Čo majú nanotechnológie spoločné s čokoládou?

Myslíte si, že čokoláda má k nanotechnológiám veľmi ďaleko? Mýlite sa. Dnes si prezradíme, čo má čokoláda spoločné s nanotechnológiami a prečo keď sa vám čokoláda roztečie na slniečku a potom opäť stuhne, tak už nie je taká dobrá. Vec sa má tak, že proces výroby lahodnej, kvalitnej čokolády je z veľkej časti chemická záležitosť. Pracuje s pojmami, ako sú napríklad tvorba kryštálov a bod topenia, ktorým sa intenzívne venujú v Center for Sustainable Nanotechnology (CSN, Centrum udržateľných nanotechnológií).

Chuť čokolády závisí od usporiadania molekúl

Čokoláda je zmes tuku z kakaových bôbov, ktorému sa hovorí kakaové maslo, a cukru označovaného ako kakaová hmota. Kakaové maslo je polymorfné, čo znamená, že látka môže existovať v niekoľkých rôznych kryštalických podobách (v tomto prípade v šiestich!). Týchto šesť rôznych polymorfov sa na základe ich stability a fyzikálnych vlastností označuje od I do VI. Ich chemické zloženie je úplne rovnaké, jediný rozdiel spočíva v odlišnom usporiadaní molekúl tukov (lipidov).

Ukážka kakaového masla – v tomto stave nevyzerá ani ako maslo, ani ako čokoláda! (Foto: Veganbaking.net)

Za najvyberanejší typ kakaového masla sa považuje polymorf V. Taje pri teplote ľudského tela, avšak nie pri teplote nižšej; to znamená, že sa vám rozpustí v ústach, ale nie v ruke! Je lesklý, pevný a pri zlomení pekne chrumká. Proces tvorby tohto polymorfu pri výrobe čokolády si vyžaduje veľmi pomalé schladzovanie roztavených ingrediencií. Tento dômyselný proces riadenia teploty je známy ako temperácia. Pomalé chladnutie poskytuje lipidom čas na usporiadanie do energeticky najpriaznivejšej konfigurácie. Výsledkom je pevnosť, ale aj jemnosť.

Jemná textúra vzniká hustým, usporiadaným tesnením molekúl v masle. Spôsob, ktorým sú molekuly vzájomne usporiadané, sa nazýva kryštalickosť. Kryštalickosť usporiadania polymorfu V kakaovom masle je úžasne pravidelná a jej vytvorenie vyžaduje určitý čas – práve preto je tak dôležité, aby chladenie roztaveného kakaového masla prebiehalo zvoľna, aby molekuly mali dostatok času na tesné usporiadanie.

Ako funguje proces kryštalizácie

Proces kryštalizácie si môžeme priblížiť asi takto: predstavte si, že ste v miestnosti s ďalšími 99 ľuďmi. Ak by ste dostali pokyn, že máte všetci vytvoriť útvar desať na desať ľudí s rovnomernými rozostupmi v priebehu niekoľkých sekúnd, bola by to veľmi náročná úloha! Výsledkom by boli zhluky ľudí v niektorých častiach miestnosti, inde by naopak bolo prázdno. Pokiaľ by ste ale na splnenie úlohy mali niekoľko minút, nebol by problém zadanú formáciu vytvoriť.

Predstavte, že by všetci ľudia na snímke mali tvoriť nejakú usporiadanú formáciu. Ako dlho by to asi trvalo? (Foto: James Cridland)

Riadne usporiadané kryštály majú nielen jemnú a hladkú štruktúru, ale sú tiež veľmi stabilné, takže sa len tak neroztavia. Na porušenie medzimolekulárnych väzieb je potrebné veľké množstvo energie. Pri temperácii čokolády dochádza s nárastom teploty k topeniu menej usporiadaných polymorfov kakaového masla, avšak polymorf V, onen usporiadaný kryštál, ktorý chcete zachovať, sa neroztaví. A pri následnom schladzovaní zmesi sa roztavené molekuly kakaového masla môžu nadviazať na existujúce kryštály polymorfu V. Ak je na chladnutie dostatok času, môžu sa všetky molekuly tukov začleniť do usporiadanej predlohy, ktorú predstavuje lahodná kryštalická štruktúra polymorfu V.

Cukor obsiahnutý v čokoláde sa označuje ako kakaová hmota a je hydrofilný, čo znamená, že má rád vodu. Na rozdiel od kakaového masla, ktoré je hydrofóbne, teda vodu rado nemá. Výsledkom potom je, že obe látky sa chovajú ako olej a voda – nechcú sa vzájomne miešať. Kľúčom k príprave kvalitnej čokolády je nechať tekutú čokoládu stuhnúť tak, aby sa tukové molekuly kakaového masla mohli vzájomne usporiadať s molekulami kakaovej hmoty do energeticky príhodnej, pevnej kryštalickej štruktúry, nie do štruktúry slabej a amorfnej (náhodnej!).

Kakaová hmota (Foto: norikunny)

Prečo rozteklá čokoláda nie je dobrá?

Stalo sa vám niekedy, že sa vám kvalitná čokoláda roztiekla v aute alebo v taške? Ak ste ju následne nechali stuhnúť v chladničke alebo v mrazničke, je veľmi pravdepodobné, že už nebola taká dobrá. Tým sa len potvrdzuje dôležitosť temperácie na vytvorenie kvalitných čokoládových kryštálov! V chemickom zložení kakaového masla; v „lacnej“ a „gurmánskej“ čokoláde nie je žiadny rozdiel, líši sa len usporiadanie ich molekúl. A toto molekulárne usporiadanie závisí od rýchlosti zahrievania a schladzovania.

Kľúčom k vytvoreniu kvalitných čokoládových kryštálov je roztaviť kryštály nízkej kvality s náležitou starostlivosťou a zmes potom pomaly schladzovať. (Foto: Roozitaa)

Kakaové maslo, hlavná tuková zložka čokolády, je tvorené molekulami lipidov. Mnoho výskumníkov študuje fosfolipidové dvojvrstvy, pomocou ktorých imitujeme membrány baktérií či zvieracích buniek. A rovnako ako usporiadanie molekúl kakaového masla môže zmeniť vlastnosti čokolády, ovplyvňuje usporiadanie fosfolipidov vlastnosti lipidovej dvojvrstvy. Nanotechnológovia vo svete skúmajú, ako môže usporiadanie fosfolipidov ovplyvňovať interakciu medzi membránou vzorovej bunky a nanomateriálmi a opačne. Podrobnejšie informácie na túto tému nájdete v týchto skvelých príspevkoch od Lisy Jacob a Erica Melbyho!

Mnoho nanomateriálov, ktoré sú predmetom výskumu nanotechnológov, je navyše kryštalických. To znamená, že atómy nanomateriálov majú konkrétnu štruktúru, teda nie sú usporiadané náhodne. Pri niektorých našich materiáloch vzniká náležitá kryštalická štruktúra syntézou za presne danej teploty – teda obdobne ako ideálny polymorf čokolády pri procese temperácie. Miera kryštalickosti čokolády ovplyvňuje jej vlastnosti: konkrétne jej textúru, bod topenia a predovšetkým chuť. A obdobne potom miera kryštalickosti ovplyvňuje aj vlastnosti našich nanomateriálov, preto je pre nás mimoriadne dôležité zachovávať stále rovnaké kryštalické štruktúry pri výrobe jednotlivých šarží nanomateriálov. (Bohužiaľ, žiadny z našich nanomateriálov sa nepoužíva v potravinách, takže nemôžeme posudzovať ich chuť.) Viac informácií o kryštalickej štruktúre a nanomateriáloch nájdete v starších príspevkoch Alexa Bryanta a Cathy Murphy.

Zdroje

• LIM, Chwee Teck, et al. Nanofiber technology: current status and emerging developments. Progress in polymer science, 2017, 70: 1-17.
• Katsnelson, M. (2014). Nanofiber fabrics could keep soldiers warm and dry. Nature.
• Liu, Y., Wang, Z., Liu, Q., & Wu, H. (2012). Facile preparation of antibacterial and hydrophobic surface on cotton fabrics by in situ polymerization of silica nanoparticles and fluorinated monomers. Journal of Colloid and Interface Science, 369(1), 142-149.
• Liu, Y., Wang, Z., Liu, Q., & Wu, H. (2013). Super-hydrophobic and antibacterial cotton fabric modified by silica nanoparticles and lauric acid. Carbohydrate Polymers, 92(1), 59-65.
• Barhoum, A., Van Assche, G., De Clerck, K., & Rahier, H. (2012). Review: current progress in the production of electrospun nanofibres for tissue engineering applications. Journal of Materials Science, 47(16), 7153-7170.
• Xie, L., Zuo, L., Zhang, W., & Liu, Y. (2017). Review: recent progress in electrospun nanofibers for wound healing applications. Journal of Nanomaterials, 2017, 1-10.
• Wei, L., Lu, H., & Wu, S. (2013). Facile fabrication of superhydrophobic surfaces with excellent self-cleaning properties by controlling the morphology of nanostructures on electrospun fibers. Journal of Materials Science, 48(21), 7508-7516.
• Kumar, S., Anjali, S., Singh, R., & Bandyopadhyay, S. (2019). Polysaccharide-based nanofibers for biomedical applications: A review. Carbohydrate Polymers, 225, 115228.
• Zhu, Y., Zhang, X., Zhou, G., Lu, L., Xu, J., & Jin, W. (2017). Preparation of photochromic PVA/TiO2 nanofiber membranes via electrospinning. Journal of Applied Polymer Science, 134(3), 1-9.
• ZHOU, Yangjian, et al. Electrospun nanofiber membranes for air filtration: A review. Nanomaterials, 2022, 12.7: 1077.
• Sahoo, S. K., Tripathy, J., & Manna, J. (2018). Textile-based smart wound dressings. Current Trends in Textile Science & Technology, 4(1), 1-7.
• LI, Tao; SUN, Mingchao; WU, Shaohua. State-of-the-art review of electrospun gelatin-based nanofiber dressings for wound healing applications. Nanomaterials, 2022, 12.5: 784

Lucie Konečná, prevádzková riaditeľka v nanoSPACE

Lucie Konečná sa pohybuje v nanotechnológiách 7 rokov, je spoluautorkou projektu Česko je nano a dlhodobo pracuje na zvyšovaní povedomia o nanotechnológiách. Od mája 2020 riadi prevádzku e-shopu nanoSPACE.