Дифференциальная сканирующая калориметрия какао масла и шоколадной глазури

Масло какао (МК) является основным сырьевым компонентом шоколада, формирующим его отличительные органолептические свойства. МК состоит на 98% из триглицеридов (ТГ) и содержит 2% других минорных липидов и гидрофобных природных соединений [1]. Шоколадная глазурь согласно ГОСТ Р 53897–2010 «Глазурь. Общие технические условия» вырабатывается с применением какао-продуктов, в том числе МК, содержание которого в глазури предусмотрено не ниже 12%, а также жиры специального назначения, изготавливаемые из натуральных либо модифицированных растительных масел с добавлением или без добавления животных жиров; эквиваленты МК, обладающие совместимостью с ним в любых соотношениях, имеющие сходные с МК физико-химические свойства и состав жирных кислот (ЖК), содержащие не более 1% лауриновой кислоты, не менее 50% 2-олеодинасыщенных ТГ, не более 2% транс изомеров ЖК, изготавливаемые из натуральных и фракционированных масел тропического происхождения или модифицированных растительных масел; улучшители МК SOS-типа, основным компонентом которых является 2-олеодистеарин (до 70%), содержащие не более 1% лауриновой кислоты, изготавливаемые из натуральных и фракционированных масел тропического происхождения либо модифицированных растительных масел. Кроме этого в глазури могут содержаться заменители МК POP-типа, обладающие частичной совместимостью с МК, основным компонентом которых является 2-олеодипальмитин (>50%), с массовой долей лауриновой кислоты не более 1%, изготавливаемых из натуральных и фракционированных масел тропического происхождения или модифицированных растительных масел. Наконец, в глазури могут добавляться нетемпе-рируемые заменители МК нелауринового типа и лауринового типа (содержащие не менее 40% процентов лауриновой кислоты).

Глазированная продукция – творожные сырки, мороженое и др., пользуются большим спросом у потребителей. При температуре ниже 22 °С шоколадные глазури представляют собой гетерогенные дисперсные системы, в которых дисперсная фаза представлена микрокристаллами сахара и твердыми частицами какао-продуктов, а дисперсионная среда – микрокристаллами жира. Дисперсионная жировая среда обладает рядом характеристик, придающих шоколадным глазурям такие потребительские свойства как внешний вид, реологию, термостабильность, вкус и аромат. Используемый в глазури жир определяет срок хранения шоколада, а также влияет на появление дефектов в случае неправильного хранения – поседение и миграцию [1–5]. Основной фактор, обусловливающий заданное качество шоколадных полуфабрикатов – это завершенная кристаллизация жировой среды в стабильной полиморфной форме [1–6]. МК, как и все жиры, характеризуется монотропи-ческим полиморфизмом, когда менее стабильные полиморфные модификации образуются первыми и затем последовательно трансформируются в более устойчивые состояния. Установлено 6 полиморфных форм МК, из них 3 основных полиморфных состояния, которые обозначают как α-, β′- и β-форма, приведенные здесь в порядке повышения стабильности. Так, α-форма (Tпл = 21÷24 °С) при любых температурах сохраняется недолго; β′-форма (Tпл = 27–29 °С) при комнатной температуре постепенно переходит в наиболее термодинамически устойчивую β-форму (Tпл = 34–35 °С) [6]. Для перехода к стабильному полиморфному состоянию МК выдерживают при постоянной температуре, то есть, проводят темперирование.

МК является одним из наиболее простых натуральных жиров с преобладанием трех ТГ из пальмитиновой, олеиновой и стеариновой кислот (POP, POS и SOS) и до 20 минорных ТГ [1, 6]. На рисунке 1 представлен пример содержания ТГ в МК c различным числом атомов углерода в молекуле.

Рисунок 1. Распределение ТГ в МК (%) по числу атомов углерода в молекуле (CN): 1 – POP; 2 – POS; 3 – SOS

Figure 1. The distribution of TG in Сocoa oil (%) by the number of carbon atoms in the molecule (CN): 1 – POP; 2 – POS; 3 – SOS

С точки зрения технологии переработки масличного сырья и применения его в пищевой индустрии принято выделять 4 фракции триглицеридов: 1-я – тринасыщенные ТГ(S, S, S), 2-я – динасыщенные, мононенасыщенные ТГ(S, S, U), 3-я – мононасыщенные, диненансы-щенные ТГ(S, U, U); 4-я – триненасыщенные ТГ(U, U, U) [7]. Отличительной особенностью основных ТГ, придающих специфику свойствам МК является их строение. Они являются симметричными мононенасыщенными ТГ (S, U, S), т. е. ТГ во 2-м положении остатка глицерина находится остаток мононезамещенной кислоты – олеиновой, где saturated (S) – насыщенный, а unsaturated (U) – ненасыщенный остаток ЖК. В этом плане ТГ масла какао можно распределить следующим образом: доля ТГ(S, S, S) – 3÷6%, ТГ(U, U, U) – до 1%, ТГ(S, U, U) – 8÷15%, ТГ (S, U, S) – 75÷85%, из этих ТГ в масле какао содержится POP 13÷23%, РOS – 36÷47%, и SOS – 22÷31%, симметричных ТГ (S, U, S), таких как SOL, POL и SOA может содержаться от десятых долей% до 1÷2% [1, 6, 9, 10]. Напомним обозначения остатков ЖК: P – пальмитиновая, S – стеариновая, L – лауриновая, М – миристиновая и A – арахиновая.

Рисунок 2. Разделение триглицеридов масла какао: 1 – POP; 2 – POS; 3 – SOS. Колонка 250×4.6 мм, Kromasil 100–5C18; подвижная фаза – ацетон (расход 1 мл/мин); термостат колонок 30 °С; детектор рефрактометрический [9]

Figure 2. Cocoa Butter Triglyceride Separation: 1 – POP; 2 – POS; 3 – SOS. Column 250×4.6 mm, Kromasil 100–5C18; the mobile phase is acetone (flow rate 1 ml / min); column thermostat 30 °С; refractometric detector [9]

Жирнокислотный и триглицеридный состав МК, его эквивалентов, заменителей и улучши-телей хорошо изучен хроматографическими методами [1, 6 ,8, 9]. Эти методы могут даже косвенно охарактеризовать теплофизические свойства МК и шоколадной глазури, так как, зная состав жира, можно ориентировочно спрогнозировать его свойства. На рисунке 2 приведена типичная хроматограмма ТГ масла какао, полученная методом обращенно-фазовой ВЭЖХ [9].

В этой статье обсуждены хроматографические данные различных марок шоколада и шоколадных глазурей, демонстрирующие возможности метода ВЭЖХ в выявлении фальсификатов и МК разного происхождения.

Метод ДСК позволяет напрямую охарактеризовать теплофизические свойства жира, имеющие большое значение для пищевой технологии. Эти свойства зависят от состава жира, а значит, метод ДСК позволяет в первом приближении получить данные о соотношении ТГ в анализируемом жире. ДСК уже давно нашел применение в изучении растительных масел и жиров [2,10–15], однако его потенциал далеко не в полной мере реализован в аналитической практике контроля качества КМ и глазурей. Так, установлено, что метод ДСК применим для распознавания индивидуальных особенностей производителя шоколада и его аналогов по параметрам кривой плавления жировой фазы и формы кривой [2].

Цель работы – совершенствование метода ДСК в контроле качества МК и шоколадных глазурей за счет применения компьютерного разделения суперпозиции неразделенных пиков на кривых плавления ДСК.

Материалы и методы

В работе использовали образцы КМ (Barry Callebaut) и шоколадных глазурей (ООО «Зеленые линии»). Для проведения термического анализа использовали прибор синхронного термического анализа STA 449 F3, Jupiter® , фирмы NETZSCH. Для анализа брали навески образцов КМ и глазури в количестве 15–20 мг. Жировую фазу из анализируемых образцов при регистрации ДСК не выделяли. Измерения теплофизических свойств проводили в диапазоне температур от -100 до +50 ºС, скорость нагрева 5 град/мин. Охлаждение системы проводили жидким азотом. Измерения выполняли в атмосфере гелия (расход продувочного газа – 10 мл/мин, расход защитного газа – 10 мл/мин. Точность измерения температуры составляла ±0.3 ^о С.

Обсуждение

ДСК, как известно, характеризует происходящие в веществе изменения в результате нагрева или охлаждения. Экспериментальные термограммы представляют собой зависимость теплового потока от температуры. На рисунке 3 приведена термограмма плавления образца МК, а на рисунке 4 – глазури № 1. В таблице 1 приведены температуры ( Т i ) максимумов обнаруженных эндоэффектов и площади соответствующих пиков ( S i ).

Рисунок 3. Термограмма ДСК плавления образца масла какао

Figure 3. DSC thermogram of melting cocoa butter sample

Рисунок 4. Термограмма ДСК плавления образца глазури № 1

Figure 4. Thermogram DSC melting sample glaze № 1

Таблица 1.

Количественные характеристики кривых плавления МК и шоколадных глазурей – температуры максимумов пиков Т i (°С) и их площади S i (Дж/г)

Table 1.

Quantitative characteristics of the melting curves of MK and chocolate icing – the temperature of the peaks of the T i peaks (°С) and their S i area (J/g)

Продукт Product	Т 1	Т 2	T 3	T 4	T 5	S 1	S 2	S 3	S 4	S 5
МК | Cacao butter	-25,9	-9,8	-4,7	22,3	32,5	0,09	0,27	0,02	82,94	0,20
Глазурь 1 | Icing 1	-26,2	-9,6	-4,5	21,2	33,4	0,18	0,05	0,82	26,24	0,04
Глазурь 2 | Icing 2	-25,4	-6,2	-0,5	32,1	-	0,09	0,04	0,30	36,04	-
Глазурь 3 | Icing 3	-26,0	-8,9	1,3	21,8	31,7	0,04	0,90	0,34	26,87	0,03

Жировая фаза МК и глазурей похожи по характеру кривых плавления ДСК, так как содержат близкие по составу ТГ, однако не идентичны. Как показано в работах [11, 16], метод ДСК чувствителен к изменению состава жировой фазы на 3–5%, что превышает чувствительность рутинного хроматографического метода контроля ТГ. Проанализируем полученные данные. С одной стороны, чем меньше карбоновое число СN, тем более легкоплавким является ТГ, с другой стороны, ТГ с ненасыщенными ЖК имеют меньшую Т пл , чем ТГ с насыщенными ЖК, даже при высоком значении СN. Более тугоплавкие ТГ в свою очередь способны растворяться в расплавах ТГ с более низкой Т пл . Эти обстоятельства затрудняют однозначную интерпретацию кривых плавления, наблюдаемые для тепловых эффектов пики – это лишь суперпозиция пиков, характеризующих плавление различных триглицеридных фракций.

Для повышения информативности термограмм, полученных методом ДСК, весьма полезным может быть программное разделение суперпозиции пиков тепловых эффектов, накладывающихся друг на друга, например, в программе NETZSCH Peak Separation. Программа NETZSCH Peak Separation позволяет выполнять разбиение пиков по разным алгоритмам: General, Gauss, Cauchy, Asymmetric Cauchy и др. Если применить алгоритм General, то, как видно из рисунка 5, основной пик на кривой плавления МК можно программно разделить на 3 пика, площади и максимумы которых будут соответствовать определенным фракциям ТГ: 1-й пик в 6,4% от площади основного пика соответствует по итогам сравнения с данными ВЭЖХ [1,9] сумме ТГ(S, U, U); 2-й пик в 20,7% соответствует ТГ(S, U, S), а конкретно POP; и 3-й пик в 72,9% отвечает сумме таких ТГ как POS и SOS. Низкотемпературные неинтенсивные пики 1–3 на термограмме (рисунок 3) следует отнести к фракциям ТГ (U, U, U) и ТГ (S, U, U), в небольших количествах содержащихся в МК, а 5-й пик указывает на наличие SOA. Обращает на себя внимание совпадение последовательности удерживания пиков ТГ в условиях обращенно-фазовой ВЭЖХ (рисунок 2) и их тепловыми эффектами при плавлении в условиях ДСК. Именно такая симбатность позволяет интерпретировать термограммы.

Рассмотрим данные ДСК для глазури № 1 (рисунок 4). Пики 1–3 отвечают фракциям ТГ (U, U, U) и ТГ (S, U, U), а 5-й пик SSU или SSS с высоким значением SN (например, SOA). Основной пик 4 раздваивается, если его разбить с помощью NETZSCH Peak Separation на три пика, они дадут отличные от данных для МК соотношения площадей и температуры максимумов (рисунок 6): 1-й пик – 8,8%, 2-й пик – 81,9%, 3-й – 9,3%. Эти данные соответствуют жировой композиции, содержащей в своей основе лауриновые заменители МК, где 1-й пик обусловлен наличием легкоплавких ТГ (S, S, U), 2-й пик отвечает сумме насыщенных ТГ(SSS) типа LLL, LLM и LMM (>80%), а 3-й пик лежит в области температур, характерных для ТГ типа РОР, POS и SOS. Глазурь № 3 похожа по теплофизическим свойствам на глазурь № 1.

Рисунок 5. Фрагмент термограммы ДСК масла какао с программно-разделенным основным пиком Figure 5. DSC thermogram fragment of cocoa butter with a software-divided main peak

Рисунок 6. Фрагмент термограммы ДСК глазури № 1 с программно-разделенным основным пиком Figure 6. Fragment of a DSC thermogram of glaze № 1 with a software-divided main peak

А вот глазурь № 2 весьма отличается по профилю кривых плавления КМ и глазури с применением лауриновых заменителей. В состав образца глазури № 3, если судить по параметрам основного пика (рисунок 7) входят преимущественно тугоплавкие ТГ типа (S, S, U) и (S, S, S), так называемые улучшители какао-масла SOS-типа, в которых до 70% содержится SOS (2-й пик), 1-й пик площадью 25% – cумма POP и POS, 3-й пик (5%) – ТГ, имеющие такие же характеристики как SOA.

Рисунок 7. Фрагмент термограммы ДСК глазури № 2 с программно-разделенным основным пиком

Figure 7. Fragment of a DSC thermogram of glaze № 2 with a software-divided main peak

Заключение

Современные приборы для дифференци-ально-сканирующей калориметрии демонстрируют высокий потенциал в контроле качества масла какао, шоколадной глазури и их теплофизических параметров. Применение метода ДСК позволяет надежно идентифицировать образцы масла какао и глазури по кривым плавления в диапазоне температур от -100 до +50 °C. Метод отличается простотой пробоподготовки, имеет хорошую воспроизводимость и может быть самостоятельным методом идентификации и контроля качества масложировой продукции.

Исследования проведены на оборудовании Центра коллективного пользования «Контроль и управление энергоэффективных проектов» ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» при финансовой поддержке гранта № МК-590.2020.8.