乳化剂类型与浓度对黑巧克力物性机械性能的影响：结合后炼和工艺的系统研究

《LWT》：Dark Chocolates: Effects of Emulsifier Types and Concentrations on Physico-Mechanical Properties

本研究探讨了后炼和工艺结合不同乳化剂对黑巧克力物性机械及感官特性的影响。研究人员将四种乳化剂（PGPR、MD、LSO、LSL）以三种浓度加入巧克力，并通过多种物性分析手段（如流变、粒度、力学、热学和感官评价）进行系统评估。结果表明，乳化剂的类型和浓度显著改变了巧克力的流变行为、颗粒分布、机械强度、熔融特性及感官接受度，为优化巧克力生产工艺、改善产品质地和口感提供了关键数据支持。该研究创新性地将后炼和工艺与多类型乳化剂评价相结合，为巧克力的配方设计和加工技术优化提供了新的见解。

　　

巧克力，这种让人欲罢不能的美味，其丝滑口感和诱人质地背后，是复杂的物理化学体系在支撑。一块优质的黑巧克力，不仅是可可与糖的简单结合，更是固体颗粒（糖和可可颗粒）在脂肪相（可可脂）中均匀分散的精密“悬浮液”。在这个体系中，乳化剂扮演着至关重要的角色，它们如同“界面润滑剂”，吸附在固体颗粒表面，减少团聚，改善巧克力的流动性、光泽、质地和储存稳定性。然而，在巧克力的工业生产中，传统的炼和工艺之后，如何通过调整乳化剂的种类和浓度来进一步精细调控最终产品的性能，尤其是结合“后炼和”这一额外混合步骤时，其中的科学规律尚未被系统揭示。这正是本项研究的出发点。

为了探究后炼和工艺与不同乳化剂如何共同影响黑巧克力的品质，来自捷克帕拉茨基大学的研究团队在《LWT - Food Science and Technology》上发表了一项系统研究。他们旨在：（1）评估在传统炼和后引入一个高温剪切混合步骤对黑巧克力物性机械性能的影响；（2）探究四种不同类型乳化剂（聚甘油聚蓖麻醇酸酯 (PGPR)、单双甘油酯 (MD, E471)、大豆卵磷脂 (LSO) 和向日葵卵磷脂 (LSL)）在三种不同浓度下，如何在这种改良工艺中改变巧克力的功能特性；（3）评估这些物性变化对感官属性的影响，从而为生产技术和感官体验俱佳的黑巧克力提供实验依据。

研究人员采用了一套多模态的分析技术来全面评估巧克力的性能。他们制备了标准炼和样品 (STAN)、后炼和混合样品 (MIX) 以及添加了不同浓度乳化剂的样品。关键技术方法包括：使用激光衍射粒度分析仪测定颗粒粒度分布 (PSD)，以评估固体颗粒的分散状态；采用同心圆筒流变仪并拟合卡森模型，测定卡森塑性粘度 (η_c) 和屈服应力 (τ_0C)，以分析熔融巧克力的流动行为（包括触变性）；通过三点弯曲试验在万能试验机上测定巧克力的最大弯曲力 (F_max) 和弹性模量 (E_B)，评估其机械强度；利用声级计测量手动折断巧克力棒时产生的峰值A计权声压级 (L_pAmax)，关联其脆性和断裂特性；采用差示扫描量热法 (DSC) 和调制差示扫描量热法 (MDSC) 分析巧克力的熔融行为和可可脂多晶型物组成；通过色度计测量颜色参数 (L， a, b*)，并进行专业的感官分析（由11名经过培训的评审员依据ISO标准进行）。

3.1. 粒度分布 (PSD)

研究发现，与标准样品 (STAN) 相比，经过后炼和混合的样品 (MIX) 具有更高的D_v(90) 值（即90%累积体积分布对应的粒径），这可能是混合过程中水分迁移导致糖颗粒聚集所致。总体而言，含有卵磷脂 (LSO, LSL) 的样品其D_v(90) 值低于含有PGPR和MD的样品，表明卵磷脂能更有效地细化巧克力结构。随着乳化剂浓度增加，PGPR和MD样品的D_v(90) 值呈下降趋势。

3.2. 流变行为

所有添加了乳化剂的巧克力，其卡森塑性粘度 (η_c) 均低于STAN和MIX样品（PGPR_0.50除外）。卵磷脂在0.20%和0.50%浓度下显著降低了η_c，但在1.00%时粘度反而上升，可能与形成反向胶束有关。PGPR在0.10%和0.25%浓度下降低了粘度，改善了流动性，但在0.50%时粘度与STAN相当。MD样品则表现出随着浓度增加，η_c增加的趋势。在屈服应力 (τ_0C) 方面，PGPR样品随浓度增加，τ_0C急剧下降至接近零，展现了其优异的降低流动阻力的能力；而MD和卵磷脂样品则随浓度增加，τ_0C增加。后炼和工艺本身 (MIX) 降低了体系的触变性，而添加卵磷脂（尤其是0.50%浓度）进一步降低了触变性，使流动行为更接近时间无关性。PGPR_0.50样品甚至在较高剪切速率下表现出“反触变性”，即剪切诱导结构增强。MD则显著增加了体系的触变性。

3.3. 巧克力棒的弯曲性能

乳化剂的添加普遍增加了巧克力的最大弯曲力 (F_max) 和弹性模量 (E_B)，即增加了机械强度和刚度。PGPR的影响呈非单调性，在0.25%浓度时F_max最低（结构最软），在0.10%和0.50%时较高。MD_0.50样品具有所有样品中最高的E_B值，表明其机械刚度最大。卵磷脂样品的F_max和 E_B随浓度增加有降低趋势，LSL样品的弯曲刚度普遍低于LSO样品。

3.4. 巧克力棒的声学特性

声学测试发现，MIX样品的峰值声压级 (L_pAmax) 最低。添加乳化剂后，L_pAmax值普遍升高，其中MD样品的L_pAmax值在所有浓度下都是最高的，表明其结构更脆、更硬。L_pAmax值与弯曲测试中的F_max值呈正相关，支持了“更硬、更少柔性的结构在断裂时释放能量更快、产生更高强度声音”的结论。

3.5. 热学特性

DSC分析表明，所有样品的峰值熔融温度 (T_p) 均在31.6-32.2°C之间，对应可可脂稳定的V型 (β₂) 多晶型物，说明乳化剂未显著改变主要晶型。但随乳化剂浓度增加，熔融焓 (ΔH) 有增加趋势，表明乳化剂促进了更稳定的脂肪晶体网络形成。MDSC进一步揭示了可可脂中多晶型物的复杂转变。非可逆热流曲线显示了与亚稳态晶型（I-IV型）熔融/转变相关的多个微小吸热峰。STAN和MIX样品的热行为非常相似，均以V型为主。乳化剂，特别是LSL和PGPR，影响了非可逆热流信号，表明它们能稳定亚稳态多晶型物（III/IV型）并增强再结晶动力学。

3.6. 颜色特征

乳化剂对巧克力颜色影响有限。大多数样品与STAN相比，色差 (ΔE) 为“微弱感知”级别。MD乳化剂在较高浓度下导致亮度 (L) 显著降低，使巧克力颜色更深，并产生轻微的黄色调，达到了“中等”色差水平。

3.7. 感官特性

感官分析显示，样品在各项属性（颜色、表面、硬度、口中融化性、风味、香气和总体接受度）上无统计学显著差异。PGPR_0.25在颜色、表面、硬度和口中融化性上获得较高评分，而MD_0.75评分相对较低。卵磷脂样品 (LSO_0.50, LSL_0.50) 在风味和香气上得分较高。总体接受度最高的是PGPR_0.25和STAN，其次是LSL_0.50。

3.8. 主成分分析 (PCA)

主成分分析将样品分为不同的簇，揭示了物性参数之间的内在联系。第一主成分 (PC1) 反映了机械刚性（F_max, E_B, L_pAmax）与塑性粘度 (η_c) 之间的平衡关系。第二主成分 (PC2) 则主要与屈服应力 (τ_0C) 相关。

研究结论与意义

本研究系统揭示了后炼和工艺结合不同乳化剂对黑巧克力物性机械性能的调控作用。关键结论如下：后炼和混合步骤本身可降低体系触变性和塑性粘度，但提高屈服应力。卵磷脂通过多层吸附在固体颗粒表面，起到润滑作用，在0.20-0.50%浓度范围内有效降低塑性粘度，但浓度过高（1.00%）会因形成反向胶束而增加粘度。PGPR在低中浓度（0.10-0.25%）是高效的“液化剂”，能大幅降低屈服应力，改善流动性和加工性，但在0.50%浓度时作用发生转变。MD则通过与脂肪相的相互作用，增强了巧克力基质的结构刚性和内聚力，导致更高的弯曲模量和声学发射强度。

热分析证实，所有样品均形成了稳定的V型可可脂晶体，但乳化剂（尤其是LSL和PGPR）通过稳定亚稳态晶型和影响再结晶动力学，改变了脂肪网络的精细结构。感官上，虽然统计差异不显著，但PGPR_0.25和卵磷脂样品显示出较高的接受度偏好。

这项研究的意义在于，它首次将后炼和混合步骤与多种乳化剂的系统性评价相结合，为巧克力制造商提供了一个“工具箱”：可以根据目标产品特性（如需要高流动性用于模具灌注，或需要高硬度、清脆口感用于排块巧克力）来精确选择乳化剂的类型和浓度。例如，追求极佳流动性和低屈服应力可选择低浓度PGPR；希望平衡流动性、质地和风味可选择中浓度卵磷脂；而需要增强结构强度和脆性则可考虑使用MD。该研究不仅深化了对巧克力复杂胶体体系中乳化剂作用机理的理解，也为开发具有定制化质地和感官属性的高品质黑巧克力提供了坚实的科学依据和工艺指导。