Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen zur Adsorption von Emulgatoren an Saccharosepartikeloberflächen in kakaobutterbasierten Suspensionen

Middenddorf, Dana Maria

Um die für eine Verarbeitung aufgeschmolzener Schokoladenmassen nötigen Fließeigenschaften zu erhalten, wird der Emulgator Sojalecithin eingesetzt. Dessen Phospholipide lagern sich an die Oberflächen der Feststoffe an und reduzieren die freie Grenzflächenenergie. Immobilisierte Kakaobutter wird freigesetzt, steht nun für das Fließen zur Verfügung und bewirkt eine niedrigere Viskosität bei gleichem Gesamtfettgehalt. Zudem werden die interpartikulären Wechselwirkungen reduziert, die dadurch entstehende Fließgrenze verringert sowie die Partikel homogen verteilt. Bisher erfolgen Auswahl, Menge und Zugabezeitpunkt der Emulgatoren jedoch nur aufgrund von Erfahrungen. Die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Feststoffoberflächen und dessen Veränderungen bei der Schokoladenherstellung, insbesondere während der Zerkleinerung, sind bislang nicht bekannt. In dieser Arbeit wurden daher Oberflächentopographien und -adhäsivitäten mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht, um Erkenntnisse über die Emulgatoranlagerung und Affinität zu verschiedenen Oberflächenbereichen zu erlangen. Dazu wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher Zerkleinerungsarten auf die Oberflächen und resultieren Eigenschaften von Modellsuspensionen bestimmt. Die Adhäsivitätsverteilung korrelierte mit den lokalen Topographien und der Art der Zerkleinerung. Weiterhin stimmten die Fließeigenschaften und Fettimmobilisierung sehr gut mit diesen Ergebnissen überein. Die mit der Walze zerkleinerten Partikel zeigten die höchste Fettfreisetzung und die Suspension eine entsprechend geringste Viskosität. Zudem wurde eine einheitliche Adhäsivitätsverteilung ermittelt, die weniger stark von der Topographie abhängt als bei den anderen Zerkleinerungsarten. Die Walzenzerkleinerung liefert daher sehr gute Partikeleigenschaften in Bezug auf die Herstellung von Schokoladenmassen. Die Wirkungsweise ausgewählter Emulgatoren wurde ebenfalls anhand der Eigenschaften von Modellsuspensionen und der Topographie und Adhäsivität der Feststoffoberflächen untersucht. So konnte die unterschiedliche Wirkung von Soja- und Sonnenblumenlecithin erklärt sowie der Wirkungsmechanismus des Emulgators PGPR näher bestimmt werden. Die Ergebnisse der Grenzflächenbelegung, der Fließeigenschaften, der Fettimmobilisierung sowie der AFM lieferten außerdem über eine Testreihe das Emulgatorgemisch, mit dem das aus GMO gewonnene Sojalecithin ohne Verschlechterung der Eigenschaften der Modellsuspension adäquat ersetzt werden kann.

In order to obtain the flow properties necessary for processing of molten chocolate masses, the emulsifier soy lecithin is used. Its phospholipids adsorb at the surfaces of solid particles and reduce the free interfacial energy. Immobilized cocoa butter is released from the surfaces, is then available for flow and causes a lower viscosity for the same total fat content. In addition, the interparticle interactions are reduced, lowering the yield value and the particles are more homogeneously distributed in the continuous phase. So far, selection, quantity and time of emulsifier addition are only based on experimental data. The relationship between the properties of solid surfaces and the changes during chocolate production, especially during grinding processes, are not yet known. In this work, surface topographies and adhesion forces were examined using atomic force microscopy (AFM). So, knowledge about emulsifier adsorption and affinity to different surface areas was obtained. Therefore, at first, the influence of different types of grinding on the surfaces and resulting properties of model suspensions had to be determined. The deviation of adhesion forces correlated with the local surface topography and the type of grinding process. Furthermore, the flow properties and amounts of immobilized fat correlated with these results. The particles ground with the roller mill exhibited the highest fat release and, accordingly, the corresponding suspension showed a lower viscosity. In addition, a homogeneous deviation of adhesion forces was determined. It depended less on the topography than the ones from other types of grinding. Therefore, grinding with roller mill produces very good surface properties with respect to the manufacturing of chocolate masses. Based on the properties of model suspensions and topography as well as adhesiveness of the solid surfaces, the mode of function of selected emulsifiers was also investigated. Thus, the different effects of soy and sunflower lecithin could be explained and the mechanism of function of the emulsifier polyglycerol polyricinoleate (PGPR) could be determined in more detail. Via a series of tests, the results of surface coverage, flow properties, immobilized fat content and AFM supplied the emulsifier blend, with which soy lecithin derived from genetically modified organisms may be adequately replaced without deteriorating the properties of the model suspension.

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Middenddorf, Dana Maria: Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen zur Adsorption von Emulgatoren an Saccharosepartikeloberflächen in kakaobutterbasierten Suspensionen. 2015.

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