如何才能纵享丝滑?Nat. Commun.教你做巧克力

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巧克力,爱它的人只是看到这三个字,口腔中就好像已有它那饱满馥郁的香气与丝滑细腻的口感在回味。这种源自热带雨林可可豆的独特食物仿佛有种魔力,能激发出人类对糖和脂肪最原始的渴望。有人说巧克力的这种魔力要归功于咖啡因的激情与多巴胺的美妙,无论怎样,巧克力的独特味道已经在人类的唇齿间绵延了数百年。

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听说写论文与吃巧克力更配哦~~图片来源于网络


采摘豆荚,发酵豆子,干燥烘烤,研磨成浆,冷却脱模……看着是不是像咖啡的加工程序?其实巧克力与咖啡的生产工艺大同小异。其中,看似最简单的冷却脱模,却是真正决定巧克力丝滑口感与卖相的关键一步。


在巧克力中占30%的可可脂(CB)在冷却时会形成一种脂肪晶体网络,其中可可脂三酰甘油(TAG)复杂的晶体结构决定着巧克力的品质。目前已知CB TAG至少存在六种不同的多晶型,而其中只有三斜晶型V,也称为β2,由于其独特的物理特性才可赋予巧克力最佳的质地、光泽、脆度和熔化曲线,并具有良好的热稳定性和起霜稳定性。解释一句,这里所说的起霜,实际上是巧克力表面由脂类物质形成的一层结晶,通常呈灰白色薄膜状,影响巧克力产品的表面光泽度和观感,也就是说会影响卖相。

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可可脂。图片来源于网络


但三斜晶型V不是那么容易得到的,巧克力的冷却是一个复杂工艺,通常需要非常细节和复杂的调温工序,包括特定的冷却速率、温度区间和剪切力等。这种不太稳定的工艺通常导致可可脂结晶为非理想晶型与微观结构,从而影响整体品质,迫使回炉重造。


加拿大圭尔夫大学食品科学系的研究人员们找到了一个更加简便的方法,只需要少量添加简单的磷脂分子——饱和磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺,随后即可快速冷却得到最佳的三斜晶型V,从而避免了复杂的调温步骤,得到具有最佳卖相和微观结构的巧克力。无论是可可脂还是熔融和重结晶的商业巧克力,这个方法都管用。相关研究成果近日发表在Nature Communications 上。

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巧克力糖果。图片来源于网络


磷脂作为水油两亲分子可在TAG的成核过程中发挥作用,这归因于它们可自组装成介晶结构的能力,从而提供了用于TAG成核生长的表面。为了研究微量添加磷脂对于巧克力冷却结晶的影响,研究人员将饱和磷脂酰胆碱(DMPC)磷脂酰乙醇胺(DPPE)以0.1% (w/w) 水平添加到可可脂或熔融和重结晶的商业巧克力中,然后快速冷却至20°C结晶,观察巧克力的状态。


为了观察可可脂的组成,研究人员使用粉末X射线衍射观察了重新融化并冷却结晶的未精制天然可可脂(下图a)、精炼可可脂(下图b)、添加磷脂酰胆碱的精炼可可脂(下图c)和添加磷脂酰乙醇胺的精炼可可脂(下图d)。

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粉末X射线衍射数据。图片来源:Nat. Commun.


V型和VI型结晶的CB TAG在[001]方向堆叠为薄片,但衍射峰并不相同,其中VI型结晶会使可可脂熔点过低。所有样品均显示出V型结晶,但精制可可脂样品则出现了IV型的特征,而添加微量磷脂后则显示出V型结晶或V与VI混合结晶。

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四类可可脂在23 ℃下的静态结晶生长曲线。图片来源:Nat. Commun.


研究人员测试了四种样品的融点,发现一旦可可脂被精炼,熔点就会下降到28.8 °C,表明是IV型结晶。而添加微量磷脂后,熔化温度再次升高到29.8-32.2 ℃,表明IV向V型的转换。对于结晶曲线与半结晶时间的计算同样表明了精炼与添加剂的对于结晶的影响。精炼后结晶速率降低,而添加的磷脂则可提高结晶速率,有助于CB TAG的成核。偏光显微镜下可看到四类可可脂的结晶状态。尽管所有图像都显示羽毛状球晶结构,但未精制的样品具有较小的球晶。作者还对这种可可脂羽状分形晶体结构的质量空间分布进行了量化。

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四类可可脂的偏光显微镜图像。图片来源:Nat. Commun.


研究人员测试了商业巧克力Lindt-F、添加两种磷脂的商业巧克力以及重结晶的商业巧克力Lindt-F的机械性能后发现,添加磷脂有助于在巧克力中实现所需的硬度和断裂特性,而不会直接影响多晶型。这可能是因为磷脂影响了可可脂成核行为,可可脂的脂肪晶体网络微观结构也随之发生了变化。

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机械性能和外观数据。图片来源:Nat. Commun.


不同的结晶方式也影响着巧克力的表面光泽,比如发生V型到VI结晶转变时巧克力表面会出现微晶组成的灰白色薄膜。研究人员使用从RGB表面颜色计算的白度指数(WI)对表面光泽进行了量化。较高的 WI 表明巧克力表面的脂肪起霜程度较高,或者也可能表明表面较粗糙。结果表明,添加磷脂有助于巧克力的稳定性,从而导致更少的脂肪起霜以及更光滑的表面。

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微观结构研究。图片来源:Nat. Commun.


为了观察巧克力内部的微观结构,研究人员甚至动用了基于同步加速器的微型计算机断层扫描(SR-µCT),类似医院里常见的CT。直方图(上图e)的比较则显示了构成图像样本体积的整体密度分布的质量差异。发现添加磷脂的巧克力样品和市售产品均相似,而熔融重结晶的巧克力的立体像素强度(voxel intensity)则出现较大差异,这表明再结晶后样品密度的改变。


总体而言,工业上生产巧克力可不是把融化的巧克力倒进模子里冷却这么简单。可可脂中各种微量组分的存在导致其多晶型、结晶动力学和晶体形态发生重大变化。过去费心费力的复杂温控工艺,如今只需要少量磷脂食品添加剂,就可生产优质丝滑的巧克力产品。


Nat. Commun., 202112, 5018, DOI: 10.1038/s41467-021-25206-1

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