克莱门斯 Gallery|盖巴·阿戈达-坦贾瓦
食品安全与质量部，分析化学小组 EMEA，法国卡朗탕 50500
**摘要**
在本研究中，我们调查了熔融巧克力及其复合基巧克力基质（黑巧克力、牛奶巧克力和白巧克力）在一系列脂肪含量（约25%至约55%）和稠度条件下的流动行为和润滑性能，以评估脂肪含量对这两种性能的影响。“复合基巧克力”是指使用替代植物脂肪全部或部分替代可可脂的类似巧克力的产品，这些产品的熔化、流动和润滑行为与传统可可脂基巧克力不同。此外，本研究还开发了数学模型，将流变参数（屈服应力和塑性粘度）和摩擦学参数（摩擦系数）与脂肪含量联系起来，并特别关注了观察到的现象背后的物理机制。研究表明，脂肪含量的增加会一致性地降低流变参数，遵循幂律关系。这一趋势凸显了脂肪作为润滑剂的作用，它可以破坏颗粒网络并提高流动性，而不会改变基本的剪切稀化行为或所选模型的适用性。摩擦学分析显示，摩擦力随 sliding 速度的增加而增加，并且脂肪含量较低时摩擦力也较大。基于巧克力的基质表现出比复合基基质更好的润滑性能。巧克力的摩擦响应呈指数衰减趋势，而复合基巧克力的摩擦响应则呈 S 形曲线，表明存在一个与脂肪含量相关的润滑机制。这些差异归因于可可脂的物理化学性质，包括其明显的熔化特性和出色的润湿性能。总体而言，该研究强调了脂肪类型和含量在调节流动性和润滑性方面的关键作用，为优化巧克力配方和加工提供了宝贵见解。
**引言**
深入了解熔融巧克力和复合基巧克力等复杂食品流体的流变和润滑性能，以及系统地深入研究脂肪（包括脂肪类型和含量）如何影响不同类型巧克力的这些性能，仍然是学术界和工业研究的核心焦点。这些见解对于确保产品质量的一致性、改进现有加工操作以及开发创新和合理的配方策略至关重要。巧克力是一种复杂的多组分食品基质，熔化后形成一个由糖和可可颗粒组成的多分散胶体分散体，连续的脂肪相主要由可可脂组成；牛奶巧克力还含有乳糖、牛奶蛋白等乳制品成分，而白巧克力不含可可颗粒，黑巧克力则完全不含有乳制品（Beckett, Fowler, & Ziegler, 2017; Bergemann, Heil, Smith, & Juel, 2018; Chevalley, 1991, Chevalley, 1994; Gallery, Bourge, & Agoda-Tandjawa, 2024; Garti, Aserin, & Widlak, 2012; Götz, Hinrichs, & Ruth, 2005; Wells, 2009）。与传统巧克力不同，复合基巧克力是通过将可可粉（而非可可液）与植物脂肪（而非可可脂）、糖和可选添加剂混合制成的，从而产生在质地、熔化行为和风味上不同于真正巧克力的材料（Beckett, 1994; Garti & Widlak, 2012）。除了上述成分外，所有上述类型的产品还可能含有表面活性剂（Ačkar, Škrabal, Šubarić, Babić, & Miličević, 2015; Afoakwa, Paterson, & Fowler, 2007; Argudo, Zhou, & Rousseau, 2022; Garti et al., 2012）。这种独特的成分组成，特别是脂肪、糖和可可粉或固体的平衡，在塑造其独特的感官特性方面起着关键作用（Afoakwa et al., 2007; Afoakwa, Paterson, Fowler and Vieira, 2008a, Afoakwa, Paterson, Fowler and Vieira, 2008b; Caparosa & Hartel, 2019; Deou et al., 2022; Ewens, Metilli, & Simone, 2021; Rodrigues et al., 2017; Rodrigues, Shewan, Xu, Selway, & Stokes, 2021; Taylor, Damme, Johns, Routh, & Wilson, 2009）。巧克力的这些独特感官特性，包括其光泽外观、口中酥脆感以及风味释放，也受到其微观结构和流变特性的关键影响（Afoakwa et al., 2007; Rodrigues et al., 2017; Rodrigues et al., 2021; Shewan et al., 2021; Soltanahmadi, Bryant, & Sarkar, 2023）。其中，脂肪含量在调节流变性能和感官属性（如光滑度、熔化性和奶油感）方面起着核心作用（Afoakwa et al., 2007; Rodrigues et al., 2017; Rodrigues et al., 2021; Shewan et al., 2021; Soltanahmadi et al., 2023）。例如，脂肪作为润滑剂可以减少颗粒间的摩擦并提高流动性，尤其是在低剪切速率下（El-kalyoubi, Khallaf, Abdelrashid, & Mostafa, 2011; Wells, 2009）。然而，过多的脂肪添加在经济和营养方面是不理想的，而脂肪含量不足则会导致流动性差和不良的口感（Afoakwa et al., 2007; El-kalyoubi et al., 2011; Rodrigues et al., 2017; Rodrigues et al., 2021; Soltanahmadi et al., 2023; Wells, 2009）。除了脂肪含量外，颗粒大小分布（PSD）也会影响流变行为，但其效果是非单调的。虽然过细的颗粒会增加颗粒间摩擦并提高粘度和屈服应力，但减小颗粒大小可以通过增加固体床密度和提高颗粒堆积效率来降低粘度，从而允许连续脂肪相更有效地进行润滑（Beckett et al., 2017; Mongia & Ziegler, 2000; Wolf, 2017）。相反，较粗的颗粒通常会降低粘度，但可能会影响光滑度和表面光泽（Mongia & Ziegler, 2000; Beckett et al., 2017; Wolf, 2017; Afoakwa et al., 2007; Afoakwa, Paterson, Fowler and Vieira, 2008a, Afoakwa, Paterson, Fowler and Vieira, 2008b; Jin et al., 2024; Dacanal, 2024; Shen et al., 2023; Rohm, Böhme, & Skorka, 2018; Wong, Thoo, Tan, & Siow, 2024）。脂肪含量与 PSD 之间的相互作用在黑巧克力、牛奶巧克力和白巧克力及其相应的复合基巧克力中尤为重要，因为它们的固体与脂肪比例和成分复杂性各不相同。尽管巧克力流变性能（通常通过屈服应力、塑性粘度和剪切稀化行为等参数描述）已在质量控制和加工优化应用中得到广泛研究（Afoakwa et al., 2007; Afoakwa, Paterson, Fowler and Vieira, 2008a, Afoakwa, Paterson, Fowler and Vieira, 2008b; Beckett, 1994; Caparosa & Hartel, 2019; Chevalley, 1991, Chevalley, 1994; Deou et al., 2022; Gallery et al., 2024; Rohm et al., 2018; Taylor et al., 2009; van der Vaart et al., 2013; Vásquez et al., 2019; Wells, 2009; West & Rousseau, 2018），但巧克力の摩擦学（润滑）行为（影响口感如光滑度和收敛性）仅最近才开始受到系统的科学关注（Rodrigues et al., 2017; Rodrigues et al., 2021; Soltanahmadi et al., 2023）。值得注意的是，软摩擦学领域的最新进展使研究人员能够使用仿生摩擦计模拟口腔条件，从而了解食品结构在食用过程中的触觉感受（Du & Meng, 2025; Glumac et al., 2025; Rodrigues et al., 2017; Rodrigues et al., 2021; Soltanahmadi et al., 2023）。然而，仍存在一个关键的知识空白：虽然已知脂肪可以降低粘度并提高流动性，但其在界面润滑和摩擦动态中的作用与流变行为之间的关系尚未完全理解。尽管少数研究探讨了脂肪和颗粒大小分布对巧克力流变性的影响，但对脂肪含量如何在更广泛的成分范围内调节流动行为和润滑性能的全面理解仍然有限。此外，大多数现有研究将流变学和摩擦学孤立地对待，尽管它们对巧克力及其复合基产品的技术和感官质量有着相互关联的影响。据我们所知，尚未有系统研究同时考虑巧克力和复合基巧克力。
**背景**
本研究的目的是通过系统地探讨脂肪含量对不同脂肪水平和不同类型产品（即黑巧克力、牛奶巧克力和白巧克力）的流变和摩擦学性能的影响，来填补这一关键知识空白。这包括开发将流变参数（屈服应力和塑性粘度）和摩擦学参数（摩擦系数）与脂肪含量联系起来的数学模型，并特别关注这些模型参数背后的物理机制。与大多数仅关注流变学或摩擦学的先前研究不同，我们采用了多尺度方法，结合连续剪切斜坡测试来确定熔融巧克力和复合基基质的屈服特性，并使用软摩擦学测量来模拟口腔条件并量化滑动速度下的润滑性能。本研究在控制条件下研究了具有系统变化脂肪含量的巧克力和复合基基质，从而更清楚地了解脂肪作为流动改性和润滑剂的双重作用。
**材料**
本研究使用了多种巧克力和复合基产品，包括黑巧克力、牛奶巧克力和白巧克力。巧克力样本（即黑巧克力、牛奶巧克力和白巧克力）是在比利时穆斯克伦和安特卫普以及法国鲁昂的嘉吉生产工厂大规模生产的。而复合基样本（即黑巧克力类似物、牛奶巧克力类似物和白巧克力类似物）则是采用干磨工艺在小规模下生产的。
**熔融巧克力、复合基巧克力及相关脂肪的热行为**
所有样本的温度图显示在图 S1 中（见补充信息）。总体而言，无论加热速率如何，黑巧克力的吸热峰和相应的焓值（结果未显示）最为显著，其次是牛奶巧克力，白巧克力的吸热峰和焓值最低。这些差异可归因于产品之间的成分差异，特别是牛奶衍生成分的存在，这些成分已知会改变产品的性质。
**结论**
本研究全面探讨了具有极宽脂肪含量和稠度范围的熔融巧克力及其复合基产品的流动行为和润滑性能，旨在评估脂肪含量对这两种性能的影响。这包括开发将流变参数（屈服应力和塑性粘度）和摩擦学参数（摩擦系数）与脂肪含量联系起来的数学模型，并特别关注这些参数背后的物理机制。
**作者贡献声明**
克莱门斯·加莱里：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。
盖巴·阿戈达-坦贾瓦：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、方法论、研究、数据分析、概念化。
**未引用参考文献**
Afoakwa, Paterson and Fowler, 2008
**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
**致谢**
我们感谢嘉吉可可和巧克力（CCC）业务部门在产品采样方面的支持和帮助。同时，我们也感谢 Cécile Roussel 和 Stéphane Debon 的有益讨论。
