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完美溏心蛋的科学

面向厨师的热传递

如果你在谷歌上搜索“如何煮软鸡蛋”，你可能会认为这个过程完全取决于时间。一些食谱作者甚至敦促你使用计时器。这种方法不起作用的第一条线索是，它们都告诉你不同的烹饪时间。是水中的东西吗？

从某种意义上说，是的。煮鸡蛋是通过水将热量传递给鸡蛋。在我们提出实现理想溏心蛋的方法之前，让我们先澄清一下目标：什么是完美的溏心蛋？

这就是我们将使用的定义：它应该有一层柔软的凝胶状蛋清，蛋黄大部分是流动的。蛋清应该凝固但不会像橡胶一样。蛋黄应该流动但不会水浊。此外，我们必须确保食品安全不会因为口感而受到损害。尽管蛋黄仍然是流动的，但沙门氏菌的风险几乎不存在。

我们将从检查鸡蛋的解剖学以及其各种成分如何对热量做出反应开始。接下来，我们将探索我们烹饪过程中涉及的两种关键的热量传递模式。最后，根据这些见解，我们将提出煮软鸡蛋的最佳方法。

鸡蛋的生物学和化学

蛋黄很特别。通常情况下，事物成为食物是因为人类决定吃它们。然而，蛋黄是大自然设计为食物的。它是鸡胚胎的食物。蛋黄占鸡蛋重量的三分之一，但含有四分之三的热量。它富含脂肪和蛋白质。当蛋白质加热时，它们会变性，然后凝固，形成一个相互连接的网络，使蛋黄凝固。

蛋黄在60⁰C到65⁰C之间凝固。如果温度长时间保持在65⁰C以上，蛋黄会变固体。另一方面，如果蛋黄的温度长时间不足够高，蛋黄中的沙门氏菌将生存下来。为了安全快速，我会将蛋黄保持在63⁰C下5分钟。测量蛋黄的温度并不容易，更难精确控制。我们将在这篇文章的后面解决这个问题。

与此同时，90%的蛋清是水。它含有微量矿物质和少量葡萄糖。对于鸡蛋来说，这太少了，无法尝到甜味，但它可以发生美拉德反应，使中国千年鸡蛋（皮蛋）中的蛋清变棕色。

蛋清的其余部分主要由蛋白质组成。正如大自然所设计的那样，它们不是食物，而是对胚胎的保护。一种蛋白质可以抑制病毒。另一种可以杀死细菌。多种蛋白质可以阻断消化酶。与一部老功夫电影中一位大师的教导相反（当然，所有男孩都会得到营养建议），吃生鸡蛋实际上会导致实验动物减肥。需要高温才能使蛋白质的生物功能失活，并将其转化为营养物质。

鸡蛋清中的不同蛋白质在不同的温度下凝固。鸡蛋清中最丰富的蛋白质卵白蛋白，直到大约80⁰C才会凝固。这似乎与我们的经验相矛盾，但这就是为什么日本的温泉蛋（温泉蛋）有半固体的蛋黄和水性的蛋清。在温泉中，鸡蛋被放在一个水浴中，温度在蛋黄开始凝固的温度下，但蛋清中的一些蛋白质还没有凝固。

我们只是触及了鸡蛋的生物学和化学的表面。但从烹饪的角度来看，我们知道我们想要什么：除了正确的质地外，我们还希望蛋清中的蛋白质经历足够高的温度使其变性，这样它们就不会与我们的消化酶作斗争，我们还希望蛋黄保持在狭窄的温度范围内。我们如何用热量来实现这一点？

导电

烹饪设置

上图显示了我们的烹饪设置：平底锅将热量从燃烧器传递到水中，水覆盖着鸡蛋。厨师们经常问的一个问题是：最好的平底锅是什么？从热量的角度来看，一个好的平底锅的理想特性是，在加入冷的食物时，它能保持恒温。物质的保热能力被称为其比热容。它衡量了物质每单位质量的温度上升或下降需要吸收或释放多少热量。铸铁通常被认为能很好地保持热量，但实际上它的比热容并不特别高（460 J/kg.K）。它低于不锈钢（490 J/kg.K）的比热容，而且低于铝的比热容（910 J/kg.K）的很多。但铸铁在比热容上缺乏的地方，它在密度上弥补了。因此，在相同体积下，铸铁的质量更大，保热能力也更高，比铝高得多。

好平底锅的另一个理想特性是它能快速传导热量。传导遵循傅里叶定律。傅里叶定律的一维简化形式是：

q′′=−kdTdxq'' = -k {\rm d T \over \rm dx}

热通量q′′q''（W/m²）是沿x方向每单位面积的热传递速率。导热系数kk（W/m.K）是平底锅材料的特性。导数部分表示温度在平底锅深度上的变化速度。傅里叶定律表明：

  1. 热量只在温度降低的方向流动。
  2. 如果温度变化率越大，热量就会流得更快。
  3. 直到所有东西都达到相同的温度，热量才不会停止流动。
  4. 导电特异性：传热速率只取决于导电材料和边界的温度，而其他因素无关。如果您无法改变任何一个，您就无法改变通过导电传递的热量通量。

但为了回答我们关于热量传递速度的问题，傅里叶定律缺少一个重要的变量：时间。铸铁的热导率（55 W/m.K）高于不锈钢（~40 W/m.K），但我们都知道铸铁锅加热速度非常缓慢。原因是热侧传入的热量一部分没有从冷侧排出——它会去加热介质。根据热力学的第一定律（能量守恒），我们可以写出能量平衡函数：

Q˙in−Q˙out=dEstdt\dot Q_{in} - \dot Q_{out} = {dE_{st} \over dt}

EstE_{st}是储存在材料中的能量。它由密度、比热容、体积和温度决定。在这里，我们引入时间变量，因为能量净流入率随着时间的推移会改变储存的能量，从而改变温度。结合能量平衡函数、傅里叶定律和一点微积分，我们得出热方程：

∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2=1α∂T∂t{\partial^2T \over \partial x^2} + {\partial^2T \over \partial y^2} + {\partial^2T \over \partial z^2} = {1 \over \alpha }{\partial T \over \partial t}

热方程的左边是温度分布的曲率——空间中的二阶导数，而不是梯度。右边是温度随时间的变化速率。因此，该方程所描述的内容比“热量从热处流向冷处”更精确：温度在某一点的变化速率取决于温度分布的曲率，而不是温度分布的陡度。在下降点（凸起）的底部，一个点会上升；但在直线分布的某一点，即使热量倾泻而下，该点也会保持稳定。物理意义在于，初始温度分布决定了温度随时间的演变。空间分布和时间分布之间关系为 α=k/ρcp\alpha = k/\rho c_p。kk 是热导率。ρ\rho 是密度。cpc_p 是比热容。α\alpha（mm²/s）被称为热扩散系数，它告诉我们热量爆发如何迅速扩散到整个材料中。热扩散系数高的材料对热输入的变化反应更快，这让厨师更好地控制。在常见平底锅材料中，铜的热扩散系数最高：114.8 mm²/s。

热方程的解告诉我们温度如何随着时间的推移而变化。傅里叶热学分析理论最初被拉格朗日和拉普拉斯等著名科学家拒绝。在他在寻找热方程的解时发现傅里叶变换后，他才被发表，傅里叶变换顺便也是无线通信的数学基础。热方程的分析解通常相当复杂。然而，可以证明，在一些适用于正常烹饪情况的假设下，热扩散时间与深度平方成正比。这是估计烹饪时间的良好经验法则。

一旦热量超过锅，它就会进入水中。热传递路径的这一部分受对流定律的支配。

对流

在平底锅的顶部表面，热量通过对流传递到水中。当自由流动流体的颗粒与表面接触时，它们会减速。在大多数情况下，可以假设它们在表面上的速度为0。然后，这些颗粒会减缓下一层流体的颗粒。下一层的颗粒反过来会减缓上层的颗粒，以此类推。最终，这种减速效应变得微不足道。流体速度从0逐渐变化到自由流动流体的速度的区域是_速度边界层_。

同样，与表面接触的流体颗粒与表面达到热平衡。它们加热下一层和下一层的颗粒。最终，在_热边界层_中会形成温度梯度。

对流热传递中的边界层发展

假设锅的顶部表面温度为TsT_s，远离表面的水的温度为T∞T_\infty。牛顿冷却定律指出：

q′′=h(Ts−T∞)q'' = h(T_s - T_\infty)

q′′q''是热通量。hh是对流热传递系数。热传递系数受到许多相互依存的变量的影响。_对流问题_是确定传递系数。

顺便说一句，这种类型的方程在自然现象中非常常见：某物的变化率与两个状态之间的差异和一个恒定的特征成正比。我们在傅里叶定律、欧姆定律中看到了这一点，我们将在达西定律中看到这一点，该定律解释了水如何通过咖啡渣床流动。

对于厨师来说，坏消息是，实际上，表面附近的液体流动比整齐分层的流动要复杂得多。因此，很难分析烹饪液体的边界层。我想说，可能不值得尝试。好消息是，与导热系数不同，厨师可以在不改变食材的情况下对对流传热系数产生一定的影响。以下是关于对流的研究的一些关键见解，我们可以应用于厨房：

  1. 液体越快地流过表面，流动越湍急，对流系数就越大。这就是为什么对着热的食物吹风可以冷却它。
  2. 由于存在速度梯度，存在垂直于表面的宏观流体运动。这种运动是对对流热传递的主要贡献者。在非常厚的液体中，运动很少，速度边界层也没有形成。热传递是通过传导进行的，而不是对流。这就是为什么你需要不断搅拌厚厚的番茄酱来产生强制对流。否则，底部会烧焦，而顶部仍然很冷。
  3. 液体比气体具有更大的对流系数。100比1的比例是典型的。大多数其他食谱都会在这里说，这就是为什么你可以把手放在热烤箱里而不被烧伤。我会给你一个更有用的例子：如果你想燃烧很多卡路里，就在游泳池里锻炼。在游泳池里呆一个小时的对流热损失比在跑步机上跑步一个小时燃烧的卡路里要大。另一个例子是，在冰水中解冻比在冰箱空气中解冻要快得多，尽管前者温度较低。

还有另一种热传递方式：辐射，我们将等到讨论烤吐司之前再研究它。现在，让我们煮一个溏心蛋。

煮鸡蛋

在鸡蛋壳的外表面，热量通过对流传递。在鸡蛋壳的另一侧，即鸡蛋内部，热量主要通过传导传递。无论烹饪什么，厨师都无法绕过这一点：你可以尝试控制热量如何到达食物表面，但一旦热量到达那里，你就失去了控制。在里面，食物的材料和成分完全决定了热量传递的性质。你所能期望的最好的就是关于内部温度梯度的良好数据。

传统上，控制食物内部的热量分布有三种方法。第一种是通过控制燃烧器的热量输出持续时间和强度来控制食物的热量输入。厨师可以转动燃烧器的旋钮，决定何时完全关闭。有不同的烤箱和炉子技术，但归根结底，大多数家庭厨师只能粗略控制输出功率和时间。显然，控制热量传递的方程的多个条件不受控制，而可以控制的东西没有精确控制。

第二种方法是切碎食物。厨师经常强调，你需要将食物切成等大小的块。这个想法是，如果它们大小相同，它们就会煮熟到相同程度。炒菜食谱通常要求将食物切成薄片。在炒菜中，食材只短暂地接触热表面。为了确保所有东西都煮熟，重要的是要增加表面积与体积的比例。由于热量更容易渗透到较浅的深度，厨师更容易通过观察表面来判断食物内部的温度。我怀疑这就是为什么昂贵的和牛牛肉在烤制时总是切成小块的原因（但后来我意识到，一个更令人信服的原因可能是：如果你花了这么多钱买它，你就不应该自己切食物）。

这两种方法都不精确，并且高度依赖厨师的技能和经验。根本问题是输入（热量）和所需结果（温度）的不匹配。

两个不同的边界条件

上图显示了不同边界条件下的食物内部温度分布。TiT_i是整个食物的初始温度。TfT_f是所需的最终温度。一个典型的炉子可以建模为提供恒定热通量的热源。恒定热通量意味着恒定的温度梯度。随着时间的推移，食物的表面温度会上升，食物内部会形成不理想的温度梯度。正如您从图左侧可以看到的，部分食物煮得过熟，部分食物煮得不熟。消除不熟部分的唯一方法是及时关闭火源，让剩余的热量完成烹饪。如果没有温度与深度曲线以及它随着时间的变化而变化的定量数据，厨师只能依靠经验。只有非常小的窗口才能做到正确，部分食物不可避免地煮得过熟。

然而，如果我们改变边界条件并保持表面温度恒定，最终所有食物都会在恰到好处的温度下达到热平衡。你不必担心食物内部的温度梯度如何，你也不必担心残留烹饪，因为没有残留烹饪。

实现这一目标的技术是真空低温烹调，本质上就是把食物放在恒温水浴中加热。它不仅能使食物内部温度更均匀，也让温度控制精确得多。如果你总是在高汤中煮三文鱼，就很难体会49⁰C与51⁰C这两度之差。真空低温烹调还能呈现非常纯净的味道：这样煮出的胡萝卜与烤胡萝卜截然不同，因为它没有高温美拉德反应产生的风味。

真空低温烹调是个庞大主题，值得另写专文。这里暂且收尾：它虽不能解决所有烹饪问题，但在热传递方面优势独特，理应成为每位厨师工具箱中的重要工具。

如前所述，要让蛋黄保持流心又可安全食用，必须确保它在约63⁰C保持5分钟。唯一可靠的方法，是让鸡蛋在63⁰C水浴中停留足够久。但这个温度不会使蛋清完全凝固，所以还要把蛋清短暂加热到更高温度。《现代主义烹调》建议在真空低温烹调后，把鸡蛋浸入沸水。

实际操作时，应让鸡蛋从室温水浴开始，再把水浴逐渐加热到目标温度。缓慢升温能让鸡蛋气室中的空气逐步逸出；否则气室可能膨胀过快，使蛋壳开裂。

最后还有剥壳问题。我能给出的最实用建议是：别再寻找能把蛋壳完美剥净的魔法办法——它并不存在。真正容易剥壳的，只有煮过头的蛋和放得较久的蛋。对于蛋清细嫩、蛋黄流心的完美溏心蛋，我的办法是根本不剥壳，而用鸡蛋开壳器切开顶部。这需要一点练习，但任何人都能掌握。

鸡蛋装饰品——你不必去掉鸡蛋壳

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