烹制完美牛排的科学

案例研究

让我们将我们对食品化学、食品安全、温度、热量和水的了解应用到一种受欢迎的食材——牛排的烹饪中。

对于初学者厨师来说，最令人困惑和沮丧的经历之一是决定一块牛排什么时候熟透。有一种方法是拇指触摸不同的手指，手掌在不同的配置下有多硬与不同的熟度相匹配。或者（根据一些人的说法）一种更简单的方法：你脸部不同部位的柔软度对应不同程度的熟度。我不打算给你这些方法的细节，因为它们不起作用：每个人的手或脸都是不同的，每块牛排都是不同的，你真的有可重复和准确的触觉吗？

也许你不喜欢牛排。但一块长方形肉块是研究温度和热量在烹饪中如何发挥作用的好（因为容易建模）课题。

我们将遵循我们的无漏洞的3步计划：定义问题，非常努力思考，然后解决它！

问题陈述

首先，让我们定义一下我们所说的熟透的牛排是什么意思。

动物肉的基本组成部分是肌原纤维（蛋白质细胞），这些纤维束在一起形成肌纤维。这些束的束缚持续到肌肉形成为止。每个束周围都有一层胶原蛋白层。随着温度上升到约60°C，胶原蛋白开始收缩，挤出肌肉细胞中的水分。为了保持牛排多汁，你需要将牛排的内部温度保持在60°C（140°F）以下。事实证明，60°C是牛肉安全食用的最低温度。

肉纤维中的水分并不是肉质鲜嫩的唯一原因。当你咬下一块肉时，肉汁会立即涌出。随着你继续咀嚼，肉中的脂肪和味道会刺激你自己的唾液流动，从而维持肉质鲜嫩的感觉。一块平淡无奇、湿润的肉质并不鲜嫩。煎牛排独特的味道来自于美拉德反应。在高温下，肉中的蛋白质和糖会发生一系列复杂的反应，产生数百种新的分子，从而产生强烈的味道。这些被称为美拉德反应。它们是烹饪中最重要的一些产生风味反应。美拉德反应确实会在较低的温度下发生，但它们在130°C左右加速。在那个温度下，水分已经蒸发。因此，美拉德反应发生的地方必须是肉质干燥的地方。换句话说，你希望它们发生在牛排的一部分，但不要太大。

总之，我们的问题陈述变成了：我们想要几乎未煮熟的内部和棕色的外皮。牛排内部的理想温度分布如下所示：

图1：理想温度分布

这不是烹饪牛排的独特问题。很多烹饪都是为了在食材内部达到所需的温度曲线。如果无法轻松测量内部温度，或者食物的不同部分在相同温度下表现不同，情况就变得更复杂了。

分析

关于一块放在热锅上的牛排的三个基本物理事实是：

1. 牛排不会从里面加热。热量必须来自外面。
2. 热量通过传导在牛排内部传递。热导速度是有限的，这是牛排本身的一种特性。
3. 傅里叶定律指出，在传导中，热传递率（热通量）与温度差和热阻的倒数成正比。

根据傅里叶定律，我们可以通过降低热阻或增加温度差来增加热通量。为了降低热阻，我们可以添加油，油是一种良好的导热剂。为了增加温度差，我们应该等到锅真的热之前再把肉放进去。一个非常热锅的另一个好处是，食物不会粘在锅上，这部分原因是莱登弗洛斯特效应。

当你把一块牛排放在热锅里时，你听到的剧烈咕噜声是牛排表面的水蒸发。如果你什么都没听到，这意味着你的锅没有热到足够。然而，咕噜声不应该持续太久。如果持续了，这意味着牛排上面的水太多。所有的水蒸发都会消耗大量的能量，导致锅的温度下降。这时，你不是在煎牛排；你是在煮牛排。

一个常见的误解是，煎肉会锁住汁液。我上次检查时，没有人用煎肉做雨衣。事实上，肉汁和可溶性蛋白质在整个烹饪过程中都会继续从肉中渗出。当它们遇到热锅的表面时，水会蒸发，蛋白质会凝结并参与美拉德反应。这就是为什么你不会看到任何液体。但当牛排的表面在盘子上冷却时，你会看到肉汁在餐盘上。

图2：温度曲线变化

我们的目标不是尽可能快地烹饪牛排。我们的目标是在牛排内部达到所需的温度曲线。假设肉从30°C开始，锅从200°C开始，将肉放入锅后一分钟，肉内部的温度曲线看起来像图2中的蓝色线。表面的所有水都蒸发了，一层薄薄的肉已经干燥了。当我们深入肉中时，温度会下降。然后我们遇到一个沸腾区，在那里水沸腾，温度保持在100°C。在沸腾区之后，温度继续下降。

再过几分钟，更多的牛排就会变干，马氏反应就会在那里发生。沸腾区会向牛排的内部移动。随着时间的推移，外部变干的区域会变厚，沸腾区会继续向内部移动。这如图2中的红色曲线所示。

我们想确保所有肉都煮到60°C以上，但我们想限制高温/干燥区域的膨胀，以获得类似于图2中的棕色曲线的东西。换句话说，我们想提高红色曲线尾部，同时使其不那么陡峭。这意味着我们必须将肉排的热通量降低。传统食谱会要求您将肉排放入慢烤箱中，让它完成烹饪。如果您有耐心，您可以将烤箱温度降低，以确保肉排的热通量更小。您应该在烤箱中放置多久？不要相信任何食谱、烤箱恒温器或您自己的经验。将肉温计斜插入肉排中，并监测温度。

有一个最终的转折：要达到目标温度，你必须在内部温度达到60°C之前将牛排从火上移开。原因是这样的：当牛排在烤箱里时，最热的部分是表面。当牛排从烤箱里取出时，表面的热量可以向两种方向传播：它可以进入牛排内部，也可以向空气中传播。事实证明，空气不是一个很好的热导体（这就是为什么蓬松的羽绒被能让你保持温暖的原因），因此牛排表面的余热会向内散热，并继续烹饪牛排内部。你可以通过将肉温计插入牛排中并观察其内部温度上升来轻松确认这一点。在我的夏天厨房里，牛排中间部的温度会持续上升长达15分钟。实际上，这是一种持续的温和烹饪。

不幸的是，依赖余热既不可靠也不可重复。不同厨房中不同切片的牛排温度上升的程度不同。这取决于您厨房的湿度、环境温度以及厨房是否有通风口等因素。

牛排在休息时不会吸收肉汁。事实上，如果你切开一块热肉，很多汁液会流出来。但如果你等到它冷却下来，当你切牛排时，似乎没有汁液流出来。真正的原因是液体在低温下粘度更高。例如，80°C时的水的粘度约为20°C时的粘度的1/3。在较低的温度下，肉中的明胶也会形成凝胶，进一步阻碍汁液的流动。这就是为什么酱汁总是会在热炉和餐桌之间变稠。

我想，如果你仔细控制热量、肉的厚度、脂肪含量和水分含量以及时间，你就可以跳过低烤箱步骤和静置步骤，以获得良好的温度曲线。根据YouTube上的视频，这似乎是一些知名的牛排店的做法。

解决方案

用热进行烹饪的最终结果是食材内部的温度梯度。厨师的工作的一部分是通过操纵热量流动来控制温度曲线。知道这一点并不能让你成为一名好厨师（远远没有），但它是思考烹饪中温度和热量的基本框架，所以你可以开始提出正确的问题。

Sous vide非常受欢迎于专业厨师，因为它是精确控制食材温度的一项有效方法。我们可以先用Sous vide烹饪牛排，这样整块肉的温度就正好合适。然后我们可以煎一下表面，以获得我们想要的外皮和Maillard反应带来的风味。*《现代主义烹调》*的牛排食谱指示你在Sous vide烹饪后，在煎之前将牛排蘸入液氮。我会把它留作练习，让你自己来弄清楚液氮蘸入步骤的好处。

上述分析指出另一个有趣的可能性：如果你直接从冰箱里把牛排煮出来怎么办？现在，为了让热量在里面传播，它不仅会遇到沸腾区高原，还会遇到融化区高原。水和冰起作用为天然绝缘体。你可以慢慢煎一下外皮，不用担心内里煮得过熟。当你对外皮满意后，你可以把牛排转移到低烘烤箱中。事实证明，《美国测试厨房》有一个食谱可以做到这一点。

顺便说一句，专业人士是怎么做的？著名的牛排馆的厨师当然不会在上菜前用手指碰你的牛排。他们每天做这么多牛排，而且他们对肉和烤箱的控制非常一致，以至于他们对牛排内部发生的事情有了相当好的直觉。换句话说，他们就是知道。几乎所有家庭厨师的问题都可以归结为这一点：你只是没有足够的经验来知道发生了什么，食物会发生什么。

常见问题

当我从冰箱里拿出牛排时，我需要将其调温到室温吗？

我不这么认为。假设你有一块重340克（12盎司）的牛排。你从4°C开始，你想把它煮熟，这样10%的牛排在130°C时变成外皮，另外90%的牛排达到60°C。牛肉约75%是水分。因此，为了干燥外皮，需要蒸发25.5克的水。牛肉的比热约为3.2 J/g·K。水的比热容为4.18 J/g·K。沸腾水的潜热为2259 J/g。

假设室温为25°C。一个典型的燃气炉每小时提供15,000 BTU。在20%的效率下，它每秒向牛排提供175焦耳。在这些条件下，从4°C开始烹饪牛排大约需要12分钟，从25°C开始烹饪牛排大约需要10分钟。只有2分钟的差异。

这是因为蒸发地壳中水的能量主导了将牛排的其余部分加热到温度所需的能量。不要浪费时间调味牛排。在煎表面时，监测牛排的内部温度。如果牛排的内部没有煮熟，而你对煎色感到满意，请将牛排放入慢烤箱中完成烹饪。你会节省时间，并获得更好的结果。

我应该多久翻一次牛排？

许多人说煎牛排时不要乱动，只翻一次。Heston Blumenthal的方法则是每15秒翻一次。我两种都试过，没有察觉差别。但业余厨师在家庭厨房里做的一次尝试，远称不上受控科学实验。实验没有定论时，我们就从理论预测中寻找指引。

在热传递理论中，通常研究三种类型的边界条件：

1. 边界处的恒温。
2. 边界处的恒定热通量。
3. 作为边界的对流表面。

我们可以假设我们的炉子提供恒定的热输出，因此接触热锅底面的牛排的底部处于第二个边界条件之下。顶部暴露在空气中，因此处于第三个边界条件之下。牛排本身可以建模为平面墙。模拟表明，通过更频繁地翻炒牛排，你就会得到更薄的表皮。中间的牛排的比例更大，保持在理想温度下。换句话说，你就会得到更多汁的牛排，以及美拉德反应产生的所有美妙的风味化合物。

但这假设你有完美的时机。如果你在理想时间的两边偏离几分钟，无论用哪种方法，你都可以把牛排煮得过熟或煮得不熟。从模拟中真正重要的教训是，你应该更关心牛排的内部温度，而不是你翻几次。顺便说一句，只要你的锅足够热，你用足够多的油，即使你经常翻，牛排粘在锅上的问题也不会发生。

烤架上着火还是煎锅煎？

让我先说，无论味道如何，烧烤的气氛是不可替代的。

在烤架上，牛排主要以红外辐射的形式吸收热量。在热锅中，热量传导到肉中。木炭燃烧非常热。由于辐射功率与表面温度的第四次方成正比，木炭烤架比丙烷火或热锅产生的辐射热量要多得多。因此，在木炭烤架上，你获得最好的外皮。当肉汁滴入火中并被烧焦时，会产生许多新的风味化合物，赋予你的肉独特的烤架风味。确保在获得外皮后，将牛排移到烤架上不直接放在木炭上的部分，并用温和的暖空气继续烹饪牛排。

通过真空水浴过程，牛排似乎变灰了。它毁了吗？

不。生肉是红色的，因为它含有肌红蛋白。导致血液变红的不是同样的蛋白质：那是血红蛋白。生肉中的红色汁液经常被误认为是血液。实际上，动物的血液在屠宰场被抽干，以减少腐败的风险。（将活动物变成肉是一种经过精心控制的过程。很多事情都可能出错。例如，如果奶牛在屠宰前被留在寒冷的雨中，肉质就会受到影响。）

当肌红蛋白煮至60°C左右时，蛋白质变性并被氧化。它的颜色变成棕色。然而，颜色并不是衡量肉类温度的可靠指标。颜料、其他蛋白质和不同形式的氮的微量元素之间的反应中存在太多的变量。最好使用温度计来确定。

灰色不诱人，在真空低温下没有发生美拉德反应。这就是为什么所有食谱都建议在真空低温下烹饪后将肉煎一下。