完美吐司的科学

热与化学研究

完美的吐司的科学

据Bertie Wooster说，黄油吐司的香味是休闲舒适的整体氛围的一部分。没有什么比一杯热咖啡和一块金黄的外皮的温暖吐司更能开始一天了。我们将探索这种早餐的赢家组合的科学。我们将在未来的文章中研究咖啡。在这里，我们专注于如何制作好的吐司。

我们将遵循我们建立的模型来解决一个烹饪问题：

1. 定义“什么是好的？”我们希望我们的吐司有恰到好处的金色外皮色调，有温暖柔软的麵包屑。
2. 了解“好”在化学和物理变化方面意味着什么，以及这些变化在什么条件下发生。
3. 确定如何控制食物的烹饪过程，以达到所需的温度曲线。

从面包到吐司

从某种意义上说，烤面包是让陈旧的面包复活的。最简单的面包只需要三种成分：面粉、酵母和水。小麦粉的主要成分是蛋白质和淀粉。从技术上讲，小麦粉不含麸质；它含有两种蛋白质：麸质蛋白和麸质。在水中，这些蛋白质相互结合，形成麸质网络。网络的生长只需要水。这就是为什么无揉面包食谱有效。现代主义面包中有一幅迷人的图片，展示了蛋白质在水中的生长分支。揉面可以加快麸质网络的发展，并加强它。其他面粉（黑麦、大米）没有相同的蛋白质，因此无论揉面多少次，当它们与水混合时，都不会形成麸质网络。

揉面另一个结果是酵母均匀分布。酵母细胞是活的单细胞真菌。它们在面包制作中起着两种作用：

1. 它们作为新陈代谢的产物产生二氧化碳。这种二氧化碳被弹性面筋网络捕获。这就是为什么面团在发酵过程中体积会增加。在烤箱中，酵母活性随着温度的升高而加速，最后产生一波二氧化碳，从而产生所谓的“烤箱弹力”。最终，酵母会在60⁰C左右死亡。
2. 酵母细胞也会产生风味。微生物代谢会生成许多芳香化合物，面团发酵越久，风味通常越复杂。但发酵不能无限继续：酵母耗尽食物后便不再产气，已有气体也会逐渐逸出，面包就失去轻盈多孔的内部组织。多数商业面包酵母是Saccharomyces cerevisiae的单一菌株，天然酵种则通常含多种酵母与乳酸菌。因此，理论上酸种面包风味更丰富，但一致性也更难控制，而且有人不喜欢酸味。

酵母以糖为食，这些糖来自小麦粉中淀粉的水解。酵母细胞无法直接利用淀粉，而要依靠淀粉酶催化水解——通过加入水分子把淀粉拆开。产生的简单糖既喂养酵母，也会在美拉德反应中与蛋白质反应，使面包表皮在烘烤时褐变。美拉德反应与酵母产生的芳香化合物，共同造就了新鲜面包的诱人香气。

为了让面团在入炉前更容易操作，人们会撒上干面粉。这些面粉没有与水充分混合，其中的淀粉也没有分解成糖。因此，烤好面包的褐色表皮上仍会留下白色粉末——那是受热后却没有参与美拉德褐变的面粉。

面粉需要时间才能吸收水分。初学者面包师经常犯错，认为他们的面团太湿了，急于加入面粉。他们应该相信食谱，并给它时间。当淀粉在水中加热时，会发生一种称为凝胶化的过程。淀粉颗粒吸收水分并膨胀。水分子分解成结晶结构，淀粉分子之间的分子间键分解。整个过程变得粘稠。最终，淀粉分子之间形成新的键。当面包冷却时，新的网络变成凝胶，凝固，从而防止面包碎片坍塌。

在烘焙过程中，水向内和向外流动。在面团表面，水首先沸腾并蒸发。这使得表面温度上升到100⁰C以上，并加速了美拉德反应。棕色的外层是面包的外皮。在专业烤箱中，在烘焙开始时会注入蒸汽。蒸汽在冷面包表面凝结，释放大量热量（水蒸汽的比热潜热）。这使淀粉凝胶化，并导致形成一层薄薄的薄膜，即薄膜。这层薄膜密封了下面的水分。面包最终呈现出更薄、更酥脆的外皮。如果整个过程中都有蒸汽，就像蒸笼包一样，我们将看到薄膜是一个光滑、可剥落的层。

在另一方向，当热量传播到面团中时，水分会在外层的高温区域沸腾，并在内层低温区域凝结，就像一个热管一样。这就是为什么面包烘烤得如此快，尽管松软的面包屑实际上使其成为一个很好的绝缘体。当新鲜出炉的面包从烤箱中取出时，面包中间的水分开始迁移出去。就像牛排一样，你应该等到面包冷却下来再品尝。

当面包冷却时，明胶化淀粉分子会重新排列，并恢复到结晶状态。这被称为退化。退化是变质面包变硬的原因。退化在室温下比低温（冰箱温度）慢，但在-20⁰C下完全停止。将面包放在冰箱里是保存面包的最糟糕方法。你要么把它放在外面快速吃掉，要么把它冷冻起来。

在60⁰C和80⁰C之间的温度范围内，退化过程部分逆转。逆转的另一个影响是，更多的水分子与淀粉分子在氢键位点结合，因此面包的味道会很湿润。

吐司是切片面包：

1. 顶部和底部曾经是面包的内部碎屑。
2. 它有点变质了。发生了逆向退化。
3. 表面积与体积比大，这意味着保持温度梯度的相对时间窗口很小。

所以这就是我们需要的东西来制作我们理想的吐司：

1. 表面需要干燥，达到足够高的温度来加速美拉德反应，这为我们提供了金黄的外壳和香气。
2. 内部应达到约75⁰C以逆转退化，但不要太高，以免过多水分蒸发。如果退化没有逆转，内部就不会变软。

这结束了我们调查的第二步。让我们继续进入第三步：烹饪过程。

辐射

烤面包机中热传递的主要形式是辐射。在热辐射中，能量以电磁波的形式以光速传递。这是热传递的最快方式，不需要任何介质。

电磁辐射谱

图1显示了电磁辐射的完整光谱。从大约0.1微米到100微米，这种辐射被称为热辐射，因为它既是由物质的热状态或温度引起的，也影响着物质的热状态或温度。

斯特凡-波尔兹曼定律展示了如何从表面计算单位面积的辐射功率：

其中$E$是单位面积的辐射功率，$\epsilon$是发射率，$\sigma$是斯特藩-玻尔兹曼常数，$T_s$是表面的绝对温度。

关于与烤面包机相关的辐射的一些观察是：

1. 辐射功率与温度的第4次方成正比。如果我们能稍微提高烤面包机的加热元件的温度，我们可以显著提高其烹饪功率。

2. 当发射率为1时，我们有一个黑体，这是一个在任何规定的温度和波长下都能发射最多能量的理想表面。许多现实生活中的热源（如太阳）的辐射曲线与黑体的相似。图3显示，发射的能量的形状和分布与温度有关。这就是为什么灯泡的色温有5800K或3000K等奇怪的数字。它们对应于黑体在这些温度下的可见光光谱是什么样子。在厨房里，当我们看到烤面包机加热时，加热元件会发出红色光芒。这是因为随着表面温度的升高，在可见光频率范围内会发射更多的能量。

黑体辐射

3. 斯泰芬-玻尔兹曼定律计算了从表面离开的总功率。在一定距离处，单位表面积上入射辐射的强度与距离的平方成正比。这不是由于任何神秘的量子力学机制；这只是球体的表面积与半径的平方成正比。如果你的面包离加热元件的距离是加热元件的两倍，你得到的烹饪功率只有四分之一。或者如果面包靠近加热元件，而与加热元件的尺寸相比，它的尺寸相对较大，那么面包的不同部分将受到明显不同的辐射热量。

4. 除了发射辐射外，所有表面还反射和吸收辐射。烤面包加热是因为它吸收辐射。吸收率是一种表面特性，当表面发生变化时，吸收率也会发生变化。白面包反射更多，吸收较少，所以可能需要很长时间才能变焦。但当它变焦时，其吸收率会增加，它可能会很快着火。因此，如果面包的不同部分受到不同数量的辐射，随着时间的推移，不同部分的颜色差异会变得更加明显。

5. 红外热计的工作原理是收集被测表面的辐射。它们必须对表面的发射率做出假设。据我所知，它们中的大多数假设发射率在0.9到1之间。这对大多数有机食品成分、水和油都有效。然而，这对光滑的不锈钢表面不起作用，因为它们的发射率小于0.2。如果您想检查不锈钢炒锅是否足够热，只要对着裸露的金属就能得到非常低的温度。您需要倒一些油进去，然后将红外热计对准油。顺便说一句，高端烤架和不锈钢锅故意是光滑的；它们通过发出的辐射少来保持更多的热量。

6. 透明材料不仅能反射和吸收辐射，还能让一些辐射通过。因此，一些热辐射会通过烤面包机的玻璃门泄漏出去。

7. 辐射吸收率主要是一种表面现象。然而，辐射的波长和面包的水含量对渗透深度有一些影响。

8. 面包的湿度水平会改变反射的辐射量。红外（NIR）湿度计利用了这一点。

在家庭烤面包机中制作更好的吐司

以下是一些你可以做的事情，以在家用烤面包机烤出更好的吐司：

1. 如果您自己切面包，请考虑适当的厚度。如果切片太厚，则有冒着内部不热而表面烧焦的危险。

2. 如果您使用烤面包机，但不喜欢吐司上的烘烤图案，请尝试在烤箱内不同的位置。

3. 烤面包机内部的湿度对面包的内部温度有影响。当面包表面的水分干燥时，内部的水分开始向外迁移，并消耗能量，有效地冷却面包内部。水的蒸发速度取决于烤箱空气的相对湿度。你可以把一碗煮沸的水放在烤箱里作为控制湿度的粗略方法，但我自己的实验中没有看到太大区别。我怀疑在烤面包的短时间内，控制面包的热量输入更有效。

更好的烤面包机烤箱的想法

传统的烤面包机在烤面包过程中控制着两件事：输出功率和时间。除了尽可能快地提高输出功率外，它们似乎对输出功率没有太大的控制。这将使我们得到温暖的面包，但面包皮有点不可预测，但为了得到我们想要的东西（均匀的金黄色面包皮和柔软的内部），我们需要更好地控制面包表面的温度和面包中释放的热量。

首先要解决的是，我们不能在开放循环中操作。每一块面包都不一样，每個人的熟度等级4的想法也不一样。一些收集关于面包和加热过程信息的传感器可以是：

1. 红外温度计：用于测量面包的表面温度。为了尽量减少面包表面反射引起的误差，在测量温度时应关闭（或遮挡）烤箱的加热元件。

2. 相机：拍摄照片并确定外壳的颜色。用户应该能够在最终产品中选择他们想要的棕色色调，而不是任意数量的熟度。为了获得受控的颜色测量，烤箱不应该有玻璃窗，因为玻璃窗会泄漏热量，无论如何都会导致烤箱内部出现冷点。

3. 尺度和形状传感器：形状传感器可以与雷达或结构光一起工作。通过面包的重量和密度，我们可以模拟多少热量输入将面包加热到所需的温度。通过了解面包的形状和位置，我们可以计算实际到达面包的辐射，而不是从加热元件离开的辐射。

4. 热通量传感器：了解实际有多少热量进入面包会很好。获得一个准确的总数可能不切实际，但来自样本区域的数据可能会有所帮助。

5. 湿度计：随着时间的推移，水分、表面温度和重量的变化会让我们更好地了解面包的真实状态。

为了充分利用这些数据，我们需要更精确和灵活的控制：

1. 加热控制应支持多步、多级程序。加热过程应支持随着时间的推移而特定的温度曲线，就像用于PCB装配的再焊烤箱一样。例如，制作吐司的最佳方法可能是在烤制面包片表面之前提高面包片的总温度，就像牛排的反向煎制一样。

2. 一般来说，红外辐射的穿透深度因面包的波长和水分含量而异。希望能够随着时间的推移控制加热元件的辐射光谱。

3. 为了支持上述两个控制特性，加热元件应具有低延迟。

4. 面包两侧的加热应单独控制。我们并不总是希望两侧加热的方式相同。

5. 加热系统应有更细的空间分辨率，以便主动补偿并纠正不均匀褐变。

最后，为了把一切联系起来，我们需要有好的模拟模型。最好将其托管在云端，以便轻松部署改进后的模型。为此，烤箱需要一个无线数据链路。它解决了另一个问题：我真的不想在烤箱上放一个大显示屏。这感觉就像在嘲笑智能电器的概念。现在，相机捕获的这些图片可以发送到我们家里已经拥有的无数屏幕中。