VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение физических свойств шоколада

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Черевичная Н.В. 1

---

1МОУ «Лицей № 5 имени Ю.А.Гагарина Центрального района Волгограда»

Клименко С.И. 1

---

1МОУ «Лицей № 5 имени Ю.А.Гагарина Центрального района Волгограда»

Работа в формате PDF

785 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Шоколад очень популярен во всем мире. Он разный на вкус, на цвет, по составу. Шоколад выпускают разные фирмы. У каждого производителя свой способ приготовления шоколада, своя технология производства и он старается изготовить продукцию, которая была бы не только привлекательной, но и имела свои, особенные формы, начинки и вкусовые качества.

Интересно, какова история появления этого продукта? Как его производят? Действительно ли полезен шоколад? От чего зависят его полезные свойства? Как быстро шоколад тает и можно ли сократить это время? Для этого рассмотрим некоторые его свойства с физической точки зрения.

Объект исследование: процесс изучения тепловых явлений в основной школе.

Предмет исследования: явлениеплавления и отвердевания шоколада.

Цель исследование: определить зависимость температуры и времени плавления шоколада от различных сортов.

Задачи исследования:

Провести анализ литературы и уточнить историю производства шоколада, его классификацию.

Выяснить физические свойства шоколада при различных температурах.

3. Изучить этапы производства шоколада и экспериментально проверить его физические свойства.

Методы исследования:

анализ литературы;

эксперимент.

ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ШОКОЛАДЕ

1.1. История шоколада, его классификация.

История шоколада началась более 3000 лет назад на побережье Мексики. Цивилизация индейцев – ольмеков, жившая там около 1500 лет до н.э., оставила о себе очень мало свидетельств, и одно из них – слово «какао».

Пришедшие на смену ольмекам индейцы майя высоко ценили напиток из какао-бобов, почитая его священным. Жрецы молились и приносили жертвы богу какао. Майя знали множество способов приготовления шоколадного напитка с использованием различных добавок. Ацтеки, населявшие центральную Мексику, считали какао-бобы настолько ценным и, что их плоды играли роль денег.

В Европе первые какао-бобы появились благодаря Христофору Колумбу, который представил их к столу испанского короля, вернувшись из экспедиции к берегам Нового Света. Через некоторое время какао-бобы появились при дворе короля Франции, а потом распространились по всей Европе. Новое лакомство быстро стало популярным среди знати. Европейцы готовили шоколадный напиток, добавляя в него молоко, сахар и ваниль. Непривычный и необычайно вкусный напиток был исключительно дорогим, и его могли позволить себе лишь представители знати.

Со временем шоколад из лакомства для избранных превращался во всё более массовый продукт. В 18 веке во Франции открылись первые кондитерские, где посетителей угощали шоколадным напитком. А в Англии подобные заведения были настолько популярны, что затмили чайные и кофейные дома.

Все это время шоколад употреблялся только в виде напитка. Только в 19 веке швейцарцы научились получать из какао-бобов какао-масло и какао-порошок. В 1819 году была создана первая в мире шоколадная плитка, что стало началом новой эпохи в истории шоколада. Фабриканты по всему миру начали эксперименты с новым продуктом, добавляя в него орехи, мед, цукаты, алкоголь, а главное - молоко, что привело к появлению столь любимого во всем мире молочного шоколада.

В начале 20 века основные ингредиенты шоколада – какао и сахар – стремительно дешевеют. Шоколад становится широко доступным. Во время войны американское и европейское правительства включают шоколад в рацион солдат. Именно благодаря солдатам, угощавшим местное население пайковым шоколадом, в послевоенное время он становится популярным в странах Африки и Азии. Сегодня для людей во всем мире шоколад остается одним из любимых лакомств. Демократичный или элитный, с орехами или с фруктами, горький или молочный, в плитках или в батончиках – современный шоколад может удовлетворить вкусы самых взыскательных гурманов.

По мнению ученых, шоколад может быть весьма полезен для здоровья:

Антиоксиданты, содержащиеся в какао-бобах, а значит, и в шоколаде, помогают сохранить здоровье сердца и сосудов. Считается, что темный шоколад содержит больше антиоксидантов, чем молочный.

В состав шоколада входят вещества, называемые флавоноидами. Препятствуя образованию тромбов в крови, они улучшают кровообращение.

Исследования показали, что любители шоколада реже страдают такими заболеваниями как язва желудка, сенная лихорадка, а так же обладают в целом более высоким иммунитетом.

Ряд экспериментов позволил ученым сделать вывод, что умеренное употребление шоколада может продлить жизнь человека на год.

Шоколад стимулирует выброс так называемых гормонов счастья - эндорфинов. Воздействуя на центр удовольствия, они улучшают настроение человека.

Оказывая бодрящее воздействие, шоколад содержит меньше кофеина, чем кофе.

Помимо какао-бобов, в состав шоколада входят белок, кальций, магний, железо, а также витамины A, B и Е.

Шоколад весьма калориен, но большая часть его калорийности представлена «полезным» холестерином, сохраняющим здоровье сосудов.

Рассмотрим классификацию шоколада.

Чёрный (горький) шоколад делают из тёртого какао, сахарной пудры и масла какао. Чем больше в шоколаде тёртого какао, тем более горьким вкусом и более ярким ароматом обладает шоколад.

Молочный шоколад с добавлениями изготавливают из тёртого какао, масла какао, сахарной пудры и сухого молока. Аромат молочному шоколаду придаёт какао, вкус складывается из сахарной пудры и сухого молока.

Белый шоколад готовят из масла какао, сахара, сухого молока и ванилина без добавления какао-порошка, поэтому он имеет кремовый цвет (белый) и не содержит теобромина.

Пористый шоколад получают в основном из десертной шоколадной массы.

Остановимся подробно на некоторых видах.

Белый шоколад. Своим пленяющим запахом и необычным привкусом белый шоколад обязан маслу какао и сухому молоку с легкими карамельными нотками. Интересно, что белый шоколад - самый “юный” представитель “шоколадного царства”. Впервые об этом белоснежном сладком “чуде” заговорили примерно в 30-е годы 20 столетия, благодаря находчивости и изобретательности сотрудников всемирно известной швейцарской компании “Нестле”. Состав белого шоколада немногим отличается от другого вида этого кондитерского изделия. Готовят его из какао-масла, сахарного песка, ванилина и пленочного сухого молока. А отсутствие классического шоколадного цвета обусловлено тем, что в нем нет какао-порошка. Польза белого шоколада актуальна для тех людей, которые просто не представляют свою жизнь без этого лакомства, но не могут позволить себе горький или молочный продукт, в связи аллергическими реакциями. Обусловлено это тем, что в какао-порошке содержится вещество теобромин, которое и провоцирует различного рода неприятные последствия. Кроме того, о пользе белого шоколада говорит и практически полное отсутствие кофеина, за счет чего им можно наслаждаться даже детям.

Горький шоколад. Самым здоровым представителем шоколадного “сообщества” считается горький шоколад. В состав истинного горького шоколада абсолютно не входит молоко или какие-либо другие молочные продукты. Он производится исключительно из какао-масла, чистой какао-массы и небольшого количества сахара или сахарной пудры.  Доказано, что чем больший процент содержания какао-бобов, тем выше полезные свойства горького шоколада, а готовый продукт - вкуснее и ароматнее. Известно, что процент содержания какао-бобов в горьком шоколаде колеблется в пределах 30-90 процентов. Польза горького шоколада прежде всего заключена в его составе. Так, например, в какао-бобах, которые являются исходным сырьем для производства этого вкуснейшего продукта, содержатся особые вещества - флавоноиды. Они способствуют выработке оксида азота в крови, который просто необходим для улучшения кровотока.  Кроме того, эти же элементы обладают массой других полезных свойств: положительно влияют на нервную систему и играют роль природных антиоксидантов. Горький шоколад содержит много магния. А магний отвечает за состояние нервных клеток. Поэтому, горький шоколад полезен при высоких умственных нагрузках и стрессах. Немало в горьком шоколаде и калия. А калий полезен сердечникам. Было установлено, что польза горького шоколада очевидна, когда он является частью здорового рациона. Однако следует помнить, что вред горького шоколада обоснован для детей, которым этот продукт не просто не рекомендуется, а категорически противопоказан. Все из-за того, что количество кофеина в плитке такого шоколада превышает содержание этого вещества в чашке крепкого кофе-эспрессо.

1.2 Физические свойства шоколада при различных температурах

В таблице представлены физические свойства шоколада при различных температурах. Свойства шоколада в таблице даны при температуре от 283 до 343 К (от 10 до 70°С).

По данным таблицы, с ростом температуры значения таких свойств, как плотность шоколада и его удельная теплоемкость снижаются, а теплопроводность и температуропроводность шоколада растут.

Влияние температуры на плотность шоколада, а также на другие его теплофизические свойства в небольшом ее диапазоне достаточно слабое, за исключением теплоемкости шоколада отдельных марок.

Даны следующие свойства шоколада: плотность, кг/м³; удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град); коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град); температуропроводность, м²/с (таблица 1).

Таблица 1

Свойства шоколада

Температура кипения шоколада

Из определения температуры кипения следует, что она соответствует температуре насыщенного пара над поверхностью кипящей жидкости.

Температура кипения шоколада в зависимости от сорта составляет 115-140⁰С. Шоколад представляет собой смесь, состоящую из порошка какао-бобов, какао-масла, сахарной пудры и других наполнителей, ароматизаторов и сухих веществ. Температура плавления шоколада равна 30-38°С. При плавлении шоколада будет получена не «чистая жидкость», а смесь твердых веществ, диспергированных в расплавленном какао-масле.

При дальнейшем нагревании жидкого шоколада выше температуры плавления, возможно горение его твердых фракций и закипание какао-масла. Поэтому, говоря о температуре кипения шоколада, необходимо подразумевать температуру кипения масла какао, содержащегося в нем.

Физические свойства шоколадной массы и тертого какао

В таблице представлены физические свойства шоколадной массы и тертого какао при различных температурах (таблица 2). Свойства шоколадной массы в таблице указаны для температуры от 0 до 5°С. Свойства тертого какао даны для температуры от 10 до 70°С.

В таблице приведены следующие свойства:

плотность, кг/м³;

теплопроводность, ккал/(м·час·град) и Вт/(м·град);

удельная (массовая) теплоемкость, ккал/(кг·град) и Дж/(кг·град);

температуропроводность, м²/час и м²/с.

Таблица 2

Физические свойства шоколадной массы и тертого какао при различных температурах

Для какао тертого теплопроводность и температуропроводность в зависимости от температуры можно определить с помощью формул:

λ = 1,163 (0,325 – 0,005t) вт/(м*град)

а*10⁸ = 2, 7778 (4,65 – 0,005 t) м²/сек

Плотность и теплопроводность шоколадной массы в зависимости от температуры в пределах 30-70°С можно определить по формулам:

ρ = (1320 – 0,5 t) кг/м³

λ = 1,163 (0,2 – 0,007t) вт/(м*град)

Удельная теплоемкость шоколадной массы для интервала температуры 30-70°С равна 0,4 ккал/(кг·град) или 1674 Дж/(кг·град).

Коэффициент температуропроводности для того же диапазона температур определяется формулой:

а*10⁸ = 2, 7778 (4 – 0,017 t) м²/сек

ГЛАВА II. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ШОКОЛАДА И ЕГО ПРОИЗВОДСТА

2.1 Производство шоколада

Выделяют следующие этапы производства шоколада.

1) Обжарка какао-бобов. Какао-бобы очищают, сортируют и жарят, чтобы избавиться от лишней влаги и достичь нужного запаха и вкуса.

2) Дробление какао-бобов. Обжаренные бобы поступают в дробильно-сортировочную машину, где дробятся, размельчаются, освобождаются от оболочек. Полученная масса поступает на размольное оборудование.

3) Прессование, смешивание, измельчение. Какао тёртое попадает в какао-пресс, где из него получают какао-масло.

Далее шоколадная масса, состоящая из какао-масла, какао тёртого и сахарной пудры, попадает в пятивалковую машину. Из такой машины выходит своего рода сухой шоколад тонкого помола в виде смеси.

4) Конширование шоколадной массы. Шоколадная масса попадает в конш-машину, где она в течение 8 часов измельчается на мельчайшие частицы.

5) Далее шоколад разливают в подогретые формы. И, если необходимо, вносят различные добавки (например, орехи, изюм). После этого шоколад отправляют в холодильные камеры. Здесь шоколад застывает, а его поверхность приобретает красивый блеск. Затем формы с застывшим шоколадом переворачивают вверх дном- и вытряхивают на конвейер.

Остановимся подробно на темперировании шоколада. Темперирование шоколада (или же кристаллизация) — это процесс нагревания шоколада до точки плавления с последующим охлаждением и повторным нагреванием по определенным правилам. Благодаря этому масло какао затвердевает в определенной кристаллической структуре, которая сохраняет блеск и текстуру в течение длительного времени. Это нужно для того, чтобы:

избежать появления жирного (и сахарного) налета, который проявляет себя непривлекательными белыми полосами или пятнами на поверхности шоколадных изделий;

повысить температуру плавления готового шоколада, чтобы он не таял при контакте с пальцами;

быстро охладить шоколад. Темперированный шоколад остывает в течение 5 минут;

слегка уменьшить шоколадное изделие в размерах при охлаждении, что позволит ему легко выскользнуть из формы;

придать шоколаду глянцевый, блестящий вид, и четкую форму.

Хороший шоколад, хранящийся при комнатной температуре, должен ломаться, а не крошиться, иметь глянцевый блеск и твердую текстуру.

Этапы кристаллизации

Первый этап: нагревание шоколада выше температуры плавления всех кристаллов.

Второй этап: быстрое охлаждение до 27° C для темного шоколада (26° C для молочного и белого шоколада). Это позволит начать кристаллизацию «хороших» бета-кристаллов.

Третий этап: небольшое нагревание, сначала до 30° C для темного (28° C для молочного и белого шоколада) с небольшой «передышкой» в течение нескольких минут, чтобы бета-кристаллы продолжали формироваться, а затем окончательное потепление до 32° С для темного и 31° С для молочного и белого сортов. Это окончательное повышение температуры расплавит нежелательные кристаллы, которые были сформированы.

Четвертый этап: убедитесь, что шоколад действительно находится в нужной кондиции. Намажьте его тонким слоем на куске пергамента или вощеной бумаги, затем подождите пять минут и попытайтесь удалить шоколад с бумаги. Если это легко удается и поверхность шоколада выглядит блестящей, а не «пятнистой», то все в порядке. Если нет, то придется начать процесс заново.

При темперировании необходимо соблюдать температурный режим и для каждого типа шоколада значения отличаются:

Плитку белого шоколада растапливают при 40-45°C, охлаждают до 25-26°C, а потом доводят до 29-30°C и работают с массой.

Темный шоколад плавят при 45-50°C, охлаждают до 27°C, а потом нагревают до 31-32°C, после чего масса становится пригодной к работе.

Куски молочного шоколада топят при 40-45°C, охлаждают до 25-26°C, а после доводят до 29-30°C и приступают к формовке.

 Способы темперирования.

Самым простым, но и наиболее дорогим способом является покупка специальной машины. Она нагревает шоколад очень, очень медленно, и охлаждает его одинаково медленно. В итоге готовый продукт приятен как на вид, так и на вкус.

Если вы собираетесь регулярно делать конфеты, купите шоколадный термометр. Он стоит недорого, зато с ним гораздо легче контролировать процесс кристаллизации. Положите шоколад в миску. Налейте в кастрюлю теплой воды и поставьте миску сверху, убедившись, что ее дно не касается воды. Пусть шоколад медленно тает. Как только он станет жидким, выключите огонь, снимите миску с кастрюли и оберните чистым кухонным полотенцем, чтобы сохранить тепло. Добавьте кусок твердого, темперированного шоколада (он послужит затравкой для кристаллизации), и перемешивайте, пока масса не достигнет температуры 31-32 ° C для темного шоколада, 30-31 ° C для молочного шоколада и 27-28 ° C для белого шоколада. Это займет некоторое время. После этого продукт готов к использованию.

Натрите шоколад на терке, положите в пластиковую или стеклянную миску и поставьте ее в микроволновую печь. Растопите шоколад при мощности 800-1000 Вт, проверяя каждые 15 секунд или около того, чтобы не допустить перегрева. Когда масса выглядит почти расплавленной, но еще несколько стружек «плавают» сверху, достаньте миску из микроволновой печи и аккуратно размешайте шоколад до однородного состояния.

Шоколад, темперированный должным образом, имеет прекрасный, аппетитный блеск, издает приятный хруст, когда вы кусаете его и обладает гладкой, тающей во рту текстурой без зернистости.

2.2. Изучение физических свойств шоколада

Берем образцы шоколадных плиток различных марок одинаковой массы (10 г), помещаем их в пробирки (Рисунок 1).

Рисунок1

Образцы шоколадных плиток различных марок

В чашу фондюшницы наливаем воду, в воду помещаем пробирку с шоколадом, нагреваем до окончания плавления шоколада. Термометром определяем температуру плавления (Рисунок 2).

Рисунок 2

Определение температура плавления различных сортов шоколада

Определяем температуру и время плавления различных сортов шоколада, результаты представим в таблице 3.

Таблица 3

Температура и время плавления различных сортов шоколада

Вид шоколада	Состав	Температура плавления, оС	Время плавления, мин
Белый (Россия щедрая душа)	сахар, молоко сухое цельное, какао-масло, эмульгаторы (соевый лецитин, Е 476), ароматизатор (ванилин), соль.	37	1,7
Молочный (Россия щедрая душа)	сахар, молоко сухое цельное, масло какао, какао тёртое, эмульгатор лецитин,Е476, молочный жир, сыворотка молочная сухая, ароматизатор идентичный натуральному	41	2,0
Темный (Россия щедрая душа)	сахар, какао тертое, масло какао, стабилизатор (молочный жир), спирт этиловый, эмульгаторы (соевый лецитин, Е476), соль, ароматизатор натуральный (ром).	34	1,3
Воздушный (Россия щедрая душа)	сахар, масло какао, молоко сухое цельное и обезжиренное, какао тертое, сыворотка молочная сухая, жир молочный, эмульгаторы (соевый лецитин, Е476), ароматизатор натуральный (ваниль)	29	1,2

Покажем на диаграмме температуру и время плавления различных сортов шоколада (Рисунок 2).

Рисунок 2

Определим зависимость температуры и времени плавления от его состава, результаты представим в таблице 4.

Таблица 4

Температура и время плавления шоколада от его состава

Сравним температуру плавления шоколада с температурой плавления масел по ГОСТУ (таблица 3).

Таблица 3

Таблица плавления масел по ГОСТУ

С увеличением в составе шоколада доли жиров растительного происхождения, следовательно, и химического состава шоколада, уменьшается температура плавления шоколада.

Вывод: Чем меньше температура плавления шоколада, тем больше растительных жиров и меньше какао бобов в его составе. Чем меньше в шоколаде жиров растительного происхождения, тем быстрее он плавится.

Проведем темперирование шоколада в домашних условиях. Будем использовать способ темперирования шоколада в микроволновой печи. Для начала нужно подготовить шоколад для плавления. Для этого понадобится терка. Натираем на ней шоколад и помещаем в емкость. Подогреваем шоколад и контролируем его состояние каждые 15 секунд, т.к он не должен перегреться. В момент, когда масса уже практически растопилась, и осталась лишь малая часть стружки, достаем шоколад. Размешиваем его до однородности и добавляем ломтик холодного темперированного шоколада, который доведет процесс кристаллизации до конца.

Определим температуру и время плавления темперированного шоколада и сравним его результаты с обычным шоколадом (таблица 5).

Таблица 5

Результаты температуры и времени плавления темперированного и обычного шоколада

На основе полученных результатов, можно сделать вывод, что температуру и время плавления шоколада можно повысить, не только добавлением доли жиров растительного происхождения, но и проведя темперирование шоколада, что менее вредно.

Заключение

Проведенное исследование по теме «Изучение физических свойств шоколада» позволило сделать ряд заключительных выводов.

Шоколад по праву является излюбленным лакомством человечества. Он представляет собой продукт переработки какао-бобов с сахаром. Основным сырьём для производства шоколада и какао-порошка являются какао-бобы – семена какао-дерева.

Для того чтобы стать именно тем продуктом, который мы сегодня потребляем, шоколаду пришлось пройти длинный исторический путь. Сначала шоколад был напитком затем, в 1674 году он стал «съедобным», какао-порошок стали добавлять в рулеты и пирожные, а уже в XIX веке шоколад стали изготавливать в виде хорошо нам знакомых – плиток.

При классификации шоколада выделяют: чёрный (горький); молочный шоколад; белый шоколад; пористый.

В результате анализа литературы, мы уточнили, что с ростом температуры значения таких свойств, как плотность шоколада и его удельная теплоемкость снижаются, а теплопроводность и температуропроводность шоколада растут. Влияние температуры на плотность шоколада, а также на другие его теплофизические свойства в небольшом ее диапазоне достаточно слабое, за исключением теплоемкости шоколада отдельных марок. Температура кипения шоколада в зависимости от сорта составляет 115-140^оС.

Шоколад представляет собой смесь, состоящую из порошка какао-бобов, какао-масла, сахарной пудры и других наполнителей, ароматизаторов и сухих веществ. Температура плавления шоколада равна 30-38°С. При плавлении шоколада будет получена не «чистая жидкость», а смесь твердых веществ, диспергированных в расплавленном какао-масле.

В своем исследовании мы проверили физические свойства шоколада. Чем меньше температура плавления, тем больше растительных жиров и меньше какао бобов. Чем меньше в шоколаде жиров растительного происхождения, тем быстрее он плавится. На основе полученных результатов эксперимента, пришли к выводу, что температуру и время плавления шоколада можно повысить, не только добавлением доли жиров растительного происхождения, но и проведя темперирование шоколада, что менее вредно.

Список использованной литературы

Гинзбург А. С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. Справочник.

Зубченко А. В. Влияние физико-химических процессов на качество кондитерских изделий. — М.: Агропромиздат, 1986. — 296 с.

О кулинарии от А до Я: Словарь – справочник. – Мн.: Полымя, 1988. – 224с.

Скурихин И.М., Шатерников В. А. Как правильно питаться. – М.: Агропромиздат. – 2-е изд., перераб. и доп. – 1989. – 256 с.

Стаценко Н. Энциклопедия кулинарного искусства. Под. ред. – М.: «Скрижали-С», 1994. – 672с.

Физика №41, ноябрь – М.: Издательский дом «Первое сентября», 2004. –32с.

Чубик И. А., Маслов А. М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов.

Шатерников правильно питаться. –2-е изд., перераб. и доп. – М.: Агропромиздат., 1989. – 256 с.

Энциклопедия кулинарного искусства. Под. ред. Н. Стаценко. – М.: «Скрижали-С», 199с., ил.

Интернет- ресурсы: http://www.edimdoma.ru