荷蘭科學家與聯合利華合作設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聯合多團隊在Soft Matte上發表論文稱，他們利用最新的3D打印技術，以獨特的設計結構制造出口感完美、爽脆的巧克力。

相關論文題目為《設計具有可調裂紋數量的可食用機械超材料》。團隊成員包括阿姆斯特丹大學、烏得勒支大學、代爾夫特理工大學與聯合利華的創新中心。

想要得到一種具備優越特定的超材料（具有特殊性質的人造材料），與材料本身的設計和結構密不可分，例如超材料在電磁學和力學領域的應用。而根據需求在食品領域設計材料，此前還未曾出現。

該團隊設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。他們通過試驗發現，巧克力在入口“破裂”時會產生不一樣的裂縫，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量的過程，隨后證明這些特性在口感體驗中得到體現。他們用實驗模擬“咬下去”的過程后發現，一旦巧克力受到從上至下的壓力，會產生不同的裂縫。

但如果壓力來自垂直于巧克力的方向，那么只會產生一個裂縫。相比之下，當結構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出有限的力。因此，該材料表現出強烈的各向異性斷裂響應，這在典型的食品微觀結構中難以實現。

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

各向異性可食用機械超材料

具有可調裂紋數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”巧克力發出的聲音進行錄音。結果發現，巧克力的形狀與“嘎嘣脆”聲音相關。簡單來說，巧克力結構的螺旋繞程度越大，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量，與從力-位移曲線測量的裂縫數量呈正相關。

已經發現諸如上述的螺旋巧克力超材料具有有趣的可控特性。圈數不僅直接決定材料在機械壓力下的斷裂次數；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，巧克力被咬時發出的聲音與斷裂的數量相匹配，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計、執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。

并且，他們還進一步確定拓撲優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化方法、可食用產品以及工程結構及其他方面的優化方法，為合理設計人與物質相互作用和斷裂特性提供了新的思路。