ICA Standardı 46’ya Göre Çikolata Eritmelerinin Akış Davranışı

Materyaller

Bu çalışmada iki ticari çikolata örneği — sütlü çikolata ve bitter çikolata — kullanılmıştır. Numuneler, ICA Yöntem 46’ya göre hazırlanmıştır.

Çikolata parçaları cam kaplara yerleştirilmiş, kaplar sıkıca kapatılmış ve 52 °C sıcaklıktaki bir sıcaklık odasında 45 ila 60 dakika boyunca bekletilmiştir.

Bu sırada, HAAKE Viscotester iQ Reometre’nin Peltier sıcaklık kontrol modülünde, ölçüm geometrisinin kap ve rotoru, ölçüm sıcaklığı olan 40 °C’ye önceden ısıtılmıştır.

Test Protokolü

ICA Yöntem 46’ya uygun test protokolü, üç bölümden oluşan bir HAAKE RheoWin™ Yazılım Görevi olarak oluşturulmuştur:

1. Numune koşullandırma,

2. Test,

3. Veri değerlendirme (Şekil 2).

Numune koşullandırma adımı, test yönteminin her zaman aynı şekilde uygulanmasını sağlamak ve atlanan adımların önüne geçmek için test yönteminin bir parçası olarak dâhil edilmiştir. Bu yaklaşım, ölçüm sonuçlarının tekrarlanabilirliğini ve bunlardan hesaplanan değerlendirme sonuçlarının güvenilirliğini artırır.

Koşullandırma aşamasında (Şekil 2, Job Elemanı 3), numune ölçüm geometrisinin üst kısmı ölçüm konumuna yerleştirilmiş şekilde dinlenmeye bırakılırken sıcaklık 40 °C’ye ayarlanır. Bu sürede, numunenin yüklenmesi veya geometrinin kapatılmasıyla oluşan mekanik gerilmeler tamamen giderilmeli ve numunenin tamamı testin yapılacağı sıcaklığa ulaşmalıdır.

Orta bölüm, esas viskozite ölçümünü içerir (Job Elemanları 6–10).

• Öncelikle numune, 5 s⁻¹ kesme hızında 10 dakikalık bir ön kesme (pre-shear) işlemine tabi tutulur.

• Ardından, kesme hızı 3 dakika içinde 2 s⁻¹’den 50 s⁻¹’e kademeli veya sürekli bir artış rampasıyla yükseltilir.

• Kesme hızı 1 dakika boyunca 50 s⁻¹’de sabit tutulur,

• Daha sonra 3 dakika içinde 50 s⁻¹’den 2 s⁻¹’e yine sürekli veya kademeli bir azalma rampasıyla düşürülür.

Bu üç aşama boyunca viskozite ve kayma gerilimi verileri sürekli olarak kaydedilir. Bu yöntemin tam kesme hızı profili Şekil 3’te gösterilmektedir.

Protokolün son adımlarında (Şekil 2, Job Elemanları 11–12), veri değerlendirmesi HAAKE RheoWin Yazılımı tarafından otomatik olarak yapılır. Bu aşamada, ICA Yöntem 46’da belirtilen belirli kesme hızlarındaki viskozite değerleri interpolasyon yöntemiyle belirlenir.

Ek olarak, akma gerilimi (yield stress) veya diğer reolojik parametrelerin hesaplanması için Windhab² veya Casson modeli veri değerlendirmesine eklenebilir.

Daha basit bir yaklaşımda, Servais (3), 5 s⁻¹ kesme hızında ölçülen kayma gerilimi değerinin 10’a bölünerek akma geriliminin tahmin edilebileceğini önermektedir.
Bu yöntem tercih edilirse, karşılık gelen viskozite değeri HAAKE RheoWin Yazılımı’ndaki interpolasyon adımıyla otomatik olarak elde edilir.

ICA Yöntem 46’ya göre reolojik özelliklerin belirlenmesine ek olarak, her iki numune için de 40 °C’de bir kararlı durum (steady-state) kesme testi yapılmıştır.

Kesme hızı rampasıyla yapılan testlerde elde edilen geçici (transient) viskozite verilerinin aksine, kararlı durum viskozitesi, malzemenin viskoelastik özelliklerinden veya uygulanan kesme hızı rampasının hızından kaynaklanan zamana bağlı reolojik etkilerden bağımsızdır.

Mutlak viskozite verilerinin karşılaştırılması söz konusu olduğunda, kararlı durum kesme testi tercih edilir, çünkü bu yöntem cihaza veya ölçüm artefaktlarına bağlı değildir ve daha güvenilir sonuçlar sağlar.

Şekil 2: ICA yöntemi 46’ya göre testi çalıştırmak için oluşturulan HAAKE RheoWin Yazılımı görevi. Test, numune koşullandırma (unsurlar 1–5), reolojik test (unsurlar 6–10) ve veri değerlendirme (unsurlar 11–12) aşamalarından oluşur.

Şekil 3: ICA yöntemine göre uygulanan kesme hızı profili 46. 6 ila 10 arasındaki sayılar, Şekil 3’te gösterilen HAAKE RheoWin Yazılımı İşinin İş öğesi numarasını temsil eder.

Sonuçlar

ICA Yöntem 46’ya göre yapılan bir testin tipik sonuç gösterimi Şekil 4’te verilmiştir. Kırmızı eğriler kesme viskozitesini, mavi eğriler ise kesme gerilimini göstermektedir.

Grafikten açıkça görüldüğü üzere, sütlü çikolata, bitter çikolataya kıyasla iki kat veya daha fazla viskoziteye sahiptir.
Bu durum, Şekil 5’te gösterilen kararlı durum kesme testi sonuçlarından da net bir şekilde anlaşılmaktadır.

Ayrıca, bitter çikolatanın artan ve azalan kesme hızı rampalarından elde edilen viskozite eğrileri neredeyse birebir aynıdır. Buna karşılık, sütlü çikolata belirgin bir tiksotropik (thixotropic) davranış sergilemektedir; yani iki viskozite eğrisi arasında belirgin bir fark vardır.

Yeşil parabolik çizgiler, akış eğrilerinin 0 s⁻¹ kesme hızına kadar yapılan ekstrapolasyonunu ve Windhab ile Casson modellerine göre eğri uydurma (fit) sonuçlarını göstermektedir. Dikey yeşil çizgiler, Servais’in önerdiği şekilde 5 s⁻¹ ve 40 s⁻¹ kesme hızlarında yapılan interpolasyonu göstermektedir. Servais yöntemine göre akma gerilimi (yield stress), 5 s⁻¹’deki kayma gerilimi değerinin 10’a bölünmesiyle hesaplanmıştır.

Her iki çikolata eriyiği için farklı akma gerilimi belirleme yöntemlerinin sonuçları Tablo 1’de özetlenmiştir.

Tablodan çıkan ilk ve en önemli sonuç, aynı verilere dayanılsa bile, farklı matematiksel modellerin farklı sonuçlar verdiğidir. Bu nedenle, yalnızca aynı matematiksel modelle hesaplanan akma gerilimi değerleri birbiriyle karşılaştırılabilir.

Seçilen modelden bağımsız olarak, bu örnekte:

• Sütlü çikolata,

  • daha yüksek akma gerilimi,

  • daha yüksek viskozite,

  • ve daha güçlü tiksotropik özellikler göstermektedir.

Sonuçlar

ICA Yöntem 46, reometrelerle çikolata eriyiklerinin reolojik davranışını belirlemek için sıkça kullanılan bir test prosedürüdür.

Bu raporda test edilen iki çikolata örneği, kesme viskozitesi, tiksotropik davranış ve akma gerilimi açısından belirgin şekilde farklı özellikler göstermiştir.

HAAKE Viscotester iQ Reometre ile yapılan ölçümler, standartlara tam uygun, yüksek hassasiyetli ve tekrarlanabilir sonuçlar sağlamaktadır. Ayrıca, cihazın sunduğu çeşitli veri değerlendirme yöntemleri sayesinde analizler kolayca gerçekleştirilebilmektedir.

Bununla birlikte, cihazla daha geniş bir kesme hızı aralığında ek ölçümler yapmak da kolaylıkla mümkündür, bu da çikolata gibi karmaşık sistemlerin akış davranışını daha kapsamlı biçimde analiz etmeyi sağlar.

Şekil 4: Sütlü çikolata (açık semboller) ve bitter çikolata (dolu semboller) için test sonuçları. Sütlü çikolata daha yüksek viskozite değerleri (kırmızı eğriler), daha güçlü tiksotropi ve daha yüksek akma gerilimi gösterir. Akış eğrilerinin (yeşil eğriler) 0 s-1’e ekstrapolasyonu Windhab ve Casson modeline göre hesaplanmıştır. 5 s-1’deki yeşil dikey çizgi, Servais’e göre akma geriliminin belirlenmesi için gereken gerilme değerini temsil eder.

Şekil 5: 40 °C’de sütlü çikolata ve bitter çikolatanın viskozite eğrileri. Sütlü çikolata önemli ölçüde daha yüksek viskozite gösterir.

Tablo 1: Farklı modeller kullanılarak Şekil 4’teki verilere dayalı olarak akma geriliminin belirlenmesi.

Kaynak: ThermoFisher HAAKE