厨房温度的科学

面向厨师的化学

伟大的厨师会竭尽全力控制他们的产品的温度。正如Shizuo Tsuji所说，一家东京餐厅在建筑物正中央的二楼建造了一个全新的厨房，这样汤就可以在不到30秒内送到所有食客手中。但温度控制不仅仅是挑战你的客人优雅地品尝热汤而不发出太大的啜饮声的能力。随着温度的变化，食物会经历物理和化学变化，这会导致质地和风味的变化。铁锅厨师和普通家庭厨师在临界温度的两侧可能相差几度。

但温度到底是什么？

温度的物理学

什么是温度，我们如何测量它？在18世纪初，一位名叫华氏（Fahrenheit）的德国科学家将0⁰F定义为他用水、冰和盐混合溶液所能达到的最低温度，而96⁰F则定义为健康成年人的体温。这一定义并不精确，而且数学运算过于繁琐，这就是为什么世界上大多数国家最终采用摄氏（Celsius）度制的原因。瑞典科学家卡氏（Celsius）于1742年将0⁰C定义为水的沸点，100⁰C则定义为水的凝华点（次年将该度制倒置）。这一定义虽然更容易复制，但并不完整。它仅在正常大气压下才成立。科学家不喜欢模糊性，因此在1954年，摄氏度制的基准点被改变。一边是绝对零度，这是通过推断理想气体定律而得出的理论值。另一边是水的三重点：纯水、纯冰和纯水蒸气在稳定平衡下共同存在的压力和温度的单一组合。这一定义的缺点在于，在实验室中很难精确且一致地测量。2019年，国际单位制经历了自1875年《米制公约》建立以来最大的革命。国际单位制不再依赖人类人工制品或测量结果，而是完全可从基于基本物理常数的不变自然现象中推导出来。具体来说，开尔文（Kelvin）的新定义是基于玻尔兹曼常数的固定值构建的。以下是确切的数学公式：

$1\ \text{K} = {h\,\Delta\nu_{\mathrm{Cs}} \over k} \cdot {1.380649 \times 10^{-23} \over (6.62607015 \times 10^{-34})(9{,}192{,}631{,}770)}$

• k:玻尔兹曼常数
• h：普朗克常数
• $\Delta\nu_{\mathrm{Cs}}$：铯-133原子的不受扰动的基态超细结构跃迁频率

右侧的每个数量都是自然界的固定常数——玻尔兹曼常数、普朗克常数、铯超微频。定义中没有任何尺子、参考质量或人工制品。这就是全部意义所在：开尔文不再取决于任何测量值。

这让我们来了解一下温度是什么。在微观层面，所有原子和分子都在不断运动（除了绝对零度，热力学第三定律告诉我们这是无法达到的）。奥地利物理学家玻尔兹曼发明了统计力学，该学科以构成系统的粒子的平均行为来建模系统。温度是原子和分子的微观运动的宏观指示。从数学上讲，温度与粒子的平均速度的平方成正比。如今，这不应该太夸张，但玻尔兹曼一生都在受到不断攻击。在他死前不久，实验证实了他的理论，他变得沮丧并自杀了。

食物的化学

要真正了解温度对食物的影响，我们必须深入到分子层面。有四种基本的食物分子：水、脂肪、碳水化合物和蛋白质。水分子由一个氧原子和两个氢原子组成。一个原子有一个原子核，电子在原子核周围运行。电子轨道无法像地球围绕太阳的轨道那样精确定位。科学家只能计算电子在原子内的位置概率。施罗德inger方程是用于此目的的关键数学工具之一。我记得在大学物理教科书中遇到过这个方程。作者拒绝展示这个方程，因为“数学太先进了”。我发誓，如果我写一本书，我不会让读者像那样悬而未决。

这是Schrödinger方程的一个特殊情况：

在这里，$\hbar$是普朗克常数除以$2\pi$。好吧，省略它可能并不完全是不明智的。

从概念上讲，你可以想象电子可能被发现的核周围的区域是一个云。当原子聚集在一起形成分子时，不同原子的电子必须共享它们的云空间，就像两个气泡合并成一个新的单个气泡一样。这个新形成的气泡不是原始气泡的总和；它是一个完全不同的实体。化学家将这种原子间连接称为共价键。这些键涉及一对电子，根据它们的能量水平，它们呈现出各种形状——有些类似于球体，有些类似于哑铃，还有些类似于三叶草。这些键的形成决定了由此形成的化合物的化学和物理性质。

在讨论烹饪时提及电子云和量子力学似乎很奇怪，但请耐心听我说；这些原理是许多烹饪现象的基础。考虑这个例子：当你吃热辣椒时，你做些什么来缓解嘴里的灼热感？

辣味不像甜味、酸味或鲜味那样。辣椒含有一种叫做辣椒素的化学物质，它会触发我们口腔中感知疼痛和热度的相同传感器。我们的正常反应是伸手去拿冰水。但这不起作用，因为根本原因不是热。辣椒素不会溶解在水中，也不会被冲走，因为辣椒素中的化学键与水的化学键形成方式不同（从技术上讲，一种是非极性的，另一种是极性的。有关极性水分子的含义，请参阅水的科学）。有什么效果呢？例如，牛奶。牛奶脂肪很好地溶解辣椒素。

另外三种食物分子——脂肪、碳水化合物和蛋白质——都是有机化合物。有机化合物以碳骨架为基础。每个碳原子的外层都有四个电子。这些电子中的每一个都想与其他原子的电子配对并形成键。一个碳原子在形成四个键之前不会感到高兴，因为这是它能量最低的状态。最简单的有机化合物是甲烷，其中碳原子与四个氢原子形成四个键。丁烷是家庭厨师常用的打火机燃料，用于制作烧焦奶油蛋糕。它有一个由四个碳原子的链。

一些简单的有机化合物

为复杂的有机分子绘制所有电子的小点和所有氢原子和碳原子是很费力的。简化绘图的一般方法是：

1. 使用一条短线段来表示一个键。
2. 省略氢原子和所有氢/碳键。
3. 停止画碳原子。它们在碳链中用弯曲和一个黑点表示。

现在让我们来研究三种宏量营养素的化学结构：脂肪、蛋白质和碳水化合物。了解这些结构还将阐明它们在烹饪过程中如何对加热的应用做出反应。

脂肪

从结构上讲，脂肪由三个脂肪酸分子附着在一个甘油分子上组成，因此得名三酯。

脂肪酸和甘油三酯

甘油三酯分子是非极性的。这就是为什么非极性的辣椒素溶解在牛奶脂肪中。

在脂肪酸的碳骨架上，如果两个相邻的碳原子只共享一对电子，我们说它们有单键。如果它们共享不止一对电子，它们就有双键或三键。当它们有不止一键时，理论上，多余的键可以破裂，每侧都会分别与一个氢原子键合。如果骨架上的所有键都是单键，脂肪酸就是饱和脂肪酸。如果只有一个键是双键，它就是单不饱和脂肪酸。如果不止一个键是双键，那么它就是多不饱和脂肪酸。

饱和脂肪和不饱和脂肪

饱和脂肪酸可以在空间中紧密地排列在一起。但每当有双键时，碳原子链就会弯曲。原因是这样的：在单键中，只需要合并一对电子云。但在双键中，两对电子云必须合并并在两个原子核之间的同一一般邻域中共存。更糟糕的是，这些电子云形状不同。这种扭曲的量子游戏导致不饱和脂肪酸分子之间产生了额外的空间来容纳弯曲。这就是为什么不饱和脂肪酸分子彼此之间的距离更大。

由于饱和脂肪分子的排列紧密，分子间吸引力更大。因此，分离它们需要更多的能量，因此熔点更高。椰子油在室温下是固体的，而橄榄油是液体的，因为椰子油中饱和脂肪的比例更高。

可可脂是巧克力的脂肪，存在于六种可能的结晶形式之一，这取决于其脂肪酸链是如何排列在一起的。只有第5相和第6相的熔点在28⁰C到37⁰C之间。制作优质巧克力的艺术在于精确控制过程的温度曲线，这样只有正确的晶体才会形成。这就是为什么M&M’s“在嘴里融化，而不是在手里融化”。

在天然存在的不饱和脂肪中，双键两侧的氢原子存在于键的同一侧，如下图左侧所示。当氢原子被强迫进入植物油的碳骨架中制成人造黄油时，一些双键会变成单键。剩余的双键“翻转”，使氢原子位于双键的对面，如下图右侧所示。化学家使用_cis_和_trans_这两个词，拉丁语分别的意思是“这边”和“另一边”。这就是反式脂肪这个名字的由来。

顺式和反式。R：分子的其余部分

蛋白质

从化学上讲，蛋白质是氨基酸的聚合物（由类似单元结合在一起的大分子）。每个氨基酸都含有一个氨基（NH₂）基团。它们结合成长链，形成蛋白质。图5显示了构成蛋白质的20种氨基酸之一：谷氨酸。谷氨酸的钠盐被称为味精（谷氨酸钠）。

谷氨酸

从氨基酸的化学式中可以明显看出，它们有许多极性O-H和N-H键。蛋白质链中不同的氨基酸因此相互组合成键，导致蛋白质折叠成一个精致的结构。当蛋白质分子加热时，这些键就会断裂。长链展开，露出其反应性侧基团。这就是蛋白质变性过程。现在，一个蛋白质分子的一个部分可能会撞上另一个蛋白质分子的另一个部分，并形成新的键。蛋白质凝固是变性蛋白质开始相互结合并形成凝胶状物质的过程。

蛋白质变性和凝固

肌肉纤维主要由蛋白质细胞组成。蛋白质在高温下的易变性是为什么肉比蔬菜和谷物更难煮熟的原因。让我们看看温度升高时一块牛肉会发生什么。

在50⁰C时，肌动蛋白开始变性，随后凝固。肌动蛋白是负责活体动物肌肉收缩的蛋白质。肌肉细胞中会形成散射光的团块，肉开始变得不透明白色。在60⁰C时，构成肌肉纤维外层保护膜的蛋白质胶原蛋白开始收缩并挤压肌肉纤维。蛋白质分子之间的空间中的水被挤出，肉突然失去大量汁液。在类似的温度下，肉的颜色从红色变为棕褐色，当红色肌红蛋白（肌肉细胞中的另一种蛋白质）中的铁原子失去一个电子时。结果是棕褐色的半色素。对于像里脊肉这样的嫩肉切片来说，这是你希望达到的最高温度。

但对于像牛胸肉和牛尾肉这样含有大量结缔组织的坚硬切片，你需要融化胶原蛋白才能获得“从骨头上掉下来的”柔软度。胶原蛋白在70⁰C左右开始溶解成明胶。然而，这个过程不会立即发生。即使胶原蛋白处于正确的温度下，它也需要时间才能融化。这就是为什么好的烧烤需要很长时间。当所有的胶原蛋白都融化掉时，不仅肉纤维不再相互结合，而且液体明胶也会使肉看起来湿润多汁。

一般来说，烹饪肉类的最合适温度与活动物的体温有关。奶牛的体温约为38⁰C，因此烹饪牛肉的理想温度比这个高约20⁰C。鸡肉的体温约为42⁰C，因此应该烹饪到比牛肉更高的温度。许多食谱都说，鸡肉煮熟时汁液变清澈即可。生鸡肉的汁液因肌红蛋白的颜色而呈粉红色/红色。随着温度的升高，肌红蛋白就像所有蛋白质一样，会变性并改变颜色。这种颜色在什么温度下发生变化以及变成什么颜色取决于其他几个因素。因此，汁液的颜色不是一个准确的衡量标准。检查烤鸡肉温度的最佳方法是使用温度计。

鱼类是冷血动物。它们应该用较低的温度煮熟。就我个人而言，我更喜欢鱼类煮至内部温度约50⁰C，甚至更低。然而，生鱼确实会带来食品安全风险，这取决于您对鱼贩的信任程度。顺便说一句，根据美国食品药品监督管理局的食品法，肉类应在60⁰C下煮12分钟，以杀死所有寄生虫。食品安全是一个复杂的主题，不能简单地归结为几个数字。追求安全和完美质地有时是不相容的目标。杀死细菌的正确条件是温度和时间的综合结果。坏消息是，仅靠高温不足以杀死细菌。好消息是，低温可以通过较长的烹饪时间来部分补偿，因此您不必把所有东西煮得太熟才安全。

鸡蛋是另一种重要的蛋白质来源。蛋黄在65⁰C左右会变固，但一个常见的误解是，蛋清在较低的温度下会变固。如果你在65⁰C的水浴中煮一个鸡蛋，你会看到蛋清仍然是水性的，而蛋黄已经变固了。这就是为什么日本onsen-tamago（温泉蛋）是这样的。我们稍后会更多地谈论烹饪完美溏心蛋的科学。

碳水化合物

在60°C到80°C之间，淀粉开始凝胶化。淀粉可能是许多人饮食中消费最多的碳水化合物。从化学上讲，淀粉是一种多糖。糖类来源于希腊语单词“糖”，意思是“糖”。最简单的糖类是葡萄糖和果糖。它们是单糖。食用的白砂糖（蔗糖）的分子由一个葡萄糖和一个果糖组成，所以它是一种二糖。如果我们有一小部分（2到约8个）简单的糖类单体串在一起，我们就称之为寡糖。除此之外，它是一种多糖。一种物质的味道有多甜取决于其分子的形状。你可以把糖分子想象成打开甜味细胞的钥匙。果糖的味道比葡萄糖甜，但热量含量相同。从化学上讲，高果糖玉米糖浆与蜂蜜非常相似。因此，从营养上讲，与甘蔗糖或蜂蜜相比，高果糖玉米糖浆并没有本质上的邪恶之处。也许邪恶的是使它如此便宜的玉米补贴。

葡萄糖、果糖和蔗糖

淀粉并不是我们饮食中唯一的多糖。纤维素是另一种多糖，是植物细胞壁的主要组成部分。由于葡萄糖单体在纤维素中结合的方式不同（见图8），它无法被人体酶分解，因此无法消化。但它确实具有营养价值。它的一大作用是干扰简单的糖的消化。它可以包裹高热量的食物成分，并将其从消化道中带走。不溶性纤维也是你肠道微生物群的食物，这是许多活跃研究的重点。植物细胞壁在88⁰C到92⁰C之间的温度下开始分解。如果蔬菜煮得太久，它们就会变得黏稠。但如果你想做奶油土豆泥，你需要达到的内部温度就是这个温度。

淀粉和纤维素

厨房里常见的淀粉是米。淀粉分子有两种结构：淀粉和淀粉聚糖。淀粉是长直链的，而淀粉聚糖则高度分支。长粒米通常淀粉含量最高，而高淀粉聚糖含量则使短粒米粘稠，因为淀粉聚糖的分支非常善于捕捉水分子。

淀粉和淀粉聚糖

淀粉在米饭中以颗粒形式存在。这些颗粒中的淀粉分子在环境温度下形成结晶区域，从而导致未煮熟的米饭的硬度。在室温下，水无法进入分子之间。你可以将米饭永远浸泡在水中，它不会煮熟。在高温下，淀粉分子之间的分子间键会分解，允许水分子进入并附着在结合位点上。颗粒膨胀并溶解在水中。这被称为凝胶化。

淀粉明胶化

凝胶化温度取决于淀粉的具体类型。在温度控制方面，要点是：

1. 凝胶化需要特定的温度才能发生；无论暴露时间如何，它都不会在冷水中发生。例如，中国菜中的一种技术是将蛋白质腌制在玉米淀粉中。当你炒肉时，你需要让它达到温度，这样在开始搅拌之前，淀粉就会凝胶化，就像“炒肉”一样。
2. 淀粉通常被用作增稠剂。小心不要加太多。液体在低温下所有运动都会减慢。当您的酱汁从炉子上取下到餐桌上食用之间冷却时，它会变稠。

当淀粉冷却时，溶解的淀粉分子开始在它们之间形成交联键，并重新排列成结晶结构。这被称为退化。它不会将淀粉恢复到未煮熟的状态，但这个过程也不能通过重新加热完全逆转。这就是为什么最好的炒饭是用剩饭做的。如果没有加热/冷却循环，米饭就不会达到炒饭的正确质地。

其他关键烹饪温度

水在100⁰C下沸腾。对于厨师来说，这是一个有用且方便的视觉线索，可以不用温度计来判断温度。然而，很多时候，你不会只用水来烹饪。当你烹饪像番茄酱这样非常浓稠的液体时，正常的对流会受到阻碍。液体的不同部分的温度可能会有很大的差异。顶部可能只有温水，而底部则被灼伤。这就是为什么你需要不断搅拌。

如果您将酒精添加到水中，产生的混合物在水的沸点和纯酒精的沸点之间有一个新的沸点。说酒精先蒸发是不正确的。这种混合物的蒸汽既含有酒精分子又含有水分子。在低于水的沸点温度下，这种蒸汽确实含有更高的酒精含量——这就是蒸馏的工作原理。

一个显而易见却常被忘记的事实是：只要食物周围仍有水，它的温度就不会超过水的沸点100⁰C。你可以把烹饪方式叫作褐变、煎炸或炒制，但水分存在时，食物实际上仍处于水煮或蒸制的温度范围。这引出了另一个对厨师很重要的现象：湿球温度。

如果你把两个温度计放在烤箱里，一个单独放在那里，另一个用湿布包裹着，它们会显示不同的温度读数。干温度计会读取烤箱内空气的温度，而“湿球”温度计会读取较低的温度。这是因为需要热量来蒸发水。我们在潮湿的气候中比在干燥的气候中感觉更暖和，因为在更高的相对湿度下，皮肤上蒸发的水分更少，我们从蒸发的冷却效果中得不到那么多好处。当食物没有干燥时，无论是在热空气还是热油下，它都不会在介质的温度下煮熟（是的，油炸食品也会经历湿球温度），而是在湿球温度下煮熟。

许多产生风味的化学反应要在100⁰C以上才明显进行，通常要等水分蒸发后才会发生。首先要谈、也被许多人视为最重要的，是美拉德反应：氨基酸与简单糖之间的一系列反应。美拉德反应在较低温度下也会发生。传统皮蛋是在蛋壳外包裹木灰、氧化钙和盐的碱性混合物制成的，蛋清和蛋黄由此发生美拉德褐变，形成独特颜色。

但你不想等一个世纪。美拉德反应在120⁰C到130⁰C左右加速。结果是数百种新的化合物，具有浓郁而令人愉悦的味道和香气。美拉德反应几乎发生在所有类型的肉类中，导致与氨基酸和糖的特定组合略有不同的香气。由于其化学结构，大多数美拉德反应产品都呈现出棕色。

美拉德反应有时也称为褐变反应，因为其产物的分子结构含有环或稠合环系，反射光线后呈现棕色。

美拉德反应的一些产品

美拉德反应期间究竟发生了什么还不完全清楚。但作为一个厨师，以下是关于美拉德反应你应该知道的：

1. 美拉德反应确实在较低的温度下发生，但它们在130⁰C左右加速。这意味着它们在水中不能发生得足够快。
2. 这是蛋白质与简单糖之间的反应，两者缺一不可。黄油同时含蛋白质和糖（乳糖），所以肉用黄油煎时更容易褐变。不过，大多数肉即使不额外加糖也能褐变，因为自身含有糖原；扇贝尤其明显。
3. 碱性环境会加快反应。这就是一些百吉饼制作者烘烤前先把面团浸入碱液的原因，也是《现代主义烹调》的焦糖胡萝卜汤配方加入小苏打的原因。

不过，美拉德反应并不是唯一产生棕色色素的反应。在170⁰C时，糖开始分解，产生甜、坚果味和棕色。这被称为焦糖化，经常与美拉德反应混淆。

对于厨师来说，总是努力诱导美拉德反应和焦糖化是很有诱惑力的。然而，我敦促你想出方法来突出和呈现食材的独特风味，而不是总是依赖熟悉和陈旧的东西。

接下来，在186⁰C时，蔗糖会融化。有些人利用这一事实来校准烤箱的温度。我从来没有见过一个烤箱能达到并保持一定温度。它们的温度会在设定点附近波动，即使经过长时间的预热后，烤箱不同位置之间的温度差异也很明显（浸没式循环器在控制水浴温度方面做得更好）。涉及烤箱的食谱中的所有时间和温度只是建议。为了控制烤箱中产生的东西，我只相信多根温度计和精心设计的实验。

在190⁰C左右，橄榄油开始冒烟。我们并不太在意烹饪油的沸点，因为它们的脂肪分子在低于沸点温度时会分解成其他分子。烟雾是分解的气体产物。我们之前讨论过，当原子聚集在一起时，它们的电子会成对，电子云会合并。它们更喜欢这种排列方式，因为它使它们处于较低的能量、更稳定的状态。一些烟雾的产物是带有未成对电子的分子。它们热切地寻找其他化学物质与之反应，以便它们的单电子可以处于稳定的关系中。这些物质被称为自由基。自由基是抗氧化剂的相反。不用说，它们对你的健康不利。

如果你把平底锅加热到200⁰C，然后在上面洒几滴水，它们会像小球一样沿着热表面滑动，而不是蒸发。这就是莱登福斯特效应。热表面的温度比水的沸点高得多，所以在最初接触时会形成一层绝缘蒸汽层。水滴中的剩余水就像悬浮机一样静静地靠在这个空气缓冲层上。

莱登弗洛斯特效应

为了避免食物粘在锅上，你应该等到锅真的热之前再放食物。你听到的咕噜声是食物表面的水蒸发产生的，形成蒸汽缓冲。

大多数家用烤箱的最高温度约为260⁰C/500⁰F。但商用披萨烤箱通常能达到500⁰C。你想在至少315⁰C/600⁰F的温度下烘烤你的披萨皮，以获得最酥脆但又蓬松的皮。在有限的时间内使用高热量是制作美味披萨的秘诀。

说到高温，木炭烤架的温度可以高达650⁰C/1200⁰F。相比之下，丙烷烤架只能达到峰值温度的一半左右。根据斯特藩-玻尔兹曼定律（是的，那个玻尔兹曼），辐射能量与表面温度的4次方成正比。这就是为什么木炭烤架可以产生更好的外壳。

关于烹饪和温度还有很多话要说。但希望这次讨论能让你相信精确和一致的温度控制的重要性。无论有多少科学知识都无法取代专业厨师从实践中获得的关于食物状态的经验和直觉。需要为家庭厨师开发更好的工具来弥补这些不足。同时，在烹饪过程中经常品尝有助于，但要小心不要烫伤自己。