新知 | 巧克力如此美味,別忘了感謝粒子加速器

中科院之聲2019-03-20 12:18:00

巧克力是一種深受人們喜愛的甜食。尤其是情人節、聖誕節及各種紀念日,在為愛人、親人、朋友準備禮物時,首選的就是最能表達愛意的巧克力了。


最能表達愛意的巧克力(圖片來自網絡)


巧克力的歷史可以追溯到數千年前,它的前身是南美洲土著人制作的一種苦澀、帶香味的提神飲料,經歷了悠長而複雜的發展過程才有了現今如此美味的巧克力。


如果有人説巧克力的美味與粒子加速器相關,你可能會感到驚奇和疑惑,可科學家們説這是真的。


在美國能源部主辦的Symmetry電子期刊上,有篇文章的第一句就是這樣寫的:如果你的心上人在情人節送給你一盒巧克力,別忘了你還應該感謝粒子加速器,是它給了巧克力美味。 


Symmetry上題為Chocolatà la particle accelerator的文章 

  

巧克力的起源


一些歷史學家認為巧克力至少已存在了約2000年,但也可能更古老些。1996年出版了一本名為《巧克力的真實歷史》(The True History of Chocolate)的書,作者(Sophie D. Coe、Michael D. Coe)對巧克力的起源及發展史作了仔細研究後提出了自己的觀點:


關於巧克力的故事最早應可追溯到3000年甚至4000年前。那時,墨西哥及中美洲茂密的熱帶雨林裏生長着一種可可樹,當地土著人發現這種樹的果實(可可豆莢)裏面的“可可豆”(每個果莢里約有30-40顆)乾燥後會散發出很獨特的香味。他們將可可豆發酵、曬乾、烘烤、碾碎,再加上些胡椒、香草、樹汁和水製成一種味道苦澀但帶有特殊香味的“可可飲料(Cacahuatl)”,這種飲料具有能使人迅速恢復體力和精力的神奇功能。

 

1996年出版的The TrueHistory of Chocolate(圖片來自網絡)


可可樹、可可果及果莢中的可可豆(圖片來自網絡)


15世紀,隨着西班牙對中美洲的征服,可可飲料被引入西班牙,製作技術進行了改良,用糖、肉桂和蜂蜜等替換了原先的胡椒和樹汁,可可飲料不再那麼苦澀且保留了原來的香味。最初,這種飲料只有王室和貴族才能享用,後來才逐漸在咖啡館裏流行起來。


當時,從中美洲收購來的可可豆先要進行烘焙,然後去皮碾碎為“可可粒”——這是製作可可飲料的原料。經營可可飲料的商家將可可粒與各種配料一起烹製後才能產出可可飲料。西班牙商人拉斯科(Lascaux)一直為此煩惱着、探索着。終於,他找到一種方法能將可可粒研磨加熱後濃縮成液態的“可可漿”,可可漿冷卻後會結成硬塊——稱為“巧克力特爾(Chocolatl)”。商家只要取一小塊巧克力特爾用水沖泡調製後即可成為可可飲料。巧克力特爾也可直接放入嘴裏吃,這可以算是最原始的巧克力了。


精明的西班牙人因經營可可飲料和巧克力特爾盈利頗豐,他們對配方嚴加保密,直至約一百年後相關配方才陸續傳入意大利、英國、法國等國。因受制作技術所限,當時的可可飲料及巧克力特爾的口味其實還很不盡人意。


1828年,荷蘭的範·豪爾頓(Van Houten)發明了“脱脂”技術。他使用一種螺旋壓力機成功地將可可豆中的脂肪(可可脂)分離出去,脱脂後剩下的可可粉經鹼化處理後可使沖泡出來的可可飲料味道更加醇厚。豪爾頓生產的可可粉被稱為“荷蘭可可”。


脱脂後剩下的可可粉與分離出來的可可脂(圖片來自網絡)


1847年,英國的約瑟夫·弗萊(Joseph Fry)有了新的發現:如果在荷蘭可可中按比例加入熔融的可可脂,這樣的巧克力漿冷卻後製成的固態巧克力就變得不那麼粗糙易碎了,巧克力的質量得以大大提高。


1879年,瑞士的魯道夫·林特(Rudolphe Lindt)發明了“精煉”技術:用能更精細研磨的機器(可可粉顆粒可研磨得小於20微米),根據所需品種的要求在不同温度下(例如:牛奶巧克力約49℃,而黑巧克力約82℃)將加入可可脂的巧克力漿持續研磨幾小時甚至幾天,精煉後再冷卻成型的巧克力品質有了新的飛躍,口感柔滑細膩,入口即化。


巧克力的精煉(圖片來自網絡) 

  

令人頭疼的巧克力反霜


不過,巧克力精煉後的冷卻成型過程並不像一般人想象的那樣簡單。


巧克力中的可可脂由多種脂肪酸構成,其中98%為甘三酯,其他成分包括遊離脂肪酸、甘二酯、單甘酯、生育酚和磷脂等。可可脂具有多形態結晶的神奇特性,隨着温度的不同它竟有六種不同的結晶狀態(編號I至VI),每種結晶狀態對應不同的熔點:結晶I 的熔點17℃,而結晶VI的熔點為36℃。編號越低的結晶狀態越不穩定,因結晶V的熔點正好為34℃,室温時是固態,進入人口即能美妙融化,使人得到味覺上的美妙享受。


巧克力製造還需要通過複雜的“調温”工藝,設法讓巧克力中儘可能多的可可脂處於結晶V的完美狀態,且儘可能地均勻分佈。但因結晶V並不是可可脂最穩定的狀態,儲存過程中一不小心它就會向最穩定的結晶VI狀態轉化(此時,巧克力表面被蒙上一層白霜,稱為反霜)。


正常巧克力(左)與反霜的巧克力(右)(圖片來自網絡)


反霜的巧克力雖然仍可食用(對人體無害),但它卻失去了原來的醇厚香味和口感,吃起來令人“味同嚼蠟”。巧克力的最佳食用期限因此被限制在很短的時間內,如何克服巧克力的反霜已成為令巧克力廠家極為頭疼的問題。但是,直至20世紀末,科學家們還不很瞭解可可脂的晶體結構究竟是什麼樣的,因而對如何避免巧克力反霜仍束手無策。


荷蘭阿姆斯特丹大學的一個研究團隊對此問題產生了濃厚的興趣,他們利用歐洲同步輻射光源ESRF(European SynchrotronRadiation Facility)提供的實驗條件,從分子結構的層次開展如何從根本上避免巧克力上形成反霜的研究。 


同步輻射光源助力揭祕反霜機理


同步輻射光源是基於粒子加速器的大型科研設施,同步輻射光源幫助物理學、化學、地質科學、材料科學等多個學科的科學家探索原來人類無法想象的物質細微結構,迄今為止,世界上90%的生物大分子:蛋白質、ADN、ARN、核糖體、核小體或者病毒都是藉助同步輻射光了解的。


ESRF是歐洲12個國家共同投資建造的,是世界上首座第三代高能同步輻射光源。它擁有40餘條光束線站,為用户提供高亮度、高精度的光源,研究內容涉及生物分子、納米結構、聚合體等物理、化學、材料科學、生物、醫學、地理和地質考古等多個重要領域。


 

位於法國格勒諾布爾的ESRF鳥瞰圖


 

ESRF的光束線分佈示意圖


這個來自荷蘭的研究團隊在ESRF實驗站上用“X射線粉末衍射技術”首次確定了可可脂三種主要單不飽和型甘油三酯中的一種——SOS的晶體結構(約佔可可脂的25%,在可可脂的結晶過程中起着重要作用),成功構建了可可脂結晶V的結構模型,為在分子水平上更好地理解巧克力反霜現象的機理打下了基礎。這一成果有助於更好地瞭解可可脂的熔化行為和更好地控制生產過程。


2004年9月該研究團隊在 Journal of Physical Chemistry B 期刊上發表文章,描述了可可脂成分的結構以及最常見可可脂的晶體結構。研究團隊的勒內·佩沙爾(RenePeschar)指出:在一般實驗室無法得到這樣的結果,真的需要這樣一個同步加速器設施。這是因為ESRF產生的X射線強度比常規X射線源要高上千倍到百萬倍,而所需樣品的體積卻可小几個數量級。在ESRF上進行X射線粉末衍射實驗極大地提高了晶體衍射分辨率,並能在短至數秒甚至微秒時間內進行三維結構的研究。ESRF的確是該項研究取得成功的關鍵。


 

研究團隊在Journal of Physical Chemistry B上發表的文章


 

研究團隊在Radiation Physics &Chemistry上發表的文章


該項研究成果對巧克力產業產生了直接的影響。基於該研究團隊幾年來在ESRF上得到的實驗數據,參與合作研究的荷蘭機械製造公司(該公司所在地區廠商所加工的可可豆佔世界總產量的20%以上)獲得了一種改進巧克力製造方法的專利,並進行了20→400→1000公斤/小時規模的巧克力生產測試,取得了穩定的成效。該專利技術可使製造的巧克力不發生反霜,還能不斷提高巧克力的質感、口感和外觀。


 

各種美味的巧克力(圖片來自網絡)


所以,當你嚐到口味日臻完美的巧克力時,別忘了向粒子加速器表示致意!


來源:中國科學院高能物理研究所


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