jump to navigation

ช็อกโกแลต กับแง่มุมทางวิศวกรรม July 27, 2011

Posted by viboon in : Manufacturing technologies, Science and engineering , trackback

ในการผลิตอาหารเพื่อการบริโภค มิติของรสชาติ สัมผัส ต้องถูกออกแบบมาให้ลงตัวและให้ผลตามระยะเวลาและสภาวะที่ต้องการ ยกตัวอย่างเช่น ช็อกโกแลต ต้องให้ได้รสชาติเมื่อกัดและอมอยู่ในปากภายใต้อุณหภูมิร่างกายและค่อยๆ ปลดปล่อยรสชาติออกมา ไม่ละลายเร็วจนเกินไปจนไม่ได้เนื้อสัมผัส และต้องไม่แข็งคงรูปจนเกินไปจนทำให้ไม่ได้รสชาติของช็อกโกแลต

นอกจากผลในแง่ของความสุขที่เกิดจากการรับประทานผ่านทางปาก ลิ้มรสชาติ texture ต่างๆ แล้ว ยังต้องให้ผลดีในแง่ของระบบการย่อยอาหาร gastrointestinal tract สารอาหาร การดูดซึมโมเลกุลต่างๆ เข้าสู่ร่างกายที่อัตราต่างๆ กัน

หากเราจะพิจารณาถึงการส่งส่งผ่านความร้อน หรือ heat transfer ในกระบวนการผลิตช็อกโกแลต ถือว่ามีรูปแบบที่ซับซ้อนในระดับหนึ่ง เนื่องจากช็อกโกแลตเป็นของไหลประเภท non-Newtonian คือความหนืดแปรตามแรงกระทำ ซึ่งต่างจากน้ำที่เป็นของไหลแบบ Newtonian ที่ไม่ขึ้นต่อแรงกระทำ (แต่ขึ้นต่ออุณหภูมิและความดัน)

การขึ้นรูปช็อกโกแลตแลดูเป็นเรื่องง่ายๆ ในเชิงปฏิบัติ โดยอาศัยประสบการณ์ของพ่อครัว และการฝึกฝนไม่กี่ครั้งก็สามารถขึ้นรูปช็อกโกแลตที่มีรสสัมผัสและมีความคงรูปได้อย่างสบายๆ แต่ถ้าจะมองในแง่วิศวกรรมแล้ว พฤติกรรมการเปลี่ยนรูปและโครงสร้างของช็อกโกแลตเป็นอะไรที่ซับซ้อนเมื่อเราพยายามการสร้างโมเดลทางความร้อนขึ้นมาอธิบายพฤติกรรมของตัวช็อกโกแลตในกระบวนการผลิต

ประโยชน์ที่จะได้จากการพัฒนาโมเดลทางวิศวกรรมนี้ มีผลต่อกระบวนการผลิตช็อกโกแลตในรูปแบบอุตสาหกรรม ที่ผลิตครั้งละมากๆ และมีจุดประสงค์เพื่อที่จะสามารถดึงเอาความอร่อยของช็อกโกแลตออกมาให้ได้มากที่สุด และการที่จะได้โมเดลที่ว่านี้ก็ต้องเข้าใจความเป็นช็อกโกแลตเสียก่อน

ช็อกโกแลตนั้นมีโครงสร้างที่ซับซ้อน ประกอบไปด้วย hydrophilic phase ที่มีส่วนผสมของของน้ำตาลและผงโกโก้ในโครงสร้างพื้นที่เป็นไขมันโกโก้ ในการผลิตช็อกโกแลตนั้นจะมีขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนอุณหภูมิที่ต้องได้รับการควบคุมอย่างดี เหตุเพราะตัวไขมันโกโก้นั้นเป็นโครงสร้างผลึกที่มีรูปแบบการจัดเรียงต่างกัน 5-6 แบบ ซึ่งสามารถจำแนกได้จากการตรวจด้วย X-ray diffraction (XRD) และ differential scanning calorimetry (DSC) โครงสร้างการจัดเรียงตัวที่แตกต่างกันนี้จะให้จุดหลอมเหลวที่ต่างกันด้วย โดยจะมีอุณหภูมิหลอมเหลวอยู่ในช่วง 14 ถึง 32 °C

โครงสร้างการจัดเรียงตัวของช็อกโกแลตที่นิยมมากในหมู่ผู้บริโภคและผู้ผลิตคือโครงสร้างแบบที่ 5 (form V) ซึ่งมีคุณสมบัติคือละลายได้ดีในปาก โดย form V นี้ยังให้ผิวช็อกโกแลตที่เงาสวยและหักได้ง่าย นอกจากนี้ยังง่ายต่อการผลิตเพราะช็อกโกแลต form V ที่ set ตัวแล้วนั้นง่ายต่อการนำออกจากแม่พิมพ์

แต่ข้อเสียของช็อกโกแลตโครงสร้างนี้คือไม่ค่อยมีความเสถียรในเชิงเทอร์โมไดนามิกส์ กล่าวคือเมื่อช็อกโกแลตถูกทำให้ร้อนและเย็นลง ไขมันโกโก้จะเกิดการแตกตัวและแยกออกมา ทำให้ผิวช็อกโกแลตที่ได้มีรอยด่างไม่สวยและยังทำให้เกิดผลึกที่ไม่ละลายภายใต้อุณหภูมิร่างกายอีกด้วย คือเมื่อทานแล้วจะรู้สึกว่าเนื้อช็อกโกแลตหยาบเป็นเม็ดๆ

ในการที่จะผลิตช็อกโกแลตโครงสร้างหมายเลข 5 ให้ได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้น ต้องอาศัยตัวที่ทำให้เกิดโครงสร้างผลึก (seed) หรือกระบวนการการให้ความร้อนและแรงในการผสมที่เหมาะสมทำให้เกิดช็อกโกแลตที่คงรูปและแข็งตัวตามแบบที่ต้องการ

การทำให้ช็อกโกแลตคงตัวถือเป็นหัวใจในการทำช็อกโกแลตคุณภาพดี แรงที่ใช้ในการผสมภายใต้อุณหภูมิที่เหมาะสมทำให้เกิด nuclei ตั้งต้นสำหรับการเกิดผลึกนำไปสู่การเกิด form ที่ต้องการ

ช็อกโกแลตเหลวอาจถูกเทลงในแบบหรือไหลผ่านเป็นม่านช็อกโกแลตสำหรับใช้ในการเคลือบขนมอื่นๆ โดยกระบวนการที่จะทำให้ช็อกโกแลตแข็งตัวนันจะใช้การผ่านช็อกโกแลตเข้าไปยังอุโมค์ลมที่ออกแบบมาเพื่อให้ช็อกโกแลตเย็นตัวลงช้าๆ ประมาณ 1-2 °C ต่อนาที ซึ่งที่อัตราการเย็นตัวเท่านี้จะทำให้ช็อกโกแลตคงตัวและได้โครงสร้างคุณภาพตามต้องการ

ในการตรวจวัดการแข็งตัวของช็อกโกแลตนั้นจะใช้ differential scanning calorimetry ซึ่งสามารถวัดการถ่ายเทความร้อนของช็อกโกแลตในระหว่างการเย็นตัว ซึ่งจะทำให้เราเข้าใจลักษณะของการเปลี่ยน form ของช็อกโกแลตได้

ยกตัวอย่างเช่น ภายใต้ shear rate ค่าหนึ่งช็อกโกแลตจะเปลี่ยน form ที่มีจุดหลอมตัวที่ 21 °C ซึ่งเป็น form ที่มีความเสถียรและคงรูปดี ไปเป็น form ที่ไม่เสถียรและไม่คงรูป ซึ่งมีจุดหลอมตัวที่ 13 °C กระบวนการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างช็อกโกแลตเหล่านี้เองที่ถือว่ามีความสำคัญและควรจะมีการคิดโมเดลการถ่ายเทความร้อนมาช่วยในการทำนายลักษณะของช็อกโกแลตที่ดีในกระบวนการผลิต

อัตราการเย็นตัวของช็อกโกแลตที่ 1-3 °C ต่อนาที ถือว่าเป็นอัตราที่เหมาะสมที่จะให้ได้ช็อกโกแลตที่มีโครงสร้างที่เหมาะสม แต่ถ้าอัตราการเย็นตัวที่เร็วกว่านี้ อย่างเช่นในกระบวนการ Frozen Cone ที่ใช้ในการผลิตเปลือกช็อกโกแลตที่ไว้หุ้มใส้ต่างๆ ที่จะนำมาใส่ในภายหลัง การเย็นตัวของช็อกโกแลตต้องได้รับการควบคุมอย่างดี ในกรณีของกระบวนการ Frozen cone นี้ อัตราการเย็นตัวจะเร็วมาก คือประมาณหลายสิบองศาต่อวินาที

กระบวนการ Frozen cone นั้น จะเริ่มด้วยการนำช็อกโกแลตเหลวใส่ลงในแม่พิมพ์ จากนั้นใช้แม่พิมพ์ที่เป็นหัวกด (plunger) ที่ควบคุมอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ -20 °C มากดลงไปที่ช็อกโกแลตประมาณ 3 วินาทีเพื่อให้ช็อกโกแลต set ตัวเป็นไปตามแบบ จากนั้นก็ผ่านเข้าสู่กระบวนการเย็นตัวเพื่อให้ได้โครงสร้างที่ต้องการ

เมื่อพิจารณาผิวช็อกโกแลตด้านนอกซึ่งถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วในกระบวนการ Frozen cone โครงสร้างช็อกโกแลตที่ได้จะเป็น form ที่ไม่คงรูปมีความหนาอยู่ประมาณไม่กี่ร้อยไมครอน สำหรับเนื้อช็อกโกแลตที่อยู่ถัดลงมาภายในซึ่งมีอัตราการเย็นตัวที่ช้ากว่าจะได้โครงสร้างที่มีความคงรูปเป็นไปตามความต้องการ ผิวที่ไม่คงรูปนี่สามารถเปลี่ยนให้กลายเป็นโครงสร้างที่ต้องการได้โดยการแผ่ความร้อนจากเนื้อช็อกโกแลตที่ยังร้อนอยู่ในชั้นด้านใน ทำให้เกิดการ Reheat ที่ผิวจนได้โครงสร้างที่ต้องการ ณ จุดนี้จะสังเกตได้ว่าการควบคุม form ของช็อกโกแลตในแง่ความร้อนนั้นมีประเด็นที่น่าสนใจอยู่ไม่น้อย หากมองข้ามประสบการณ์ของช่างทำช็อกโกแลตและสูตรต่างๆ ไป การหาคำอธิบายในแง่วิศวกรรมจึงเป็นเรื่องที่น่าท้าทาย

สำหรับกระบวนการผลิตช็อกโกแลต ความสัมพันธ์ด้านกระบวนการ ความร้อน และรูป form ของช็อกโกแลต มีความสำคัญในมุมของรสชาติ สัมผัส ของผู้บริโภค การคิดโมเดลทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนเพื่อใช้ในการทำนายระยะเวลาในกระบวนการผลิตช็อกโกแลตรูปแบบต่างๆ รวมถึงการออกแบบระบบที่ให้ช็อกโกแลตมีการเย็นตัวที่สม่ำเสมอที่อัตราที่เหมาะสมจึงถือว่ามีความสำคัญ จะเห็นได้ว่าภายใต้ช็อกโกแลตชิ้นเล็กๆ นั้นก็กลับมีแนวคิดด้านวิศวกรรมซุกซ่อนอยู่ในความอร่อยของมันด้วยเช่นกัน


Tags: , , , ,

Related posts:

Comments»

no comments yet - be the first?


*