荷蘭科學(xué)家與聯(lián)合利華合作設(shè)計口感爽脆的巧克力為3D打印食品提供新思路

人們喜歡一種食物，往往因為它具有某種獨特的口感。以巧克力放入口中為例，如果在享受其味道的同時，還可咬出盡可能多的“嘎嘣脆”聲音，會不會是一種美妙的體驗？

那么，怎樣通過科學(xué)的方法，制作出這種口感清脆的巧克力呢？

最近，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)聯(lián)合多團隊在Soft Matte上發(fā)表論文稱，他們利用最新的3D打印技術(shù)，以獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)制造出口感完美、爽脆的巧克力。

相關(guān)論文題目為《設(shè)計具有可調(diào)裂紋數(shù)量的可食用機械超材料》。團隊成員包括阿姆斯特丹大學(xué)、烏得勒支大學(xué)、代爾夫特理工大學(xué)與聯(lián)合利華的創(chuàng)新中心。

想要得到一種具備優(yōu)越特定的超材料（具有特殊性質(zhì)的人造材料），與材料本身的設(shè)計和結(jié)構(gòu)密不可分，例如超材料在電磁學(xué)和力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。而根據(jù)需求在食品領(lǐng)域設(shè)計材料，此前還未曾出現(xiàn)。

該團隊設(shè)計了一種具有定制斷裂特性的可食用“機械超材料”，通過這種方式讓巧克力的脆裂程度和口感更好。通過試驗證明，這種創(chuàng)新的材料加工出的巧克力口感更佳，這種方法也為3D打印按需設(shè)計食品提供了新的思路。

由于巧克力自身的特性，加工巧克力這種材料并非易事。如果想要達到更脆的口感，巧克力需要經(jīng)過“加熱-冷卻”的過程。

因此，如何“控制”材料成為影響巧克力口感的關(guān)鍵因素。在這個過程中，研究人員先將巧克力稍微加熱，然后添加冷巧克力，接著再次冷卻后放入3D打印機。正是因為這樣，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點。

巧克力的形狀也有講究。起初，研究人員嘗試S狀螺旋排列的巧克力。他們通過試驗發(fā)現(xiàn)，巧克力在入口“破裂”時會產(chǎn)生不一樣的裂縫，而這種斷裂取決于人們吃巧克力時咬下去的方向。

于是，該團隊使用巧克力作為模型材料，然后通過演示制造斷裂各向異性和裂紋數(shù)量的過程，隨后證明這些特性在口感體驗中得到體現(xiàn)。他們用實驗?zāi)M“咬下去”的過程后發(fā)現(xiàn)，一旦巧克力受到從上至下的壓力，會產(chǎn)生不同的裂縫。

但如果壓力來自垂直于巧克力的方向，那么只會產(chǎn)生一個裂縫。相比之下，當(dāng)結(jié)構(gòu)沿其垂直方向被壓縮時，機械超材料會軟得多，因為它的剛度比水平方向低40倍。

此外，機械超材料的脆性也較小，因為力-位移曲線對于較大范圍的壓縮位移和多個峰值表現(xiàn)出有限的力。因此，該材料表現(xiàn)出強烈的各向異性斷裂響應(yīng)，這在典型的食品微觀結(jié)構(gòu)中難以實現(xiàn)。

這項結(jié)果給該團隊帶來了新的啟發(fā)，研究人員在由10人組成的受試小組觀察相關(guān)體驗效果。隨后，他們通過不同結(jié)構(gòu)進行嘗試，以確認一種可設(shè)計的材料結(jié)構(gòu)達到理想斷裂次數(shù)。

各向異性可食用機械超材料

具有可調(diào)裂紋數(shù)量的可食用機械超材料

他們對不同形狀的巧克力進行了逐一測試，還對每位受試者“咬下”巧克力發(fā)出的聲音進行錄音。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巧克力的形狀與“嘎嘣脆”聲音相關(guān)。簡單來說，巧克力結(jié)構(gòu)的螺旋繞程度越大，人們咬下巧克力時就會聽見越多的聲音。

此外，他們通過觀察還確認了整體感官評級以及感知到的裂縫數(shù)量，與從力-位移曲線測量的裂縫數(shù)量呈正相關(guān)。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)諸如上述的螺旋巧克力超材料具有有趣的可控特性。圈數(shù)不僅直接決定材料在機械壓力下的斷裂次數(shù)；受試者在咬下巧克力時，也注意到斷裂更少和更多之間的差異。錄音還顯示，巧克力被咬時發(fā)出的聲音與斷裂的數(shù)量相匹配，這進一步增強了愉快的用餐體驗。

總的來說，該團隊通過對一系列可食用機械超材料進行設(shè)計、執(zhí)行機械測試和感官評估，證明了可以控制口感感官體驗的一些特征，例如感知咬合的難易程度和感知的咬合次數(shù)。

并且，他們還進一步確定拓撲優(yōu)化是獲得具有按需各向異性的超材料的有效途徑。該研究通過使用斷裂優(yōu)化方法、可食用產(chǎn)品以及工程結(jié)構(gòu)及其他方面的優(yōu)化方法，為合理設(shè)計人與物質(zhì)相互作用和斷裂特性提供了新的思路。