Myslíte si, že čokoláda má k nanotechnologiím hodně daleko? Mýlíte se. Dneska si prozradíme, co má čokoláda společného s nanotechnologiemi a proč když se vám čokoláda rozteče na sluníčku a pak opět ztuhne, tak už není tak dobrá. Věc se má tak, že proces výroby lahodné, kvalitní čokolády je z velké části chemická záležitost. Pracuje s pojmy, jako jsou například tvorba krystalů a bod tání, kterým se intenzivně věnují v Center for Sustainable Nanotechnology (CSN, Centrum udržitelných nanotechnologií).
Chuť čokolády závisí na uspořádání molekul
Čokoláda je směs tuku z kakaových bobů, kterému se říká kakaové máslo, a cukru označovaného jako kakaová hmota. Kakaové máslo je polymorfní, což znamená, že látka může existovat v několika různých krystalických podobách (v tomto případě v šesti!). Těchto šest různých polymorfů se na základě jejich stability a fyzikálních vlastností označuje od I do VI. Jejich chemické složení je naprosto stejné, jediný rozdíl spočívá v odlišném uspořádání molekul tuků (lipidů).
Ukázka kakaového másla – v tomto stavu nevypadá ani jako máslo, ani jako čokoláda! (Foto: Veganbaking.net)
Za nejvybranější typ kakaového másla se považuje polymorf V. Taje při teplotě lidského těla, ovšem nikoli při teplotě nižší; to znamená, že se vám rozpustí v ústech, ale ne v ruce! Je lesklý, pevný a při zlomení pěkně křupne. Proces tvorby tohoto polymorfu při výrobě čokolády vyžaduje velmi pomalé zchlazování roztavených ingrediencí. Tento důmyslný proces řízení teploty je známý jako temperace. Pomalé chladnutí poskytuje lipidům čas k uspořádání do energeticky nejpříznivější konfigurace. Výsledkem je pevnost, ale také jemnost.
Jemná textura vzniká hustým, uspořádaným stěsnáním molekul v másle. Způsob, jímž jsou molekuly vzájemně uspořádány, se nazývá krystaličnost. Krystaličnost uspořádání polymorfu V v kakaovém másle je úžasně pravidelná a její vytvoření vyžaduje určitý čas – právě proto je tak důležité, aby chlazení roztaveného kakaového másla probíhalo zvolna, aby molekuly měly dostatek času k těsnému uspořádání.
Jak funguje proces krystalizace
Proces krystalizace si můžeme přiblížit asi takto: představte si, že jste v místnosti s dalšími 99 lidmi. Pokud byste dostali pokyn, že máte všichni vytvořit útvar deset na deset lidí s rovnoměrnými rozestupy během pouhých několika sekund, byl by to velmi obtížný úkol! Výsledkem by byly shluky lidí v některých částech místnosti, jinde by naopak bylo prázdno. Pokud byste ale na splnění úkolu měli několik minut, nebyl by problém zadanou formaci vytvořit.
Představte, že by všichni lidé na snímku měli utvořit nějakou uspořádanou formaci. Jak dlouho by to asi trvalo? (Foto: James Cridland)
Řádně uspořádané krystaly mají nejen jemnou a hladkou strukturu, ale jsou také velmi stabilní, takže se jen tak neroztaví. K porušení mezimolekulárních vazeb je potřebné velké množství energie. Při temperaci čokolády dochází s nárůstem teploty k tání méně uspořádaných polymorfů kakaového másla, ovšem polymorf V, onen uspořádaný krystal, který chcete zachovat, se neroztaví. A při následném zchlazování směsi se roztavené molekuly kakaového másla mohou navázat na stávající krystaly polymorfu V. Pokud je na chladnutí dostatek času, mohou se všechny molekuly tuků začlenit do uspořádané předlohy, kterou představuje lahodná krystalická struktura polymorfu V.
Cukr obsažený v čokoládě se označuje jako kakaová hmota a je hydrofilní, což znamená, že má rád vodu. Na rozdíl od kakaového másla, které je hydrofobní, tedy vodu rádo nemá. Výsledkem pak je, že obě látky se chovají jako olej a voda – nechtějí se vzájemně mísit. Klíčem k přípravě kvalitní čokolády je nechat tekutou čokoládu ztuhnout tak, aby se tukové molekuly kakaového másla mohly vzájemně uspořádat s molekulami kakaové hmoty do energeticky příhodné, pevné krystalické struktury, nikoli do struktury slabé a amorfní (náhodné!).
Kakaová hmota (Foto: norikunny)
Proč rozteklá čokoláda není dobrá?
Stalo se vám někdy, že se vám kvalitní čokoláda roztekla v autě nebo v tašce? Pokud jste ji následně nechali ztuhnout v ledničce nebo v mrazáku, je velmi pravděpodobné, že už nebyla tak dobrá. Tím se jen potvrzuje důležitost temperace k vytvoření kvalitních čokoládových krystalů! V chemickém složení kakaového másla ;v „laciné“ a „gurmánské“ čokoládě není žádný rozdíl, liší se jen uspořádání jejich molekul. A toto molekulární uspořádání závisí na rychlosti zahřívání a zchlazování.
Klíčem k vytvoření kvalitních čokoládových krystalů je roztavit krystaly nízké kvality s náležitou péčí a směs pak pomalu zchlazovat. (Foto: Roozitaa)
Kakaové máslo, hlavní tuková složka čokolády, je tvořeno molekulami lipidů. Mnoho výzkumníků studuje fosfolipidové dvojvrstvy, s jejichž pomocí imitujeme membrány bakterií či zvířecích buněk. A stejně jako uspořádání molekul kakaového másla může změnit vlastnosti čokolády, ovlivňuje uspořádání fosfolipidů vlastnosti lipidové dvojvrstvy. Nanotechnologové ve světě zkoumají, jak může uspořádání fosfolipidů ovlivňovat interakci mezi membránou vzorové buňky a nanomateriály a opačně. Podrobnější informace na toto téma najdete v těchto skvělých příspěvcích od Lisy Jacob a Erica Melbyho!
Mnoho nanomateriálů, které jsou předmětem výzkumu nanotechnologů, je navíc krystalických. To znamená, že atomy nanomateriálů mají konkrétní strukturu, tedy nejsou uspořádány náhodně. U některých našich materiálů vzniká náležitá krystalická struktura syntézou za přesně dané teploty – tedy obdobně jako ideální polymorf čokolády při procesu temperace. Míra krystaličnosti čokolády ovlivňuje její vlastnosti: konkrétně její texturu, bod tání a především chuť. A obdobně pak míra krystaličnosti ovlivňuje i vlastnosti našich nanomateriálů, proto je pro nás mimořádně důležité zachovávat stále stejné krystalické struktury při výrobě jednotlivých šarží nanomateriálů. (Bohužel, žádný z našich nanomateriálů se nepoužívá v potravinách, takže nemůžeme posuzovat jejich chuť.) Více informací o krystalické struktuře a nanomateriálech najdete ve starších příspěvcích Alexe Bryanta a Cathy Murphy.
