työohje: kaakaovoin sulamistutkimus

Kaakaovoi on polymorfinen aine, eli se omaa useamman kuin yhden kiinteän kiderakenteen. Jokaisella kiderakenteella on oma sulamispisteensä. Tässä työssä pyritään havainnollistamaan kaakaovoin polymorfista luonnetta.

Tässä työssä tutkitaan siis polymorfisen kaakaovoin sulamista. Tarkoituksena on kontrolloida kaakaovoin lämmitystä ja jäähdytystä kahdella tavalla (osa A ja osa B) ja tutkia missä lämpötilassa ja miten kaakaovoi kiteytyy. Tuloksista laaditaan jäähtymiskuvaajat, joita vertaillaan.

Vertailun vuoksi tutkimus suoritetaan myös steariinihapon kanssa. Steariinihappo on puhdas aine. Puhtaan aineen sulamispiste havaitaan tasona jäähtymiskuvaajalla. Aineen lämpötila ei muutu, ennenkuin se on kokonaan kiteytynyt. Puhtaan aineen sulamispiste ei ole riippuvainen siitä, mihin lämpötilaan näytettä on lämmitetty tai miten sitä jäähdytetään.
Aineet:

• kaakaovoi
• steariinihappo (vertailuaine)

Työvälineet:

• koeputki
• 3 lämpömittaria
• statiivi ja koura
• lasisauva sekoittamiseen
• 2 isoa astiaa (esim kattila tai väh 400ml keitinlasi)
• keittolevy
• sekuntikello

Työohje:

Osa A: Kaakaovoin sulaminen

1. Valmista kaksi vesihaudetta: Täytä toinen astioista vedellä ja lämmitä vesi 35 celsiusasteen lämpötilaan.  Toiseen astiaan laitetaan 17 celsiusasteista vettä. Seuraa hauteiden lämpötilaa lämpömittareilla ja ylläpidä niitä halutussa lämpötilassa.
2. Punnitse koeputkeen 10 grammaa kaakaovoita ja aseta se statiivin ja kouran avulla vesihauteeseen. Laita kolmas lämpömittari koeputkeen ja seuraa sillä kaakaovoin lämpötilaa.
3. Sulata kaakaovoi ja sekoita sitä huolellisesti lasisauvan avulla, kunnes kaakaovoi saavuttaa 33 celsiusasteen lämpötilan.
4. Siirrä koeputki toiseen vesihauteeseen (17 °C) jäähtymään.
5. Kirjaa jäähtyvän kaakaovoin lämpötilat ylös 30 sekunnin välein ja sekoita kaakaovoita 15 sekunnin välein siihen asti kunnes kaakaovoi saavuttaa vesihauteen lämpötilan.

Osa B: Kaakaovoin sulaminen

Toimi kuten osassa A, ainoana erona: lämmitä kaakaovoi 50-55 celsiusasteen lämpötilaan ja pidä se tässä lämpötilassa 15 minuutin ajan ennen jäähdytystä.

Osa C: Steariinihapon sulaminen (vertailu)

1. Punnitse 10g steariinihappoa koeputkeen.
2. Lämmitä steariinihappo 80 celsiusasteen lämpötilaan ja aseta koeputki huoneenlämpöisenä pidettyyn vesihauteeseen jäähtymään.
3. Kirjaa lämpötilat ylös 30 sekunnin välein ja sekoita 15 sekunnin välein. Jatka tätä kunnes steariinihappo saavuttaa vesihauteen lämpötilan.

Tuloksien käsittely

Piirrä jäähtymiskuvaajat osista A, B ja C. Aseta aika x-akselille ja lämpötila y-akselille. Vertaile osien A, B ja C kuvaajia toisiinsa.

Mistä erot voisivat johtua?

 

Suklaa rasvojen opetuksessa

Kaikki tietävät suklaan olevan makea ja rasvainen herkku ja sellaisena se tarjoaa hyvän lähtökohdan ja kontekstin rasvan (ja myös hiilihydraattien) opettamiseen. Tässä artikkelissa esitellään kokeellinen rasvoihin liittyvä suklaatutkimus sekä aiheeseen liittyviä linkkejä joita hyödyntää opetuksessa.

Esimerkkejä materiaalille soveltuvista lukio-opetusyhteyksistä:

• KE1-kurssi biomolekyylit (rasvat)
• työkurssi

Artikkeli on jaettu kolmeen osioon.

• Kaakaovoi tutkimus sisältää opettajalle aktiviteetin kuvauksen. Itse työohje oppilaille on omana artikkelinaan
• Kaakaovoi sisältää keskeistä kemian tietoutta kaakaovoista rasvana
• Linkit kokeelliseen työhön ja muihin materiaaleihin ovat artikkelin lopussa

Kaakaovoin sulamistutkimus

Tässä työssä tutkitaan polymorfisen kaakaovoin sulamista. Tarkoituksena on kontrolloida kaakaovoin lämmitystä ja jäähdytystä kahdella tavalla (osa A ja osa B) ja tutkia missä lämpötilassa ja miten kaakaovoi kiteytyy. Tuloksista laaditaan jäähtymiskuvaajat, joita vertaillaan.

Vertailun vuoksi tutkimus suoritetaan myös steariinihapon kanssa. Steariinihappo on puhdas aine. Kun sulaa steariinihappoa jäähdytetään kylmässä vesihauteessa havaitaan kiteytymislämpötila tasona jäähtymiskuvaajassa. Tuo kiteytymislämpötila on aineen sulamispiste eikä se puhtaalla aineella ole riippuvainen siitä, mihin lämpötilaan näytettä on lämmitetty tai miten sitä jäähdytetään.

Osassa A kaakaovoi lämmitetään vain sen verran, että alhaisimman sulamispisteen kidemuodot ovat sulaneet. Näin ollen kaakaovoi näyttää sulalta, mutta sisältää vielä V ja VI kiderakenteen kiteitä, joiden ympärille kiteytymistä tapahtuu tämän saman kiderakenteen mukaisesti. Tämän pitäisi näkyä selkeämpänä ja korkeampana sulamispisteenä (n. 25 °C) kuin näytteessä B, jossa kaakaovoi lämmitetään noin 50 °C, jolloin se on täysin sulaa ja annetaan jäähtyä. Tällöin kiteytyminen tapahtuu nopeasti alhaisen sulamispisteen kiderakenteisiin. Lisäksi nämä hyvin alhaisen sulamispisteen kiderakenteet muuttuvat nopeasti pysyvimmiksi korkeamman sulamispisteen kiteiksi. Näin ollen B-osassa kiteytymistä siis tapahtuu useaan kiderakenteeseen, mikä näkyy jäähtymiskäyränä käyrän laakeampana muotona, josta ei selkeää sulamispistettä ole määriteltävissä.

Kaakaovoin sulamispistettä määriteltäessä on myös mahdollista havainnollistaa latenttilämmön vapautuminen kaakaovoin kiteiden muuttuessa stabiilimpiin korkean sulamispisteen omaaviin kiderakenteisiin. Kaakaovoin kiteytyessä vapautuu sulaan kaakaovoihin sitoutunutta lämpöenergiaa. Kiteytymisen tapahtuessa alhaisimman sulamispisteen kiderakenteisiin vain pieni osa tästä latenttilämmöstä vapautuu. Kun nämä kiteet muuttuvat korkeamman sulamispisteen kiteiksi vapautuu loput latenttilämmöstä, joka voidaan havaita lievänä lämpötilan nousuna kuvaajissa.

Lisähuomioita työhön liittyen:

vasemmalla näyte A, kiinteä. Oikealla näyte B, osin sula

• Kaakaovoi on luonnollinen aine, jonka rasvahappokoostumus vaihtelee. Näin ollen siitä saatavissa jäähtymiskuvaajissa on eroja eikä niihin välttämättä muodostu niin selkeästi luettavia tasoja kuin steariinihapon kanssa.  Osien A ja B välille kuitenkin saa selkeästi vertailtavia eroja, joista voi vetää johtopäätöksiä
• Huoneenlämmössä osan A näyte on lopulta kiinteä ja osan B osin sula.
• Latenttilämmön vaikutus voi jäädä havaitsematta, mikäli kylmävesihauteen veden lämpötilaa ei ylläpidetä 17 celsiusasteisena.
• Kannattaa ottaa  kylmävesihauteeksi mahdollisimman suuri astia, jotta veden lämpötila ei nouse liian herkästi ja pidä varalla jääkylmää vettä tai jääpaloja

Kaakaovoi

Kaakaovoi on ainoa jatkuva faasi suklaassa ja se määrittää pitkälti suklaan fysikaaliset ominaisuudet, kuten sulamisen. Kaakaovoi kuten muutkin rasvat ovat triglyseridien seoksia. Triglyseridit koostuvat glyserolista ja siihen esteröityneistä kolmesta rasvahaposta.

Rasvahapoilla on yleinen perusrakenne: R-COOH. Tyydyttyneen rasvahapon alkyyliketjun hiilet ovat kaikki sitoutuneet kahteen vetyyn, kun taas tyydyttymättömällä rasvahapolla voi olla yksi tai useampi kaksoissidos alkyyliketjun hiiliatomien välillä. Kaakaovoin rasvahappokoostumus on yksinkertainen verrattaessa muihin kasvirasvoihin, sillä kaakaovoin rasvahapot koostuvat yli 95 prosenttisesti kolmesta rasvahaposta:

• palmitiinihaposta CH₃(CH₂)₁₄COOH,
• steariinihaposta CH₃(CH₂)₁₆COOH sekä
• oleiinihaposta CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH.

Palmitiinihappo sekä steariinihappo ovat tyydyttyneitä karboksyylihappoja. Tyydyttyneitä rasvahappoja pidetään yleisesti epäterveellisinä sillä niillä on taipumusta kohottaa kolesteroliarvoja.  Steariinihappo on tässä suhteessa poikkeus, sillä ihmiskeho pystyy muuttamaan sen oleiinihapoksi. Oleiinihappo on tyydyttymätön rasvahappo, jonka hiilivetyketjun yhdeksännen ja kymmenennen hiilen välillä on kaksoissidos.

Rasvahappojen alkyyliketjujen pituus, tyydyttyneisyysaste ja konformaatio vaikuttavat näistä rasvahapoista ja glyserolista muodostuvan rasvan käyttäytymiseen. Ryhmä identtisiä tai samankaltaisia rasvahappoja voivat muodostaa tiheämmän ja säännöllisemmän rakenteen kuin epäsäännölliset ja erilaiset rasvahapot. Mitä tiheämpi ja säännöllisempi rakenne, sitä kestävämpi se on ja sitä korkeampi on sen sulamispiste.

Kaakaovoi on polymorfinen aine, eli sillä on useita kiderakenteita, jotka kiteytyvät eri lämpötiloissa.  Kaakaovoin 6 kiderakennetta nimetään roomalaisin numeroin epävakaimmasta vakaimpaan: I,II,III,IV,V ja VI (ks. taulukko). Jokaisella kiderakenteella on oma sulamispisteensä: alhaisin I-kiteellä 17 °C ja korkein VI-kiteellä 36 °C.

Linkit työohjeeseen ja muuhun materiaaliin

• Kaakaovoin sulamistutkimus– työohje
• Suklaatehtaassa: kerrotaan tarkemmin temperoinnista, joka on prosessi jolla pyritään hallitsemaan suklaan kiteytymistä haluttuun kiderakenteeseen
• Suklaan koostumus: Suklaan sisältämiä aineita, mm. rakennekuvat kaakaovoin rasvahapoista
• Suklaan ravintoaineena: mm. taulukko, josta voi nähdä suklaan rasvakoostumuksen
• Rasvoista opetus.tv: opetusvideo, jossa tutustutaan rasvamolekyylin ja rasvahappojen rakenteisiin. Käydään läpi termit omega-3 rasva, tyydyttynyt rasva, tyydyttymätön rasva ja monityydyttymätön rasva.
• tee itse suklaata: vaikka kotiläksyksi oppilaille suklaanteko ohje. Tee oman maun mukaista suklaata ja koeta temperointia