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巧克力如此美味,別忘了感謝粒子加速器!
2019-02-21 |文章来源: 小溪| 浏览次数:  |

  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,在爲愛人、親人、朋友准備禮物時,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)

  巧克力的曆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,經曆了悠長而複雜的發展過程才有了現今如此美味的巧克力。

  如果有人說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,可科學家們說這是真的。

  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。

Symmetry 上题为“Chocolatà la particle accelerator”的文章 

  巧克力的起源

  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:

  關于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著一種可可樹,當地土著人發現這種樹的果實(可可豆莢)裏面的“可可豆”(每個果莢裏約有30-40顆)幹燥後會散發出很獨特的香味。他們將可可豆發酵、曬幹、烘烤、碾碎,再加上些胡椒、香草、樹汁和水制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複體力和精力的神奇功能。

1996年出版的“The TrueHistory of Chocolate”(图片来自网络)

可可樹、可可果及果莢中的可可豆(圖片來自網絡)

  15世紀,隨著西班牙對中美洲的征服,可可飲料被引入西班牙,制作技術進行了改良,用糖、肉桂和蜂蜜等替換了原先的胡椒和樹汁,可可飲料不再那麽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,然後去皮碾碎爲“可可粒”——這是制作可可飲料的原料。經營可可飲料的商家將可可粒與各種配料一起烹制後才能産出可可飲料。西班牙商人拉斯科(Lascaux)一直爲此煩惱著、探索著。終于,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——稱爲“巧克力特爾(Chocolatl)”。商家只要取一小塊巧克力特爾用水沖泡調制後即可成爲可可飲料。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”。

脫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。

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℃。编号越低的结晶状态越不稳定,因结晶V的熔点正好为34℃,室温时是固态,进入人口即能美妙融化,使人得到味觉上的美妙享受。

  巧克力制造還需要通過複雜的“調溫”工藝,設法讓巧克力中盡可能多的可可脂處于結晶V的完美狀態,且盡可能地均勻分布。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,稱爲反霜)。

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爲令巧克力廠家極爲頭疼的問題。但是,直至20世紀末,科學家們還不很了解可可脂的晶體結構究竟是什麽樣的,因而對如何避免巧克力反霜仍束手無策。

  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 SynchrotronRadiation 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。 

  同步輻射光源助力揭秘反霜機理

  同步輻射光源是基于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,迄今爲止,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借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余條光束線站,爲用戶提供高亮度、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。

 

位于法國格勒諾布爾的ESRF鳥瞰圖

 

ESRF的光束線分布示意圖

  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(約占可可脂的25%,在可可脂的結晶過程中起著重要作用),成功構建了可可脂結晶V的結構模型,爲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。這一成果有助于更好地了解可可脂的熔化行爲和更好地控制生産過程。

  2004年9月该研究团队在 Journal of Physical Chemistry B 期刊上发表文章,描述了可可脂成分的结构以及最常见可可脂的晶体结构。研究团队的勒内·佩沙尔(RenePeschar)指出:在一般实验室无法得到这样的结果,真的需要这样一个同步加速器设施。这是因为ESRF产生的X射线强度比常规X射线源要高上千倍到百万倍,而所需样品的体积却可小几个数量级。在ESRF上进行X射线粉末衍射实验极大地提高了晶体衍射分辨率,并能在短至数秒甚至微秒时间内进行三维结构的研究。ESRF的确是该项研究取得成功的关键。

 

研究团队在 Journal of Physical Chemistry B 上发表的文章

 

研究团队在 Radiation Physics &Chemistry 上发表的文章

  該項研究成果對巧克力産業産生了直接的影響。基于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制造公司(該公司所在地區廠商所加工的可可豆占世界總産量的20%以上)獲得了一種改進巧克力制造方法的專利,並進行了20→400→1000公斤/小時規模的巧克力生産測試,取得了穩定的成效。該專利技術可使制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,當你嘗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!

  

參考資料

  1、Chocolat à la particleaccelerator

  https://www.symmetrymagazine.org/breaking/2011/02/14/chocolat-a-la-particle-accelerator

  2、Structureof chocolate unravelled by synchrotron radiation

  https://phys.org/news/2004-09-chocolate-unravelled-synchrotron.html

  3、The True History of Chocolate

  https://www.streetdirectory.com/food_editorials/snacks/chocolates/the_true_history_of_chocolate.html

  4、Structureof chocolate unravelled at the ESRF

  http://www.esrf.eu/news/general-old/general-2004/chocolate/index_html

  5、Structure of ChocolateClarified with Synchrotron Powder Diffraction Data

  http://www.esrf.eu/UsersAndScience/Publications/Highlights/2004/SCM/SCM8/

  6、Chocoholics receive an SOS

  http://www.spectroscopynow.com/details/ezine/sepspec12196ezine/Chocoholics-receive-an-SOS.html?&tzcheck=1

  7、A Brief History ofChocolate

  https://www.smithsonianmag.com/arts-culture/a-brief-history-of-chocolate-21860917/

  8、History of Chocolate:Where does chocolate come from?

  https://quatr.us/south-america/chocolate-come-south-america.htm

  9、歐洲同步輻射光源ESRF

  /kxcb/zmsys/201107/t20110711_3307252.html

  10、巧克力是誰發明的

  http://help.3g.163.com/16/0223/15/BGH4LPHL00964K99.html

  11、巧克力:從可可豆到舌尖上的美味

  https://wenku.baidu.com/view/0220a99fdbef5ef7ba0d4a7302768e9951e76eb1.html

  12、巧克力爲什麽要調溫

  https://www.sohu.com/a/168260337_177810


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