的巧克力尤为重要[41-42]。

5　总结和展望

油脂、糖、微量成分、加工及储存条件是影响巧克力品质的主要因素,它们通过改变晶体成核自由能、结晶网络之间的相互作用等几方面影响油脂的结晶、质构以及流变性能,从而影响巧克力产品的加工和应用特性。目前,国内外针对油脂、巧克力加工工艺和储存条件已开展了大量研究,而研究糖及代糖对巧克力用脂结晶的影响还不多见,目前的研究难点存在于以下几方面:①蔗糖及各种蔗糖替代品的分子上都连有多个羟基,容易吸收水分,这就提高了对操作环境的要求;②蔗糖及其替代品的分子结构存在一定差异,这使得研究不同糖类与油脂相互作用的方式较为复杂;③对于巧克力产品,传统的DSC检测方法往往会导致吸热峰和放热峰的重叠,不利于晶型转化等现象的观测;④糖与油脂并不互溶,这一体系的稳定性和相变复杂性增加了研究难度。了解了蔗糖及蔗糖替代品对油脂结晶的影响机理,可以更好地指导低糖巧克力的开发与产品品质优化,为改善加工工艺和配方提供理论指导。

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Influence of ingredients on the quality of chocolate:a review

HE Rui-fang1,2,ZHANG Hong2,BI Yan-lan1,SHEN Qi2

(1.College of Food Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2. Wilmar(Shanghai)Biotechnology R & D Center Co.,Ltd.,Shanghai 200137,China)

Chocolate can be described as a suspension consisting of nonfat particles(sugar,cocoa solids,and milk powder particles)dispersed in cocoa butter which act as a continuous phase. The main ingredients of chocolate such as cocoa butter,cocoa liquor or sugars impacted the rheology,texture and microstructure of molten chocolate so as to affect the quality of chocolate. Therefore,it is very important to study the impact factors on the quality of chocolate in order to optimize formula,adjust process,and improve product quality. The influences of fats,sugars,and minor components on the quality of chocolate products were summarized. It is expected to give a guidance for the industrial application.

chocolate;crystallization;sugars;process technology

2015-02-09

何瑞芳(1989-),女,硕士在读,研究方向:油脂与食品质构,E-mail:heruifanghrf@163.com。

TS

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000