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各位家長和小朋友們,你們有沒有過這樣的時刻:孩子舉著一塊巧克力,好奇地問“為什么它硬邦邦的,一到嘴里就化了呀?”要是給食物頒個“變形奧斯卡獎”,巧克力絕對能穩獲提名,它是最迷人的“食物變形大師”之一,完美詮釋了軟物質的“多重性格”。同一塊物質,為何既能以固體的姿態抵抗外力,又能在口中悄然化身流體?其實,這正是軟物質的神奇之處——每一口巧克力,都是食物在口腔里上演的一場精密“流動藝術秀”。今天,我們就帶著孩子一起,用科學的眼光拆解這顆美味的“魔法豆”,讓孩子在吃零食的同時,輕松get物理知識,還能培養對科學的好奇心~
“絲滑”“醇厚”竟能被精準測量?
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咬一口巧克力,我們說的“絲滑”“醇厚”到底是什么?口感,這個看似主觀的感官感受,其實能用量流變學這門科學來解碼。簡單說,流變學就是測量物質在剪切力下怎么變形、怎么流動的學問。有了它,我們終于能為“順滑”“濃稠”“彈性”等形容詞賦予精確的參數,讓美食體驗從憑感覺變成講科學。
舌尖偏愛的絲滑黃金參數
科學家是這樣描述咀嚼過程的:當你嚼巧克力時,舌頭與上顎之間會被“拽著”發生一種流動,這就是剪切流動。而這里面藏著一個關鍵公式:舌頭施加的剪切應力(τ)= 巧克力的本體剪切粘度(η)× 剪切速率(γ?)。而剪切速率大致等于舌頭移動速度與熔融巧克力層厚度的比值。我們最喜歡的順滑口感,也有明確的數值標準:在口腔常見的剪切速率(20s?1)和人體正常體溫(37攝氏度)下,對應1.5~3.5Pa·s(帕斯卡·秒)的粘度范圍。
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給口感裝上數值標尺
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為什么巧克力常溫下是硬的,進嘴就化了?答案藏在它的內部結構里。
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絲滑口感 = “形態V”
熔融的巧克力,其實是由糖、可可粉、乳粉顆粒分散在一種牛頓型脂肪熔體(通常是可可脂)中構成的。在室溫下,它的內部會結成均勻可控的可脂晶體,讓它給巧克力搭了個骨架,讓它能保持精美的造型,甚至掰斷時會發出清脆的“咔嚓”聲——這是固體特有的特征。
不過,可脂分子不同的排列方式會形成不同類型的晶體,從而影響巧克力的口感。其中,我們最喜歡的那種表面光亮、掰開時發出清脆“咔嚓”聲的巧克力,被稱為“形態V”,它并非完整的晶體,熔點為32攝氏度,略低于人體口腔溫度,所以巧克力在入口后能快速融化,帶來“入口即化”的絲滑感。
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顆粒口感 = “形態VI”
而另一種“形態VI”的晶體,雖然從熱力學角度來看是最穩定的結晶形態,但它的晶體結構粗大,吃起來會有明顯的顆粒感,完全喪失了形態V的絲滑口感。所以,無論是工業量產還是家庭自制,都得靠調溫工藝來“指揮”晶體:通過“加熱→冷卻→回溫”的溫度循環,讓可可脂盡可能形成形態V結晶。可見,做好一塊巧克力也是一門“晶體指揮”藝術。
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口腔是“魔法實驗室 ”
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一旦把巧克力放入口中,體溫便會瞬間瓦解其晶體結構,原本硬邦邦的固體,會悄然“變身”為油脂包裹著微小顆粒的濃漿,呈現出非牛頓流體的特性——在壓力下能柔軟變形。這一刻,它從堅硬的固體無縫切換到絲滑流體,讓你在一聲脆響與一抹順滑之間,體驗到物質狀態在舌尖上的奇妙相變。
當熔融的巧克力在嘴里被咀嚼(即受到剪切應力)時,它的內部正在上演一場“結構大改造”,多種機制會同時發力:形變、取向、解團聚,這些變化會讓巧克力的內部結構更均勻,這一現象因此被稱為“結構化效應”。
不過,這場改造不是隨便啟動的,得滿足一個條件:剪切應力要超過一個特征值(τ?,屈服應力),通常在5~12Pa之間。一旦超過這個值,熔融巧克力就不再表現得像固體,開始展現流體的特性。
隨著剪切應力繼續增大,結構化效應進一步發展,巧克力的粘度下降,口感就會越咀嚼越順滑。
最平凡的美味里,往往藏著最不平凡的科學密碼。下一次品嘗巧克力時,不妨細細感受——那1.5~3.5Pa·s的絲滑里,藏著物質世界的奇妙。
責任編輯|趙青云 李雅欣
運營編輯|李雅欣 王紫墨(實習)
質量審核 | 王維嘉
圖文來源 | 《知識就是力量》雜志《科學“煉金術”,如何做一塊合格的巧克力》,撰文/嚴大東(浙江大學物理學院)張興華(北京航空航天大學物理學院),原文有刪改,原創作品轉載請注明來源。
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