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巧克力，以香醇柔滑、甜美独特的味道俘获了众多美食爱好者的心，是世界上最受欢迎的食品之一。它入口后浓郁、细腻、甜蜜的感觉，像极了爱情的浓情蜜意，估计今天不少读者都会收到它作为节日礼物。（没收到怎么办？出门右转，便利店里买一条就是了……）
情人节礼物巧克力。图片来源于网络
以往的研究发现，巧克力的美味来自两个方面：独特的可可味道和丝滑的口感，而丝滑的口感，不仅决定了巧克力的品质，还蕴藏了重要的科学研究价值。关于成分对巧克力味道的影响，此前有太多报道，而从材料学的角度来研究巧克力，目前还不是太多。巧克力属于一种经典的可食用相变材料（PCM），主要由结晶可可脂和悬浮于其中的颗粒（可可固体和糖晶体）组成。巧克力入口的变化是一个复杂的生物、物理、化学变化过程（涉及咀嚼、唾液酶、温度等），要从多个角度研究这一过程极具挑战性。近日，英国利兹大学的Anwesha Sarkar团队迎接这一挑战，通过一系列有趣的摩擦学及流变学实验揭示了巧克力丝滑口感的秘密 。
Anwesha Sarkar研究团队基于以往的研究，将巧克力从入口到吞咽的过程分为3个阶段：舔舐阶段（巧克力主要呈固态）、熔化阶段（巧克力在口腔温度下，初步被咀嚼）、唾液混合阶段（巧克力与唾液混合，形成吞咽前的食团）。他们选择市面上出售的4种黑巧克力作为研究对象，这4种巧克力所含可可的质量百分比分别为70%、85%、90%、99%。为了达到模拟口腔的效果，他们制备了类似天然唾液的人造唾液，通过仿生材料，以三维构建方式制备了类似舌头的探测器，后者可以从舌头和舌头上的单个乳头（丝状和菌状乳头）尺度进行测试。他们还在探测器上安装了倒置共聚焦显微镜（inverted confocal microscope），这样就可以原位、实时地观测巧克力的动态变化（图1）。
图1. 本文研究设置概览。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
研究团队发现4种巧克力样品中的固体颗粒尺寸相似，这表明如果巧克力入口过程存在着摩擦学上的差异，这种差异不是由颗粒尺寸差异引起的。他们还发现巧克力样品在混合唾液后，其流动行为发生改变，转化为水包油（O/W）乳液系统，这些液滴很可能被卵磷脂和可可颗粒所包裹。这种转化还产生了乳液体系内（可可颗粒与可可脂、可可与唾液粘蛋白、唾液粘蛋白与卵磷脂等）新的相互作用，或粘蛋白诱导的排斥絮凝，并主导了巧克力-唾液混合体系的流变行为（图2）。
图2. 巧克力样品在模拟口腔摩擦剪切作用下的微观结构变化。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
研究团队从巧克力入口过程的舔舐、熔化、唾液混合3个阶段，通过舌头、舌头上的单个乳头两个尺度研究整个过程的摩擦学行为。在舔舐阶段，他们构建了干（巧克力表面不含唾液）、湿（巧克力表面含唾液）两种待测模型GoC、GoC-S。研究发现，GoC本质上存在着类似石墨、类金刚石碳涂层的“固态润滑”（solid-lubrication）行为。在此情况下，在固体外表面存在一层转移膜将有利于形成一个容易滑动的界面，后者可以减少摩擦。换句话说，一个固体巧克力外表面如果有一层连续的可可脂，将有效的缓解舌头摩擦感，进而改善巧克力的口感。GoC-S模型的实验则表明，唾液的存在使得接触界面产生了一层水膜，不利于产生“固态润滑”，导致摩擦力增加。在熔化阶段，研究团队发现，除可可质量百分比为99%的巧克力以外，其余巧克力的固体颗粒在特定条件下不能被携带出入接触界面，仿生探测器表面的颗粒约束和弹性变形同时存在。这表明巧克力润滑行为仅靠经典润滑理论无法进行解释。他们推测，在舌部单乳头尺度下，表面润滑由可可脂在可可颗粒间的桥联作用（bridging effect）所控制，可可脂桥联作用的变化（减弱或增强）是接触面润滑效应的关键，因此，黑巧克力的摩擦性能由脂肪含量、固体颗粒和粘性力的相互作用决定。在唾液混合阶段，研究团队基于显微镜观测，首次展示了巧克力结构变化的原位、动态可视化证据，即巧克力内的油滴因摩擦接触而聚集，可可颗粒成为油包水乳液系统的Pickering稳定剂，有趣的是，摩擦接触促进了这样的稳定效应（图3）。
图3. 可食用相变材料（巧克力）在不同尺度下的润滑机制总结，以及基于摩擦学研究成果设计未来减脂巧克力。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
简单点说，当巧克力刚入口时，口感如何的关键在于脂肪；之后，固体可可颗粒被释放出来，它们主导了此时的口感，而巧克力内部深处的脂肪的影响变得相当有限。
基于上述研究成果，为了让巧克力做到口感更好同时更健康（脂肪含量更低），研究团队提出了未来巧克力设计的梯度理念。一方面，让巧克力的表面覆盖一层可可脂，改善巧克力入口的丝滑口感，减少可可颗粒带来的粗糙或多沙感；另一方面，巧克力内部的脂肪含量对口感的影响不大，可以适当降低。这样的梯度设计恰到好处地平衡了食品口感和健康，使我们有理由期待未来的巧克力将更有魅力。
Insights into the Multiscale Lubrication Mechanism of Edible Phase Change Materials
Siavash Soltanahmadi, Michael Bryant, and Anwesha Sarkar*
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 3699–3712, DOI: 10.1021/acsami.2c13017
（本文由天生西南供稿）
