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Fachbereich Agrarwirtschaft und Lebensmittelwissenschaften
Studiengang Lebensmittel- und Bioprodukttechnologie
Masterarbeit
Einfluss verschiedener Zerkleinerungsmethoden auf die
Partikelform von Schokoladenbestandteilen
Verfasser: Jörn Seidel (B.Sc.)
Betreuer: Prof. Dr. Siegfried Bolenz
Prof. Dr.-Ing. Thomas John
URN: urn:nbn:de:gbv:519-thesis 2012-0001-9
Neubrandenburg, 19. Mai 2012
Danksagung
Ich möchte mich an dieser Stelle bei all den Leuten bedanken, die mich bei meiner
Masterarbeit tatkräftig und moralisch unterstützt haben.
Besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr. Siegfried Bolenz für die Bereitstellung des Themas,
für die vielen hilfreichen Anregungen und Ratschläge sowie seine große Geduld.
Weiterhin gilt großer Dank Herrn Professor Dr.-Ing. Thomas John für seine Bereitschaft,
diese Masterarbeit als Zweitgutachter zu bewerten.
Für die tatkräftige praktische Unterstützung danke ich Herrn Dipl.-Ing. (FH) André Manske,
Herrn Rolf Kretzschmar, Frau Rita Schäpe und Herrn Alexander Meißner.
Mein größter Dank gilt meiner Familie: Meine Eltern ermöglichten mir das Studium,
unterstützten mich während der Jahre und standen mir immer auch in schweren Stunden bei.
Meiner Schwester Ilka möchte ich für die aufbauenden und motivierenden Gespräche
während des Verfassens dieser Masterarbeit herzlich danken.
Abstract
Particle size distribution and particle shape have a big influence on the flow behaviour of
molten chocolate. Spherical particles like a ball are ideal for the flow behavior. But grinding
of chocolate produces different shaped particles. However, not many researches have been
published yet. Aim of this work was to examine the particle shape of chocolate. The chocolate
was grinded by two different methods. On the one hand the chocolate was milled by a roll
refiner. On the other hand the chocolate was grinded by a ball mill. Furthermore the chocolate
ingredients cocoa liquor, sugar and skim milk powder were grinded separately with a roll
refiner and a ball mill. The particles of all produced samples were examined by digital image
analysis in a size range of 3-60 μm. The shape parameters circularity, elongation and
convexity of the particles were measured for characterizing the particle shape of each sample.
As a result of the examination the particles of the roll refined chocolate are more round and
smooth compared with the ball milled chocolate. Also cocoa liquor and sugar reached better
values of particle shape by grinding with the roll refiner. But milling the skim milk powder in
a roll refiner effects rough surfaced and irregular shaped particles.
1
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ..........................................................................................................4
2 Theoretischer Hintergrund ..............................................................................5
2.1 Das Stoffsystem Schokolade ..............................................................................5
2.2 Herstellung der Schokolade ................................................................................6
2.2.1 Konventionelles Verfahren durch Walzenzerkleinerung .....................................6
2.2.2 Herstellung durch Zerkleinerung in der Kugelmühle ..........................................9
2.3 Einfluss verschiedener Faktoren auf das Fließverhalten der Schokolade ........... 11
2.3.1 Fließverhalten der Schokolade .......................................................................... 11
2.3.2 Einfluss von Wassergehalt, Fettgehalt und Emulgatoren ................................... 12
2.3.3 Einfluss der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung ............................. 14
2.3.4 Einfluss der Partikelform .................................................................................. 15
3 Material und Methoden ................................................................................. 19
3.1 Versuchsplanung .............................................................................................. 19
3.2 Versuchsdurchführung ..................................................................................... 20
3.2.1 Rohstoffe und Rezepturen ................................................................................ 20
3.2.2 Zerkleinerung der Versuchsproben ................................................................... 24
3.2.2.1 Zerkleinerung mit der Kugelmühle ................................................................... 24
3.2.2.2 Zerkleinerung mit dem Walzwerk .................................................................... 26
3.3 Analytische Methoden ...................................................................................... 28
3.3.1 Messung der Partikelgröße ............................................................................... 28
3.3.2 Messung der Partikelform ................................................................................ 31
3.3.2.1 Aufbau und Messprinzip des Mikroskops für die automatische Bildanalyse ..... 31
3.3.2.2 Berechnung der Partikelgröße mit dem Morphologi G3 .................................... 38
3.3.2.3 Berechnung der Formparameter Zirkularität, Elongation und Konvexität ......... 38
3.3.2.4 Erstellung und Messung einer SOP .................................................................. 43
2
3.3.2.5 Durchführung der Messung .............................................................................. 48
3.4 Statistische Methoden....................................................................................... 49
4 Ergebnisse ....................................................................................................... 50
4.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung ...................................................... 50
4.2 Partikelanzahl ................................................................................................... 53
4.3 Partikelform ..................................................................................................... 55
4.3.1 Vergleich der Partikelform innerhalb eines Größenbereiches je Zerkleinerungsvariante ..................................................................................... 55
4.3.2 Vergleich der Partikelform zwischen Kugelmühle und Walzwerk .................... 60
5 Diskussion ....................................................................................................... 65
6 Zusammenfassung .......................................................................................... 68
7 Literaturverzeichnis ....................................................................................... 70
8 Abbildungsverzeichnis ................................................................................... 74
9 Tabellenverzeichnis ........................................................................................ 75
10 Formelverzeichnis .......................................................................................... 76
Erklärung über die selbständige Anfertigung der Arbeit ................................................. 77
3
Verwendete Formelzeichen, Einheiten und Indizes sowie Abkürzungsverzeichnis
Symbol/Index Bezeichnung Einheit
A Fläche μm2
B Breite eines Partikels μm
d Kreisdurchmesser μm
L Länge eines Partikels μm
U Umfang μm
U´ umhüllender Umfang μm
UK Kreisumfang μm
UP Partikelumfang μm
Abkürzungen
2D 2-Dimensional
3D 3-Dimensional
ADL Aperture Diaphragm Lever
HS High Sensitivity
KM Kakaomasse
MMP Magermilchpulver
PSD Particle Size Distribution
SDU Sample Dispersion Unit
SOA Spezifische Oberfläche
SOP Standard Operating Procedure
VarK Variationskoeffizient
4
1 Einleitung
Eine der weltweit beliebtesten Süßwaren ist die Schokolade. Es sind viele Produktionsschritte
nötig, um eine qualitativ hochwertige Schokolade mit einem guten Geschmack und einem zarten
Schmelz herzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen ist ein Produktionsschritt von besonderer
Bedeutung: Die Zerkleinerung der Schokolade.
Bei der konventionellen Methode wird die Schokolade mit einem Walzwerk zerkleinert und
anschließend durch das Conchieren veredelt. Dieses zeitaufwendige Verfahren ist jedoch aus
wirtschaftlicher Sicht sehr teuer, da die Anschaffungs- und Wartungskosten der Walzwerke sehr
hoch sind. Deshalb werden zunehmend alternative Verfahren zur Schokoladenherstellung
verwendet. Ein alternatives Verfahren ist die Zerkleinerung und das Conchieren in einem
Produktionsschritt. Neben der Zeitersparnis bringt der Einsatz einer Kugelmühle auch
wirtschaftliche Vorteile aufgrund der geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten.
Für ein gutes Fließverhalten der Schokolade sind mehrere Faktoren verantwortlich. Neben dem
Fettgehalt und der Partikelgrößenverteilung spielt die Partikelform eine große Rolle. Für ein
gutes Fließverhalten ist eine annähernd kugelgleiche Partikelform ideal. Es ist bekannt, dass die
Zerkleinerung von Schokolade mittels eines Walzwerkes oder einer Kugelmühle
unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen erzeugt. Bisher liegen aber noch wenige
Erkenntnisse vor, wie sich die Zerkleinerungsart auf die Partikelform auswirkt. Es wird
vermutet, dass die Zerkleinerung mit einem Walzwerk runde und glatte Partikel erzeugt, die
Zerkleinerung mit der Kugelmühle eher unregelmäßig geformte Partikel. Das Ziel dieser Arbeit
ist es, die Schokolade mit beiden Verfahren zu zerkleinern und anschließend die Partikelform zu
untersuchen. Weiterhin werden die Schokoladenbestandteile Kakaomasse, Zucker und
Magermilchpulver einzeln mit beiden Verfahren zerkleinert und ebenfalls einer
Partikelformanalyse unterzogen. Durch neue Messverfahren mittels der automatischen
Bildanalyse können auf diese Weise zahlreiche Partikel gemessen werden und Schokoladen
hinsichtlich verschiedener Formparameter charakterisiert werden.
5
2 Theoretischer Hintergrund
2.1 Das Stoffsystem Schokolade
Schokolade gehört aufgrund des sehr hohen Zuckeranteils in der Rezeptur zu den Süßwaren. Der
Zuckergehalt in Schokoladen kann dabei zwischen 30 und 65 % betragen. Neben dem Zucker
sind die Hauptkomponenten von Schokolade die Kakaomasse und die Kakaobutter
(Tscheuschner, 2004). Für die unterschiedlichen Verkehrsbezeichnungen wie z.B. Schokolade,
Milchschokolade oder Haushaltsmilchschokolade sind rechtliche Regelungen eingeführt worden,
die den Mindestgehalt der verschiedenen Rezepturbestandteile bestimmt. Laut der Richtlinie
2000/36/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Juni 2000 über Kakao- und
Schokoladeerzeugnisse für die menschliche Ernährung ist Schokolade ein Erzeugnis aus
Zuckerarten und Kakaoerzeugnissen, das mindestens 35 % Gesamtkakaotrockenmasse enthält.
Dabei sollen mindestens 18 % Kakaobutter und mindestens 14 % entölte Kakaotrockenmasse
enthalten sein. Wird ein Erzeugnis Milchschokolade genannt, so ist ein wichtiges Kriterium der
Mindestgehalt von 14 % Milchtrockenmasse durch Zugabe von z.B. Magermilchpulver. Im
weiteren Verlauf dieser Arbeit wird Schokolade als Oberbegriff verwendet, abgesehen von der
rechtlichen Einordnung.
Schokolade ist ein disperses System aus Feststoffteilchen, die in einer kontinuierlichen Fettphase
dispergiert sind. Dabei besteht die Fettphase aus der Kakaobutter und dem im Milchpulver
enthaltenen Milchfett. Wird bei der Herstellung Magermilchpulver verwendet, so wird die
Fettphase durch zugegebenes Butterreinfett ergänzt. Die Feststoffteilchen bestehen aus Zucker,
dem Milchpulver und den vermahlenen Kakaokernen. Der Anteil an Feststoffen in Schokoladen
liegt bei etwa 65-73 Gewichtsprozent. Es liegt eine konzentrierte Suspension vor, wenn die
Schokolade auf über ca. 35°C erwärmt wird und entsprechend des Schmelzpunktes der Fettphase
aufgeschmolzen wird. Dabei gibt es unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen der Fettphase
und den Feststoffteilchen. Die festen Kakaobestandteile haben überwiegend lipophile
Eigenschaften und können deswegen mit der kontinuierlichen Fettphase starke Wechsel-
wirkungen besitzen. Die hydrophilen Eigenschaften der Kakaofeststoffe sind zwar nicht so stark
ausgeprägt, bewirken aber, dass ein kleiner Teil von 1-2 % des in der Kakaomasse enthaltenen
Wassers an Feststoffe gebunden ist. Zuckerpartikel hingegen besitzen ausgeprägte hydrophile
Eigenschaften, die eine Benetzung mit Kakaobutter erschweren (Weipert, 1993).
6
2.2 Herstellung der Schokolade
Die Herstellung der Schokolade kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Dabei gibt es
Unterschiede hinsichtlich der Art der Zerkleinerung der Schokoladenmasse sowie der weiteren
Veredelung. Ausschlaggebend sind hierbei oft wirtschaftliche Faktoren wie z.B. die
Anschaffungskosten oder der Energieverbrauch der eingesetzten Maschinen. Weiterhin können
die gewünschten Produkteigenschaften wie die Partikelgrößenverteilung und die Partikelform die
Auswahl der Herstellungsmethode bestimmen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Vermeiden
von Verunreinigungen der Schokolade bei offenen Prozessen, um gute Hygienestandards
aufrecht zu erhalten (Beckett, 1999).
In der Schokoladenindustrie werden hauptsächlich zwei Verfahren angewendet. Einmal auf
konventionelle Art und Weise mit der Zerkleinerung der Schokoladenmasse in Walzwerken und
anschließender Veredelung durch Conchieren. Eine Alternative zu der Walzenzerkleinerung ist
die Vermahlung der Schokoladenmassen in Kugelmühlen.
2.2.1 Konventionelles Verfahren durch Walzenzerkleinerung
Zu Beginn der Schokoladenmassenherstellung werden die einzelnen Rezepturbestandteile dosiert
und gemischt. In der industriellen Produktion geschieht dieser Schritt im automatischen
Chargenbetrieb. Die für die nachfolgende Zerkleinerung entscheidende Konsistenz der
Schokoladenmasse lässt sich durch die Einstellung des Fettgehaltes regulieren (Tscheuschner,
2004). Das Ziel der Zerkleinerung ist es, die festen Bestandteile der Kakaomasse, den Zucker
und das Milchpulver auf eine Partikelgröße von weniger als 30 μm zu verfeinern (Beckett,
2008). Dabei erfolgt beim konventionellen Verfahren die Zerkleinerung mit Hilfe von
Walzwerken in 2 Schritten. Zuerst wird die Schokoladenmasse in einem Zweiwalzwerk
vorzerkleinert, bei dem hauptsächlich die bis zu 1,4 mm großen Zuckerkristalle zerkleinert
werden (Tscheuschner, 2004). Das Zweiwalzwerk besteht aus 2 horizontal ausgerichteten
Walzen. Dabei drehen sich die Walzen in unterschiedlicher Richtung und können so die
aufgegebene Schokoladenmasse in den Walzenspalt befördern. Durch Scherkräfte und hohen
Druck werden die anfänglich noch großen Partikel auf eine Partikelgröße von weniger als 150
μm zerbrochen. Gleichzeitig werden auch die neu entstandenen Partikeloberflächen von Fett
umhüllt, so dass nach diesem ersten Walzschritt die Ausgangsmasse etwas trockener wird
(Beckett, 2008). Die weitere Zerkleinerung der Schokoladenmasse, bei der die Endfeinheit der
Partikel erreicht wird, erfolgt anschließend mit einem Fünfwalzwerk. Die Abb. 1 zeigt
schematisch den Aufbau eines solchen Walzwerks. Wie der Name schon aussagt, besteht dieses
7
Walzwerk aus 5 Walzen. Dabei sind 4 Walzen übereinander angeordnet. Eine Walze ist neben
der untersten der 4 Walzen installiert und bildet den ersten von 4 Walzenspalten. Hier wird auch
die vorgewalzte Schokoladenmasse zugeführt und weiter zerkleinert (Beckett, 2008). Dabei
nimmt der Abstand der Walzen von Mahlspalt zu Mahlspalt stetig ab (Kleinert, 1997). Die
Walzenumfangsgeschwindigkeit steigt von der ersten Walze bei der Mahlgutaufgabe bis zu der
letzten Walze. Durch diesen Geschwindigkeitsunterschied im Walzenspalt werden dabei die
Partikel durch Druck sowie Scherung stark beansprucht und somit zerkleinert (Tscheuschner,
2004). Es bildet sich auf den Walzen ein feiner Film der Schokoladenmasse, der am Ende des
Walzvorganges an der letzten Walze mit einem Abstreifmesser abgeschabt wird. Die anfänglich
noch pastöse Masse wird nach der Zerkleinerung aufgrund der mit Fett zu benetzenden
vergrößerten Oberfläche der Partikel zu einer pulverigen Masse. Die Bewegung des Walzgutes
von der Mahlgutaufgabe bis zu dem Abstreifen des dünnen Schokoladenfilms beruht darauf, dass
das Walzgut immer an der jeweils schnelleren Walze anhaftet (Beckett, 2008).
Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Fünfwalzwerks (Beckett, 2008)
Bei der Walzenzerkleinerung werden die Walzen und die Schokoladenmasse durch Reibung
erwärmt. Durch eine zu hohe Erwärmung könnte es zu einer unerwünschten „Nachröstung“ der
Schokoladenmasse kommen. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, werden die innen hohlen
8
Walzen mit Wasser gekühlt (Tscheuschner, 2004). Jedoch darf die Temperatur der Walzen auch
nicht zu niedrig sein. Bei zu starker Abkühlung erstarrt das in der Schokoladenmasse enthaltene
Fett und der zuvor noch mit flüssigem Fett gebildete Film haftet nicht mehr an der Walze.
Aufgrund der Zentrifugalkräfte während der Drehbewegungen werden die Partikel von der
Walze weggeschleudert (Beckett, 2008).
Nach der Walzenzerkleinerung erfolgt mit dem Conchieren der nächste Schritt der
Schokoladenherstellung. Beim meist mehrstündigen Conchiervorgang wird das Walzgut in
Conchen durch mechanische Kräfte und Scherkräfte intensiv bearbeitet. Einerseits wird dabei
das gewünschte Schokoladenaroma voll entwickelt, andererseits wird das pulverige und
krümelige Walzgut in eine fließfähige Suspension von den Schokoladenpartikeln in Kakaobutter
umgewandelt Der Conchiervorgang unterteilt sich in 3 Phasen: In der ersten Phase, der
Trockenphase, werden durch Scherung die festen Schokoladenbestandteile mit zugegebener
Kakaobutter umhüllt. Gleichzeitig werden durch eine Temperaturerhöhung die
Schokoladenmassen von flüchtigen Säuren und unerwünschten Aromastoffen befreit sowie
entfeuchtet. In der nächsten Phase, der pastösen Phase, entwickelt sich durch weitere Scherung
und thermischen Einfluss das typische Schokoladenaroma. Es findet weiterhin eine Entfeuchtung
und durch Zugabe von Kakaobutter eine Verflüssigung der Schokoladenmasse statt. Die letzte
Phase ist die flüssige Phase. Hier wird die restliche Kakaobutter sowie Lecithin als Emulgator
zugegeben. Das Lecithin erspart einen Teil der Kakaobutter und verbessert die
Fließeigenschaften gegen Ende des Conchierens (Beckett, 1990). Da beim Conchieren auch
Agglomerate von hydrophilen Feststoffteilchen aufgebrochen werden, verhindert das zugesetzte
Lecithin eine erneute Agglomeration dieser Partikel (Tscheuschner, 2004).
Für eine glänzende und gleichmäßige Oberfläche der fertigen Schokolade sowie zur Vermeidung
von Fettreif erfolgt vor dem Ausformen ein weiterer Prozessschritt: das Temperieren. Hierbei
wird die polymorphe Kakaobutter in die stabilste β-Kristallmodifikation durch Abkühlung und
erneute Erwärmung in einem bestimmten Temperaturbereich überführt. Weiterhin wird durch die
β-Modifikation das spätere Austafeln der Schokolade aufgrund der größeren Packungsdichte der
Fettmoleküle erleichtert (Tscheuschner, 2004).
Die Herstellung von Schokolade durch Walzenzerkleinerung wird zunehmend durch andere
Verfahren ersetzt. Ein Grund ist der wirtschaftliche Aspekt, da die Anschaffungs- und
Wartungskosten von Walzwerken sehr hoch sind. Außerdem verlaufen der Materialtransport und
der Zerkleinerungsprozess offen, was aus hygienischer Sicht von Nachteil ist. Eine Alternative
zu der Walzenzerkleinerung ist die Vermahlung der Schokoladenmasse in Kugelmühlen.
9
2.2.2 Herstellung durch Zerkleinerung in der Kugelmühle
Wie bereits zuvor erwähnt, ersetzen zunehmend andere Verfahren die Walzenzerkleinerung der
Schokolade aus teils wirtschaftlichen, hygienischen oder verfahrenstechnischen Gründen. Eine
Alternative ist die Vermahlung in einer Kugelmühle.
Kugelmühlen zählen zu der Gruppe der Mahlkörpermühlen. Dabei wird mit Hilfe von frei
beweglichen Kugeln in einem Mahlraum das Mahlgut zerkleinert. Die Kugeln können aus
verschiedenen Materialien bestehen, sind aber meist aus Stahl oder Keramik. Die zu
zerkleinernden Partikel des Mahlguts werden einerseits zwischen den Kugeln und andererseits
zwischen den Kugeln und den Mahlraumwänden zerkleinert. Die Partikel werden dabei durch
Druck, Prall und Reibung stark beansprucht und zerkleinert (Stieß, 1994; Zogg, 1993). Die
nötige Energiezufuhr für die Zerkleinerungsarbeit innerhalb des Mahlbehälters kann auf
verschiedenen Wegen erfolgen. Einerseits kann eine Zerkleinerung stattfinden, indem der
Mahlraum mit dem Mahlgut und den Kugeln in Drehung oder Schwingung gebracht wird. Die
andere Variante ist das Rühren des Mahlguts mit den Kugeln in dem ruhenden Behälter. Ein
Beispiel dafür ist die Rührwerkskugelmühle, welche auch Anwendung in der
Lebensmittelindustrie findet (Schubert, 2003; Stieß, 1994).
Rührwerkskugelmühlen eignen sich hervorragend zum Dispergieren und Feinstmahlen von
Suspensionen. Die Bauweise der Rührwerkskugelmühlen kann dabei zwischen horizontal oder
vertikal ruhenden Zylindern als Mahlraum variieren. Die Abb. 2 zeigt schematisch ein Beispiel
einer horizontal ausgerichteten Rührwerkskugelmühle. Das zu zerkleinernde Mahlgut wird
hierbei seitlich unten in den Mahlraum gepresst. Für die Zufuhr des Mahlguts sorgt eine
Förderschnecke oder eine Exzenterschneckenpumpe. Innerhalb des Mahlraums ist ein Rührwerk
eingebaut, mit dem die nötige Energie für die Zerkleinerung zugeführt wird. Das Rührwerk kann
mit verschiedenen Rührelementen bestückt werden, wobei entweder Lochscheiben, Ringe oder
Stifte je nach Einsatzzweck verwendet werden. Während des Rührens treten hohe
Zentrifugalbeschleunigungen aufgrund der sehr hohen Umfangsgeschwindigkeit von bis zu 20
ms-1 auf. Die eingesetzten Kugeln füllen den Mahlraum zu 80-90 % aus und werden durch das
Rührwerk in Bewegung gebracht. Wenn Stifte als Rührelemente verbaut sind, werden die
Kugeln im Mahlbehälter verdrängt, werden somit beschleunigt und an der Behälterwand
abgebremst. Das zugeführte Mahlgut wird während des Durchlaufs durch den Mahlraum durch
intensiven und häufigen Kugelkontakt zerkleinert. Das zerkleinerte Mahlgut tritt oberhalb des
Mahlbehälters wieder aus und kann für einen kontinuierlichen Betrieb wieder der
Aufgabevorrichtung zugeführt werden. Durch kleine Spalte oder Siebe wird das Austreten der
Kugeln dabei verhindert. Da auch hier wieder wie bei der Walzenzerkleinerung Wärme entsteht,
10
werden die Mahlraumbehälter oder auch das Rührwerk durch Wasser abgekühlt (Schubert, 2003;
Stieß, 1994).
Abb. 2: Schematischer Aufbau einer Rührwerkskugelmühle (Dialer, 1986)
Bei der Schokoladenproduktion hat sich der Einsatz einer Rührwerkskugelmühle bewährt. Bei
dem Wiener-Verfahren, dargestellt in Abb. 3, wird die zu zerkleinernde Schokoladenmasse aus
einem Vormischer über einen Umwälzbehälter in die Kugelmühle gepumpt und erstmals
zerkleinert. Anschließend wird die Schokoladenmasse durch 2 Geschmackswandler erneut in den
Umwälzbehälter gefördert. Das Lecithin wird in der Rührwerkskugelmühle zugegeben. Dieser
Prozess verläuft im Kreislauf bis die gewünschte Endpartikelgröße erreicht wird. In den
Umwälzbehältern werden durch ständiges Rühren und Belüften mit heißer Luft die
Conchierungsreaktionen gesteigert. Zum Teil besitzen sie auch Sprüh- oder
Zentrifugiervorrichtungen für die Bildung von dünnen Schichten, um die Entfeuchtung der
Schokoladenmasse zu förden.
Ein großer Vorteil des Wiener-Verfahrens ist die gleichzeitige Zerkleinerung der
Schokoladenmasse und das Conchieren in einer Anlage. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die
Schokoladenmasse in geschlossenen Anlagen befindet. Eine Verunreinigung des Produkts kann
11
auf diese Weise verhindert werden, was in hygienischer Hinsicht wünschenswert ist. Außerdem
sind die Anschaffung und der Betrieb dieser Anlagen preisgünstiger als die konventielle
Herstellung mit einem Walzwerk (Kleinert, 1997; Beckett, 1990).
Abb. 3: Wiener Anlage mit einer Umwälzung durch die Kugelmühle (Beckett, 1990)
2.3 Einfluss verschiedener Faktoren auf das Fließverhalten der Schokolade
2.3.1 Fließverhalten der Schokolade
Eine entscheidende Rolle für die Qualität einer Schokolade spielt das Fließverhalten der
Schokoladenmasse. Das Fließverhalten ist eine rheologische Eigenschaft von Flüssigkeiten und
kann durch verschiedene rheologische Untersuchungen beschrieben werden. Die Rheologie ist
ein Teilgebiet der Physik und kann mit verschiedenen Messgrößen wie Krafteinwirkung,
Auslenkung und Geschwindigkeit die Deformation oder das Fließen von Substanzen
untersuchen. Das Fließen einer Flüssigkeit erfolgt erst dann, wenn Scherkräfte auf die
12
Flüssigkeit einwirken (Mezger, 2000). Dabei können sich Flüssigkeiten unterschiedlich
verhalten. Newtonsche Flüssigkeiten wie z.B. Wasser fließen bereits schon bei geringstem
Druck. Außerdem sind die einwirkende Scherkraft und die daraus resultierende
Fließgeschwindigkeit proportional zueinander. Bei geschmolzener Schokolade muss hingegen
erst eine gewisse Kraft ausgeübt werden, um den Fließvorgang einzuleiten. Dieser Punkt wird als
Fließgrenze bezeichnet. Erst dann verhält sich die Schokolade wie eine Flüssigkeit (Kleinert,
1997). Aus diesem Grund wird die Schokolade den Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten
zugeordnet (Beckett, 1999). Neben der Fließgrenze ist auch die Viskosität der
Schokoladenmasse von großer Bedeutung, z.B. für die Pumpfähigkeit in Rohrleitungen (Beckett,
2008). Die Viskosität beschreibt dabei die Zähigkeit einer Masse und wird durch das Verhältnis
der Schubspannung und der Scherrate bestimmt (Mezger, 2000). Die Viskosität und die
Fließgrenze können entscheidend für den Geschmack einer Schokolade sein. So kann es
vorkommen, dass Schokoladen mit identischer Rezeptur, aber unterschiedlichem Fließverhalten,
einen verschiedenen Geschmack erzeugen. Der Grund hierbei ist die unterschiedliche Zeit, die
benötigt wird, um die Geschmacksrezeptoren auf der menschlichen Zunge zu erreichen.
Viele Faktoren können das Fließverhalten der Schokolade beeinflussen. Die wichtigsten
Parameter sind z.B. der Wasser- und Fettgehalt der Schokolade, der Emulgatoreinsatz, die
Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung sowie die Partikelform (Beckett, 2008).
2.3.2 Einfluss von Wassergehalt, Fettgehalt und Emulgatoren
Ein zu hoher Wassergehalt in der Schokoladenmasse erhöht die Fließgrenze und die Viskosität.
Dabei spielen die hydrophilen Eigenschaften des Zuckers eine große Rolle. Es kann zur Bildung
einer Sirupschicht auf der Oberfläche der Zuckerpartikel kommen, die die Reibung der Partikel
untereinander erhöht (Beckett, 1999; Kleinert, 1997). Ferner könnte es zur Neubildung von
Agglomeraten führen, da ein erhöhter Wassergehalt die Oberflächen der Zuckerpartikel in
Lösung bringt und somit ein Anhaften der Partikel aneinander fördert (Beckett, 2008). Je nach
Rezeptur kann die Schokoladenmasse zwischen 2 und 4 % Wasser vor dem Conchieren
enthalten. Das Wasser ist zum Teil an den Kakaofeststoffen und in dem Milchpulver gebunden.
Das ungebundene Wasser wird während des Conchierens entfernt, so dass der Wassergehalt am
Ende weniger als 1 % betragen sollte. Nach Beckett (1999) ist die Entfeuchtung auf unter 0,8 %
deutlich erschwert, so dass Conchierprozesse auf niedrigere Wassergehalte nicht mehr
ökonomisch sinnvoll sind. Bolenz (2008) fand heraus, dass mit einer Trocknung des
Milchpulvers vor dem Mischen der einzelnen Zutaten eine Senkung des Wassergehaltes der
13
fertigen Schokolade unter 0,6 % erreicht werden kann. Milchpulver gilt als Haupteinbringer von
Wasser in die Schokolade. Mit diesem Trocknungsschritt kann die Conchierzeit enorm verkürzt
werden, da die Trockenphase für die Entfeuchtung entfällt.
Der Fettgehalt einer Schokolade hat einen entscheidenden Einfluss auf das Fließverhalten. Das
enthaltene Fett umhüllt die Feststoffpartikel der Kakaomasse, des Zuckers und des Milchpulvers.
Es entsteht ein festanhaftender Fettfilm auf den Partikeln, der die Reibung untereinander
herabsetzt. Die Abb. 4 zeigt auf der linken Seite Partikel ohne Fettfilm vor dem Conchieren, auf
der rechten Seite mit einem Fettfilm nach dem Conchieren. Ebenfalls sind nach dem Conchieren
die Zwischenräume mit Fett ausgefüllt (Kleinert, 1997).
Abb. 4: Schematische Darstellung der Verankerung eines Fettfilms während des Conchierens Kleinert, 1997)
Das in der Schokolade enthaltene Fett stammt aus der Kakaomasse, der zugegebenen
Kakaobutter und dem Milchpulver. Falls Magermilchpulver als Zutat verwendet wird, ist das
zugegebene Butterreinfett ebenfalls ein Teil des Fettes. Damit der Fließvorgang der Schokolade
verbessert wird, muss das Fett in freier Form vorliegen. Aus diesem Grund müssen die
Kakaomasse und das Milchpulver optimal zerkleinert werden, sodass das Fett beim Vermahlen
aus den Zellen befreit wird und Fetteinschlüsse aufgebrochen werden. Weiterhin spielt die
Auswahl des Milchpulvers eine Rolle. Wenn Magermilchpulver eingesetzt wird, steht das
zugegebene Butterreinfett als freies Fett für den Fließvorgang zur Verfügung. Verwendet man
aber Vollmilchpulver, ist ein Teil des Fettes gebunden und kann nicht den Fließvorgang
unterstützen. Auch das Trocknungsverfahren von Milchpulver kann die Viskosität beeinflussen.
14
Im Gegensatz zu dem Sprühtrocknen wird bei der Walzentrocknung das Fett an die Oberfläche
gepresst und steht als freies Fett zur Verfügung. Handelsübliche Schokoladen weisen einen
Fettgehalt zwischen 25 und 35 % auf. Schon kleinste Fettgehaltsänderungen haben einen starken
Einfluss auf die Viskosität. So sinkt die Viskosität rapide bei einer Erhöhung des Fettgehaltes um
1 % von 28 auf 29 %. Ab einem Fettgehalt von 32 % werden lediglich kleine Viskositäts-
senkungen bei einer Erhöhung um 1 % erreicht. Für das Fließverhalten der Schokolade hat das
freie Fett einen größeren Einfluss auf die Viskosität als auf die Fließgrenze. Die Fließgrenze
hängt mehr von den Bindungskräften der Partikel untereinander ab (Beckett, 2008).
Eine weitere wichtige Zutat der Schokolade ist der Einsatz von Lecithin als Emulgator. Durch
die Zugabe werden enorme Verbesserungen des Fließverhaltens erreicht und Kakaobutter als
teurer Rohstoff eingespart. So wird durch den Zusatz von 0,1 bis 0,3 % Lecithin dieselbe
viskositätsverringernde Wirkung erzielt wie die zehnfache Menge an Kakaobutter. Lecithin ist
eine grenzflächenaktive Verbindung und ermöglicht eine Wechselwirkung zwischen den
hydrophilen Feststoffpartikeln und der hydrophoben Fettphase, sodass die
Grenzflächenspannung herabgesetzt wird (Beckett, 1999; Setrdle, 2003).
2.3.3 Einfluss der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung
Die Partikelgröße der zerkleinerten Schokolade sollte nach Beckett (2008) nicht größer als 30
μm sein. Größere Partikel können die sensorischen Eigenschaften der Schokolade negativ
beeinflussen und beim Verzehr ein sandiges Mundgefühl hervorrufen. Die Schokolade sollte
aber auch nicht zu fein gemahlen werden, da sich sonst die Fließeigenschaften verschlechtern.
Der Grund ist hierbei die vergrößerte spezifische Oberfläche der kleinen Partikel. Zur
Veranschaulichung stellt man sich ein Partikel in Kugelform vor. Das Partikel wird mehrfach in
viele kleine Partikel zerkleinert mit neugeschaffenen Oberflächen. Das gesamte Volumen der
zerkleinerten Partikel ist immer noch genauso groß wie das des ursprünglichen Partikels. Jedoch
hat sich die Größe der einzelnen Oberflächen vervielfacht. Für die Benetzung vieler kleiner
Partikel muss deshalb eine hohe Menge an Fett nötig sein, um ein Gleiten und Fließen der
Partikel zu ermöglichen. Ein hoher Anteil an feinen Partikeln hat einen größeren Einfluss auf die
Fließgrenze als auf die Viskosität. Durch die hohe Anzahl kleiner Partikel erhöhen sich die
Berührungspunkte untereinander. Die Fließgrenze steigt, weil die lose Struktur mit mehr Kraft
aufgebrochen werden muss, damit die Schokolade fließt. Die Viskosität wird durch den höheren
Feinanteil nicht sehr stark beeinflusst. Ist der Fließvorgang erst eingeleitet, verhalten sich kleine
wie große Partikel ähnlich während des Fließens (Beckett, 2008).
15
Nicht nur die Partikelgröße allein, sondern auch die Partikelgrößenverteilung (Particle Size
Distribution PSD) spielt eine wichtige Rolle für das Fließverhalten. Eine solche Verteilung sagt
aus, in welchem Größenbereich sich eine bestimmte Menge an Partikeln befindet. Für
Schokolade wird angestrebt, dass 2 Partikelfraktionen besonders häufig vorkommen. Die Abb. 5
zeigt ein Beispiel einer solchen bimodalen Verteilung. Die kleinen Partikel füllen den
Zwischenraum der größeren Partikel aus und verdrängen das Fett. Dieses Fett steht nun für den
Fließvorgang zur Verfügung und verbessert die Fließeigenschaften der Schokolade. Dabei
sollten die größeren Partikel mehr als siebenmal größer sein als die kleinen Partikel (Do, 2007).
Dieser Effekt kann durch eine trimodale Verteilung gesteigert werden, wenn 3 Partikelfraktionen
besonders häufig auftreten. Die Packungsdichte wird weiter erhöht und das gegebene Volumen
zu 95 % ausgefüllt. Eine weitere Füllung der Zwischenräume über das trimodale Modell hinaus
hat nur noch sehr geringen Einfluss auf das Fließverhalten (Beckett, 2008; Servais, 2002). Die
Zerkleinerung mit einem Walzwerk oder einer Kugelmühle erzeugt verschiedene Modalitäten.
Zahlreiche Untersuchungen ergaben, u.a. von Römisch (2009), dass bimodale Verteilungen mit
einem Walzwerk erreicht werden, hingegen aber die Zerkleinerung mit Kugelmühlen eine
unimodale Verteilung bewirkt.
Abb. 5: Schematische Darstellung der Zwischenraumfüllung bei verschiedenen PSD (Beckett, 2008)
2.3.4 Einfluss der Partikelform
Ein wichtiger Faktor für das Fließverhalten von Schokolade ist die Partikelform. In vielen
Forschungsarbeiten wurden die Partikelgrößenverteilungen als ein Haupteinfluss betrachtet.
16
Jedoch werden die zu analysierenden Partikel, z.B. Messung mittels Laserbeugung, unabhängig
von ihrer realen Form als idealisierte Kugel betrachtet. Es ist durchaus möglich, dass zwei
verschiedene Proben die exakt gleiche Partikelgrößenverteilung aufweisen, aber sich hinsichtlich
ihrer Morphologie stark unterscheiden. Die Abb. 6 zeigt anschaulich ein Beispiel: Beide Proben
haben eine unimodale Verteilung im gleichen Größenbereich. Die Probe auf der rechten Seite
besteht aus nahezu runden, kugelförmigen Partikeln. Die andere Probe enthält sehr eckige und
unregelmäßig geformte Partikel. Im Falle einer rheologischen Messung, und bei der Annahme es
handelt sich um Schokoladenpartikel, würde die Probe mit den kugelförmigen Partikeln deutlich
die besseren Fließeigenschaften erzielen.
Abb. 6: Verschieden geformte Partikelproben mit gleicher PSD (Crompton, 2005)
Für die Schokoladenproduktion wäre es ideal, wenn alle Partikel kugelförmig wären. Aber schon
die Morphologie der Ausgangszutaten, wie z.B. Zucker, weist einen unregelmäßigen Charakter
auf. Weiterhin werden durch die verschiedenen Herstellungsprozesse beim Zerkleinern der
Schokoladenmasse selten ideale Kugelpartikel erzeugt (Weipert, 1993). In der Abb. 7 ist zu
sehen, dass bei mehrheitlich kugelförmigen Partikeln wenige Berührungspunkte entstehen und
die Kontaktflächen sehr klein sind. Die Reibung der Partikel untereinander ist minimiert, sodass
gute Fließeigenschaften erreicht werden können. Große Kontaktflächen zwischen den Partikeln
erhöht die Reibung und das Aneinandergleiten wird erschwert. Dabei können unregelmäßig
17
geformte Partikel evtl. aufgrund ihrer planen Flächen aneinanderhaften. Die Fließgrenze könnte
steigen, da mehr Kraft aufgewendet werden muss, um die Partikel wegen der größeren
Kontaktflächen zum Fließen zu bringen. Die Oberflächenstruktur kann ebenfalls das
Fließverhalten beeinflussen. Bei rauen und zerklüfteten Partikeln kann das Aneinandergleiten
aufgrund der eckigen und spitzen Kanten erschwert werden. Durch eine unregelmäßige Form
erhöht sich auch die Oberfläche, die mit Fett umhüllt werden muss. Die zusätzlich aufgebrachte
Menge an z.B. Kakaobutter fehlt dann für ein besseres Fließen der Schokolade. Weiterhin
werden auch nicht mehr die Lücken zwischen den Partikeln optimal ausgefüllt, was zur Senkung
der Packungsdichte führt (Do, 2007).
Abb. 7: Beispiele von Auswirkungen versch. Partikelformen auf die Kontaktfläche
Interessant für morphologische Untersuchungen ist auch die Porosität von Partikeln. So stellte
Scheruhn (2000) fest, dass sich aufgrund der Porosität von Sprühmilchpulver die
Fließeigenschaften der Schokolade verschlechtern. In den Poren sammelt sich das Fett, wird
dadurch immobilisiert und steht dem Fließvorgang nicht mehr zur Verfügung. Wie eingangs
erwähnt, sollten die Partikel einer Schokolade möglichst kugelförmig sein. Jedoch patentierte die
Firma Kraft Foods (2007) ein Verfahren, bei dem faserförmiges Milchpulver einer Schokoladen-
suspension zugesetzt wurde. Die Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 18,5 μm wurden
mittels eines Spinnprozesses hergestellt und hatten ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von ca.
4. Es wurde festgestellt, dass durch die Beimischung von länglichen, faserförmigen Partikeln das
Fließverhalten verbessert wurde. Dies kann dadurch erklärt werden, dass sich faser- und
plättchenförmige Partikel bei laminaren Strömungsverhältnissen in Strömungsrichtung
orientieren. Bei zunehmender Orientierung der Fasern sinken der Fließwiderstand und damit
auch die Viskosität (Mezger, 2000).
18
Fraglich ist auch, wie sich der Zerkleinerungsprozess auf die Partikelform auswirkt. Es kann
vermutet werden, dass bei der Walzenzerkleinerung eher flache, runde Plättchen erzeugt werden
und bei der Zerkleinerung mit einer Kugelmühle eher unregelmäßige geformte Partikel. Neben
der klassischen Mikroskopie eignen sich neue Verfahren, wie z.B. die computergestützte
Bildanalyse, für die Untersuchung der Partikelform von Schokoladensuspensionen. Zurzeit
wurden bisher noch keine oder wenige Untersuchungen zur Formcharakterisierung von
Schokoladenpartikeln unternommen, wohl aber in anderen Industriebereichen. So untersuchte
Chevalier (2010) u.a. die Zirkularität von hergestellten Kalziumphosphatpellets für den
medizinischen Bereich mit Hilfe der automatischen Bildanalyse. Yu (2009) verwendete die
Bildanalyse zur Untersuchung der Form von Abwasserpartikeln, um Aussagen über die Effizienz
des Absetzprozesses treffen zu können. Bereits 1992 verwendete Houghton die Formparameter
Rundheit und Elongation zur Charakterisierung von Partikeln. Durch Messungen der Fläche,
Breite und Länge von je 25 Partikeln (u.a. Quarzsand) und anschließender Berechnung mit
einem Computer konnten die Formparameter bestimmt werden. Die technischen Möglichkeiten
waren noch sehr begrenzt, weshalb nur eine geringe Menge an Partikeln analysiert wurde. Nach
Tscheuschner (2004) sollten für eine hohe statistische Sicherheit mindestens 300 Partikel
analysiert werden.
19
3 Material und Methoden
In diesem Teil der Arbeit wird beschrieben, welches Material und welche Methoden für die
praktische Durchführung dieser Thesis angewendet wurden. Dazu wird zunächst kurz ein kurzer
Überblick über die Versuchsplanung und das Versuchsziel gegeben. Anschließend erfolgt ein
Überblick über die Versuchsdurchführung. Abschließend werden die analytischen und
statistischen Methoden erläutert, um die Ergebnisse der unterschiedlichen Versuche zu
interpretieren.
3.1 Versuchsplanung
Wie bereits in der Einleitung dieser Arbeit erwähnt, war es das Ziel, den Einfluss verschiedener
Zerkleinerungsverfahren auf die Partikelform sowie die Partikelgrößenverteilung von
Schokolade sowie der einzelnen Rezepturbestandteile zu ermitteln. Dabei sollte untersucht
werden, inwieweit es nach der Zerkleinerung mit einem Walzwerk oder einer Kugelmühle zu
Unterschieden hinsichtlich der Partikelform einer Schokolade kommt. Des Weiteren wurden
ebenso die Zutaten einer Schokolade einzeln mit einem Walzwerk und mit einer Kugelmühle
vermahlen, um zu untersuchen, wie sich der Zerkleinerungsvorgang auf die Partikelform
auswirkte. Dazu zählen die Rezepturbestandteile Zucker und Magermilchpulver sowie die
Kakaomasse, dessen Feststoffanteil ebenfalls zerkleinert wurde. Die Vermutung war, dass bei
einer Zerkleinerung mit dem Walzwerk die Partikel flach und rund geformt werden, wohingegen
bei einer Vermahlung mit der Kugelmühle eher Partikel mit einer unregelmäßigen Form erzeugt
werden.
Für die Herstellung der einzelnen Proben wurden insgesamt 8 Versuche geplant. Dabei wurden 4
Versuche mit dem Walzwerk und 4 Versuche mit einer Kugelmühle durchgeführt. Die einzelnen
4 Versuche je nach der Zerkleinerungsmethode bestanden aus der Vermahlung einer
Standardschokolade sowie der Einzelzerkleinerung von Magermilchpulver, Kakaomasse und
Zucker. Für spätere genauere Ergebnisse wurde jeder Versuch doppelt durchgeführt.
Normalerweise erfolgt nach der Walzenzerkleinerung der Conchiervorgang. Dieser Schritt
entfiel bei den Versuchen, da vorrangig eine ausreichende Zerkleinerung der Versuchsproben
erzielt werden sollte. Die Tab. 1 zeigt einen Überblick über die einzelnen Versuche, die mit dem
Walzwerk und der Kugelmühle durchgeführt worden sind. Die Zerkleinerung von Zucker mit
dem Walzwerk und der Kugelmühle sowie die analytische Untersuchung dieser Proben wurden
zusammen mit Herrn Meißner im Rahmen eines Master Projects der Hochschule
20
Neubrandenburg im Mai/Juni 2011 durchgeführt. Die daraus ermittelten Erkenntnisse fließen in
diese Thesis mit ein.
Tab. 1: Übersicht aller getätigten Zerkleinerungsversuche
Zerkleinerung mit der
Kugelmühle
Zerkleinerung mit dem
Walzwerk
Zucker Versuch 1 Versuch 5
Magermilchpulver Versuch 2 Versuch 6
Kakaomasse Versuch 3 Versuch 7
Schokolade Versuch 4 Versuch 8
3.2 Versuchsdurchführung
3.2.1 Rohstoffe und Rezepturen
Für die Versuche wurde als Basis die Herstellung einer Milchschokolade gewählt. Die nötigen
Zutaten sind hierfür Zucker, Magermilchpulver, Kakaomasse, Kakaobutter, Butterreinfett und
Lecithin. Da das Ziel dieser Arbeit lediglich die Untersuchung der Partikeleigenschaften ist und
keine rheologischen oder sensorischen Tests unternommen worden sind, wurde anstelle der
Kakaobutter und des Butterreinfetts Sonnenblumenöl verwendet. Kakaobutter und Butterreinfett
sind teure Produkte. Durch die Nutzung von Sonnenblumenöl konnten so auch Kosten eingespart
werden. Allerdings darf diese Variante laut der Richtlinie 2000/36/EG des europäischen
Parlaments und des Rates nicht als Milchschokolade bezeichnet werden. Zum einen ist der
Zusatz von anderen pflanzlichen Fetten als Kakaobutter bis zu einem Anteil von maximal 5%
des Gesamterzeugnisses zulässig. Zum anderen darf auch nicht der Mindestgehalt an
Kakaobutter oder Gesamtkakaotrockenmasse unterschritten werden. Ferner sollten die
zugesetzten pflanzlichen Fette Kakaobutteräquivalente sein.
In der Tab. 2 sind alle verwendeten Rohstoffe sowie deren Hersteller aufgeführt.
21
Tab. 2: Liste der verwendeten Rohstoffe und deren Hersteller
Zutat Hersteller Firmensitz
Zucker Nordzucker Braunschweig, Deutschland
Magermilchpulver Lactoland Dülmen, Deutschland
Kakaomasse Kakao Verarbeitung Berlin Berlin, Deutschland
Lecithin Lipoid Ludwigshafen, Deutschland
Sonnenblumenöl Tip Düsseldorf, Deutschland
Für die Herstellung der Schokolade wurde eine an der Hochschule Neubrandenburg entwickelte
Basisrezeptur verwendet. Der Gesamtfettgehalt der Schokolade liegt bei ca. 30 %. Die Tab. 3
zeigt die einzelnen Zutaten, ihren Anteil an der Gesamtrezeptur, den Fettgehalt jeder einzelnen
Zutat sowie den jeweiligen prozentualen Anteil des Gesamtfettgehaltes.
Tab. 3: Basisrezeptur der Milchschokolade
Zutaten
Anteil
in %
Fettgehalt
der Zutat in %
Anteil Fett im Mix
in %
Kakaomasse 13,0 55,0 7,2
Kakaobutter 17,6 100,0 17,6
Zucker 50,2 0,0 0,0
Magermilchpulver 13,7 1,0 0,1
Butterreinfett 4,8 99,8 4,8
Lecithin 0,7 94,0 0,7
Total 100,0 - 30,3
Wie zuvor bereits erwähnt, wurden die Kakaobutter und das Butterreinfett durch
Sonnenblumenöl bei den Versuchen ersetzt. Auf diese Weise konnte der Gesamtfettgehalt bei ca.
30 % gehalten werden, um den Zerkleinerungsprozess durchführen zu können. In der Tab. 4 sind
die einzelnen Rezepturen für die Versuche mit der Kugelmühle aufgelistet. Da der Fettgehalt von
Kakaomasse mit 55 % schon über dem Fettgehalt der Standardrezeptur liegt, entfiel bei dem
Versuch das Zusetzen von Sonnenblumenöl.
22
Bei der Walzenzerkleinerung wurde die Basisrezeptur angepasst. Da ein Conchieren der
hergestellten Massen entfiel, bei dem normalerweise die restliche Kakaobutter und Lecithin
zugegeben werden, enthielt das Endprodukt 26 % Fett. Die Walzenzerkleinerung erfolgte in 3
Schritten und unterteilte sich in Vorwalzen, Feinwalzen und Feinstwalzen. Die
Ausgangsmischung der Zutaten enthielt 23 % Fett. Die Zugabe von Sonnenblumenöl zwischen
den Walzvorgängen variierte je nach Versuch. Bei der Walzenzerkleinerung von der Schokolade
und dem Zucker wurde vor dem Feinstwalzen auf 26 % aufgefettet. Bei der Magermilch-
zerkleinerung wurde bereits vor dem Feinwalzen auf 26 % aufgefettet. Aufgrund des hohen
Eigenanteils an Fett von 55 % entfiel die Zugabe von Sonnenblumenöl bei der Zerkleinerung
von der Kakaomasse. Die einzelnen Rezepturen der Walzversuche von Schokolade,
Magermilchpulver und Zucker sind in der Tab. 5 bis Tab. 7 mit den Angaben der Fettgehalte
während der Walzenschritte dargestellt.
Tab. 4: Rezepturen der Kugelmühlenversuche
Zutaten
Anteil
in %
Fettgehalt der
Zutat in %
Anteil Fett im
Mix in %
Schokolade Kakaomasse 13,0 55,0 7,2
Zucker 50,2 0,0 0,0
Magermilchpulver 13,7 1,0 0,1
Sonnenblumenöl 22,4 100,0 22,4
Lecithin 0,7 94,0 0,7
Total 100,0 - 30,3
Zucker Zucker 69,5 0,0 0,0
Sonnenblumenöl 29,8 100,0 29,8
Lecithin 0,7 94,0 0,7
Total 100,0 - 30,5
Milchpulver Magermilchpulver 69,5 1,0 0,7
Sonnenblumenöl 29,8 100,0 29,8
Lecithin 0,7 94,0 0,7
Total 100,0 - 31,2
Kakaomasse Kakaomasse 100,0 55,0 55,0
Total 100,0 - 55,0
23
Tab. 5: Rezeptur der Schokolade bei der Walzenzerkleinerung
Zutaten für Vor- und
Feinwalzen
Anteil
in %
Fettgehalt
der Zutat in
%
% Fett im
Endprodukt
% Fett im
Ausgangs-
mix
Schokolade Kakaomasse 13,9 55,0 7,6 8,0
Zucker 52,9 0,0 0,0 0,0
Magermilchpulver 15,0 1,0 0,2 0,2
Sonnenblumenöl 14,3 100,0 14,3 14,9
Gesamt 96,1 - 22,1 23,0
Zugabe zum Feinstwalzen:
Sonnenblumenöl 3,9 100,0 3,9 -
Gesamt 100,0 - 26,0 -
Tab. 6: Rezeptur bei der Walzenzerkleinerung von Magermilchpulver
Zutaten für
Vorwalzen
Anteil
in %
Fettgehalt
der Zutat
in %
% Fett im
Endprodukt
% Fett im
Ausgangs-
mix
Mager-
milchpulver
Magermilchpulver 74,8 1,0 0,7 0,8
Sonnenblumenöl 21,4 100,0 21,4 22,2
Gesamt 96,1 - 22,1 23,0
Zugabe zum Fein- und Feinstwalzen:
Sonnenblumenöl 3,9 100,0 3,9 -
Gesamt 100,0 - 26,0 -
24
Tab. 7: Rezeptur bei der Walzenzerkleinerung von Zucker
Zutaten für Vor- und
Feinwalzen
Anteil
in %
Fettgehalt
der Zutat in
%
% Fett im
Endprodukt
% Fett im
Ausgangs-
mix
Zucker Zucker 74,0 0,0 0,0 0,0
Sonnenblumenöl 22,1 100,0 22,1 23,0
Gesamt 96,1 - 22,1 23,0
Zugabe zum Feinstwalzen:
Sonnenblumenöl 3,9 100,0 3,9 -
Gesamt 100,0 - 26,0 26,0
3.2.2 Zerkleinerung der Versuchsproben
3.2.2.1 Zerkleinerung mit der Kugelmühle
Die Zerkleinerungsversuche mit der Kugelmühle wurden mit der in der Abb. 8 dargestellten
„Pulverisette 6“ der Firma Fritsch (Idar-Oberstein, Deutschland) durchgeführt. Sie ist eine Mühle
mit einem kleinen Fassungsvermögen von bis zu 500 ml und ist deshalb lediglich für
Laborarbeiten geeignet.
Abb. 8: Planetenkugelmühle „Pulverisette 6“ der Fa. Fritsch (Krüger, 2007)
25
Aufgrund der Drehbewegungen während des Mahlvorgangs zählt sie zu den Planetenkugel-
mühlen. Das Prinzip des Zerkleinerungsvorgangs zeigt die Abb. 9. Der mit dem Mahlgut und
Kugeln gefüllte Mahlbehälter ist exzentrisch auf einer Platte gelagert. Nach dem Start des
Mahlvorgangs dreht sich die Platte, während sich der Mahlbehälter um die eigene Achse in
entgegengesetzter Richtung wie auf einer Planetenlaufbahn bewegt. Durch die Zentrifugalkraft,
kommt es zu einem ständigen Anlagern und Lösen der Kugeln an der Innenwand des Behälters.
Das Mahlgut wird dabei an der Behälterwand wegen der hohen Energie während des Aufpralls
von den Kugeln zerkleinert (Fritsch, 2012).
Abb. 9: Wirkprinzip der Kugelmühle bei unterschiedlichen Drehbewegungen (Fritsch, 2012)
Vor dem Start des Mahlvorgangs wurden für jeden einzelnen Versuch die Zutaten, wie in Tab. 4
aufgeführt, abgewogen und vermischt. Die Kakaomasse und das Lecithin wurden kurz vor der
Vermischung aus dem 50°C temperierten Klimaschrank geholt. Für die Versuche wurde ein
Kugel-Mahlgut-Verhältnis von 3:1 gewählt. 600 g Edelstahlkugeln mit einem Durchmesser von
4,75 mm wurden zusammen mit etwa 200 g Versuchsprobe in den Mahlbehälter gefüllt und fest
verschlossen. Anschließend wurde der Mahlbehälter in die Mühle eingespannt und der Deckel
verschlossen.
Die Zerkleinerung erfolgte bei einer Drehgeschwindigkeit von 600 min-1. Nach jeweils 5 min
wurden die Temperatur der Probe und die Partikelgröße mit einer Mikrometerschraube
gemessen. Bei einer zu hohen Temperatur von über 50°C wurde die Zerkleinerung für einige
Minuten unterbrochen, bis die Temperatur auf etwa 40°C sank. Der Mahlvorgang wurde bei
Erreichen einer Partikelgröße von ca. 25 μm beendet. Mit einem Sieb wurden die Kugeln
26
abgetrennt und für die nächsten Versuche gereinigt. Die hergestellten Proben wurden bis zur
analytischen Untersuchung bei 50°C im Klimaschrank gelagert.
3.2.2.2 Zerkleinerung mit dem Walzwerk
Die konventionelle Zerkleinerung der Schokolade, Kakaomasse, Magermilchpulver und Zucker
erfolgte mit dem Dreiwalzwerk WDLH 300 der Firma Lehmann (Aalen, Deutschland). Die Abb.
10 zeigt schematisch das Prinzip des genutzten Dreiwalzwerks. Es besteht aus drei
temperierbaren Walzen, die von einem Motor angetrieben werden. Über ein Potentiometer ist die
Geschwindigkeit der Walzenrotation regulierbar, wobei die Drehzahl von Walze zu Walze
zunimmt. Das Mahlgut wird zwischen den Walzen 1 und 2 aufgegeben. Durch den eingestellten
Anpressdruck im Spalt 1 werden der Durchsatz und die Partikelgröße geregelt. Der
Anpressdruck im Spalt 2 ist höher und richtet sich nach der Einstellung im Spalt 1. Er wird so
angepasst, dass sich auf der Walze 3 ein dünner Film bildet und kein Mahlgut zwischen den
Walzen herunterfällt. Die Walzendrücke werden durch das Anpressen der äußeren Walzen an die
innere feststehende Walze reguliert. Ein an der Walze 3 enganliegendes Schabemesser streift
zum Schluss das Mahlgut von der Walze.
Abb. 10: Schematische Darstellung der Zerkleinerung mit einem Labor-Dreiwalzwerk
(Bolenz, 2008)
Vor Beginn der Zerkleinerungsversuche mit dem Dreiwalzwerk wurden die Walzen temperiert,
um ein Auskristallisieren der in der Kakaomasse enthaltenen Kakaobutter zu vermeiden. Über
einen Wasseranschluss wurden die Walzen auf ca. 45°C aufgeheizt, indem warmes Wasser den
Doppelmantel der Walzen durchströmt. Anschließend wurden noch der Trichter für die
27
Mahlgutaufgabe sowie das Schabemesser installiert. Für die Zerkleinerung wurden die Zutaten
für 1 kg Ausgangsmasse laut der Rezeptur eingewogen, vermischt und bis kurz vor Beginn der
Zerkleinerung im Klimaschrank bei 50°C gelagert.
Tab. 8: Walzendruckeinstellungen und Fettgehalt bei den Walzschritten
Walzschritt
Druck Walze 1
in bar
Druck Walze 3
in bar
Fettgehalt
in %
Schokolade Vorwalzen 80 100 23
Feinwalzen 100 120 23
Feinstwalzen 100 120 26
Zucker Vorwalzen 80 100 23
Feinwalzen 100 120 23
Feinstwalzen 100 120 26
Magermilchpulver Vorwalzen 80 100 23
Feinwalzen 100 120 26
Feinstwalzen 100 120 26
Kakaomasse Vorwalzen 60 80 55
Feinwalzen - - -
Feinstwalzen - - -
Die Walzenzerkleinerung erfolgte in 3 Durchgängen bestehend aus dem Vorwalzen, Feinwalzen
und Feinstwalzen. Für das Anfahren des Dreiwalzwerks wurde an beiden äußeren Walzen ein
Druck von 50 bar eingestellt. Das Potentiometer wurde auf Stufe 8 gestellt, was einer Frequenz
von ca. 40 Hz entspricht. Für das Vorwalzen wurde ein Anpressdruck von 80 bar an Walze 1 und
100 bar an Walze 3 gewählt. Für das Feinwalzen und Feinstwalzen wurde der Druck auf 100 bar
an Walze 1 und 120 bar an Walze 3 erhöht. Die Zerkleinerung der Kakaomasse wurde bei
niedrigeren Drücken von 60 bzw. 80 bar bereits nach dem Vorwalzen beendet. Eine
Zwischenmessung der Partikelgröße ergab hierbei eine ausreichende Zerkleinerung. Zwischen
den Walzschritten wurden die zerkleinerten Versuchsproben gewogen, um die nötige Zugabe
von Sonnenblumenöl für die Auffettung auf 26 % zu berechnen. Bei den Versuchen mit
Schokolade und Zucker wurde vor dem Feinstwalzen, bei der Zerkleinerung des
28
Magermilchpulvers bereits vor dem Feinwalzen aufgefettet. Die Tab. 8 zeigt die Druck-
einstellungen während der Walzendurchgänge sowie den Zeitpunkt der Auffettung auf 26 %.
3.3 Analytische Methoden
In diesem Abschnitt werden die Methoden erläutert, die bei der Analyse der hergestellten
Versuchsproben angewendet wurden. Dabei wurde die Partikelgröße bestimmt sowie die
Partikelform charakterisiert.
3.3.1 Messung der Partikelgröße
Zur Bestimmung der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung der einzelnen
Schokoladenbestandteile sowie der Schokolade wurde das Laserbeugungsspektrometer
„Mastersizer 2000“ der Firma Malvern Instruments (Worcestershire, United Kingdom)
verwendet. Das Gerät hat einen Messbereich für Partikel mit einem Durchmesser von 0,1 bis
1000 μm.
Die Grundlage für die Messung ist die Fähigkeit von Partikeln, das Licht in einem parallelen
Laserstrahl unterschiedlich stark zu beugen. Die Abb. 11 zeigt schematisch das Messprinzip. Das
von einem Helium-Neon-Laser erzeugte Licht wird dabei von großen Partikeln wenig und von
kleinen Partikeln stark gebeugt. Das erzeugte Beugungsspektrum wird mit ringförmigen
Detektoren erfasst. Die Daten werden an einen Computer gesendet und von der Software
ausgewertet. Dabei werden die Ergebnisse als Volumenverteilung angegeben, weil die
Partikelgröße als Volumen einer volumengleichen Kugel angegeben wird. Für eine genaue
Messung sollten die zu messenden Partikel annähernd kugelförmig sein. Die Genauigkeit der
Messung nimmt bei zunehmender Abweichung der realen Partikelform von der Kugel ab
(Bolenz, 2008; Tscheuschner, 2004).
29
Abb. 11: Prinzip der Laserbeugung an einer Partikelfraktion (Stieß, 1995)
Als Ergebnis der Partikelgrößenmessungen wurden von der Software „Mastersizer“ die Werte
X10, X50, X90, der Span und die spezifische Oberfläche berechnet. Diese Parameter sind
volumengewichtet und charakterisieren die Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung. Ein
X90-Wert von 30 μm gibt z.B. an, dass 90 Volumenprozent der Partikel einen Durchmesser
kleiner als 30 μm besitzen. Der Span gibt die Breite der Verteilung an und ergibt sich wie folgt:
Span = X90-X10
X50
(3.1)
Hierbei gilt, je kleiner der Span ist, desto enger ist die Verteilung der Partikel. Die spezifische
Oberfläche in m2/cm3 gibt das Verhältnis der gesamten Partikeloberfläche zu dem gesamten
Partikelvolumen an. Enthält die Probe viele kleinere Partikel, dann steigt die spezifische
Oberfläche.
In einem Diagramm lässt sich auch die Dichteverteilung grafisch darstellen. Dabei wird der
Mengenanteil von Partikeln einer Klasse in Abhängigkeit von der Klassenbreite auf der Ordinate
abgebildet. Die Partikelgröße wird logarithmisch auf der Abszisse aufgetragen. Auf diese Weise
können Aussagen zu der Modalität der Verteilung getroffen werden und bei evtl. vorliegenden
bimodalen Verteilungen die jeweiligen Anteile diskutiert werden (Tscheuschner, 2004). Häufig
wird die Dichteverteilung als Histogramm mit den jeweiligen Klassenbreiten dargestellt. Darauf
basierend ist eine Darstellung mit Linien besser geeignet, wenn die Dichteverteilungen mehrerer
Proben miteinander verglichen werden soll. Die Abb. 12 zeigt als Beispiel die
30
Partikelgrößenverteilungen von gewalzter Kakaomasse und Schokolade. Dabei weisen beide
Proben eine unimodale Verteilung auf.
Abb. 12: Partikelgrößenverteilung dargestellt als Dichteverteilung
Für die Messung der Partikelgröße wurde etwa 1 g der aufgeschmolzenen Probe zusammen mit
etwa 25 ml Sonnenblumenöl in einem Mörser vermischt. Das Sonnenblumenöl wurde dabei
zuvor auf 50°C erwärmt. Wenn keine Verklumpungen mehr zu erkennen waren, wurde die
Mischung in 3 verschließbare Reagenzgläser gefüllt. Anschließend wurden die Proben für 15
min bei 40°C einem Ultraschallbad unterzogen, um restliche Verklumpungen und Agglomerate
aufzulösen. Das Laserbeugungsspektrometer verfügt über einen Vorratsbehälter, der mit einem
Rührwerk Sonnenblumenöl durch das optische System pumpt. Die Drehzahl des Rührwerks
betrug 3500 min-1. Das Gerät führte am Beginn eine Hintergrundmessung durch. Nach der
Hintergrundmessung wurde die Probe vorsichtig geschüttelt und bis zu einer optischen
Konzentration von ca. 20 % in den Vorratsbehälter gefüllt. Ein Messvorgang bestand aus 3
Einzelmessungen und dauerte je 30 s. Die Software berechnete die Partikelgröße nach dem
Fraunhofer-Modell und gab als Ergebnis die X10-, X50-, X90-Werte, den Span und die
spezifische Oberfläche an. Die Partikelgrößenmessung einer Probe wurde dreimal durchgeführt.
Particle Size Distribution
0.1 1 10 100
Particle Size (μm)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
Volu
me (
%)
Kakaomasse Walze
Schokolade Walze
31
Da die Zerkleinerungsversuche jeweils doppelt durchgeführt worden sind, waren 6 einzelne
Messungen vorhanden, aus denen das arithmetische Mittel, die Standardabweichung und der
Variationskoeffizient mit einem Tabellenkalkulationsprogramm berechnet wurden.
3.3.2 Messung der Partikelform
3.3.2.1 Aufbau und Messprinzip des Mikroskops für die automatische Bildanalyse
Zur Bestimmung der Partikelform der einzelnen Schokoladenbestandteile sowie der Schokolade
wurde das Morphologi G3 der Firma Malvern Instruments (Worcestershire, United Kingdom)
verwendet. Grundlage hierbei ist das Prinzip der Mikroskopie. Ähnlich wie bei der klassischen
Mikroskopie wird hier ein Objekt mit Hilfe eines Objektivs vergrößert und automatisch als Bild
digital erfasst. Die Messung der Proben mit dem Morphologi G3 zählt zu den statischen
Verfahren der Bilderfassung, d.h. eine Probe wird z.B. zwischen 2 Glasplatten oder auf einem
Objektivträger „in Ruhe“, also ohne Bewegung, vermessen. Der Messbereich des Gerätes
umfasst einen Größenbereich der Partikel von 0,5 bis 1000 μm.
Die Abb. 13 zeigt das Morphologi G3 bei seiner Nutzung. Neben dem Morphologi G3 werden
für die Messungen ein PC mit der installierten Software „Morphologi“ von Malvern Instruments
für die Steuerung des Gerätes, für die Messung einer Probe sowie der Auswertung der Messdaten
benötigt. Außerdem gehören 2 Bildschirme zum Equipment. Das ist sofern hilfreich, weil auf
dem einem Bildschirm die gesamte Messung gesteuert und bearbeitet werden kann, während auf
dem zweiten Bildschirm parallel das mikroskopische Bild der Probe dargestellt werden kann. Es
ist zwar auch möglich, sich das mikroskopische Bild der Probe in einem Fenster der Software
„Morphologi“ anzuschauen, jedoch die Bildgröße entscheidend geringer ist. Der Vorteil eines
Extra-Bildschirms ist also neben der praktischeren Bedienung auch eine bessere und größere
Bildqualität einer Probe auf dem Bildschirm.
32
Abb. 13: Morphologi G3 Übersicht (Malvern, 2012)
Wichtige Elemente des Morphologi G3 sind die optische Einheit, eine Dispergiervorrichtung
sowie ein beweglicher Objekttisch. Zur optischen Einheit gehören eine im Gehäuse eingebaute
Digitalkamera und ein Objektivwechselrevolver mit folgenden Vergrößerungsstufen: 2,5fach,
5fach, 10fach, 20fach und 50fach. Der Vergrößerungsfaktor eines Objektes von der Kamera auf
einen 17-Zoll Bildschirm beträgt 48. Somit erreicht man maximal eine 2400-fache Vergrößerung
(auf einem 17-Zoll Bildschirm) bei Verwendung des Objektivs mit der 50-fachen Vergrößerung.
Für die Steuerung des Objekttischs (Teil des Morphologi G3) wird ein Joystick verwendet. Mit
ihm wird der Objekttisch horizontal in 2 Richtungen bewegt. Bei der manuellen
mikroskopischen Untersuchung mit dem Morphologi G3 können so durch Veränderung der
Position des Objekttischs in der Breite sowie in der Tiefe verschiedene Areale der zu
untersuchenden Probe betrachtet werden. Seitlich am Joystick befindet sich ein Drehknopf für
die Feinfokussierung. Somit werden durch vertikale Änderungen des Objektivs in der Höhe
scharfe Bilder der Probe erzeugt. Die Bewegungen in alle 3 Richtungen Höhe, Breite und Tiefe
können auch manuell mit der Software „Morphologi“ gesteuert werden, ist aber mit dem
Joystick schneller und leichter zu handhaben.
33
Je nach Art der Probe oder der Messmethode kann in den Objekttisch die dafür jeweilige
notwendige Hilfsapparatur eingesetzt werden. Mit dem Morphologi G3 können trockene Proben,
wie z.B. pulverartige Materialien, vermessen werden. Proben dieser Art werden auf einer in den
Objekttisch eingesetzten Glasplatte verstreut und mikroskopiert. Die Probenaufgabe erfolgt bei
dieser Variante mittels einer Dispergiervorrichtung, genannt Sample Dispersion Unit (SDU). Die
SDU ist druckluftbetrieben und in das Morphologi G3 integriert. Bei dieser Art der
Probenvorbereitung wird eine kleine Menge eines Pulvers im Kopf der SDU durch einen kurzen
Druckluftstoß innerhalb des zylindrischen Hohlkörpers der SDU aufgewirbelt. Die SDU ist
währenddessen fest auf der Glasplatte aufgesetzt. Nach einer vorher bestimmten Absetzzeit löst
sich die SDU von der Glasplatte und die Partikel können vermessen werden. Durch den Einsatz
der SDU kommt es somit zu einer guten Vereinzelung der Partikel. Die Messergebnisse werden
somit nicht durch übereinander gelagerte Partikel verfälscht.
Weiterhin ist es möglich, einzelne Proben auf Objektivträgern zu messen. Dazu können bis zu 4
Objektivträger in eine dafür vorgesehen Apparatur eingesetzt werden. Diese Apparatur kann
anstelle der Glasplatte in den Objekttisch eingelegt werden. Damit können sowohl pulverartige
Materialien als auch „nasse“ Proben wie etwa Suspensionen analysiert werden.
Da eine trockene Vermessung einiger Materialien manchmal nicht möglich ist, können mit dem
Morphologi G3 auch Proben nass vermessen werden. Diese Methode bietet sich für die Analyse
von Schokoladenpartikel oder deren einzelnen Bestandteilen an. Für die Messung wird eine
aufgeschmolzene Schokoladenprobe stark mit Pflanzenöl verdünnt und in eine spezielle
Nasszelle gefüllt. Diese Nasszelle wird in den Objekttisch eingesetzt und die Partikel können
vermessen werden. Die Nasszelle besteht aus 2 kleinen Glasplatten umrahmt von zwei
magnetisch verschließbaren Metallplatten. Zwischen die Platten wird eine dünne Ringdichtung
aus Kunststoff eingelegt. Somit wird einerseits Raum für die zu messende Probe in der Nasszelle
geschaffen, andererseits wird durch die Abdichtung ein Austreten des Öls verhindert. In der Abb.
14 ist schematisch das Prinzip der Messung mit der Nasszelle dargestellt. Die Partikel liegen fein
verteilt zwischen den beiden Glasplatten. Unterhalb des Objekttischs befindet sich die
Lichtquelle. Die Kamera erstellt durch ein Objektiv digitale Bilder der Probe.
34
Abb. 14: Schematische Darstellung des Messprinzips mit der Nasszelle
Bei der Messung mit der Nasszelle ist es wichtig, dass sich während der Messung keine Partikel
mehr im Schwebezustand befinden. Nur bei nahezu vollständiger Absetzung der Partikel kann
eine genaue Formbestimmung stattfinden. Vor der Analyse der Partikel wird eine
Feinfokussierung vorgenommen, um die richtige Brennweite einzustellen. Idealerweise sollten
alle Partikel im gleichen Fokus scharf zu messen sein. Die Abb. 15 zeigt beispielhaft, dass sich 3
Partikel abgesetzt haben und im richtigen Fokus vermessen werden können. Sollten sich dennoch
Partikel im Schwebezustand befinden, können sie während der Messung nicht genau erfasst
werden und liefern ungenaue Ergebnisse.
Abb. 15: Unterschiedliche Lage von Partikeln im Fokus
35
Bei der Messung mit Pflanzenöl kann es einige Zeit dauern bis sich alle Partikel auf der unteren
Glasplatte abgesetzt haben, mitunter einige Stunden. Bei Verwendung von weniger viskosen
Dispersionsmitteln sinkt die Absetzzeit.
Unterhalb des Objekttischs befindet sich die Aperturblende (Aperture Diaphragm Lever ADL).
Sie ist eine kreisförmige Blende, die sich durch einen Hebel öffnen oder schließen lässt. Dadurch
wird das Strahlungsbündel des von unten scheinenden Lichts vergrößert oder verringert. Durch
Schließen der Aperturblende verringert sich so das Streulicht. Gleichzeitig wird die Probe
weiterhin optimal und homogen ausgeleuchtet. Auf diese Weise kann ein besserer Kontrast
zwischen den Rändern der Partikel und des Dispersionsmittels (hier Pflanzenöl) sowie eine
größere Schärfentiefe erreicht werden (Linkenheld, 2012; Volgger, 2008). Dieser Kontrast-
unterschied ist sehr gut in der Abb. 16 zu sehen. Auf dem linken Bild wurde Schokolade bei
geöffneter Aperturblende mikroskopiert. Laut Herstellerangaben von Malvern Instruments ist
hier die Aperturblende zu 80-90 % geöffnet. Der Hebel für die Einstellung der Blende ist dabei
in eine Aussparung eingerastet. Für die Aufnahme des Bildes auf der rechten Seite wurde der
Hebel nach rechts verschoben, so dass die Aperturblende nur noch zu 20-30 % geöffnet ist. Man
kann deutlich eine Verbesserung des Kontrastes bei den einzelnen Schokoladenpartikeln
erkennen. Die Prozentangaben sind lediglich Schätzungen, da keine Skalierung für den Hebel
der Aperturblende vorhanden ist.
Abb. 16: Vergleich des Kontrastes bei geöffneter Aperturblende (links) und nahezu ge-
schlossener Aperturblende (rechts) am Beispiel von Schokolade
36
Während der Messung einer Probe werden die zu untersuchenden Partikel durch das Objektiv
vergrößert. Danach erfasst die Digitalkamera die nun optisch vergrößerte Probe und erstellt
davon 2D-Bilder. Die Software kann nun jedes Partikel einzeln darstellen. Dabei vergleicht ein
bestimmter Algorithmus die Pixel hinsichtlich ihrer Intensität auf einer Grauskala. Somit können
die Partikelpixel von den Hintergrundpixeln unterschieden werden (Crompton, 2005). Die Abb.
17 zeigt den Vorgang, wie aus einem 3D-Partikel mit Hilfe der Software ein vereinzeltes
digitales 2D-Bild erstellt wurde.
Abb. 17: Umwandlung eines 3D-Partikels in ein 2D-Partikel (Malvern, 2008)
Für die Bestimmung der Form- und Größeneigenschaften einzelner Partikel werden verschiedene
Parameter genutzt. Die Tab. 9 listet diese Parameter auf, erläutert kurz deren Definition und zeigt
zur besseren Veranschaulichung grafische Beispiele.
Tab. 9: Übersicht der Parameter für die Bestimmung der Formeigenschaften (Malvern, 2008)
Parameter Definition und Erläuterung Beispiel
Fläche A Die Fläche A beschreibt den Flächeninhalt eines
in 2D abgebildeten Partikels. Die Maßeinheit
wird mit μm2 angegeben, kann aber auch in
Pixeln erfolgen. Für die späteren Auswertungen
und Interpretationen der Messwerte ist die
Angabe in μm2 praktischer.
37
Parameter Definition und Erläuterung Beispiel
Umfang U Der Umfang U beschreibt die Länge der
äußeren Begrenzung eines Partikels. Dabei
werden alle äußeren Pixel, welche den Rand des
Partikels darstellen, zusammengezählt. Das
vereinfachte Beispiel auf der rechten Seite hat 5
unterschiedlich lange Seiten mit
unterschiedlicher Pixelanzahl. Der Umfang U
ergibt sich demnach aus der Summe aller
Seiten, also U=1+2+3+4+5. Der Umfang U
wird dann in μm angegeben.
Umfang U´ Der Umfang U´ beschreibt nicht den
tatsächlichen Umfang U, sondern ein das
Partikel umhüllenden gedachten Umfang. Zur
besseren Vorstellung denkt man sich einen
Faden, der einmal um das Partikel gewickelt
wurde. Die Länge des Fadens ist dann der
gedachte Umfang U´. In der Abbildung auf der
rechten Seite sieht man das Partikel in blau
dargestellt. Der gedachte Faden umhüllt das
Partikel und bildet praktisch eine neue Fläche
mit 4 Seiten. Der Umfang U´ ergibt sich
demnach aus der Summe aller Seiten, also
U´=1+2+3+4. Der Umfang U´ wird dann in μm
angegeben.
Länge L Bei der Ermittlung der Länge L eines Partikels
wird als Hilfsmittel die Hauptachse verwendet.
Die Hauptachse verläuft durch den
Schwerpunkt des Partikels. Die Neigung der
Hauptachse wird bestimmt durch den Winkel,
bei dem das drehende Partikel um die
Hauptachse die geringste Rotationsenergie
besitzt. Zeichnet man nun auf der Hauptachse
alle Punkte des Umfangs U parallel auf der
38
Parameter Definition und Erläuterung Beispiel
Hauptachse ab, dann ergibt der Abstand
zwischen den am weitesten voneinander
entfernten Punkten die Länge L. Die Länge L
wird in μm angegeben.
Breite B Bei der Ermittlung der Breite B eines Partikels
wird als Hilfsmittel die Nebenachse verwendet.
Sie verläuft ebenfalls durch den Schwerpunkt
des Partikels, befindet sich aber im rechten
Winkel zur Hauptachse. Wie bei der Ermittlung
der Länge L werden auch hier alle Punkte des
Umfangs U parallel abgezeichnet, allerdings auf
der Nebenachse. Der Abstand zwischen den am
weitesten voneinander entfernten Punkten ist
die Breite B und wird in μm angegeben.
3.3.2.2 Berechnung der Partikelgröße mit dem Morphologi G3
Das Morphologi G3 kann ebenfalls die Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung berechnen.
Dazu wird die ermittelte Partikelfläche in einen Kreis mit der gleichen Fläche umgewandelt. Der
Durchmesser dieses Kreises ist dann der Äquivalentdurchmesser dieses Partikels. Für eine
volumengewichtete Auswertung der Partikelgrößenverteilung sowie der Formanalyse wird dann
der Äquivalentdurchmesser für die Berechnung des Volumens eines Partikels von einer
volumengleichen Kugel verwendet. Die Ergebnisse der Partikelgrößenverteilung unterscheiden
sich stark von der Messung mittels Laserbeugung. Einerseits durch den unterschiedlichen
Messbereich, andererseits durch die unterschiedliche Ausrichtung der Partikel während der
Messung. Die Partikelgrößenmessung dient in dieser Arbeit zur Einteilung der Partikel in
verschiedene Teilchenfraktionen, um Vergleiche ziehen zu können.
3.3.2.3 Berechnung der Formparameter Zirkularität, Elongation und Konvexität
Fast alle Schokoladenpartikel haben eine unregelmäßige Form. Um zu bestimmen wie rund
gemessene Partikel sind, wird mit dem Morphologi G3 die Zirkularität bestimmt. Dabei wird die
39
Aussage getroffen, wie rund ein Partikel im Vergleich zu einem perfekten Kreis ist. Die
Zirkularität, auch Rundheit genannt, wird durch das Verhältnis des Umfangs eines Kreises mit
der gleichen Fläche des gemessenen Partikels zu dem real gemessenen Umfang des gemessenen
Partikels bestimmt. Zur besseren Veranschaulichung zeigt die Gleichung (3.2) die Grundformel
für die Berechnung. UK ist hier der Umfang des perfekten Kreises, UP ist der gemessene Umfang
des Partikels.
Zirkularität =UK
UP
(3.2)
Um den unbekannten Umfang UK zu berechnen, benötigt man noch die folgenden Formeln für
die Berechnung der Fläche A und des Durchmessers d eines Kreises:
A = π
4d
2
(3.3)
d =Uk
π
(3.4)
Setzt man nun Gleichung (3.4) in Gleichung (3.3) ein, dann erhält man folgenden Term:
A = π
4·
UK
π
2
= UK
2
4π
(3.5)
Stellt man diese Gleichung um, so erhält man UK. Die Gleichung für UK kann nun in die
Ausgangsformel (3.2) eingesetzt werden und erhält die Gleichung (3.7) für die Berechnung der
Zirkularität:
40
UK = 4πA
(3.6)
Zirkularität =UK
UP
= 4πA
UP
(3.7)
Für genaue und feinere Ergebnisse der Zirkularitätsmessung von Partikeln werden die Terme
oberhalb und unterhalb des Bruchstrichs quadriert und man erhält die HS Zirkularität (HS steht
für High Sensitivity). Die Gleichung (3.8) zeigt die Formel, mit der die Software Morphologi die
HS Zirkularität bestimmt, in der A die gemessene Fläche und UP der gemessene Umfang des
Partikels ist. Die HS Zirkularität ist einer der 3 verwendeten Parameter zur Untersuchung der
Partikelform. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird lediglich der Begriff Zirkularität
verwendet, ohne den Zusatz HS.
HS Zirkularität = 4πA
UP2
(3.8)
Die ermittelten Werte der Zirkularität sind dimensionslos und liegen zwischen 0 und 1. Sehr
unregelmäßige und stark zerklüftete Partikel haben einen Zirkularitätswert, der gegen 0 geht. Sie
haben im Gegensatz zum Äquivalentumfang UK einen hohen Partikelumpfang UP. Werden
rundere Partikel gemessen, so sinken die Unterschiede beider Umfänge, so dass höhere Werte
der Zirkularität zu erwarten sind. Für gute rheologische Eigenschaften von Schokoladen werden
runde Partikel bevorzugt, also Zirkularitätswerte gegen 1. Die Abb. 18 zeigt einige Beispiele der
Zirkularitätsbestimmung bei verschieden Partikelformen. Ein perfekter Kreis hat hierbei eine
Zirkularität von 1, ein Quadrat eine Zirkularität von 0,89. Zackige und zerklüftete Partikel haben
in der Regel sehr niedrige Rundheitswerte, wie in der Abb. 18 zu sehen ist. Vergleicht man diese
Beispiele miteinander, fällt auf, dass Partikel mit eher ungünstigen Formeigenschaften für die
Rheologie von Schokolade durchaus relativ hohe Werte annehmen können. Dies betrifft z.B. die
rechteckigen Partikelformen in der Abb. 18. Daher werden weitere Formparameter für die
Analyse der Partikelform benötigt.
41
Abb. 18: Beispiele von Zirkularitätswerten verschiedener Partikelformen (Malvern, 2008)
Ein weiterer Formparameter ist das Längen-Breiten-Verhältnis von Partikeln, der sogenannten
Elongation. Für die Berechnung der Elongation benötigt man die Länge L und die Breite B eines
Partikels. Wie die Länge und Breite eines Partikels ermittelt werden, wurde in Tab. 9 kurz
erläutert. Die Elongation ist die Differenz aus 1 und dem Verhältnis der Breite zu der Länge
eines Partikels. Sie wird mit folgender Gleichung berechnet:
Elongation = 1 - Breite
Länge
(3.9)
Die dimensionslosen Elongationsergebnisse von Partikeln nehmen auch hier wieder Werte
zwischen 0 und 1 an. Ist ein Partikel deutlich länger als seine Breite, so wird die Elongation
einen hohen Wert gegen 1 betragen. Ist das Verhältnis zwischen Länge und Breite eines Partikels
ausgewogen, dann wird der Elongationswert niedrig sein und gegen 0 tendieren. Ob der
ermittelte Elongationswert gut oder schlecht ist, richtet sich je nach dem Zweck der Partikelform
in einem Stoffsystem. Für die Schokoladenherstellung werden Partikel mit einem annähernd
ausgeglichenen Verhältnis der Breite und Länge von Schokoladenpartikeln benötigt. Der
Elongationswert sollte also möglichst gering sein. Die Abb. 19 zeigt einige Beispiele für
Elongationswerte von verschiedenen Partikelformen. Es ist zu sehen, dass kreis- und
quadratförmige Partikel einen guten Elongationswert von 0 erreichen. Wenn die Partikel jedoch
stäbchenförmiger oder elliptischer sind, erhöht sich der Elongationswert gegen 1. In dieser
Abbildung ist auch zu sehen, dass 2 unterschiedliche Formen den Elongationswert von ca. 0,8
annehmen: Die Elongationswerte der glatten und der zackigen Ellipsenform sind zwar annähernd
gleich, jedoch kann ihre Oberflächenform bei einer Schokoladenherstellung unterschiedlichen
42
Einfluss auf die Rheologie haben. Deshalb kann ein weiterer Formparameter zur Charak-
terisierung der Partikelform hilfreich sein.
Abb. 19: Beispiele von Elongationswerten verschiedener Partikelformen (Malvern, 2008)
Für die Charakterisierung der Oberflächenstruktur von Partikeln wird die Konvexität als
Formparameter herangezogen. Die Konvexität beschreibt, wie rau eine Oberfläche eines
Partikels ist. Wie zuvor erwähnt, können Partikel mit verschiedenen Oberflächenstrukturen zwar
ähnliche Zirkularitäts- oder Elongationswerte annehmen, aber einen unterschiedlichen Einfluss
auf das Fließverhalten aufweisen. Für ein gutes Fließverhalten von Schokolade wirken sich glatte
Partikeloberflächen aus. Raue und kantige Partikel haben einen negativen Einfluss auf die
Rheologie der Schokolade. Für die Berechnung der Konvexität, oder auch Rauheit genannt,
werden der tatsächliche Umfang U eines Partikels und der gedachte Umfang U´ benötigt. Wie
der Umfang U´ gebildet wird, wurde zuvor in Tab. 9 kurz beschrieben. Die Konvexität eines
Partikels ist das Verhältnis dieser beiden Umfänge und wird von der Software mit folgender
Gleichung berechnet:
Konvexität = U´
U
(3.10)
Dabei steht der tatsächliche Partikelumfang, welcher größer als der gedachte Umfang ist, im
Nenner der Gleichung, so dass auch hier wieder dimensionslose Werte zwischen 0 und 1
angenommen werden. Im Idealfall sind bei glatten Strukturen beide Umfänge gleich groß. Dann
43
beträgt die Konvexität 1. Beispiele von glatten Strukturen mit einem Rauheitswert von 1 sind in
der Abb. 20 dargestellt. Bei spitzen, rauen bzw. kantigen Partikeln sinkt die Konvexität gegen 0.
Abb. 20: Beispiele von Rauheitswerten verschiedener Partikelformen (Malvern, 2008)
3.3.2.4 Erstellung und Messung einer SOP
Die Vermessung von Partikeln einer Probe erfolgt mit dem Morphologi G3 automatisch. Dazu
wird einmalig vor Beginn der Analysen eine SOP (Standard Operating Procedure) erstellt. Diese
SOP ist eine Messanleitung für die Analyse einer Probe und wird vom Benutzer erstellt. Dazu
programmiert man die gewünschten Einstellungen für die Messung einer Probe. Auf diese Weise
können eine Vielzahl an Proben in kurzer Zeit mit einer einmalig angefertigten SOP gemessen
werden, ohne dass vor jeder einzelnen Analyse der Messvorgang programmiert werden muss.
Neben der Zeitersparnis wird auch die Genauigkeit von Messungen erhöht. Mehrere untersuchte
Proben lassen sich genauer und einfacher vergleichen, wenn sie mit der gleichen SOP vermessen
worden sind. Außerdem ist es möglich, eine SOP als Datei per E-Mail zu versenden. Als
Beispiel nehme man 2 Schokoladenfabriken an unterschiedlichen Produktionsstandorten, die
beide jeweils das Morphologi G3 als Analysegerät nutzen. Die jeweils produzierten Schokoladen
sollen hinsichtlich der Partikelform miteinander verglichen werden. Dazu wird von dem
Analyselabor der einen Produktionsstätte eine SOP erstellt und weiter an die andere verschickt.
Durch das Verwenden derselben SOP werden so gleiche Bedingungen geschaffen für eine
vergleichbare Messung. Die Erstellung einer neuen SOP ist von der Software des Gerätes so
aufgebaut, dass schrittweise alle nötigen Einstellungen und Vorgaben für die Messungen
44
eingerichtet werden können. Im folgenden Teil werden kurz die wichtigsten
Einstellmöglichkeiten erläutert.
Sample
details:
Unter „Sample details“ kann bereits ein Probennamen eingegeben werden. Es
gibt die Möglichkeit Kontrollkästchen zu aktivieren, damit der Benutzer vor
und nach jeder Messung zur Eingabe bzw. Bestätigung eines Probennamens
aufgefordert wird. Da meistens Proben mit unterschiedlichen Probennamen
gemessen werden, sollten die Kontrollkästchen aktiviert sein. Weiterhin gibt
es hier die Möglichkeit, in ein Kommentarfeld Notizen oder zusätzliche
Informationen über die Probe oder deren Messung zu schreiben.
Pre-
measurement
settings:
Bei Aktivierung des Kontrollkästchens in diesem Abschnitt, kann der
Ersteller einer SOP Hinweise für eine Messung schreiben. Dieser Hinweis
erscheint dann vor jeder einzelnen Messung zusammen mit der Aufforderung
zur Probennameneingabe. Ein Beispiel wäre die Erinnerung an den Benutzer,
den Hebel der Aperturblende wieder in die Ausgangsposition zu stellen.
Measurement
Control:
In diesem Bereich kann eingestellt werden, wie viele Versuchsplatten
untersucht werden sollen. In der Regel wird nur 1 benutzt (z.B. Glasplatte
oder Nasszelle). Wird jedoch die Apparatur für bis zu 4 Objektivträger
verwendet, kann die Auswahl auf 4 erhöht werden. Des Weiteren kann auch
gewählt werden, ob die daraus 4 entstehenden Messdatensätze als eine
Messung oder 4 einzelne Messungen ausgewertet werden.
Durch Aktivierung eines Kontrollkästchens kann weiterhin bestimmt werden,
dass eine Messung beendet wird, sobald eine ausreichende Partikelanzahl
vermessen wurde. Dazu wird vom Ersteller der SOP die gewünschte Anzahl
eingetragen.
Sample
Carrier:
Hier erfolgt die Auswahl der verwendeten Probenapparatur (z.B. Glasplatte,
Nasszelle oder Objektivträger). Des Weiteren kann die Option „Compensate
for plate tilt“ aktiviert werden. Da z.B. die Nasszelle oder die Glasplatte
selten genau waagerecht im Objekttisch aufliegen, kann es beim Messen
einer größeren Fläche der Probe zu Ungenauigkeiten führen: Vor jeder
Messung wird die Feinfokussierung in einem kleinen Ausschnitt des
Messareals der Probe durchgeführt. Mit diesem Fokus wird später die
45
ausgewählte Probenfläche analysiert. Liegt nun die Nasszelle nicht exakt
waagerecht auf, so könnten auf der einen Seite des Messareals scharfe
Partikel erkannt werden, auf der anderen Seite aufgrund der Schieflage leicht
unscharfe Partikel. Um dem entgegenzuwirken, wird mit der Funktion
„Compensate for plate tilt“ dieser Fehler korrigiert, indem das Gerät an den
Rändern des Messareals Kalibrationen ausführt und eventuelle Schieflagen
erkennt.
Sample
Dispersion
Unit:
Bei Messungen von z.B. Pulvern wird hier die Nutzung der SDU durch ein
Kontrollkästchen aktiviert. Weitere Einstellungen sind dabei u.a. der
Luftdruck, die Dauer des Luftdruckstoßes sowie die Absetzzeit.
Illumination: Unter „Illumination“ erfolgt die Auswahl, ob die Probe von oben oder von
unten beleuchtet werden soll.
Optics
selection:
In diesem Abschnitt erfolgt die Auswahl des Objektivs. Jedes Objektiv ist für
einen bestimmten Messbereich optimal. Sollte die Verteilung der
Partikelgröße breit sein, kann man mehrere Objektive auswählen, um in dem
jeweiligen Größenbereich eine genaue Messung zu erzielen.
Des Weiteren wird hier bestimmt, ob vor jeder Messung eine Fein-
fokussierung erfolgen soll oder bei jeder einzelnen Messung mit dem
gleichen Fokus gearbeitet werden soll.
Außerdem gibt es die Möglichkeit, das „Z-Stacking“ zu aktivieren. Durch
starke Unterschiede hinsichtlich der Partikelgröße kann es dazu führen, dass
der für eine Messung eingestellte Fokus für die Mehrzahl der Partikel
optimal ist, aber z.B. größere Partikel unscharf gemessen werden. Das „Z-
Stacking“ ermöglicht ein Vermessen der Partikel in mehreren Fokusebenen.
So werden je nach Anzahl der ausgewählten Ebenen verschiedene
Aufnahmen der Partikel erstellt und später von der Software als ein scharfes
Bild zusammengefügt.
Um zu bestimmen inwieweit sich die Partikel vom umgebenden Medium
unterscheiden, werden bei „Threshold“ Einstellungen für den Bereich des
Hintergrunds gemacht. Als Vorlage dient ein einmalig aufgenommenes Bild
einiger Partikel. Der „Threshold“, oder auch Grenzbereich, wird so gewählt,
46
dass die Umrandungen aller Partikel klar erfasst werden und der Hintergrund
für die Messung ausgeblendet wird.
Analysis
settings:
Unter „Trash Size“ wird die minimale Pixelanzahl angegeben. Das
Morphologi G3 misst dann nur Partikel ab dieser bestimmten Pixelanzahl,
kleinere Partikel unterhalb dieser Grenze werden somit nicht erfasst.
Des Weiteren sollte die Funktion „Hole filling“ aktiviert werden. Es gibt
Partikel, die eventuell wegen ihrer Transparenz der Oberfläche wie ein
Reifen aussehen. Bei der Messung wird so auch der helle Bereich als
Partikeloberfläche erkannt, die exakte Oberfläche des Partikels wird
berechnet.
Filters: Hier kann bestimmt werden, dass nicht alle Partikel in ein Gesamtergebnis
mit einfließen. Unter verschiedenen Parametern werden bestimmte Bereiche
gewählt, die einzelne Partikel aus der Messung ausschließen. Zum Beispiel
kann der Filter für die Partikelgröße auf einen bestimmten Wert gesetzt
werden, alle davon betroffenen Partikel werden dann aus der Messung
ausgeschlossen. Das Herausfiltern von Partikeln kann auch später nach den
Messungen erfolgen.
Classification: Man kann hier Gruppierungen erstellen, die sich aus bestimmten Werten der
jeweiligen Parameter definieren. Werden z.B. nadelförmige Partikel als eine
Gruppierung erstellt, werden alle gemessenen Partikel mit einem hohen
Elongationswert in dieser Gruppe klassifiziert.
Post-
measurement
Settings:
Es können hier Hinweise hinterlegt werden, die dem Benutzer nach der
Messung angezeigt werden. Das könnten zum Beispiel Reinigungshinweise
oder Bedienungserinnerungen (Zurücksetzen der Aperturblende) sein.
Reports: Durch Aktivierung der Druckfunktion werden direkt nach der Messung
Reportberichte mit den Messergebnissen ausgedruckt. Die Auswahl
hinsichtlich der Parameter wird ebenfalls getroffen. Eine sofortige
Speicherung der Reportberichte als Datei kann hier ebenfalls aktiviert
werden.
47
Im Voraus dieser Thesis wurde bereits eine SOP für die Partikelformanalyse von Schokolade
erstellt. Dazu wurde schrittweise die zuvor kurz erläuterte Auswahlliste Punkt für Punkt
abgearbeitet. In der Tab. 10 sind die vorgenommenen Einstellungen aufgeführt. Für die
Messungen wurde die Nasszelle in Verbindung mit der Beleuchtung von unten gewählt sowie
das 20x-Objektiv eingestellt. Nach der Analyse von 20.000 Partikeln einer Probe wurde die
Messung gestoppt.
Tab. 10: Einstellungen der SOP
Einstellung
Sample details Aufforderung zur Änderung oder Bestätigung des Probennamens vor
und nach jeder Messung ist aktiviert.
Pre-measurement
settings
Kontrollkästchen ist aktiviert mit dem Hinweis, die Aperturblende vor
der Messung zu schließen.
Measurement
control
Die Messung soll nach einer bestimmten Anzahl an gemessenen
Partikeln die Messung stoppen. Die Anzahl wurde mit 20.000
Partikeln angegeben.
Sample carrier Für die Analyse der Proben wurde die Nasszelle ausgewählt. Das
Kontrollkästchen „compensate for plate tilt“ wurde aktiviert.
SDU Die Nutzung der SDU ist deaktiviert.
Illumination Es wurde für die Messung mit der Nasszelle eine Beleuchtung von
unten gewählt (Bottom light).
Optics selection Für die Analyse wurde das 20x-Objektiv gewählt.
Das Auswahlfeld „Manual Focus“ wurde aktiviert und das „Z-
Stacking“ deaktiviert
Analysis settings Die minimale Pixelanzahl der zu messenden Partikel betrug 10.
Filters Es wurden keine Einstellungen der Filterfunktion vorgenommen.
Classification Es wurden keine Einstellungen für eine Klassifizierung der Partikel
vorgenommen.
Post-measurement
settings
Kontrollkästchen ist aktiviert mit dem Hinweis, die Aperturblende
wieder in Ausgangsstellung zu verschieben.
Reports Das Drucken und Erstellen von Reportdateien wurde deaktiviert.
48
3.3.2.5 Durchführung der Messung
Die Vorbereitung und Durchführung der Messung erfolgte für alle einzelnen Versuchsproben
nach der gleichen Vorgehensweise. Die Aufbereitung der Proben für die Messungen mit dem
Morphologi G3 wird nachfolgend anhand von Schokolade erläutert. Die Aufbereitung der
anderen Versuchsproben wie Zucker, Kakaomasse und Milchpulver wurde in der gleichen Weise
durchgeführt. Für die Messungen wurden die Proben mit Sonnenblumenöl verdünnt. Dazu wurde
ca. 1 g aufgeschmolzene Schokolade mit etwa 25 ml Sonnenblumenöl im Mörser vermischt, bis
keine sichtbaren Verklumpungen mehr zu erkennen waren. Die Probe wurde komplett in ein
Becherglas umgefüllt. Dann wurde das Becherglas bis zu einem Volumen von 100 ml mit
Sonnenblumenöl gefüllt. Diese Verdünnung wurde mit einem Spatel gut durchmischt. Von
dieser Verdünnung wurde ca. 1 ml mit einer Einwegpipette entnommen und in ein weiteres
Becherglas gegeben. Anschließend erfolgte eine weitere Verdünnung, indem das Becherglas mit
ca. 50 ml Sonnenblumenöl (gesamtes Verdünnungsverhältnis 1:5.000) aufgefüllt wurde. Diese
Verdünnung wurde in verschließbare Reagenzgläser gefüllt und für 15 min bei 40°C im
Ultraschallbad behandelt, um evtl. vorhandene Agglomerate aufzubrechen. Danach wurden ca.
4-5 ml der Verdünnung in eine Spritze mit Schraubaufsatz aufgezogen (Volumen 10 ml) und
vorsichtig in einer Öffnung der Nasszelle verschraubt. Nun wurde langsam die Nasszelle mit der
Probe befüllt und beide Öffnungen der Nasszelle mit schraubbaren Deckeln verschlossen. Die
Nasszelle wurde nun vorsichtig in den Objekttisch eingelegt. Da sich kurz nach dem Befüllen der
Nasszelle noch zu viele Partikel nicht abgesetzt hatten, wurde eine Messung erst nach
mindestens 4 bis 5 Stunden gestartet.
Eine Messung dauerte etwa 15 Minuten. Es wurden 5 Messungen je Probe durchgeführt. Die
Software berechnete anhand der Partikelabmessungen die Formparameter Zirkularität,
Elongation und Konvexität als volumengewichtetes Ergebnis. Danach wurden einzelne unsauber
gemessene Partikel oder Agglomerate aus der Gesamtmessung gestrichen. Dazu wurden die
Abbildungen aller Partikel nach Größe sortiert und die betreffenden Partikel manuell aus der
Messung entfernt. Da dies optisch für den Anwender nur bis zu einer gewissen Partikelgröße
möglich ist und 20.000 Partikel eine enorme Anzahl sind, wurde dieser Vorgang für die ca. 50
größten Partikel durchgeführt. Die Software berechnete daraufhin ein neues Gesamtergebnis. Da
die Zerkleinerungsversuche jeweils doppelt durchgeführt worden sind, waren 10 einzelne
Messungen je Versuch vorhanden, aus denen das arithmetische Mittel, die Standardabweichung
und der Variationskoeffizient mit einem Tabellenkalkulationsprogramm berechnet wurden.
Weiterhin wurden die gemessenen Partikel in bestimmte Fraktionen eingeteilt mit Hilfe der
49
Filterfunktion der Software. Generell wurden alle Partikel kleiner als 3 μm und größer als 60 μm
aus der Messung gestrichen. Daraufhin wurde diese Fraktion nochmals in 3 Bereiche unterteilt:
Partikel von 3-10 μm, 10-20 μm und 20-60 μm. Die Daten wurden von der Software erneut neu
berechnet und als Ergebnis angezeigt.
3.4 Statistische Methoden
Für die Berechnung des arithmetischen Mittels, der Standardabweichung und des Variations-
koeffizienten wurden folgende Formeln verwendet.
Arithmetisches Mittel:
x = 1
n xi
n
i=1
(3.11)
Standardabweichung:
s = 1
n-1(x-xi)
2
n
i=1
(3.12)
Variationskoeffizient:
VarK =s
x
(3.13)
50
4 Ergebnisse
In diesem Teil der Arbeit werden die Ergebnisse präsentiert. Zuerst werden die Partikelgrößen
und Partikelgrößenverteilungen aufgeführt, die mit dem Laserbeugungsspektrometer gemessen
worden sind. Danach wird ein kurzer Überblick gegeben, wie viele Partikel für die Messung der
Partikelform in den jeweiligen Größenbereichen genutzt worden sind. Anschließend erfolgt die
Darstellung der Ergebnisse der Partikelformanalyse aller durchgeführten Versuche.
4.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung
Das Ziel der Zerkleinerungsversuche von Schokolade und den Einzelzutaten Magermilchpulver,
Kakaomasse und Zucker war es, die Partikelgröße auf ungefähr 30 μm zu verringern. So sollte
eine Grundlage geschaffen werden, um die einzelnen Proben der Walzen- bzw.
Kugelmühlenzerkleinerung später bei der Partikelformanalyse besser vergleichen zu können. Die
Versuche mit der Kugelmühle wurden beendet, wenn eine Partikelgröße von ca. 25 μm mit der
Mikrometerschraube gemessen wurde. Erfahrungsgemäß betrug analog der mit dem
Laserbeugungsspektrometer gemessene X90-Wert ca. 32 μm. Die Walzenversuche wurden
mittels eines bewährten 3-Schritt-Verfahrens durchgeführt, bei denen X90-Werte von ca. 30 μm
erreicht werden sollten. Während der Versuche traten jedoch technische Probleme am Walzwerk
auf. Durch andere Druck- und Spalteinstellungen nach einer Reparatur wurden von den
Erfahrungswerten abweichende Partikelgrößen und Partikelgrößenverteilungen erreicht.
In der Tab. 11 sind die einzelnen Partikelgrößenwerte, der Span und die spezifische Oberfläche
aller Versuche aufgeführt. Das Ziel war es, bei allen Versuchen einen X90-Wert von ca. 30 μm
zu erreichen. Dies konnte bei der Kugelmühlenzerkleinerung problemlos erreicht werden, da
fortwährend Zwischenmessungen bis zum Erreichen der gewünschten Endpartikelgröße
durchgeführt wurden. Mit jeweils 33,1 μm weisen die Schokolade und der Zucker die höchsten
X90-Werte auf von den Kugelmühlenversuchen. Die feinste gemahlene Probe war die
Kakaomasse (KM) mit einem X90-Wert von 28,4 μm, was sich auch an der höchsten
spezifischen Oberfläche mit einem Wert von 1,0 m2/cm3 wiederspiegelt. Jedoch zeigt der
Spanwert von 2,8, dass die Kakaomasse das breiteste Partikelspektrum aufweist von allen
Kugelmühlenversuchen.
Bei den Versuchen der Walzenzerkleinerung gibt es große Unterschiede hinsichtlich der
Partikelgröße zwischen dem Magermilchpulver (MMP) und den 3 anderen Proben. Das
Magermilchpulver hat einen deutlich höheren X90-Wert von 83,0 μm und die niedrigste
spezifische Oberfläche von 0,4 m2/cm3. Die anderen Proben weisen einen X90-Wert zwischen
51
23,5 und 25,3 μm auf, wobei der Zucker den niedrigsten X90-Wert und die höchste spezifische
Oberfläche mit 1,3 m2/cm3 besitzt. Man könnte annehmen, dass die Einzelzerkleinerung von
Magermilchpulver, Kakaomasse und Zucker und eine spätere Vermischung aller Zutaten gemäß
der Schokoladenrezeptur einen X90-Wert ähnlich der Schokolade aufweist. Da der X90-Wert
von Schokolade hier nur wenig größer ist als der von Zucker, kann diese These nicht bestätigt
werden. Es ist eher davon auszugehen, dass eine Einzelzerkleinerung von Magermilchpulver
aufgrund der weichen Konsistenz größere, geplättete Partikel erzeugt. Eine weitere Möglichkeit
ist, dass sich bei einer normalen Zerkleinerung der Schokolade die Zucker-, Kakaomasse- und
Magermilchpulverpartikel gegenseitig beeinflussen. Es könnten z.B. scharfkantige Zucker-
partikel während des Walzens die gröberen und flachen Partikel des Magermilchpulvers
zertrennen und damit erneut verkleinern.
Tab. 11: Ergebnisse der Partikelgrößenmessung aller Versuche
X10
(μm) VarK
X50
(μm) VarK
X90
(μm) VarK Span VarK
SOA
(m2/cm3) VarK
Kugel- Zucker 3,2 1,0 10,9 1,8 33,1 2,7 2,7 1,3 0,8 1,3
mühle MMP 3,6 1,4 13,5 1,0 29,9 1,1 2,0 0,3 0,7 1,2
KM 2,9 1,5 9,0 2,1 28,4 10,0 2,8 8,7 1,0 1,8
Schok. 3,4 3,3 11,8 3,5 33,1 2,5 2,5 1,6 0,8 3,3
Walze Zucker 2,2 2,8 6,2 8,7 23,5 20,5 3,4 14,2 1,3 5,3
MMP 6,4 4,0 32,6 6,9 83,0 16,4 2,3 12,3 0,4 5,1
KM 2,8 0,5 8,5 0,6 24,3 2,0 2,5 1,8 1,0 0,4
Schok. 2,3 2,2 7,0 4,7 25,3 12,3 3,3 8,4 1,2 3,3
SOA = spezifische Oberfläche VarK = Variationskoeffizient MMP = Magermilchpulver KM = Kakaomasse
Einen Vergleich der Partikelgrößenverteilungen (PSD) zeigen die Abb. 21 und 22. Die Abb. 21
stellt die Partikelgrößenverteilungen der Versuche mit der Kugelmühle dar. Der Kurvenverlauf
weist bei allen Proben eine unimodale Partikelgrößenverteilung auf. Bei dem Magermilchpulver
ist ein minimaler Ansatz einer Bimodalität zu erkennen aufgrund eines erhöhten Anteils im
Bereich von 3-5 μm. Der größte Anteil von ca. 8,5 % liegt im Bereich von ca. 18-20 μm. Die
Kakaomasse wurde am feinsten zerkleinert, was auch der X90-Wert von 28,4 μm bestätigt. Das
Maximum der Verteilungsdichtekurve von der Kakaomasse liegt hier bei 7,4 % in einem Bereich
52
von ca. 8-10 μm. Jedoch ist die Partikelgröße bei der Kakaomasse breiter verteilt. Das zeigt auch
der höchste Spanwert aller Kugelmühlenversuche von 2,8. Eine unimodale Verteilung der
Schokolade war bei der Zerkleinerung mit der Kugelmühle zu erwarten. Aufgrund der hohen
Anzahl vieler Partikel in einem Größenbereich wird das Fett in den Zwischenräumen nicht
optimal durch kleinere Partikel verdrängt, weshalb bei einer rheologischen Untersuchung
schlechtere Fließeigenschaften zu erwarten wären.
Abb. 21: PSD der Kugelmühlenversuche
Die Abb. 22 zeigt die Partikelgrößenverteilungen der Walzenzerkleinerungsversuche. Entgegen
den Erwartungen einer Bimodalität, wurden auch hier unimodale Verteilungen erzeugt. Der
Grund könnte an der veränderten Druck- und Spalteinstellung liegen, die nach der Reparatur des
Walzwerks unternommen worden sind. Den höchsten Grobgutanteil hat das Magermilchpulver,
aber ebenfalls einen bimodalen Ansatz. Das Maximum bei dem Schokoladenversuch liegt im
Bereich von 5-6 μm bei ca. 6,3 %. Aufgrund der fehlenden Bimodalität der Schokolade und des
höheren Feinanteils sind eine höhere Viskosität und eine höhere Fließgrenze bei einer
rheologischen Messung zu erwarten.
Particle Size Distribution
0.1 1 10 100 1000
Particle Size (μm)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
Volu
me (
%)
Zucker Kugelmühle
Milchpulver Kugelmühle
Kakaomasse Kugelmühle
Schokolade Kugelmühle
53
Abb. 22: PSD der Walzenversuche
4.2 Partikelanzahl
Die Bestimmung der Partikelanzahl erfolgte durch die automatische Bildanalyse nach der
Messung der Partikelform. Die Angabe der Partikelanzahl soll einen Überblick geben, wie viele
Partikel in einem bestimmten Größenbereich liegen und zur Messung der einzelnen
Formparameter genutzt wurden. Es wurden bei allen Proben immer 20.000 Partikel vermessen.
Partikel, die kleiner als 3 μm und größer als 60 μm waren, wurden aus den Messergebnissen
herausgefiltert. Partikel über 60 μm waren, wenn vorhanden, kleine Agglomerate von
Probenpartikeln oder Staubpartikel, die sich während der langen Sedimentationszeit auf der
Nasszelle absetzten. Weiterhin wurden einzelne Agglomerate und unsauber gemessene Partikel
innerhalb der Spanne von 3-60 μm aus der Gesamtmessung entfernt. Die verbliebenen Partikel
wurden durch Fraktionierung in 3 Größenbereiche weiter unterteilt.
Die Tab. 12 gibt einen Überblick über die zur Messung herangezogene Partikelanzahl im
Bereich von 3-60 μm sowie in den 3 Teilbereichen. Es fällt bei Betrachtung der Partikelanzahl
im Bereich von 3-60 μm auf, dass von den 20.000 gemessenen Partikeln der Großteil
herausgefiltert wurde. Das betraf fast ausschließlich Partikel mit einer Größe kleiner als 3 μm.
Particle Size Distribution
0.1 1 10 100 1000
Particle Size (μm)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
Volu
me (
%)
Zucker Walze
Milchpulver Walze
Kakaomasse Walze
Schokolade Walze
54
Bei den beiden Zuckerversuchen und der walzenzerkleinerten Schokolade wurden über 16.000
Partikel aus der Messung genommen, sodass lediglich ca. 3.800 Partikel in diesen Größenbereich
fallen. Die höchste Anzahl an Partikeln hat das Magermilchpulver, wobei mit ca. 9.000
gemessenen Partikeln die walzenzerkleinerte Variante eine etwas höhere Anzahl aufweist als das
mit der Kugelmühle zerkleinerte Magermilchpulver. Bei weiterem Betrachten fällt auf, dass der
überwiegende Teil der Partikel in dem Größenbereich von 3-10 μm liegt. Aus den anderen
Fraktionen 10-20 μm und 20-60 μm wurden weniger Partikel für die Formanalyse genutzt. Im
Bereich von 10-20 μm liegt die Partikelanzahl bei durchschnittlich 63,8 bis 796,7. Auch hier
wurden mit Abstand die meisten Partikel bei beiden Zerkleinerungsversuchen des
Magermilchpulvers gezählt, wobei die Kugelmühlenvariante mit durchschnittlich 796,7 Partikeln
fast die doppelte Anzahl aufweist als die Walzwerkvariante. Im Größenbereich von 20-60 μm
nimmt die Partikelanzahl abermals stark ab. Während die durchschnittliche Partikelanzahl von
Schokolade, Kakaomasse und Zucker bei beiden Zerkleinerungsvarianten maximal ca. 33
Partikel beträgt, liegt die Teilchenanzahl der Magermilchpulverversuche bei durchschnittlich
135,4 (Kugelmühle) bzw. 87,0 (Walze).
Tab. 12: Anzahl der für die Formanalyse genutzten Partikel in versch. Größenbereichen
3-60 μm 3-10 μm 10-20 μm 20-60 μm
Anzahl VarK Anzahl VarK Anzahl VarK Anzahl VarK
Kugelmühle
Zucker 3848,7 6,9 3702,2 6,8 135,3 11,1 11,9 26,1
MMP 8526,3 25,4 7597,1 23,8 796,7 40,0 135,4 33,8
KM 6139,9 26,1 5925,3 25,4 205,8 46,8 9,2 31,9
Schokolade 4568,9 8,6 4329,0 8,6 207,5 11,4 33,2 11,8
Walze
Zucker 3810,1 11,9 3741,7 11,8 63,8 9,9 5,5 80,5
MMP 9335,3 10,8 8835,3 10,7 414,7 14,7 87,0 10,0
KM 4296,7 10,2 4159,6 10,1 147,3 13,5 5,3 9,1
Schokolade 3656,6 9,6 3538,2 10,1 104,0 6,8 16,9 7,1
55
4.3 Partikelform
In diesem Teil werden die Ergebnisse der Partikelformanalyse präsentiert. Zuerst erfolgt ein
Vergleich aller Versuche der jeweiligen Zerkleinerungsvariante innerhalb eines bestimmten
Größenbereiches. Anschließend werden Direktvergleiche der Partikelform innerhalb eines
Größenbereiches zwischen den Zerkleinerungsvarianten Walzwerk und Kugelmühle gezogen.
4.3.1 Vergleich der Partikelform innerhalb eines Größenbereiches je Zerkleinerungsvariante
Die Tab. 13 zeigt die ermittelten Formwerte des Versuchs der Kugelmühlenzerkleinerung
innerhalb des Größenbereiches von 3-60 μm. Dabei weist das Magermilchpulver die besten
Formwerte hinsichtlich der Zirkularität, der Elongation und Konvexität auf. Mit 0,862 als
Zirkularitätswert erreichen die Magermilchteilchen die rundeste Form aller Partikel. Mit 0,390
besitzt das Magermilchpulver den niedrigsten Elongationswert, was auf ein ausgeglichenes
Längen-Breiten-Verhältnis schließen lässt. Die Oberfläche ist nahezu glatt, da der
Konvexitätswert mit 0,969 fast den Wert 1 erreicht, was eine perfekte Glättung der Oberfläche
bedeuten würde. Den niedrigsten Zirkularitätswert hat die Schokolade mit 0,828. Auch die
Rauheit mit einem Wert von 0,961 und die Elongation mit einem Wert von 0,471 zeigen eher
schlechtere Formwerte als die anderen Proben. Es ist anzumerken, dass die Formwerte der
Schokolade eigentlich innerhalb der Wertspanne der 3 Einzelzutaten liegen müssten. So werden
bei der Einzelzerkleinerung von Magermilchpulver, Kakaomasse und Zucker gleiche oder
bessere Ergebnisse erzielt als bei einer normalen Zerkleinerung mit allen Zutaten zusammen.
Dies könnte daran liegen, dass sich die Einzelzutaten während des Zerkleinerns von Schokolade
gegenseitig beeinflussen. Eine Erklärung wäre vielleicht, dass das von der Konsistenz her
weichere Magermilchpulver bei der Einzelzerkleinerung in runde Partikel geformt wird und bei
der Schokoladenzerkleinerung durch den kantigen Zucker eher unregelmäßig geformt wird.
Tab. 13: Formwerte der Partikel von 3-60 μm bei der Kugelmühlenzerkleinerung
Kugelmühle 3-60 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker 0,847 2,581 0,461 2,742 0,969 0,789
Magermilchpulver 0,862 0,509 0,390 3,960 0,969 0,681
Kakaomasse 0,851 3,303 0,479 3,020 0,960 1,194
Schokolade 0,828 3,189 0,471 1,738 0,961 1,122
56
In der Tab. 14 sind die Formwerte der Partikel im Größenbereich von 3-10 μm der
Kugelmühlenversuche dargestellt. Wie bereits zuvor erwähnt, liegt der Hauptanteil der
gemessenen Partikel in diesem Größenbereich. Deshalb sind die Werte der Zirkularität,
Elongation und Konvexität, verglichen mit den Werten in der Tab. 13, bei allen Proben nahezu
identisch. Daraus könnte man schließen, dass die Partikel über 10 μm einen sehr geringen oder
keinen Einfluss auf das Gesamtergebnis der Formanalyse in dem Größenbereich von 3-60 μm
bewirken. Jedoch ist die Betrachtung der anderen Fraktionen durchaus interessant, um
Unterschiede hinsichtlich der Formparameter bei den größeren Partikeln zu erkennen.
Tab. 14: Formwerte der Partikel von 3-10 μm bei der Kugelmühlenzerkleinerung
Kugelmühle 3-10 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker 0,849 2,558 0,458 2,931 0,970 0,777
Magermilchpulver 0,867 0,503 0,388 3,733 0,973 0,683
Kakaomasse 0,852 3,265 0,479 3,195 0,961 1,164
Schokolade 0,831 3,166 0,469 1,942 0,963 1,101
Die Tab. 15 zeigt die Formwerte der Partikel im Größenbereich von 10-20 μm der
Kugelmühlenversuche. Verglichen mit den Werten der Fraktionen von 3-60 μm bzw. 3-10 μm
tritt eine deutliche Verschlechterung aller Formparameter bei allen Proben auf. Lediglich die
Kakaomasse weist weiterhin einen annähernd gleichen Elongationswert von 0,478 auf. Die
besten Ergebnisse erreichten erneut die Partikel des Magermilchpulvers mit einem
Zirkularitätswert von 0,801, einem Elongationswert von 0,400 und einem Konvexitätswert von
0,940. Die Schokoladenprobe weist den schlechtesten Zirkularitätswert von 0,744 auf. Der hohe
Elongationswert von 0,514 deutet an, dass die Zuckerpartikel in diesem Größenbereich ein sehr
unausgewogenes Längen-Breiten-Verhältnis haben und teilweise stäbchenförmig vorliegen
könnten. Hinsichtlich der Konvexität sind bei allen Proben nur kleine Unterschiede sichtbar,
jedoch die Kakaomassepartikel hier eher eine rauere Oberfläche aufweisen.
57
Tab. 15: Formwerte der Partikel von 10-20 μm bei der Kugelmühlenzerkleinerung
Kugelmühle 10-20 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker 0,759 3,049 0,514 2,324 0,930 0,973
Magermilchpulver 0,801 0,659 0,400 6,106 0,940 1,223
Kakaomasse 0,753 2,538 0,478 1,402 0,918 1,246
Schokolade 0,744 3,007 0,494 2,355 0,926 1,284
In der Partikelfraktion von 20-60 μm kam es erneut zu deutlichen Veränderungen der
Formwerte, zu sehen in Tab. 16. Hinsichtlich der Rundheit und Rauheit der Partikel
verschlechterten sich die Zirkularitäts- und Konvexitätswerte bei allen Proben der
Kugelmühlenversuche. Es ist jedoch erstaunlich, dass die Elongationswerte der Zucker-,
Kakaomasse- und Schokoladenpartikel im Vergleich zu der Fraktion von 10-20 μm gesunken
sind, also auf ein ausgeglichenes Längen-Breiten-Verhältnis hindeuten. Erneut erreichen die
Magermilchpulverpartikel die besten Formwerte aller Proben. Der Zirkularitätswert von 0,774
liegt deutlich über dem niedrigsten Zirkularitätswert der Kakaomasse mit 0,583. Die Partikel der
Kakaomasse besitzen in diesem Größenbereich auch eine deutlich rauere Oberfläche, was der
niedrige Konvexitätswert von 0,811 belegt.
Tab. 16: Formwerte der Partikel von 20-60 μm bei der Kugelmühlenzerkleinerung
Kugelmühle 20-60 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker 0,743 4,786 0,436 14,036 0,900 2,960
Magermilchpulver 0,774 1,438 0,431 12,181 0,917 2,159
Kakaomasse 0,583 8,817 0,450 17,180 0,811 3,915
Schokolade 0,719 3,183 0,484 1,071 0,914 1,249
Es folgen die Ergebnisse der Walzenzerkleinerung von der Schokolade, des Magermilchpulvers,
der Kakaomasse und des Zuckers. Die Formwerte der Versuchsproben in dem Größenbereich
von 3-60 μm sind in der Tab. 17 dargestellt. Die Walzenzerkleinerung des Magermilchpulvers
erzeugt mehr unregelmäßige Partikelformen, was der niedrige Zirkularitätswert von 0,811 und
der niedrige Konvexitätswert von 0,953 zeigen. Sie sind weniger rund geformt und etwas rauer
an der Oberfläche gestaltet im Vergleich zu den anderen Versuchsproben. Dies könnte dadurch
erklärt werden, dass Magermilchpulver wegen der weicheren Konsistenz sehr platt gewalzt wird.
58
Die vor dem Zerkleinern schon unregelmäßigen Formen der Magermilchpartikel könnten nach
dem Walzen noch stärker ausgeprägt sein. Eventuell werden während des Walzvorgangs auch
Poren und Zerklüftungen zerdrückt, die den Effekt einer rauen Oberfläche und einer unrunden
Form steigern. Die besten Werte hinsichtlich aller Formparameter weist hier die Schokolade auf.
Der Zirkularitätswert liegt bei 0,876 und hat von allen Proben in diesem Größenbereich die
rundeste Partikelform. Die Oberfläche kann mit einem Konvexitätswert von 0,977 als glatt
bezeichnet werden. Auch der niedrige Elongationswert von 0,386 weist auf ein mehr
ausgeglichenes Verhältnis der Partikellänge zur Partikelbreite. Auffällig ist hier, dass die
Walzenzerkleinerung der Schokolade bessere Ergebnisse liefert als die Einzelzerkleinerung der
Schokoladenbestandteile. Ähnlich wie bei den Kugelmühlenversuchen beeinflussen sich
wahrscheinlich die Partikel der verschiedenen Zutaten gegenseitig während des Zerkleinerns der
Schokoladenmasse.
Tab. 17: Formwerte der Partikel von 3-60 μm bei der Walzenzerkleinerung
Walze 3-60 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker 0,864 1,645 0,399 3,771 0,974 0,427
Magermilchpulver 0,811 1,323 0,436 2,093 0,953 0,451
Kakaomasse 0,858 1,383 0,485 2,099 0,966 0,384
Schokolade 0,876 1,104 0,386 2,824 0,977 0,293
Vergleicht man die Partikelform der walzenzerkleinerten Proben im Größenbereich von 3-10
μm, dargestellt in Tab. 18, mit den Werten der Partikel im Größenbereich von 3-60 μm (Tab.
17), fällt auf, dass sich die Formwerte kaum ändern und nahezu identisch sind. Der Grund ist die
sehr hohe Anzahl der Partikel in dem Größenbereich von 3-10 μm. Es scheint so, dass die
weitaus wenigen, aber größeren Partikel einen sehr kleinen Einfluss auf das volumengewichtete
Ergebnis im Bereich von 3-60 μm haben. Eine Betrachtung der Formwerte ab einer
Partikelgröße von 10 μm ist dennoch von Interesse.
59
Tab. 18: Formwerte der Partikel von 3-10 μm bei der Walzenzerkleinerung
Walze 3-10 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker 0,865 1,632 0,400 3,699 0,974 0,418
Magermilchpulver 0,814 1,320 0,435 2,172 0,955 0,456
Kakaomasse 0,860 1,384 0,485 2,199 0,967 0,375
Schokolade 0,878 1,119 0,386 2,678 0,978 0,298
Die Tab. 19 zeigt die Ergebnisse der Formanalyse der walzenzerkleinerten Proben in einem
Größenbereich von 10-20 μm. Ab einer Partikelgröße von 10 μm treten deutlich schlechtere
Formwerte auf. Lediglich die zerkleinerten Zuckerpartikel weisen einen verbesserten
Elongationswert von 0,351 auf. Die Zuckerpartikel besitzen in diesem Größenbereich die besten
Werte hinsichtlich aller Formparameter. Der Zirkularitätswert beträgt 0,810 und der
Konvexitätswert beträgt 0,957. Die Schokoladenpartikel erreichen hier ähnlich hohe Formwerte
wie die Zuckerpartikel. Die geringste Zirkularität mit einem Wert von 0,712 hat das
Magermilchpulver. Weiterhin deutet der niedrige Konvexitätswert von 0,907 auf eine rauere
Oberflächenbeschaffenheit hin. Ein sehr unausgeglichenes Längen-Breiten-Verhältnis haben in
dieser Fraktion die Kakaomassepartikel mit einem Elongationswert von 0,502.
Tab. 19: Formwerte der Partikel von 10-20 μm bei der Walzenzerkleinerung
Walze 10-20 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker 0,810 2,718 0,351 9,387 0,957 1,007
Magermilchpulver 0,712 0,971 0,463 1,765 0,907 0,219
Kakaomasse 0,775 1,017 0,502 7,550 0,923 0,674
Schokolade 0,807 0,846 0,400 7,668 0,954 0,203
Wie der Tab. 20 zu entnehmen ist, verschlechtern sich die Formwerte aller Versuchsproben
hinsichtlich der Zirkularität und der Konvexität in dem Größenbereich von 20-60 μm. Es treten
jedoch Verbesserungen des Längen-Breiten-Verhältnisses bei den Partikeln des Magermilch-
pulvers, der Kakaomasse und der Schokolade auf. Lediglich der Elongationswert der
Zuckerpartikel erhöht sich auf 0,481 und hat damit das schlechteste Längen-Breiten-Verhältnis
in dieser Fraktion. Jedoch ist die Oberfläche des Zuckers sehr glatt geformt, was der höchste
Konvexitätswert von 0,946 belegt. Die Schokoladenpartikel weisen die rundeste Form und ein
60
niedriges Längen-Breiten-Verhältnis auf mit Werten von 0,763 bei der Zirkularität und 0,334 bei
der Elongation. Die ungünstigsten morphologischen Eigenschaften besitzen in dieser Fraktion
die Partikel des Magermilchpulvers und der Kakaomasse mit sehr niedrigen Werten hinsichtlich
der Rundheit und Konvexität.
Tab. 20: Formwerte der Partikel von 20-60 μm bei der Walzenzerkleinerung
Walze 20-60 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker 0,758 2,112 0,481 17,391 0,946 2,268
Magermilchpulver 0,640 0,521 0,459 4,108 0,866 0,587
Kakaomasse 0,606 4,204 0,427 2,149 0,889 2,409
Schokolade 0,763 3,438 0,334 9,498 0,931 0,879
4.3.2 Vergleich der Partikelform zwischen Kugelmühle und Walzwerk
In diesem Teil werden die Formparameter aller Versuche in den jeweiligen Größenbereichen von
3-60 μm, 3-10 μm, 10-20 μm und 20-60 μm präsentiert. Auf diese Weise können direkte
Vergleiche zwischen der Walzenzerkleinerung und der Kugelmühlenzerkleinerung gezogen
werden. Die unterschiedlichen Ergebnisse geben Aufschluss über den Einfluss der
Zerkleinerungsart von Schokolade und ihren einzelnen Zutaten Magermilchpulver, Kakaomasse
sowie Zucker auf die Partikelform.
Die Tab. 21 zeigt die Formwerte der Partikel in dem Größenbereich von 3-60 μm aller
durchgeführten Zerkleinerungsversuche. Vergleicht man die Werte der Zuckerpartikel
miteinander, erkennt man leicht bessere Formwerte der walzenzerkleinerten Partikel. Die von
dem Walzwerk zerkleinerten Zuckerpartikel sind ein wenig runder geformt und haben ein
ausgewogeneres Längen-Breiten-Verhältnis. Die Oberflächenstruktur der Zuckerpartikel weist
bei beiden Zerkleinerungsvarianten einen ähnlich glatten Charakter auf mit Konvexitätswerten
von 0,969 bzw. 0,974. Das Magermilchpulver wird mit deutlich besseren Partikelform-
eigenschaften in der Kugelmühle zerkleinert. Der Zirkularitätswert der Kugelmühlenvariante
liegt mit 0,862 höher als der Wert von 0,811 bei der Walzwerkvariante. Weiterhin weisen die
Magermilchpartikel der Kugelmühlenzerkleinerung ein besseres Längen-Breiten-Verhältnis auf,
was der niedrigere Elongationswert von 0,390 belegt. Der Konvexitätswert von 0,969 deutet an,
dass die Partikel des Magermilchpulvers in der Kugelmühle mit einer glatteren Oberfläche
zerkleinert werden, verglichen mit dem Wert von 0,953 der Walzwerkvariante. Es könnte sein,
61
dass die Partikel des Magermilchpulvers aufgrund der weicheren Konsistenz in der Kugelmühle
zerkleinert und anschließend von den Kugeln rund geformt werden, während die
Walzenzerkleinerung eine unregelmäßige Partikeloberfläche durch das Plätten noch verstärkt.
Bei den beiden Zerkleinerungsvarianten der Kakaomasse gibt es nur geringe Unterschiede. Die
Formwerte ähneln sich, wobei die walzenzerkleinerte Kakaomasse leicht rundere und glattere
Partikel erzeugt. Der Zirkularitätswert liegt hier bei 0,858 und der Konvexitätswert bei 0,966.
Den besseren Elongationswert von 0,479 besitzen die Kakaomassepartikel der
Kugelmühlenvariante, wobei der Wert der walzenzerkleinerten Partikel von 0,485 leicht höher
ist. Vergleicht man die beiden Versuche der Schokoladenmasse, erkennt man die besseren
morphologischen Eigenschaften bei der Zerkleinerung mit dem Walzwerk. Der Zirkularitätswert
der Walzwerkvariante liegt bei 0,876 deutlich höher als der Wert von 0,828 bei dem
Kugelmühlenversuch. Die Schokoladenpartikel des Walzversuches weisen auch ein
ausgewogeneres Längen-Breiten-Verhältnis und glattere Oberflächenstrukturen auf, was der
niedrigere Elongationswert von 0,386 und der höhere Konvexitätswert von 0,977 belegen. Auch
im Vergleich zu allen anderen Versuchen hat die walzenzerkleinerte Schokolade die besten
morphologischen Eigenschaften hinsichtlich der Rundheit, Elongation und Rauheit der
Partikeloberfläche.
Tab. 21: Formwerte der Partikel von 3-60 μm beider Zerkleinerungsvarianten
Partikelgröße 3-60 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker Kugelmühle 0,847 2,581 0,461 2,742 0,969 0,789
Zucker Walze 0,864 1,645 0,399 3,771 0,974 0,427
Magermilchpulver Kugelmühle 0,862 0,509 0,390 3,960 0,969 0,681
Magermilchpulver Walze 0,811 1,323 0,436 2,093 0,953 0,451
Kakaomasse Kugelmühle 0,851 3,303 0,479 3,020 0,960 1,194
Kakaomasse Walze 0,858 1,383 0,485 2,099 0,966 0,384
Schokolade Kugelmühle 0,828 3,189 0,471 1,738 0,961 1,122
Schokolade Walze 0,876 1,104 0,386 2,824 0,977 0,293
In der Tab. 22 sind die Formwerte der Partikel im Größenbereich von 3-10 μm von allen
durchgeführten Versuchen dargestellt. Wie bereits zuvor erwähnt, liegen in dieser Fraktion mit
Abstand die meisten Partikel. Verglichen mit den Formwerten der Partikel im Größenbereich
von 3-60 μm (s. Tab. 21), liegen nur sehr geringe Unterschiede hinsichtlich der morphologischen
62
Eigenschaften vor. Die größeren Partikel über 10 μm üben einen sehr geringen Einfluss aus auf
die Formwerte des Gesamtergebnisses im Größenbereich von 3-60 μm.
Tab. 22: Formwerte der Partikel von 3-10 μm beider Zerkleinerungsvarianten
Partikelgröße 3-10 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker Kugelmühle 0,849 2,558 0,458 2,931 0,970 0,777
Zucker Walze 0,865 1,632 0,400 3,699 0,974 0,418
Magermilchpulver Kugelmühle 0,867 0,503 0,388 3,733 0,973 0,683
Magermilchpulver Walze 0,814 1,320 0,435 2,172 0,955 0,456
Kakaomasse Kugelmühle 0,852 3,265 0,479 3,195 0,961 1,164
Kakaomasse Walze 0,860 1,384 0,485 2,199 0,967 0,375
Schokolade Kugelmühle 0,831 3,166 0,469 1,942 0,963 1,101
Schokolade Walze 0,878 1,119 0,386 2,678 0,978 0,298
Die Tab. 23 zeigt die Ergebnisse der Partikelformanalyse im Größenbereich von 10-20 μm aller
durchgeführten Versuche. Im Allgemeinen verschlechtern sich die Formwerte im Vergleich zu
den Partikelfraktionen im Größenbereich von 3-60 μm und 3-10 μm. Lediglich bei dem
walzenzerkleinerten Zucker und der in der Kugelmühle gemahlenen Kakaomasse gab es kleine
bzw. minimale Verbesserungen des Elongationswertes. Der Vergleich der beiden Zucker-
versuche zeigt, dass die Zerkleinerung mit einem Walzwerk z.T. deutlich bessere Formwerte
bewirkt. Die Partikel sind mit einem Zirkularitätswert von 0,810 runder als die Zuckerpartikel
des Kugelmühlenversuches mit einem Zirkularitätswert von 0,759. Der Unterschied hinsichtlich
der Rauheit der Oberfläche ist ebenso bemerkbar wie der deutlich bessere Elongationswert von
0,351 der walzenzerkleinerten Partikel. Das Magermilchpulver weist in diesem Größenbereich
die besseren Ergebnisse bei der Kugelmühlenzerkleinerung auf. Der Zirkularitätswert liegt mit
0,801 höher als der Wert von 0,712 bei dem Walzenversuch. Außerdem sind die
Magermilchpartikel des Kugelmühlenversuchs glatter und ausgeglichener im Längen-Breiten-
Verhältnis. Die Formwerte der Kakaomasse in dieser Partikelfraktion unterscheiden sich nur
wenig voneinander. Die gewalzten Kakaomassepartikel sind runder und ein wenig glatter an der
Oberfläche, jedoch ein wenig mehr unausgeglichen bezüglich der Elongation. Die
Schokoladenpartikel werden auch hier wieder mit besseren Formeigenschaften bei der
Walzenzerkleinerung vermahlen. Der Zirkularitätswert beträgt 0,807 und liegt höher als der Wert
von 0,744 bei dem Kugelmühlenversuch. Ebenso werden walzenzerkleinerten Schokoladen-
63
partikel glatter geformt. Im Vergleich aller Versuche in dieser Partikelfraktion erreicht der
walzenzerkleinerte Zucker die besten Formwerte hinsichtlich aller Parameter, wobei die Partikel
der walzenzerkleinerten Schokolade ähnliche Werte annehmen.
Tab. 23: Formwerte der Partikel von 10-20 μm beider Zerkleinerungsvarianten
Partikelgröße 10-20 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker Kugelmühle 0,759 3,049 0,514 2,324 0,930 0,973
Zucker Walze 0,810 2,718 0,351 9,387 0,957 1,007
Magermilchpulver Kugelmühle 0,801 0,659 0,400 6,106 0,940 1,223
Magermilchpulver Walze 0,712 0,971 0,463 1,765 0,907 0,219
Kakaomasse Kugelmühle 0,753 2,538 0,478 1,402 0,918 1,246
Kakaomasse Walze 0,775 1,017 0,502 7,550 0,923 0,674
Schokolade Kugelmühle 0,744 3,007 0,494 2,355 0,926 1,284
Schokolade Walze 0,807 0,846 0,400 7,668 0,954 0,203
Die Formwerte der Partikel von 20-60 μm aller Versuche sind in der Tab. 24 aufgeführt. Die
walzenzerkleinerten Zuckerpartikel sind etwas runder und glatter geformt als die mit der
Kugelmühle zerkleinerten Zuckerpartikel. Jedoch besagt der höhere Elongationswert von 0,481,
dass die walzenzerkleinerten Partikel eine Tendenz zur Stäbchenform aufweisen. Bei
Betrachtung der Magermilchpulverversuche fällt auf, dass die Kugelmühlenzerkleinerung
deutlich rundere und glattere Partikel in dieser Fraktion erzeugt. Der Zirkularitätswert von 0,744
liegt weit höher als der Wert von 0,640 bei der Walzenzerkleinerung. Der sehr niedrige
Konvexitätswert von 0,866 deutet darauf hin, dass während der Zerkleinerung mit dem
Walzwerk die Partikel stark geplättet und die somit die Bildung unregelmäßiger Oberflächen
gefördert wird. Bei den Versuchen mit der Kakaomasse zeigt sich, dass die Walzenvariante
bessere Formwerte liefert. Die Partikel in dieser Fraktion sind deutlich glatter und leicht runder
als die Partikel des Kugelmühlenversuches. Das trifft ebenso auf die beiden
Zerkleinerungsversuche der Schokoladenmasse zu. Ferner ist der Elongationswert von 0,334
deutlich niedriger bei der Walzenvariante als der Wert von 0,484 bei der Kugelmühlenvariante.
64
Tab. 24: Formwerte der Partikel von 20-60 μm beider Zerkleinerungsvarianten
Partikelgröße 20-60 μm Zirkularität VarK Elongation VarK Konvexität VarK
Zucker Kugelmühle 0,743 4,786 0,436 14,036 0,900 2,960
Zucker Walze 0,758 2,112 0,481 17,391 0,946 2,268
Magermilchpulver Kugelmühle 0,774 1,438 0,431 12,181 0,917 2,159
Magermilchpulver Walze 0,640 0,521 0,459 4,108 0,866 0,587
Kakaomasse Kugelmühle 0,583 8,817 0,450 17,180 0,811 3,915
Kakaomasse Walze 0,606 4,204 0,427 2,149 0,889 2,409
Schokolade Kugelmühle 0,719 3,183 0,484 1,071 0,914 1,249
Schokolade Walze 0,763 3,438 0,334 9,498 0,931 0,879
65
5 Diskussion
Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss verschiedener Herstellungsmethoden von Schokolade
auf die Partikelform zu untersuchen. Die Schokoladenmasse wurde hierbei konventionell mittels
eines Walzwerks und alternativ mit einer Kugelmühle zerkleinert. Weiterhin wurden die
Schokoladenzutaten Magermilchpulver, Kakaomasse und Zucker einzeln jeweils mit dem
Walzwerk und der Kugelmühle zerkleinert. Die Endfeinheit der Partikel sollte auf ungefähr 30
μm verringert werden, um vergleichbare Proben für die Partikelformanalyse zu erhalten. Bei den
Versuchen mit der Kugelmühle wurde die gewünschte Endpartikelgröße problemlos erreicht, da
fortwährend Zwischenmessungen mit einer Mikrometerschraube durchgeführt wurden. Die
Zerkleinerung mit dem Walzwerk erfolgte in 3 Schritten, wobei die Endpartikelgröße der
Kakaomasse, des Zuckers und der Schokolade mit einem X90-Wert von unter 26 μm sehr klein
ist. Die Zerkleinerung des Magermilchpulvers erreichte nicht den gewünschten Erfolg. Der X90-
Wert lag hier bei 83,0 μm. Es könnte sein, dass bei der Einzelzerkleinerung des
Magermilchpulvers aufgrund der weicheren Konsistenz platte und große Partikel erzeugt
werden, wohingegen sich bei einer Walzenzerkleinerung der Schokoladenmasse die einzelnen
Feststoffpartikel gegenseitig beeinflussen. Zum Beispiel könnten scharfkantige Zuckerpartikel
die weicheren und flachen Partikel des Magermilchpulvers während des Walzvorganges
zusätzlich zertrennen und damit erneut zerkleinern. Alle Versuchsproben weisen eine unimodale
Partikelgrößenverteilung auf. Dies war bei den Versuchen mit der Kugelmühle zu erwarten.
Jedoch wurde bei der Zerkleinerung mit dem Walzwerk keine bimodale Partikelgrößenverteilung
erreicht. Die Zwischenräume der größeren Partikel werden nicht optimal durch eine kleinere
Partikelfraktion ausgefüllt. Das Fett wird nicht aus den Zwischenräumen verdrängt und kann
somit nicht den Fließvorgang verbessern. Eine rheologische Untersuchung würde wahrscheinlich
eine höhere Viskosität ergeben als eine Schokoladenprobe mit bimodaler
Partikelgrößenverteilung. Das Fehlen der Bimodalität der Partikelgrößenverteilung könnte die
Folge eines technischen Problems des Walzwerks sein, das während der Versuche auftrat. Nach
der Reparatur erfolgten Neueinstellungen des Walzspaltes. Außerdem wurde die Zerkleinerung
mit höheren Anpressdrücken von 80 und 100 bar an den Walzen begonnen, während in
zahlreichen vorherigen Versuchen anderer Forschungsarbeiten die Anpressdrücke 10 und 30 bar
betrugen.
Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag auf der Untersuchung der Partikelform der einzelnen
Versuchsproben. Es konnte festgestellt werden, dass die Zerkleinerung der Schokolade mit dem
Walzwerk bessere morphologische Eigenschaften hinsichtlich der Rundheit und Rauheit der
Partikel sowie des Längen-Breiten-Verhältnisses hervorruft. Aufgrund der runderen und
66
glatteren Form wird weniger Fett benötigt, um die Schokoladenpartikel vollständig zu umhüllen.
Weiterhin wird das Aneinandergleiten der Partikel erleichtert und die Packungsdichte erhöht.
Unabhängig von der Partikelgrößenverteilung wären bei der mit dem Walzwerk zerkleinerten
Schokoladenmasse die besseren rheologischen Ergebnisse zu erwarten. Die Viskosität würde
aufgrund des mehr zur Verfügung stehenden freien Fettes und der kleineren Reibung der Partikel
untereinander niedrig sein. Die Fließgrenze könnte aufgrund der runderen Partikel und deshalb
wegen der kleineren Kontaktflächen ebenfalls niedrig sein. Jedoch wurden in dieser Arbeit keine
rheologischen Untersuchungen unternommen. Ein Vergleich der Rheologie zwischen der
walzenzerkleinerten und der mit der Kugelmühle zerkleinerten Schokoladenmasse wäre kritisch
zu betrachten, weil die Partikelgrößen und Partikelgrößenverteilungen der beiden Proben
unterschiedlich sind. Da die Partikelgrößenverteilung einen großen Einfluss auf das
Fließverhalten besitzt, sollten die Proben eine annähernd gleiche Partikelgrößenverteilung
vorweisen, um Rückschlüsse auf den Einfluss der Partikelform schließen zu können. Eine
positive Einwirkung der Partikelform ist aber anzunehmen. Die Einzelzerkleinerung der
Schokoladenbestandteile erzeugte unterschiedliche Partikelformeigenschaften. Während die
Walzenzerkleinerung von der Kakaomasse und des Zuckers rundere und glattere Partikel
hervorruft, werden bei der Zerkleinerung des Magermilchpulvers bessere Ergebnisse mit der
Kugelmühle erzielt. Aufgrund der weicheren Konsistenz des Magermilchpulvers könnten die
Partikel in der Kugelmühle zerkleinert und durch die Stahlkugeln runder geformt werden. Der
Walzenvorgang könnte einzelne Magermilchpulverteilchen stark pressen und breit formen,
wodurch die unregelmäßige Partikeloberfläche durch das Plätten noch stärker ausgeprägt wird.
Fraglich ist, wie sich die Partikelformen nach dem Conchierprozess verändern würden. Durch
die intensive Scherbeanspruchung könnten Verbesserungen hinsichtlich der morphologischen
Eigenschaften erreicht werden. Insbesondere die flachen Partikel des Magermilchpulvers
könnten während des Prozesses in rundere Teilchen geformt werden. Sollten sich die
Partikelformen nicht verändern, so könnte man eine kombinierte Zerkleinerung in Betracht
ziehen. Die Kakaomasse und der Zucker werden mit dem Walzwerk vermahlen und
anschließend mit dem in der Kugelmühle zerkleinerten Magermilchpulver vermischt. Ein
Vergleich mit der walzenzerkleinerten Schokoladenmasse wäre dann durchaus von Interesse.
Für die Formanalyse wurden Partikel mit einer Größe von 3-60 μm untersucht und weiterhin in
drei Fraktionen unterteilt. Es stellte sich heraus, dass die größeren Partikel über 10 μm einen sehr
geringen Einfluss auf das Gesamtergebnis im Größenbereich von 3-60 μm ausüben. Der
Hauptteil der gemessenen Partikel weist eine Größe von 3-10 μm auf, weshalb die
Formparameter dieser Fraktion nahezu die gleichen Werte wie das Gesamtergebnis annehmen.
67
Es würde demnach ausreichen, Partikel bis zu einer Größe von 10 μm für die Formanalyse zu
nutzen. Interessanter sind allerdings die kleineren Partikel unter 3 μm und ihr Einfluss auf das
Gesamtergebnis einer Probe. Bei den Messungen mit dem Morphologi G3 wurden Partikel ab
einer Anzahl von 10 Pixeln gemessen. Dies entspricht ca. 0,5 μm. Die kleineren Partikel unter 3
μm wurden später ausgefiltert. Laut Herrn Nitzsche von der Fa. Malvern (2012) sind verwertbare
Ergebnisse bei der Formanalyse ab einer Anzahl von ca. 50 Pixeln zu erwarten. Es würde
ausreichen, die Mindestpixelanzahl auf 50 in der SOP zu ändern und später die größeren Partikel
ab z.B. 10 μm herauszufiltern. Weiterhin könnte man sich die Ergebnisse der Formanalyse durch
andere Parameter angeben lassen. Es ist mit der Software möglich, ähnlich wie bei der
Partikelgrößenmessung mittels Laserbeugung, sich die Formparameter als X10-, X50- und X90-
Werte anzeigen zu lassen.
68
6 Zusammenfassung
Ein wichtiger Produktionsschritt bei der Herstellung der Schokolade ist die Zerkleinerung der
festen Bestandteile von der Kakaomasse, des Zuckers und des Milchpulvers. Bei dem
konventionellen Verfahren erfolgt die Herstellung durch die Zerkleinerung der Schokoladen-
masse mittels eines Walzwerks mit anschließender Veredelung durch das Conchieren. Da dieses
Verfahren sehr kostenintensiv und zeitaufwendig ist, wurden alternative Methoden entwickelt.
Eine dieser Methoden ist das gleichzeitige Zerkleinern und Conchieren mit einer
Rührwerkskugelmühle. Neben dem wirtschaftlichen Vorteil aufgrund niedriger Anschaffungs-
und Betriebskosten wird zusätzlich erheblich Zeit bei der Herstellung der Schokolade eingespart.
Der typisch aromatische Geschmack und der zarte Schmelz sollen dabei als wichtige
Charakteristika der Schokolade erhalten bleiben. Neben der Partikelgrößenverteilung der
Feststoffbestandteile hat auch die Partikelform einen Einfluss auf das Fließverhalten der
Schokolade. Es ist bekannt, dass die verschiedenen Zerkleinerungsverfahren unterschiedliche
Partikelgrößenverteilungen hervorrufen. Bislang wurde jedoch wenig geforscht, wie sich die
Zerkleinerungsarten auf die Partikelform auswirken. Ziel dieser Arbeit war es, die Schokolade
jeweils im konventionellen Verfahren mit einem Walzwerk sowie alternativ mit einer
Kugelmühle zu zerkleinern und anschließend die Partikelform zu analysieren. Weiterhin sollte
untersucht werden, wie sich die Partikelform bei einer Einzelzerkleinerung von der Kakaomasse,
des Magermilchpulvers und des Zuckers entwickelt. Für die Charakterisierung der Partikelform
wurde die automatische Bildanalyse als Messmethode eingesetzt. Dieses Verfahren ermittelte die
Formeigenschaften Zirkularität, Elongation sowie Konvexität und lieferte Aussagen über die
Rundheit, die Rauheit der Oberfläche sowie das Längen-Breiten-Verhältnis der Partikel. Für ein
gutes Fließverhalten sind kugelgleiche Partikelformen ideal. Es wurde vermutet, dass mit einer
Walzenzerkleinerung runde und glatte Partikel erzeugt werden, jedoch mit einer Zerkleinerung
in der Kugelmühle eher unregelmäßig geformte Partikel entstehen.
Für die Analyse wurden Partikel mit einer Größe von 3-60 μm ausgewertet. Zusätzlich wurden
die Partikel in 3 Fraktionen unterteilt, um die Partikel in verschiedenen Größenbereichen von 3-
10 μm, 10-20 μm und 20-60 μm zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass die Zerkleinerung
der Schokolade in einem Walzwerk die besseren Formeigenschaften von Partikeln erzeugt. Die
Partikel sind runder und glatter als die zerkleinerten Partikel der Kugelmühlenvariante. Auch bei
der Einzelvermahlung von der Kakaomasse und des Zuckers wurden günstigere Partikelformen
bei der Walzenzerkleinerung gemessen. Das Magermilchpulver hingegen erzielt bessere
Ergebnisse bezüglich der Partikelform bei der Kugelmühlenzerkleinerung. Es konnte auch
festgestellt werden, dass sich mit zunehmender Partikelgröße ab 10 μm die Partikelformen
69
hinsichtlich der Zirkularität, Elongation und Konvexität verschlechtern, deren Einfluss auf das
Gesamtergebnis der Partikelformanalyse jedoch gering ist.
70
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73
Konferenzbeitrag:
Nitzsche, R.: Malvern Instruments GmbH-Workshop Partikelmesstechnik und Rheologie:
Wichtige Methoden zur Charakterisierung von Dispersionen in der Materialforschung. Dresden,
2012.
74
8 Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Fünfwalzwerks (Beckett, 2008) ......................................... 7
Abb. 2: Schematischer Aufbau einer Rührwerkskugelmühle (Dialer, 1986) .............................. 10
Abb. 3: Wiener Anlage mit einer Umwälzung durch die Kugelmühle (Beckett, 1990) .............. 11
Abb. 4: Schematische Darstellung der Verankerung eines Fettfilms während des Conchierens Kleinert, 1997) ............................................................................................................ 13
Abb. 5: Schematische Darstellung der Zwischenraumfüllung bei verschiedenen PSD (Beckett, 2008) .......................................................................................................................... 15
Abb. 6: Verschieden geformte Partikelproben mit gleicher PSD (Crompton, 2005) .................. 16
Abb. 7: Beispiele von Auswirkungen versch. Partikelformen auf die Kontaktfläche ................. 17
Abb. 8: Planetenkugelmühle „Pulverisette 6“ der Fa. Fritsch (Krüger, 2007) ............................ 24
Abb. 9: Wirkprinzip der Kugelmühle bei unterschiedlichen Drehbewegungen (Fritsch, 2012) .. 25
Abb. 10: Schematische Darstellung der Zerkleinerung mit einem Labor-Dreiwalzwerk (Bolenz, 2008) ........................................................................................................................ 26
Abb. 11: Prinzip der Laserbeugung an einer Partikelfraktion (Stieß, 1995) ............................... 29
Abb. 12: Partikelgrößenverteilung dargestellt als Dichteverteilung ........................................... 30
Abb. 13: Morphologi G3 Übersicht (Malvern, 2012) ................................................................ 32
Abb. 14: Schematische Darstellung des Messprinzips mit der Nasszelle ................................... 34
Abb. 15: Unterschiedliche Lage von Partikeln im Fokus ........................................................... 34
Abb. 16: Vergleich des Kontrastes bei geöffneter Aperturblende (links) und nahezu ge-schlossener Aperturblende (rechts) am Beispiel von Schokolade .............................. 35
Abb. 17: Umwandlung eines 3D-Partikels in ein 2D-Partikel (Malvern, 2008) .......................... 36
Abb. 18: Beispiele von Zirkularitätswerten verschiedener Partikelformen (Malvern, 2008) ...... 41
Abb. 19: Beispiele von Elongationswerten verschiedener Partikelformen (Malvern, 2008) ....... 42
Abb. 20: Beispiele von Rauheitswerten verschiedener Partikelformen (Malvern, 2008) ............ 43
Abb. 21: PSD der Kugelmühlenversuche .................................................................................. 52
Abb. 22: PSD der Walzenversuche ........................................................................................... 53
75
9 Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Übersicht aller getätigten Zerkleinerungsversuche ........................................................ 20
Tab. 2: Liste der verwendeten Rohstoffe und deren Hersteller .................................................. 21
Tab. 3: Basisrezeptur der Milchschokolade ............................................................................... 21
Tab. 4: Rezepturen der Kugelmühlenversuche .......................................................................... 22
Tab. 5: Rezeptur der Schokolade bei der Walzenzerkleinerung ................................................. 23
Tab. 6: Rezeptur bei der Walzenzerkleinerung von Magermilchpulver ..................................... 23
Tab. 7: Rezeptur bei der Walzenzerkleinerung von Zucker ....................................................... 24
Tab. 8: Walzendruckeinstellungen und Fettgehalt bei den Walzschritten .................................. 27
Tab. 9: Übersicht der Parameter für die Bestimmung der Formeigenschaften (Malvern, 2008) . 36
Tab. 10: Einstellungen der SOP ................................................................................................ 47
Tab. 11: Ergebnisse der Partikelgrößenmessung aller Versuche ................................................ 51
Tab. 12: Anzahl der für die Formanalyse genutzten Partikel in versch. Größenbereichen .......... 54
Tab. 13: Formwerte der Partikel von 3-60 μm bei der Kugelmühlenzerkleinerung .................... 55
Tab. 14: Formwerte der Partikel von 3-10 μm bei der Kugelmühlenzerkleinerung .................... 56
Tab. 15: Formwerte der Partikel von 10-20 μm bei der Kugelmühlenzerkleinerung .................. 57
Tab. 16: Formwerte der Partikel von 20-60 μm bei der Kugelmühlenzerkleinerung .................. 57
Tab. 17: Formwerte der Partikel von 3-60 μm bei der Walzenzerkleinerung ............................. 58
Tab. 18: Formwerte der Partikel von 3-10 μm bei der Walzenzerkleinerung ............................. 59
Tab. 19: Formwerte der Partikel von 10-20 μm bei der Walzenzerkleinerung ........................... 59
Tab. 20: Formwerte der Partikel von 20-60 μm bei der Walzenzerkleinerung ........................... 60
Tab. 21: Formwerte der Partikel von 3-60 μm beider Zerkleinerungsvarianten ......................... 61
Tab. 22: Formwerte der Partikel von 3-10 μm beider Zerkleinerungsvarianten ......................... 62
Tab. 23: Formwerte der Partikel von 10-20 μm beider Zerkleinerungsvarianten ....................... 63
Tab. 24: Formwerte der Partikel von 20-60 μm beider Zerkleinerungsvarianten ....................... 64
76
10 Formelverzeichnis
(3.1) Berechnung des Spanwertes .......................................................................................... 29
(3.2) Berechnung der Zirkularität........................................................................................... 39
(3.3) Berechnung der Fläche A .............................................................................................. 39
(3.4) Berechnung des Kreisdurchmessers d ............................................................................ 39
(3.5) Berechnung der Fläche A .............................................................................................. 39
(3.6) Berechnung des Kreisumfangs UK ................................................................................. 40
(3.7) Berechnung der Zirkularität........................................................................................... 40
(3.8) Berechnung der HS Zirkularität ..................................................................................... 40
(3.9) Berechnung der Elongation ........................................................................................... 41
(3.10) Berechnung der Konvexität ........................................................................................... 42
(3.11) Berechnung des arithmetischen Mittels ......................................................................... 49
(3.12) Berechnung der Standardabweichung ............................................................................ 49
(3.13) Berechnung des Variationskoeffizienten........................................................................ 49
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Erklärung über die selbständige Anfertigung der Arbeit
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig angefertigt habe und keine
anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.
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Ort, Datum Unterschrift
