圣诞节要到了，巧克力准备好了吗？
2019/12/24 7:00:00 科学大院
不知从什么时候开始，一到情人节、七夕、圣诞节，无论是在商场、电视还是网购时，总能看到大量的巧克力广告，在大众媒体的宣扬下，巧克力似乎成为了情侣间互送礼物的标配。
关于巧克力，你了解多少？为什么食用巧克力总能给我们带来味觉和嗅觉上的享受呢？
(图片来源：veer图库)
2007年，路易斯博士发起了一项科学调查[1]，他分别测量了几对热恋中的情侣们接吻和吃巧克力时的脑部活动和心跳速率，经过对比后发现，巧克力开始在口中熔化时，大脑所有区域得到的刺激比接吻带来的亢奋还要强烈和持久。
研究人员猜测，这可能与巧克力中含有的化学成分相关。
众所周知，巧克力中含有一定量的咖啡因和可可碱，二者均为兴奋剂兼抗氧化剂，同时巧克力中还含有少量的大麻素，这同样能使人们觉得兴奋。
口感的来源——可可脂
巧克力的发明主要归功于人们对结晶的认识与调控，尤其是可可脂的结晶。
可可脂是植物界最精致的油脂之一，外观近似精致的无盐奶油，主要成分是甘油三酯大分子，能以不同方式堆栈形成多种结晶[2]。甘油三酯堆栈越密，可可脂结晶越结实，熔点越高，也就更硬、更稳定。
可可脂的的熔点接近人体体温，平常以固体方式存放，放入口中很快就可以熔化。
可可脂(图片来源：维基百科)
当你把巧克力放入口中，巧克力慢慢熔化，在能量的作用下，结晶分子间的原子键被打破，分子自由流动，巧克力从固态变为液态，这个过程称为“相变”。这时，巧克力就会从你的身体吸收能量，吸收的能量称为潜热。而这能量是由舌头提供的，你会感觉舌头凉凉的很舒服，跟咀嚼薄荷一样。
可可脂的质量直接影响巧克力的口感，因此需采用三乙酰甘油的气相色谱法检测可可脂中外加脂肪的含量。同时可通过紫外射线分析法(270nm)鉴定可可脂结构中是否残留共轭键物质。
可可脂熔化、结晶和固化是影响巧克力物理化学性质的主要因素。β-型变性可可脂具有较稳定的熔点和潜热值，因此在巧克力的生产过程中要尽可能地制造出更多的β-晶核，从而形成稳定的β-型可可脂[3] 。
可可脂结晶特性通常采用Shukoff冷却曲线法或通过热流变特性冷却曲线法测量[3]。可可脂硬度的最佳测量方法是使用低分辨脉冲核磁共振技术测量其中稳定的β-晶核，从而推断巧克力在常温下的脆性。
可可脂是怎样形成的？
说了这么多，那么可可脂是怎么形成的？这其中又涉及什么化学原理呢？
我们都知道，可可豆是制作巧克力的原料之一，可可脂的形成自然离不开它的原材料——可可豆。
可可树，可可豆就藏在那些橄榄状的豆荚里(图片来源：veer图库)
可可树生长在热带地区，果实藏在大而饱满的豆荚里，每个豆荚里会有三四十颗柔软肥嫩的白色核桃状种子。
在可可豆成熟时，种植者们用柴刀收割可可树的种子，然后扔在地上，任由它们腐烂。随着种子开始腐烂发酵，温度也不断升高，这时可可豆里的成分转变成可可脂。
可可脂是可可豆里的酶让酸和乙醇发生酯化反应的结果，这个过程会受到很多因素的影响，例如成分的比例、环境温度和氧含量等。
气味的来源——焦糖化反应
在可可脂形成的过程中，可可豆里的碳水化合物(主要是糖和淀粉)开始受热分解，碳水化合物会变成焦化糖。只是可可豆的焦化过程发生在豆子里，豆子由白转棕，生成多种具有焦糖味的香气分子。
糖是碳水化合物，糖受热后，长链状的糖分子会断成许多截，有些小到直接蒸发，这就是焦糖化反应，也就是那些好闻气味的来源。
糖的焦糖化反应通常生成2类物质，一类是糖的脱水产物，即焦糖或酱色；另一类是裂解产物，即一些挥发性的醛、酮类物质，它们进一步缩合、聚合，最终形成深色物质。
带来香气的美拉德反应
当可可豆的受热温度更高时，会发生另一反应，影响可可豆的颜色和气味，那就是所谓的美拉德(Maillard)反应。美拉德反应不仅给可可豆带来了坚果香和鲜味，还减少了苦涩感。
美拉德反应是糖和蛋白质的作用，是羰基化合物与氨基化合物在加热过程中发生缩合和聚合反应，形成风味物质及发生褐变的一系列复杂化学反应。
不光巧克力的香味，烤肉、烤红薯等烧烤食物的诱人香味都来自美拉德反应(图片来源：veer图库)
美拉德反应可以分成三个阶段[4]。
初期为氨基与还原糖的缩合，若含有醛糖，则形成N-糖基化合物，然后经Amadori重排，生成氨基脱氧酮糖即单果糖胺；若有酮糖存在，则经Heyenes重排作用异构成2-氨基-2-脱氧葡萄糖。
中期为Amadori重排产物进一步降解。可能有3条途径：果糖基胺脱水生成羟甲基糠醛(HMF)；果糖基胺重排生成还原酮；Strecker降解反应。
末期为糠醛及其衍生物、二羰基化合物、还原酮、醛等进一步缩合、聚合形成复杂的高分子色素。
面包皮、烤蔬菜和许许多多烘烤类食物所散发的香气都是美拉德反应的功劳，少了美拉德反应，世界会乏味许多。
巧克力的发明和工业化生产经历了数百年，从可可豆到可可脂，再由可可脂到你手中美味的巧克力经历了无数的程序。当你享受巧克力的美味时，你是否能想到它背后数百年的努力呢？
参考文献:
[1] 赖盈满.《迷人的材料》，北京联合出版公司
[2] 吴炜亮. [博士学位论文]. 广州: 华南理工大学, 2012
[3] Hans Kattenberg. 中国食品工业, 2001(8): 26
[4] 王一凡. [硕士学位论文]. 上海：上海大学, 2014
作者单位：中国科学院大连化学物理研究所
本文于2016年12月23日首发于科学大院
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