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Chocolate hysteresis


Chocolate hysteresis
-------------王翔

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Chocolate hysteresis
? Chocolate appears to be a solid material at room temperature but melts when heated to around bod

y temperature. When cooled down again, it often stays melted even at room temperature. Investigate the temperature range over which chocolate can exist in both melted and ‘solid’ states and its dependence on relevant parameters.

? 巧克力在室温下一般为固态,将它升温到人的体温附近时会融化,但 是当它再次降至室温附近时,巧克力却保持熔融状态不变。请就此现 象作一个研究,得出使巧克力既能以固态存在又能以液态存在的温度 范围以及这个范围所依赖的相关参数。

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?目录

预 实 验

预 实 验 解 释

实 验

理 论 解 释

总 结

参 考 文 献

附 录

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预实验
实验
? 巧克力的主要成分是可可脂→对可可脂的

实验选用的巧克力

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预实验
重现现象

发现32.2℃融化

发现

5

预实验
实验

32.2±1℃

△T=10.8±1℃

21.4±1℃

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预实验解释
背景
? 巧克力:(英语:chocolate,粤港澳译為「朱古力」)來自中南美洲巧克力的鼻祖 是“xocolatl”意為苦水的意思,是以可可做为主料的一种混合型食品。主要原料可 可豆,产于赤道南北纬线18度以内狭长地带。 ? 依成份分类 ? 榛果巧克力:质地很硬,作为半成品,制作巧克力馅等。 含量:可可脂含量高于50%。 组成:可可脂。 ? 黑巧克力:或称纯巧克力:硬度较大,微苦。 含量:一般指纯可可脂含量高于50%,或乳质含量少于12%的巧克力。 组成:可可脂、少量糖。 ? 牛奶巧克力: 含量:至少含10%的可可浆,以及12%的乳质。 组成:由可可制品(可可液块、可可粉、可可脂)、乳制品、糖粉、香料和表面活性 剂等材料组成。

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预实验解释
理论解释
? 巧克力在32.2℃融化的原因。 商品巧克力为了适应在热带地区销售,会经一系列调温,以使融化点在 32℃~35℃的稳定性β晶体尽可能多。 ? 将熔融态的巧克力降温至室温时,巧克力保持为固液共存态而不凝固 的原因。

液态 ? 固态

为了上式的正向进行,需要△G<0。
△G ?△H m ? T ?△S m ?△ ? ?△H m ? T ? H m ? T m? ?

? △T ? ? ?△H m ? ? ? ? ?Tm ?

△H m <0。故为了保证△G<0,只有△T>0。 凝固是一个放热过程,
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?问题分析与限定
对巧克力的研究

熔化温度

由巧克力 工厂决定 冷却速率

固液共存 温度范围

可可脂含 量 巧克力添 加物

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实验
对△T的研究
? 冷却速率 不同的冷却条件下同样的巧克力△T. ? 可可脂含量 同样的冷却条件+黑巧克力同样的条件下不同牌子的△T. ? 巧克力添加物 同样的品牌+同样的冷却条件下类型不同的巧克力的△T.

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实验
?冷却速率对△T影响的实验研究

0cm距液氮 降温速率: (1.6±0.1℃)/min △T=16.1±1.0℃

30cm距液氮 降温速率: (1.4±0.1℃)/min △T=14±1.0℃

76cm距液氮 降温速率: (1.3±0.1℃)/min △T=13.4±1.0℃

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实验
?可可脂含量对△T影响的实验

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实验
可可脂含量对△T影响的实验

图一:称量可可液块

图二:称量淀粉

图三:可可液块与水调和

图四:测量巧克力粘度

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实验
?添加物对△T影响的研究

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实验
实验结果
? 发现巧克力的△T与冷却速率有关;
△T的大小与冷却速率呈正相关

?

发现巧克力的△T与可可脂含量有关; △T的大小与脂肪的含量呈正相关

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理论解释
背景(△T)
? 非等温结晶:结晶过程中温度不恒定。 ? 高分子聚合物:指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连 接而成的高分子量(通常可达10~106)化合物。例如:可可脂。 ? 结晶速率与温度的关系:不同的聚合物结晶速率随温度的变化关系各 不相同,但它们变化的趋势是相同的,即均呈单峰。 ? DSC:差示扫描量热法(differential scanning calorimetry)这项技术 被广泛应用于一系列应用,它既是一种例行的质量测试也是一个研究 工具。该设备易于校准,使用熔点低,是一种快速和可靠的热分析方 法。差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度下,测量输给物质和参 比物的功率差与温度关系的一种技术。

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理论解释
可可脂非等温结晶过程的数学描述

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理论解释
理论解释

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结论
实验一初步研究 发现了△T的存 在 对△T的研究 冷却速率与 △T呈正相关 冷却速率 △T随着可可 脂的含量增 加逐渐收敛

可可脂含量

不同的成份 会显著影响 △T

成份
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附录?参考文献
【1】Savina Radosavljevic and Anna Schlunk. Melting Chocolate (The University of Sydney, 2000), 【2】How to melt and temper chocolate (youtube.com, from Howdiniguru, 24.02.2009), 【3】 Wikipedia: Types of chocolate, http://en.wikipedia.org/wiki/Types_of_chocolate 【4】Wikipedia: Rheology, http://en.wikipedia.org/wiki/Rheology 【5】Wikipedia: Chocolate bloom, http://en.wikipedia.org/wiki/Chocolate_bloom 【6】Stephen T. Beckett. The Science of Chocolate (R. Soc. of Chemistry, 2008 【7】 H. Schenk and R. Peschar. Understanding the structure of chocolate. Radiation Phys. and Chem. 71, 34, 829-835 (2004) 【8】 J. Chevalley, Rheology of chocolate, J. Text. Stud. 6, 2, 177-196 (1995) 【9】 E. O. Afoakwa, A. Pareson, M. Fowler, and J. Vieira. Relationship between rheological, textural and melting properties of dark chocolate as influenced by particle size distribution and composition, Eur.Food Res. Technol. 227, 4, 1215-1223 (2008) 【10】 E. O. Afoakwa, A. Paterson, and M. Fowler. Factors influencing rheological and textural qualties in chocolate - a review. Trends in Food Sci. Technol. 18, 6, 290-298 (2007) 【11】 D. Gabriele, M. Migliori, N. Baldino, and B. de Cindio. Influence of Fat Content on Chocolate Rheology. AIP Conf. Proc. 1027, pp. 1265-1267 (2008) 20

附录?参考文献
[1]莫志深.一种研究聚合物非等温结晶动力学的方法[J].高分子学报,2008,(7):656661. [2]杨森,周正发,任凤梅等.聚丙烯/硬石膏复合材料的非等温结晶动力学[J].高分子材料科学与工程 ,2008,24(2):63-66. [3]戈明亮.一种非等温结晶动力学研究方法在聚丙烯中的应用[J].塑料科技,2011,39(12):34-37. [4] 王弼偲,丁长坤,赵渝等.纳米银改性聚丙烯的非等温结晶动力学研究[J].功能材料,2012,43(12): [5]王静康.结晶第十篇.化学工程,20(2),57~63(1992). [6]魏强华,高荫榆,何小立等.巧克力调温工艺及其发展[J].食品与机械,2003,(1):10-11. [7] 庄园园,司小娟,陈建军,程丹丹,Jeong Cheol Kim,王依民. UHMWPP/UHMWPE合金纤维结晶能力与结晶 活化能研究[J]. 材料工程. 2008(10) [8] 莫志深. 一种研究聚合物非等温结晶动力学的方法[J]. 高分子学报. 2008(07) [9] 董知之,张志英,陈莉,王曙光,袁清华. 计算机模拟不同成核方式PET非等温结晶过程[J]. 计算机与应用化 学. 2008(05) [10] 杨坡,胡国胜,王标兵. 尼龙6/11共聚物的非等温结晶动力学研究[J]. 中北大学学报(自然科学版). 2008(02) [11] 唐斌,丁雪佳,薛海蛟,李洪波,吴恒澜. SEBS-g-MA对PS/PA6的相形态及非等温结晶行为的影响[J]. 化工 进展. 2008(04) [12] 杨森,周正发,任凤梅,黄国庆,徐卫兵. 聚丙烯/硬石膏复合材料的非等温结晶动力学[J]. 高分子材料科学 与工程. 2008(02) 21

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第一次试验
? ? ? ? ? ? 实验器材 一台不接触式红外测温仪 烤鸭的烧烤炉--低温模式 100%的纯可可黑巧克力 一块2.5MM左右厚的纯铁板 一个不锈钢的盆子+一个竹筷

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成果
室温 26℃

待测样品(100%纯可可黑 40℃±0.5℃ 巧克力)的融化温度 待测样品(100%纯可可黑 19℃~20℃ 巧克力)的凝固温度 待测样品(100%纯可可黑 巧克力)固液共存温度范 19℃~40.5℃ 围

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第一次实验的部分影像资料

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由里到外温度40℃;40.4℃;33.8℃

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改进思路
? 改善巧克力加热设备不均匀的缺点以及升 温过高的不足-----用教学楼里的热水箱的箱 顶来加热

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第一次实验总结
? 烤鸭炉的升温过程不好精确控制 ? 实验测量值与理论值的误差分析如下: ? 1.来源于测量设备的落后,由于,烤鸭炉的 温度过高且不好控制。 ? 2.实验过程中没有准确的时间度量,在巧克 力融化过程中,由于设备原因无法均匀加 热,所以在不同温度区域的样品在读数时 无法同时进行。
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第二次实验
? 针对降温速度这一主要原因来进行探索

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影响因素--降温速度
? 巧克力的温度变化过程
? 由于可可脂的结晶与降温速率有很大关系,所以当它加热至37℃后在 降到室温33℃左右,一般没有相关的实验设备,它的降温过程是很缓 慢的,所以巧克力内可可脂的结晶数目也很低。故保持液态。巧克力 的结晶速度与降温速度成正比【2】可可脂非等温结晶动力学研究

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针对这个观点进行一两次实验
? 试验目的:验证巧克力凝固与降温速度有 关---这就是影响固液共存温度范围最主要 的因素

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第二次实验
? 实验器材 ? 一台不接触式红外测温仪 ? 一个塑料水桶+一个塑料水盆+一个2L的可 乐瓶 ? 一个不锈钢盆子+一个不锈钢筷子 ? 凌晨12点以后较高处的凉风(天然降温器)

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成果
巧克力的固液共存温度 22.8℃~23.8℃ 范围 巧克力完全凝固温度范 18.8℃~19.1℃ 围
巧克力对温度很敏感 在用两种方式给完全融化的巧克力降温观察凝固 程度的实验中发现在高处用10℃左右的夜风猛吹 要比在26℃的室温内让其自然冷却结晶程度大很 多。
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夜风(10℃)猛吹法快速降温

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室内(26℃)自然降温法

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第二次实验过程影像资料

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巧克力固液共存状态

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巧克力完全融化状态

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conclusion
? 实验一
解释了为什么加热降温后巧克力任保持液 态的现象-----△T

? 实验二
探索了巧克力固液共存的影响因素---降温 速度

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后续进展
? 探究关键---固液共存的影响因素 1.降温速度 2.巧克力材质(这是个大的入手点) 3.针对这至少6点重要影响因素来用理论展开。 4.制作极具逻辑力的PPT以便自己答辩。

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背景调查
? 巧克力制作工艺流程中有一重要环节“调温” ? 我们给巧克力调温的原因? ? 固体巧克力的诱人外观和完美光泽是巧克力中脂肪(可可 油)准确结晶的结果。可可油本身能够自然结晶出不同的 形状,只有在最高熔点(35度-36度)结晶形成的才是稳 定的。 ? 调温是一个使所有可可油形成稳定结晶体的过程,从而保 证可可油的收缩和巧克力容易从模具或塑料板上移开,这 样制作出来的巧克力坚硬,有光泽,断开时有脆响。

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调温的第一阶段,物料从40℃冷却至29℃,温度的下 降是逐渐进行的,使油脂产生晶核,并转变成其他晶型。 调温的第二阶段,物料从29℃继续冷却至27℃,使稳 定晶型的晶核逐渐形成结晶,结晶的比例增大。 调温的第三阶段,物料从27℃再回升至29~30℃。这 一过程在于物料内已经出现多晶型状态,提高温度的作用 是使熔点低于29℃的不稳定晶型重新熔化,而把稳定的晶 型保留下来。

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可可脂

α晶体
β'晶体 γ晶体 β晶体

17℃ 26℃ 23℃ 35-37℃
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可可脂加热曲线模拟

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巧克力固化以可可脂为主

【1】陈夏吉·上海轻工业高等专科学校·可可脂在巧克力中稳定晶型形成
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自己要务必背会的台词

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? 溶液的结晶主要分四种基本类型
溶液结晶的基本类型 结晶类型 冷却结晶 蒸发结晶 真空绝热冷却结晶 加压结晶等其他类型 产生过饱和度的方法 降低温度 溶剂的蒸发 溶剂的闪蒸与蒸发兼有降温 改变压力,降低溶解度等方法

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理论解释
? 巧克力酱料经过精炼后呈液体状态,在转变为固体状态之前,都应通过调温 工艺处理,因为可可脂中的甘油酯分子会使自己形成多晶型体,这些不同晶型体 的存在会导致巧克力在冷却凝固时影响其收缩性,以及物理性质的变化,如表面 粗糙、发花发白、缺少光泽。可可脂中低熔点的多晶体很不稳定,低熔点的晶型 趋向高熔点稳定的晶型演变,这一过程是通过调温工艺来实现的,所以控制巧克 力酱料中可可脂晶型的变化过程称为调温。 巧克力不溶在手(室温下为固态)只溶在口(体温下开始融化)的物质

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可可脂非等温结晶过程的数学描述

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