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江雷院士、金大勇院士联手《AFM》：揭开爆米花入口即化的奥秘！

来源：花匠小妙招时间：2024-12-22 01:40

爆米花是世界上最受欢迎的零食之一，它有着5000多年的历史。因为新鲜的爆米花无需咀嚼，入口即化，所以能受到世界各地人们的喜爱。那爆米花为何能在口中立即溶解呢？爆米花美味的奥秘又是什么呢？其实，咀嚼行为本质上是一个典型的界面湿润过程，其包含唾液与爆米花之间相互作用。因此，爆米花的微观结构和化学成分都会影响其在口中的溶解过程。然而，到目前为止， 爆米花入口即化的原理仍不清楚。

北京航空航天大学 江雷院士 、 刘欢研究员 和 悉尼科技大学 金大勇院士 、 Lin Gungun等人 揭示了新鲜爆米花的超快润湿特性是其良好口感的关键。研究发现，新鲜爆米花独特的三维贯通微孔结构促进了微纳米尺度上的面内和面外毛细流动，再加上水溶性结晶淀粉进一步促进了水的扩散，最终导致结构立即溶解。经原位XRD和红外光谱分析证实，冷却后的结晶淀粉通过吸收水分子逐渐转变为不溶性的无定形态。因此，随着暴露时间的延长，其超快的润湿性会急剧衰减，所以味道也会急剧下降，而再次加热又可以部分恢复其超快润湿特性，使得爆米花的口感更好。该结果将为各种淀粉食品的创新微加工提供启发。该研究以题为“Ultra-Fast Wetting of the Fresh Popcorn”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【新鲜爆米花的润湿行为】

通过将新鲜爆米花暴露在90%的相对湿度下，作者研究了爆米花的润湿行为。结果表明，新鲜爆米花在30 s内立即发生了明显的结构塌陷，体积减少了约2倍。而在空气中暴露10小时后的爆米花（即爆米花-10h）则几乎没有表现出可观察的结构塌陷。作者进一步使用显微镜对爆米花的动态润湿过程进行了原位观察。结果表明，水滴在40 ms内就能完全润湿新鲜爆米花，显示出了典型的超快速润湿行为。然而，水滴需要超过140 ms才能完全润湿爆米花-10h。即新鲜爆米花比爆米花-10h表现出更快的润湿性为，表明其亲水性更好。因此，新鲜爆米花具有超快速润湿能力，这种能力在很大程度上会因其暴露在空气中而失效。通过再次加热可以部分恢复爆米花的超快速润湿能力，也可以恢复其口感。

图1 新鲜爆米花的润湿行为

【爆米花的润湿过程】

作者进一步用荧光显微镜对新鲜爆米花和爆米花-10h的润湿过程进行了原位观察。结果表明，水滴落在新鲜爆米花上后，会在水平方向上快速扩散，同时在毛细力的驱动下浸入微孔网络中。该过程使爆米花发生了直接而明显的结构崩塌。然而，爆米花-10h的润湿行为却截然不同。水滴在爆米花-10h上的润湿过程非常缓慢，仅表现出有限的0.5 mm的水平扩展。润湿后，也只能观察到非常有限的结构坍塌。该结果表明，与新鲜爆米花相比，爆米花-10h的亲水性和溶解度明显下降，说明爆米花在空气中暴露时间的延长会导致其化学成分发生变化。

图2 爆米花的形态特征

图3 新鲜爆米花的润湿过程

【爆米花的化学成分变化】

淀粉的亲水性与其结晶状态密切相关，水分子的存在有利于淀粉颗粒结构的改变。为了研究爆米花在空气中延长暴露时间后的化学成分变化，作者进行了原位X射线衍射光谱分析。结果表明，在空气中暴露10分钟后，爆米花仍具有良好结晶性淀粉成分。随着暴露时间的进一步延长，爆米花逐渐变为无定形状态。这种结晶性的转变归结为长程有序晶体结构的破坏，最终导致淀粉的相位转化为无定形状态，使其水溶性变差。此外，作者通过红外光谱仪进一步确认了新鲜爆米花对水分子的吸收。结果表明，随着空气中暴露时间的延长，水分子逐渐被吸收到淀粉的微观结构中，使在潮湿条件下的淀粉相变为不溶于水的无定形状态。总之，由于水溶性的结晶淀粉，新鲜的爆米花表现出超强的亲水性和超快的润湿性，这是其保持好口感的奥秘。

图4 新鲜爆米花的化学成分随空气暴露时间的变化规律

总结：作者通过将咀嚼看作是一个典型的界面润湿过程，揭示了新鲜爆米花美味的奥秘。超亲水的新鲜爆米花表现出一种独特的超快速润湿特性，其特点是润湿与溶解。研究表明，三维微孔结构和水溶性结晶淀粉对新鲜爆米花的超快速润湿过程起着协同作用，是其具有良好口感的原因。该研究揭示了鲜煮淀粉食品良好口感的理化基础，这将启发淀粉食品的创新微加工，并为食品工程中如何抑制淀粉食品结晶结构的转变提供新的启示。

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