水的科学：最重要的食材

明妮姨妈为什么住院了？

因为她摔在冰上。但她为什么摔倒？因为冰很滑。为什么冰很滑？

我们理所当然地认为水是理所当然的，但它具有一些不寻常的特性。这些特性对烹饪有重大影响：从食物的质地到烹饪过程中热传递的效率。了解这些特性对于掌握烹饪的艺术和科学至关重要。

冰很滑是因为水有特殊的行为：它在压力下会融化。当一个人的体重压在冰上时，会导致一层薄薄的冰融化，形成一个光滑的表面。水是少数几种在冷冻时膨胀，在融化时收缩的物质之一。但为什么水会有这种不寻常的行为？答案是氢键。

氢键

水的化学式是H₂O。在水分子中，氧原子与两个氢原子中的每一个形成一个键。化学家称这些键为共价键，由一对共享电子组成。氧原子核更大，比氢原子核更用力地拉着这些电子，因此这些电子会向氧原子核靠近。这使得键的氧侧略显负电，键的氢侧略显正电，就像一个小磁铁一样。当两个水分子结合在一起时，一个分子的H-O键的负侧会被另一个分子的H-O键的正侧吸引。这种分子间吸引力就是氢键。它负责水的独特化学和物理性质。

在液体水中，两个H-O键之间的角度为104.5度。随着温度下降，水分子变得不那么不安，并彼此形成更多的氢键。当水结冰时，分子会定居在结晶结构中，并形成一个网格，其中两个H-O键之间的角度扩大到109度。每个水分子在冰中占据的空间比在液体水中大。这就是为什么水结冰时会膨胀的原因。

并不是每次出现氢原子都会形成极性共价键。例如，有机化合物中常见的C-H键不被认为是极性键；因此，脂肪分子不会相互或与水形成氢键。这就是为什么油不溶于水。

但水实际上是一种非常强大的溶剂。对于溶质（要溶解的物质）要溶解在溶剂中，溶剂分子必须附着在溶质分子上，包裹它们，并将其从溶质的其他分子中拉开。对于盐来说，因为钠原子和氯原子之间的键是一种离子键（它们不共享一对电子；钠原子完全把一个电子给氯原子），水分子中的小磁铁将钠离子从氯离子中拉开。它们在溶液中以单独的离子存在。对于糖来说，蔗糖分子不会分离，但它们确实与水分子形成分子间键。单个蔗糖分子被聚集在水分子中并溶解在水中的水分子拉开彼此。

要打破蔗糖分子之间的现有键和水分子之间的氢键需要能量。随着温度的升高，更多的能量意味着更多的糖溶解在水中。不同浓度的糖溶液冷却后，会导致不同的糖果质地。糖果温度计是一种方便的工具，通过测量糖浆的温度来间接测量糖的浓度。

沸水

从技术上讲，糖果温度计测量的就是糖浆的沸点，这是水的另一个不寻常的特性。通常情况下，轻质分子的沸点较低。由于分子间力很小，一个分子逃入空气只需要很少的动能。例如，H₂S（比H₂O更重的分子）的沸点为-60°C。由于氢键的存在，水的沸点异常高。要将一克水的温度提高一度，需要4.18焦耳的能量。这个数值被称为物质的比热容。相比之下，铜的比热容为0.385 J/g·K，空气：1 J/g·K，肉类：1.7 J/g·K，橄榄油：2 J/g·K。这就是生活中一个奥秘的答案：为什么水要花这么长时间才能沸腾？美国台式电器最高功耗为1500瓦。要以20°C的环境温度开始煮1公斤水，假设加热效率高达80%，需要4.18 x 1000 x (100–20) / (1500 x 0.8) = 278秒，或者用台式水壶煮大约5分钟。

当水中含有外来物质时，它们会提高水的沸点。多余的分子会妨碍水分子的逃逸，因此水分子需要具有更高的能量才能自由脱落。更高的水分子能量的宏观表现是更高的温度。然而，在正常烹饪过程中，盐浓度不足以有意义地改变液体的沸点。

那么水是如何沸腾的？在灶台上，一锅水从底部加热。当底部的水加热时，它上升，被沉到底部的冷水所取代。这些运动被称为对流电流。法国人有一个词frémir，意思是颤抖或颤抖，指的是液体表面明显移动的这个泡沫前阶段。

第一个气泡出现在锅底和侧面周围。这些不是蒸汽。它们是空气溶解在水中的东西。与糖不同，空气的溶解度随着温度的升高而降低（这就是为什么你应该把打开的香槟放在冰箱里）。随着温度进一步升高，锅底附近的热水会变成蒸汽并开始浮起来。但大多数气泡无法到达水面，因为它们沿途遇到的冷水会将其凝结回液体水。当你看到很多气泡上升到顶部并破裂时，水在100°C下沸腾。测量沸腾的水是校准温度计的好方法。

冻结水

在家中校准温度计的另一种常见方法是使用冰浴。在大气压下，冰浴的温度应为0°C。这导致一个观察：水可以在0°C下保持液态。

水结冰时，会先在成核位点形成由少数水分子聚集成的小晶体；随后越来越多的水分子加入，冰晶逐渐长大。若温度低于0°C却没有成核位点，冰晶便不会形成，水仍可保持液态。杂质或物理扰动都能成为成核位点。未经扰动的纯水直到-39°C左右才会结冰，此时发生的现象称为均相成核。现代主义厨师利用水的这一特性创造了有趣的菜肴，例如：https://www.youtube.com/watch?v=N1cZfOyqC78。冷冻过程中对冰晶生长的控制，会深刻影响冷冻食品以及解冻后食品的质地。

杂质妨碍水分子与冰晶结合，这使得水更难结冰。结果是冰点降低。冰淇淋不是一个大块硬冰，因为里面溶解了大量的糖，所以冰晶无法生长得很大。另一方面，当水分子确实结合并形成晶体时，它们会挤出杂质。结冰可以净化水或提取溶解物质，这取决于你的目标。

我们的大部分食物都是水。大约70%的牛肉和鸡肉是水。93%的菠菜是水。当我们冷冻食物时，我们是在冷冻水。食物中的水存在于两个不同的地方：细胞内部和细胞外部。细胞外部的水相对纯净，在约-1°C下结冰。细胞内部的水含有更多的溶质，如蛋白质、糖和盐，因此直到低于-20°C才会结冰。在温度下降到低于-20°C之前，越来越多的水分子会从细胞壁中迁移出来，并与细胞外部的冰晶结合。这使得剩余的液体更加浓缩，其结冰点进一步降低。不断生长的晶体和脱水细胞导致结构受损，并在细胞层面破裂。

冷冻食物最糟糕的方法就是慢慢冻。冷冻需要把热量从食物内部移到外部：食物内部靠传导，表面之外靠对流。导热系数是食物自身的物理性质，不改变食物就无法改变它。因此，加快冷冻只能从表面对流入手。根据牛顿冷却定律，可提高对流换热系数，或增大温差；提高气流速度就能做到前者。餐厅使用的设备叫速冷机（blast chiller），可以把它想成“反向空气炸锅”：不是让热空气，而是让极冷空气在食物周围高速循环。

通过低温冷冻可以实现食物与其环境之间的温度差，低温冷冻涉及将食物浸入或喷洒液氮。液氮在大气压下沸点约为-196°C。对于没有特殊设备的家庭厨师来说，一种实用的方法是将食物切成小块，既可以缩短传导路径，又能增加对流的表面积。

冰淇淋口感好关键在于保持冰晶小。冰淇淋中含有大量的溶解糖，这会干扰冰晶的生长。此外，冰淇淋机搅拌有助于通过物理干扰和加入空气来保持冰晶小。（你知道美国食品药品监督管理局要求冰淇淋中不能含有超过50%的空气吗？）商业冰淇淋机添加与混合物中自由水结合的成分，这样水分子就不会自由加入冰晶。一些动物体内含有防冻蛋白。这些蛋白质与小冰晶结合，抑制其生长。这就是为什么冬眠的熊不会结冰。

但有一种更有趣的方法可以快速冻结水：操纵压力。

水的相变

直观地讲，为什么对物质施加压力会改变其凝固点是相当明显的：系统的焓增加，系统的熵减少，这会改变吉布斯自由能……好吧，也许这并不那么明显。幸运的是，你不必上热力学课就能理解水的相图，它包含了烹饪的所有有用信息。

图1：水的相图

该图显示了水在任何温度/压力组合下的状态。压力的单位是atm：标准大气压力。在AE线以下，水是气体。在AE和AD之间，水是液体。在AD线左侧，水是固体。水的特殊之处在于AD线有负斜率。在1 atm和0°C时，如果压力增加，水会收缩，从固体变成液体。在大多数其他物质的相变图中，固体和液体的界限有正斜率，如氮气的相变图（图2）。

水相图上有几个值得注意的点：C是在1个大气压下的沸点100°C；A称为三相点，水的气、液、固三相在此平衡共存。

图2：氮的相图

掌握相图后，我们就能利用水做出各种巧妙操作。家庭厨师最熟悉的工具是压力锅（例如 Instant Pot）。典型压力锅会把压力提高到2 atm/30 psi，此时水的沸点升至121°C。在这个温度下，只需约三分之一的常规时间就能把土豆煮软，用来制作土豆泥。

通常情况下，当我们干燥食物时，水分会从食物表面蒸发。食物中的水分以液体形式移动到表面，沿途损坏细胞和膜。如果我们能在相图中找到冰变成气体的路径，而无需先变成液体，我们可以避免损坏。不仅可以保持质地，而且还可以最大限度地减少风味损失，因为蒸发的水蒸气会带走一些风味分子。冷冻干燥的过程非常温和，因此被广泛用于保存鲜花。

图3：冷冻干燥

图3中的蓝色路径说明了如何做到这一点。冷冻干燥是一个棘手的过程。食物必须先快速冷冻，以避免在冷冻过程中受到损坏。然后将压力降低到约6毫帕，并缓慢加热食物，让冰升华。加热必须缓慢，因为如果冷冻干燥机中积累蒸汽压力，突然间，您就会处于相图的不同点，水就会变成液体。

顺便说一句，升华不仅发生在低压下。它也发生在正常压力下。冷冻烧伤是由升华引起的。蒸发发生在水分子获得足够的能量以摆脱束缚时。它不知道自己处于冰晶格中，或者处于冰箱中，或者处于什么压力下。只要温度不是绝对零度，总有一小部分分子就有足够能量。

昂贵的寿司级鱼需要在捕鱼船上冷冻，而且要冷冻得很好，不仅是为了保存，也是为了杀死寄生虫。日本寿司业似乎在冷冻技术上孕育了许多有趣的创新。一个闪电式冷冻机使用电磁场来控制冰晶的生长，另一个创造特殊的气流，以便冷锋同时击中食物的所有表面。

相图揭示了将水从液体相转变为固体相的两种方法：要么水平降低温度，要么垂直降低压力。温度变化的速度取决于热传递过程，通常是逐渐发生的。相比之下，压力变化可以以声速发生。从理论上讲，如果我们提高压力，水可以在0°C以下保持液态。然后突然降低压力，液体水会迅速结冰，形成均匀的小冰晶。这个过程由图4中的蓝色路径表示。实验表明，与爆冷相比，这种方法可以更好地保留土豆和豆腐的质地。虽然目前还没有商业化的压力变化冷冻设备，但正在进行的研究表明了未来的潜在发展。

图4：压力位移冷冻

了解常见现象背后的科学原理可以带来神奇的解决方案，如压力位移冷冻。将众所周知的科学原理应用于解决厨师实际问题，有巨大的机会。

更棒冰箱的想法

不，我们不是在谈论那些被当成“智能”冰箱的恶作剧，冰箱的门变成了一个超大的iPad。如果冰箱上要包括一个屏幕，它应该显示的不是外部温度和湿度，而是冰箱本身内部的条件——而且应该在内部的多个点显示，而不是只显示一个测量值。

如前所述，快速冷冻食物非常重要。普通家用冷冻柜足以储存冻品，却很不擅长最初的快速降温。冰箱应该配备专用速冷室；不执行速冷任务时，它也可以充当普通冷藏室。

喷雾冷却器的重点不是低温，而是快速降温。喷雾冷却不仅用于制作冰淇淋和冷冻寿司鱼。它对食品安全也至关重要。如前所述，5°C至55°C之间的温度范围是细菌生长的危险区。让热食物长时间留在这个范围内可能会很危险。将热食物直接放入冰箱会加剧这个问题，因为它会提高冰箱内部的温度，从而可能危及其他物品。

专业厨房的严格准则要求，食物在危险温度区停留超过四小时就必须丢弃。卫生部门规定，安全速冷必须在90分钟内把食物从+70°C降至+3°C或更低。疾控中心报告，不当冷却——包括在冰箱里冷却不当——是引发食源性疾病的细菌大量繁殖的首要原因。快速冷却还有烹饪上的好处：肉汁会在渗出前变稠并形成凝胶。

然而，挑战不仅限于快速冷却。不适当的解冻同样会使食物长时间暴露在危险区。解冻的基本问题在于，冰比水更有效地传导热量。在冷冻过程中，食物的外层首先变成冰，增强了热量传导。相反，在解冻过程中，外层首先液化，减缓了热量传递。带有精确控制加热和冷却周期以及加速气流的冲击式冷冻机也可以反过来使用，以安全地加快解冻过程。

冷冻机甚至有可能采用压力移位冷冻技术。作为配备动力压缩机的大型电器，冰箱已经非常适合操纵压力。通过添加边缘密封剂，该设备可以作为真空密封剂。在可重复使用的袋子里添加一个秤、一个摄像头、一个RFID标签和一个图像识别算法，即使是最冷漠的厨师也能为储存在冰箱中的每个物品提供详细、可追溯的信息，而无需手动标记任何东西。

说到懒惰的厨师，我们什么时候才能买到脚踏式冰箱门？

关于水和热力的戏剧性故事

这不是关于消防员的故事。这是一个关于橙子的故事。

柑橘树不能忍受寒冷。如果温度下降到低于水的冰点，它们就会开始死亡。

由于氢键的存在，水具有很高的热容，改变其温度需要相当多的能量。因此，水体能缓和周围陆地的气候，使温度保持在相对稳定的范围。1895年的大冻灾几乎摧毁了佛罗里达州整个柑橘产业，基斯通城周围因湖泊众多而幸存的橙园是显著例外；这座城市后来改名为Frostproof。

在《橙子》一书中，讲故事的大师约翰·麦克菲描述了柑橘种植者与北极冷空气之间的这场战斗。寒夜里向树木喷水保温看似反直觉，却正是一些聪明种植者在1962年冻灾中采取的大胆策略。水结冰时会释放热量；只要喷头持续工作、水与冰的混合物仍然存在，树木周围就会维持在恰好0°C（32°F）。但水越喷越多，积冰也越来越重；如果太阳没能在冰压断枝条前升起并把它融化，果农就会输掉这场比赛。1962年并非人人获胜，而胜者第二天醒来时，发现橙子的价格已经涨到原来的三倍。