In-line controle chocolade productie – opportuniteiten en beperkingen

Printervriendelijke versieSend by email

Een heersende trend in de voedingssector (en andere sectoren) is gericht op in-line en real-time monitoring van de productieprocessen. Drijvende krachten achter deze trend zijn de vereiste om kwalitatief hoogstaande producten af te leveren en tezelfdertijd het verlies aan waardevolle grondstoffen te vermijden. In-line proces- en kwaliteitscontrole kan hierop een antwoord bieden daar ze een onmiddellijke bijsturing van en terugkoppeling naar het productieproces mogelijk maken. Maar is dit ook mogelijk voor complexe productieprocessen zoals de productie van chocolade? Wat zijn de mogelijkheden en de beperkingen?

Wat bepaalt de kwaliteit van chocolade?

Een lekker chocolade kan natuurlijk alleen verkregen worden wanneer wordt gewerkt met ingrediënten van optimale kwaliteit. De belangrijkste ingrediënten van chocolade zijn cacaoboter, suiker en lecithine. Bij melkchocolade wordt ook melkpoeder toegevoegd. De combinatie van zorgvuldig geselecteerde ingrediënten en een geoptimaliseerd productieproces moeten ervoor zorgen dat het eindproduct over de door de consument gewenste sensorische eigenschappen beschikt. Het gaat hier dan niet alleen om de smaak, maar ook over het mondgevoel (niet korrelig), het smeltgedrag van de chocolade in de mond en het kenmerkende geluid van brekende chocolade wanneer je erin bijt. Zorgvuldige selectie van de ingrediënten en een geoptimaliseerd productieproces moeten ervoor zorgen dat de door de consument gewenste sensorische eigenschappen verkregen worden. Van deeltjesgrootte tot kristalvorm en van reologie tot aroma, de chocoladeproducten moet oog hebben voor heel wat verschillende aspecten van levensmiddelentechnologie.

Om meer inzicht te krijgen in het proces worden heel wat standaard analyses uitgevoerd via aanbevolen analysemethodieken (www.international-confectionery.com ). Denk maar aan vet-, suiker- en proteïnegehalte, bepaling van de tempereergraad en karakterisatie van de deeltjesgrootte verdeling en reologische eigenschappen. Deze aanbevolen analysemethoden zijn zelden bruikaar voor het monitoren van het productieproces: stalen worden genomen tijdens de productie en naar het labo gestuurd voor verdere analyse. Dit brengt onvermijdelijk een vertraging met zich mee die onmiddellijk ingrijpen in het productieproces onmogelijk maakt. Zijn er alternatieven die dit wel toelaten?

In-line monitoring

De belangrijkste eigenschappen die in aanmerking komen voor in-line monitoring tijdens het productieproces van chocolade zijn (a) het uitzicht, (b) de aroma-eigenschappen en (c) de materiaal eigenschappen.

  • Uitzicht

De visuele eigenschappen van chocolade omvatten kleur en glans. Meettechnieken hiervoor zijn reeds vele jaren beschikbaar, maar ontwikkelingen in kracht en digitale kwantificatie laten nu ook toe zeer kleine verschillen op te sporen. Gebruiksvriendelijke systemen voor continue kleurmonitoring zijn commercieel beschikbaar (vb. http://www.hunterlab.com/Instruments/On-LineSystems). Het monitoren van kleurveranderingen is belangrijk, daar kleur vaak gerelateerd is aan smaakeigenschappen.

Spectroscopische analyse technieken die gebruik maken van andere delen van het elektromagnetisch spectrum kunnen ook ingezet worden voor in-line controle tijdens het productieproces. Denk dan maar aanNIR-analyses (Patel et al., 2003) voor bijvoorbeeld vochtbepalingen, wat wordt toegepast bij de productie van ondermeer suikerwafels. Andere mogelijk interessante applicaties voor de toekomst zijn het monitoren van het kristallisatieproces en proteïnekwaliteit (Bolliger et al., 1999) Andere interessante gebieden in het elektromagnetisch spectrum zijn ondermeer het microgolfgebied voor vochtbepaling, X-stralen voor de detectie van vreemde voorwerpen en de opkomende terahertz band die een zeer hoge gevoeligheid heeft voor kleine hoeveelheden water.

  • Aroma

Een bekende techniek voor de analyse van aroma’s is headspaceanalyse via chromatografie. Headspace analyse is de analyse van aroma in de ruimte boven het levensmiddel in een recipiënt. Dit is een goed ontwikkelde laboratorium techniek die wegens zijn delicate, complexe en dure instrumentatie niet kan worden ingezet in een productieomgeving.  Elektronische neuzen worden nu ook ontwikkeld voor detectie van vluchtige componenten in levensmiddelentoepassingen, maar hier vormen het onderscheidend vermogen en de drift grote uitdagingen (Zie ook STW’s: De verfijnde sensoriek van elektronische tongen en neuzenElektronische neus ruikt niet enkel aroma’s)

Interessante ontwikkelingen op het gebied van microchiptechnologie openen de deur naar compacte toestellen die voldoende selectief en specifiek verschillende aroma’s (en bij uitbreiding flavors) kunnen onderscheiden. Een voorbeeld hiervan is de FAIMS-techniek waarbij FAIMS staat voor Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry. Owlstone (www.owlstonenanotech.com/faims ) ontwierp een draagbaar toestel, Lonestar, dat gebruik maakt van FAIMS. Het hart van deze detectietechnologie bestaat uit een siliconen chip van 1 cm  en een dikte van 3 mm (Figuur 1). Deze siliconen chip vormt een compleet chemisch detectiesysteem dat een brede range aan chemische componenten in lage concentraties betrouwbaar kan detecteren.

 

Figuur 1: Microchip spectrometer die de kern vormt van de FAIMS technologie in de Lonestar analysator (Paris & Freshman, 2012).

Figuur 2 toont de resultaten van een experiment met dit toestel waarbij de intensiteit en samenstelling van het aroma van melkchocolade bij 50°C werd gemeten. Figuur 2 (a) toont de contourplot van ionenstroom als een functie van het dispersieveld en de compensatievoltage. Dit compensatievoltage varieerde van -6 volt tot +6 volt voor een aantal stijgingen in het dispersieveld van 40% tot 100% Hierdoor werd het geïoniseerd aroma opgesplitst in verschillende ionenfamilies, afhankelijk van hun mobiliteit, wat resulteerde in een vlam-patroon. Figuur 2 (b) presenteert een doorsnede van deze contourplot bij een dispersieveld waarde van 60%. Hierbij werden de negatieve ionen uitgezet en bijgevolg is de ionenstroom (a.u.) negatief. Voor meer toelichting bij het meetprinicipe zie STW FAIMS brengt het labo naar de productievloer.

                       (a)                                                    (b)

Figuur 2 Data van een Owlestone Lonestar FAIMS analysator voor het bepalen van aroma intensiteit en samenstelling van melkchocolade bij 50°C. (a)Contour plot van de ionenstroom als functie van de selecterende elektrische velden (b) Doorsnede van de contourplot bij 60% dispersieveldwaarde van. (Sundara et al., 2012)

Mogelijke applicaties naar de toekomst toe richten zich op de bepaling van aroma intensiteit en samenstelling tijdens het productieproces. Wanneer de optimale settings van het elektrische veld bepaald worden voor de detectie van een specifieke aromacomponent, zou zelfs een controle systeem kunnen opgezet worden waarbij een alarm wordt gegeven wanneer de intensiteit van deze component de vastgelegde onder- of bovengrens overschrijdt.

  • Materiaal eigenschappen

Materiaal eigenschappen van chocolade bestaan voornamelijk uit de deeltjesgrootte van de partikels, de reologie van de gesmolten chocolademassa en de kristalvorm van de cacaoboter (verantwoordelijk voor het karakteristieke geluid bij breken van chocolade en het smeltgedrag in de mond) in de afgewerkte chocolade. Traditioneel worden deze drie parameters off-line gemeten, wat een real-time controle van het proces onmogelijk maakt.

De reologische eigenschappen van chocolade spelen een belangrijke rol in het productieproces en de finale verwerkbaarheid en kwaliteit van de chocolade. In de industrie wordt de procedure van het International Office of Cocoa (Analytical method 46, 2000) aanvaard als standaard procedure voor de bepaling van de viscositeit. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een rotationele reometer met concentrische cilinders en wordt de vloeicurve van chocolade bij 40°C opgemeten tussen 2 en 50 s -1. Uit deze vloeicurve worden dan de plastische viscositeit en de zwichtspanning bepaald. (verwijzing naar vorige stw’s). Plastische viscositeit is belangrijk voor de verpompbaarheid van de chocolade en de zwichtspanning speelt een rol bij het vormen. Via deze methode kan een goede batch-to-batch consistentie verzekerd worden, maar is weinig tot niet gerelateerd met de viscositeit van getempereerde chocolade. The viscositeit van getempereerde chocolade wordt immers beïnvloed door de lagere temperatuur (rond 30°C) en de vorming van vetkristallen tijdens temperering.

In-line metingen van viscositeit als een tool voor proces- en kwaliteitscontrole kan rekenen op veel interesse vanuit de industrie. De voordelen van een in-line viscositeitmeting situeren zich op verschillende gebieden:

  • De mogelijkheid om het proces van dichtbij op te volgen en aldus te komen tot meer inzicht in het productiesysteem. Uiteindelijk kan hierdoor de procescontrole ook geoptimaliseerd worden.
  • Een beter inzicht in en controle van het productieproces zal onvermijdelijk leiden tot het doorvoeren van beter gefundeerde wijzigingen en optimalisaties ervan.
  • Een continue monitoring van de viscositeit zal bovendien ook toelaten een directe aanpassing van de viscositeit door te voeren door een gecontroleerde toevoeging van cacaoboter eb/of emulgatoren.

Ondanks de mogelijke voordelen die een in-line controle van de viscositeit met zich mee zou brengen, zijn er maar weinig commerciële oplossingen beschikbaar. Een voorbeeld van een dergelijk systeem is de vibrationele in-line viscometer (Hydramotion process viscometer, www.hydramotion.com) die rechtstreeks in een tank of procesleiding kan geïnstalleerd worden. Met dit toestel wordt de viscositeit bepaald aan de hand van de frequentieverschuiving van een resonantie frequentie (Figuur 3)

 

Figuur 3: Werkingsprincipe van de vibrationele in-line viscometer (Sundara et al., 2012)

Via deze vibrationele viscometer wordt een puntwaarde bekomen voor de viscositeit die een goede correlatie vertoont met de off-line gemeten Casson plastische viscositeit. Dit wordt geïllustrerd in Figuur 4. In tegenstelling tot de off-line methode verschaft deze in-line meeting geen informatie over de zwichtspanning.

 

Figuur 4: Viscositeit van de chocolademassa na toevoeging van cacaoboter en emulgator gemeten aan de hand van de in-line viscometer (roze curve) en de off-line methode met een rotationele viscometer (gele driehoeken) (Sundara et aL, 2012)

De ontwikkeling van mogelijke in-line analysetools die de volledige karakterisatie van de vloei-eigenschappen van chocolade, inclusief die van getempereerde chocolade, vormt het onderwerp van meerder onderzoeken. Zo is het vloeigedrag van chocolade tijdens processing in pijpen en extrusietoestellen reeds onderzocht aan de hand van visualisatie technieken zoals MRI (Wichchunkit et al., 2005) en ultrasound (Ouriev et al., 2003). Deze resultaten bekomen via deze visualisatietechnieken vertonen een zeer goede overeenstemming met de off-line resultaten. Jammer genoeg gaat het hier om zeer tijdrovende data processing en dure toestellen, twee aspecten die een applicatie in de controle van het chocoladeproces verhinderen.

Conclusie:

In-line sensorsystemen worden meer en meer erkend als een integraal onderdeel van het eigenlijke productieproces. Ook in het chocolade proces zijn er mogelijkheden om in-line controle systemen te implementeren en zo een stabiel en kwalitatief hoogstaand eindproduct te garanderen. Helaas zijn er nog maar beperkt commerciële oplossingen voor handen. Verder doorgedreven onderzoek en ontwikkeling kan ertoe leiden dat deze leemte in de toekomst zal worden opgevuld.

Bronnen:

Sundara, R., Rasburn, J. & Vieira, J.(2012), Quality sentries: Some trends in chocolate manufacturing; New Food, 6, 11-16

Ouriev, B., Windhab, E., Braun, P., Zang, Y. & Birkhofer, B. (2003), title, Review of scientific instruments, 74 (12), 5255-5259

Wichchunkit, S., McCarthy, M.J.& McCarthy, K.L. (2005),  title, Journal of Food Science, 70, E165-171

Parris, R. & Freshman, S. (2012), Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS): Quick screening detection and quantification of volatile organic compounds,

http://www.lipidsfatsoilssurfactantsohmy.com/2012/04/field-asymmetric-ion-mobility.html

Analytical method 46 (2000), Viscosity of cocoa and chocolate products, International Office of Cocoa, Available from Caobisco, Rue Defacqz 1, 1000 Bruxelles, Belgium

www.owlstone.com