荷兰科学家与联合利华合作设计口感爽脆的巧克力 为3D打印食品提供新思路
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荷兰科学家与联合利华合作设计口感爽脆的巧克力 为3D打印食品提供新思路

人们喜欢一种食物,往往因为它具有某种独特的口感。以巧克力放入口中为例,如果在享受其味道的同时,还可咬出尽可能多的“嘎嘣脆”声音,会不会是一种美妙的体验?

那么,怎样通过科学的方法,制作出这种口感清脆的巧克力呢?

最近,荷兰阿姆斯特丹大学联合多团队在 Soft Matte 上发表论文称,他们利用最新的 3D 打印技术,以独特的设计结构制造出口感完美、爽脆的巧克力。

相关论文题目为《设计具有可调裂纹数量的可食用机械超材料》(Edible mechanical metamaterials with designed fracture for mouthfeel control)[1]。团队成员包括阿姆斯特丹大学、乌得勒支大学、代尔夫特理工大学与联合利华的创新中心。

想要得要一种具备优越特定的超材料(具有特殊性质的人造材料),与材料本身的设计和结构密不可分,例如超材料在电磁学和力学领域的应用。而根据需求在食品领域设计材料,此前还未曾出现。

该团队设计了一种具有定制断裂特性的可食用“机械超材料”,通过这种方式让巧克力的脆裂程度和口感更好。通过试验证明,这种创新的材料加工出的巧克力口感更佳,这种方法也为 3D 打印按需设计食品提供了新的思路。

由于巧克力自身的特性,加工巧克力这种材料并非易事。如果想要达到更脆的口感,巧克力需要经过“加热-冷却”的过程。

因此,如何“控制”材料成为影响巧克力口感的关键因素。在这个过程中,研究人员先将巧克力稍微加热,然后添加冷巧克力,接着再次冷却后放入 3D 打印机。正是因为这样,可以按需制作出理想中的巧克力材料,并保持巧克力原有的特点。

(来源:YouTube)

巧克力的形状也有讲究。起初,研究人员尝试 S 状螺旋排列的巧克力。他们通过试验发现,巧克力在入口“破裂”时会产生不一样的裂缝,而这种断裂取决于人们吃巧克力时咬下去的方向。

于是,该团队使用巧克力作为模型材料,然后通过演示制造断裂各向异性和裂纹数量的过程,随后证明这些特性在口感体验中得到体现。他们用实验模拟“咬下去”的过程后发现,一旦巧克力受到从上至下的压力,会产生不同的裂缝。

但如果压力来自垂直于巧克力的方向,那么只会产生一个裂缝。相比之下,当结构沿其垂直方向被压缩时,机械超材料会软得多,因为它的刚度比水平方向低 40 倍。

此外,机械超材料的脆性也较小,因为力-位移曲线对于较大范围的压缩位移和多个峰值表现出有限的力。因此,该材料表现出强烈的各向异性断裂响应,这在典型的食品微观结构中难以实现。

图丨各向异性可食用机械超材料(来源:Soft Matte)

这项结果给该团队带来了新的启发,研究人员在由 10 人组成的受试小组观察相关体验效果。随后,他们通过不同结构进行尝试,以确认一种可设计的材料结构达到理想断裂次数。

他们对不同形状的巧克力进行了逐一测试,还对每位受试者“咬下”巧克力发出的声音进行录音。结果发现,巧克力的形状与“嘎嘣脆”声音相关。简单来说,巧克力结构的螺旋绕程度越大,人们咬下巧克力时就会听见越多的声音。

此外,他们通过观察还确认了整体感官评级以及感知到的裂缝数量,与从力-位移曲线测量的裂缝数量呈正相关。

图丨具有可调裂纹数量的可食用机械超材料(来源:Soft Matte)

已经发现诸如上述的螺旋巧克力超材料具有有趣的可控特性。圈数不仅直接决定材料在机械压力下的断裂次数;受试者在咬下巧克力时,也注意到断裂更少和更多之间的差异。录音还显示,巧克力被咬时发出的声音与断裂的数量相匹配,这进一步增强了愉快的用餐体验。

总的来说,该团队通过对一系列可食用机械超材料进行设计、执行机械测试和感官评估,证明了可以控制口感感官体验的一些特征,例如感知咬合的难易程度和感知的咬合次数。

并且,他们还进一步确定拓扑优化是获得具有按需各向异性的超材料的有效途径。该研究通过使用断裂优化方法、可食用产品以及工程结构及其他方面的优化方法,为合理设计人与物质相互作用和断裂特性提供了新的思路。