巧克力如此美味,别忘了感谢粒子加速器!

作者: 小溪

来源: 中科院高能所

发布日期: 2019-03-28

巧克力的美味与粒子加速器相关,科学家利用同步辐射光源研究可可脂的晶体结构,从而改进巧克力制造方法,避免巧克力反霜,提高巧克力的质感、口感和外观。

巧克力是一种深受人们喜爱的甜食。尤其是情人节、圣诞节及各种纪念日,在为爱人、亲人、朋友准备礼物时,首选的就是最能表达爱意的巧克力了。

巧克力的历史可以追溯到数千年前,它的前身是南美洲土著人制作的一种苦涩、带香味的提神饮料,经历了悠长而复杂的发展过程才有了现今如此美味的巧克力。

如果有人说巧克力的美味与粒子加速器相关,你可能会感到惊奇和疑惑,可科学家们说这是真的。在美国能源部主办的 Symmetry 电子期刊上,有篇文章的第一句就是这样写的:如果你的心上人在情人节送给你一盒巧克力,别忘了你还应该感谢粒子加速器,是它给了巧克力美味。

一些历史学家认为巧克力至少已存在了约2000年,但也可能更古老些。

1996年出版了一本名为《巧克力的真实历史(The True History of Chocolate)》的书,作者(Sophie D. Coe、Michael D. Coe)对巧克力的起源及发展史作了仔细研究后提出了自己的观点:关于巧克力的故事最早应可追溯到3000年甚至4000年前。

那时,墨西哥及中美洲茂密的热带雨林里生长着一种可可树,当地土著人发现这种树的果实(可可豆荚)里面的“可可豆”(每个果荚里约有30-40颗)干燥后会散发出很独特的香味。他们将可可豆发酵、晒干、烘烤、碾碎,再加上些胡椒、香草、树汁和水制成一种味道苦涩但带有特殊香味的“可可饮料(Cacahuatl)”,这种饮料具有能使人迅速恢复体力和精力的神奇功能。

15世纪,随着西班牙对中美洲的征服,可可饮料被引入西班牙,制作技术进行了改良,用糖、肉桂和蜂蜜等替换了原先的胡椒和树汁,可可饮料不再那么苦涩且保留了原来的香味。最初,这种饮料只有王室和贵族才能享用,后来才逐渐在咖啡馆里流行起来。

1828年,荷兰的范·豪尔顿(Van Houten)发明了“脱脂”技术。他使用一种螺旋压力机成功地将可可豆中的脂肪(可可脂)分离出去,脱脂后剩下的可可粉经碱化处理后可使冲泡出来的可可饮料味道更加醇厚。豪尔顿生产的可可粉被称为“荷兰可可”。

1847年,英国的约瑟夫·弗莱(Joseph Fry)有了新的发现:如果在荷兰可可中按比例加入熔融的可可脂,这样的巧克力浆冷却后制成的固态巧克力就变得不那么粗糙易碎了,巧克力的质量得以大大提高。

1879年,瑞士的鲁道夫·林特(Rudolphe Lindt)发明了“精炼”技术:用能更精细研磨的机器(可可粉颗粒可研磨得小于20微米),根据所需品种的要求在不同温度下(例如:牛奶巧克力约49℃,而黑巧克力约82℃)将加入可可脂的巧克力浆持续研磨几小时甚至几天,精炼后再冷却成型的巧克力品质有了新的飞跃,口感柔滑细腻,入口即化。

不过,巧克力精炼后的冷却成型过程并不像一般人想象的那样简单。巧克力中的可可脂由多种脂肪酸构成,其中98%为甘三酯,其它成分包括游离脂肪酸、甘二酯、单甘酯、生育酚和磷脂等。可可脂具有多形态结晶的神奇特性,随着温度的不同它竟有六种不同的结晶状态(编号I至VI),每种结晶状态对应不同的熔点:结晶I 的熔点17℃,而结晶VI的熔点为36℃。

巧克力制造还需要通过复杂的“调温”工艺,设法让巧克力中尽可能多的可可脂处于结晶V的完美状态,且尽可能地均匀分布。但因结晶V并不是可可脂最稳定的状态,储存过程中一不小心它就会向最稳定的结晶VI状态转化(此时,巧克力表面被蒙上一层白霜,称为反霜)。

荷兰阿姆斯特丹大学的一个研究团队对此问题产生了浓厚的兴趣,他们利用欧洲同步辐射光源ESRF(European Synchrotron Radiation Facility)提供的实验条件,从分子结构的层次开展如何从根本上避免巧克力上形成反霜的研究。

同步辐射光源是基于粒子加速器的大型科研设施,同步辐射光源帮助物理学、化学、地质科学、材料科学等多个学科的科学家探索原来人类无法想象的物质细微结构,迄今为止,世界上90%的生物大分子:蛋白质、ADN、ARN、核糖体、核小体或者病毒都是借助同步辐射光了解的。

这个来自荷兰的研究团队在ESRF实验站上用“X射线粉末衍射技术”首次确定了可可脂三种主要单不饱和型甘油三酯中的一种——SOS的晶体结构(约占可可脂的25%,在可可脂的结晶过程中起着重要作用),成功构建了可可脂结晶V的结构模型,为在分子水平上更好地理解巧克力反霜现象的机理打下了基础。这一成果有助于更好地了解可可脂的熔化行为和更好地控制生产过程。

该项研究成果对巧克力产业产生了直接的影响。基于该研究团队几年来在ESRF上得到的实验数据,参与合作研究的荷兰机械制造公司(该公司所在地区厂商所加工的可可豆占世界总产量的20%以上)获得了一种改进巧克力制造方法的专利,并进行了20→400→1000公斤/小时规模的巧克力生产测试,取得了稳定的成效。该专利技术可使制造的巧克力不发生反霜,还能不断提高巧克力的质感、口感和外观。

所以,当你尝到口味日臻完美的巧克力时,别忘了向粒子加速器表示致意!

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