基于可可颗粒的可食用气体弹珠：通过调控液相表面张力揭示其形成机制与应用前景

《Frontiers in Soft Matter》：Edible gas marbles stabilized with cocoa particles: understanding their behavior by tuning the edible liquid phase

本综述系统阐述了可可颗粒稳定的可食用气体弹珠（Gas Marbles）在不同液相体系中的形成机制。研究首次证实液相表面张力（γ）通过调控三相接触角（θ）主导弹珠形成，确立γ>34 mN/m与θ>60°的临界阈值。该发现突破了传统水基体系的限制，为食品工程与分子料理领域的泡沫结构设计提供了创新性的理论指导。

　　

1 引言

液体泡沫是由气体气泡分散在连续液相中形成的多相体系，在食品工业中具有重要应用价值。传统泡沫主要通过表面活性分子（如 surfactants、蛋白质、聚合物）稳定，而固体颗粒稳定的Ramsden/Pickering泡沫因其高稳定性和可调控界面特性受到广泛关注。颗粒在气液界面的不可逆吸附形成机械屏障，有效防止气泡聚并，这一特性与表面活性剂的动态吸附形成鲜明对比。

气体弹珠（Gas Marbles）作为新型颗粒稳定体系，具有独特的空气-液体-空气（air-in-liquid-in-air）结构：单个气泡被包裹于由固体颗粒稳定的薄液壳中。前期研究表明，以水为液相时，颗粒的润湿性（通过三相接触角θ量化）是气体弹珠形成的关键参数——仅具有中等润湿性（θ约60°–90°）的颗粒可形成稳定结构。然而，液相表面张力对三相接触角的调控作用尚未系统研究，限制了该技术向非水体系拓展的可能性。

2 材料与方法

2.1 材料与样品制备

实验采用商业可可粉（Van Houten Cocoa）作为模型颗粒，通过U形针注射法定量制备气体弹珠：先将颗粒铺展于气液界面形成致密颗粒层，注射特定体积空气后，通过滚动包裹形成完整弹珠结构。初始气泡体积范围涵盖5–5000 μL，系统研究尺寸效应。

2.2 可可颗粒表征

激光粒度分析显示颗粒体积平均直径（D_v）为32±20 μm，圆度值0.78±0.08，扫描电镜（SEM）显示其表面存在微米级粗糙结构。通过氦气比重计测得颗粒密度为1.32±0.01 g·cm^-3，并基于公式B_o=ΔρgL²/γ计算无量纲邦德数（Bond number），用于评估重力与表面张力的相对作用。

2.3 液相表面张力与接触角测量

采用Wilhelmy板法精确测定34种可食用液体的表面张力，并通过座滴法测量可可颗粒在不同液相中的三相接触角随时间演化（0–40 s）。所有测量均在25°C下进行，误差棒代表三次独立实验的标准偏差。

3 结果与讨论

3.1 水基气体弹珠的形成与特性

以水为液相时，可可颗粒可稳定体积达2000 μL的超大气泡（直径约15 mm），突破以往报道的尺寸限制。弹珠形态随尺寸变化：小体积弹珠（5–500 μL）呈完美球形，而大体积弹珠（1000–2000 μL）因重力作用呈现扁平化。水负载量分析显示，小弹珠（5–10 μL）含水量高达67.2%±4.4%，随体积增大逐渐降至54%–58%，这归因于重力引流导致的液膜再分布。

干燥实验表明，所有弹珠在室温放置24小时后均发生收缩，但仅≥1000 μL的弹珠出现结构塌陷。蒸发诱导的颗粒壳层致密化是收缩主因，而大尺寸弹珠对重力变形更敏感，证实尺寸效应与稳定性之间的内在关联。

3.2 多元可食用液相中的弹珠形成规律

将液相分为调味液、乳制品、非酒精饮料、酒精饮料和植物油五类，固定气泡体积20 μL进行系统测试。结果表明：除植物油和高乙醇度酒类（威士忌37%、金酒47.3%）外，其余液体均可成功形成弹珠。关键参数分析揭示，弹珠形成存在明确阈值——液相表面张力需>34 mN/m，三相接触角需>60°。例如：

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  成功组（咖啡、牛奶、清酒等）：γ=34–68 mN/m，θ=60°–140°
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  失败组（植物油、高醇酒）：γ<34 mN/m，θ<60°导致颗粒完全浸没

特殊案例蜂蜜因超高粘度（γ不可测）仍形成弹珠，但呈现"薄饼状"形态，归因于高粘度抑制界面能驱动的形状恢复。

3.3 水-乙醇模型体系的验证

通过调控乙醇浓度（0–100 wt%）验证液相组成的普适性规律：弹珠仅能在乙醇浓度≤20 wt%时形成，对应γ>34 mN/m且θ>60°。当乙醇≥30 wt%时，颗粒在液面迅速沉降，无法形成稳定颗粒层。邦德数计算值（B_o?1）与实验现象的矛盾，提示颗粒多分散性对界面行为的复杂影响。

3.4 热稳定性研究

所有成功制备的弹珠在80°C加热一周后均保持结构完整，但普遍发生尺寸收缩（水基弹珠直径减少33%，20%乙醇弹珠减少43%）。这种蒸发驱动的壳层致密化进一步证实颗粒稳定体系的抗热性能，为食品热加工提供应用依据。

4 结论

本研究通过系统调控液相性质，确立了气体弹珠形成的普适性判据：液相表面张力>34 mN/m诱导的三相接触角>60°是颗粒界面稳定的关键。可可颗粒可制备迄今最大尺寸（2000 μL）的弹珠，且在多元可食用体系中展现优异热稳定性。该研究突破了水基体系的局限性，为食品泡沫工程提供了液相依赖性的设计框架，推动气体弹珠技术在食品封装与分子料理领域的创新应用。