食物因加热而变「熟」,对应哪些物理或者化学变化?

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@Yui Yoshioka 邀请;谢 @Luyao Zou 催更;

食物在变熟的过程中,究竟发生了多少变化?太多了!系统讲的话,就是一本《食品化学》教材。

变熟过程中的物理变化,主要有温度(内能)、颜色、尺寸方面的变化,以及因温度改变而产生的物态变化。前两天我在家自己蒸速冻的灌汤包,小心翼翼地把包子的位置摆好,生怕包子在蒸熟的过程中,因为膨胀而互相接触到一起,否则夹起来的时候,包子皮很容易破,灌的汤就洒了。这里的“膨胀”就是物理变化,而灌汤本身也是一种物理变化,是原来包子里面的肉汤冻在加热的过程中熔化了。此外,蒸包子的过程利用的也是蒸汽接触食物时,会发生热传导的原理,因为水蒸气的相变可以释放出大量热,所以蒸这种烹饪方式,速度是非常快的。

物理方面的不多说了,咱重点说说化学变化。

补一句:所有涉及到氢键变化的反应,在下文中也都纳入到化学变化中了。

先说三大基础的营养成分——碳水化合物、油脂和蛋白质,也就是我们能量的主要来源。

碳水化合物

碳水化合物又分成好多种类型:完全不能消化只是占食物体积的纤维素、作为膳食纤维的水溶性纤维素、非常适合减肥者的低聚果糖或低聚木糖等等、果胶(与前两者类似)、琼脂、几丁质、淀粉、糖原、蔗糖&乳糖&麦芽糖等双糖、葡萄糖&果糖等单糖、其他小分子糖类……

这些不同糖类的食物来源也有区别,比如纤维素主要来自于草,我们管叫“绿叶菜”,糖原来自于动物的肝脏,果胶和果糖主要来自于水果,几丁质主要来自于甲壳类动物的外壳(昆虫爱好者也可以吃到大量几丁质)、琼脂主要来自于藻类、蔗糖主要来自于厨房里的糖罐,而我们最关心的淀粉,则是来自于各类谷物和块根类食物……

可以说,每一种碳水化合物都有属于自己的化学变化过程,咱只能摘着说。

1、粗纤维

不溶性的粗纤维,除了发生溶胀,大多数烹饪手段下,它们的分子结构基本都不发生任何变化,长在地里什么样,煮在锅里还是什么样,而且拉出来也还是一个样。也有能改变结构的手段——做糊了就行,这时的粗纤维就会失水碳化了。

2、水溶性纤维、果胶、低聚木糖、低聚果糖等等

在做熟的过程中,普遍会发生水解,还可能会发生酸解、酯交换等反应,进一步引起的现象就是食物的粘度增加,甚至产生凝胶。

3、几丁质

几丁质也叫甲壳素,分子中的主要特点是有一个氨乙酰基,所以,在做熟的过程中,乙酰基会发生脱落,从而变成壳聚糖并溶解到水中。几丁质具有比较显著的保健作用,但是因为不溶于水,所以吸收率其实很低。而壳聚糖也还具有保健作用,它可以吸附一些重金属,但对于矿物质分子基本没作用,因此在工业上也是一种非常重要的原料。不过,烹饪过程中,这个变化程度是很低的,这个不难理解,把虾壳煮化了可真没那么容易。

几丁质在油脂作用下会发生脱水并变脆,这个反应也是炸虾很好吃的主要原因。BTW,要体验这种脆在牙间的感觉,比炸虾更推荐的是——炸蚂蚱。


(图片来自网络)

4、蔗糖、葡萄糖及果糖

蔗糖在烹饪过程中的化学变化就非常重要了,而且贡献了很多美味,比如——红烧肉,在烹饪时,它参与的主要化学反应有:美拉德反应、焦糖化反应,这都是让食物变得更好吃的化学反应。

做熟的过程,未必只是加热,发酵其实也是一种“熟化”,而这个过程中,蔗糖也是功不可没,比如我们腌制泡菜,一般都是要加入一些蔗糖,在乳酸菌的作用下,它会分解成乳酸,提供酸味。而植物中的葡萄糖和果糖,也会因为发酵而产生乙醇,从而产生酒味儿。

此外,糖在浓度比较大的时候,容易发生聚合,黏度会变得很大,于是我们利用这个过程来做拔丝地瓜。

5、淀粉

最后出场的是淀粉,它在变熟的过程中,主要发生的化学变化,叫“糊化”和“老化”。糊化是什么意思呢?其实可以理解成水分子钻到淀粉里面去的过程,生活中像面条变软、米饭变粘、粉条变透明等等,都是糊化反应的杰作。

老化过程基本就是逆反应,隔夜饭变得干涩,实际上就是老化过程。

此外,淀粉通过发酵也可以发生很多化学反应。比如,它可以在糖化酶的作用下,分解成麦芽糖,我国古代很长时间里没有高质量的蔗糖,普通人所说的糖实际是指“饴糖”,也就是麦芽糖。在酵母的作用下,淀粉还可以用来酿酒、酿醋。


油脂

油脂也分好几种类型,如动植物油、类脂、磷脂、固醇、蜡等等。

后几种的化学反应比较少,重点就说说动植物油好了。

动植物油的结构是甘油三酯,也就是三个脂肪酸分子与一个甘油结合而成,而脂肪酸的结构又分饱和、单不饱和、多不饱和几种。通常来说,无论什么油,都含有这三类,但比例会有区别,牛油、椰子油、棕榈油等油脂,饱和脂肪酸含量很高;大豆油、橄榄油等,则是单不饱和油脂含量高;亚麻籽油、花生油这些就是多不饱和脂肪含量高了。

这个结构对于烹饪中的化学变化非常关键。不饱和的比例越高,对于高温的耐受力也越差,体现在烹饪中的特点,就是烟点相应会更低,比较不适合炒菜或油炸,而更适合凉拌或低温烹饪。

假如在烟点以上去烹饪,油脂会比较容易发生氧化,并且分解出丙烯醛、多环芳烃等物质。

如果食物中金属离子含量较高,或者碱性相对较强,油脂容易发生皂化反应,也就是水解。这个过程会让食物变得不那么美味。

在中式餐馆中,油脂还会发生一种特别的反应——燃烧。稍有手艺的厨师,都会用一种引火入锅的炒菜技法,这个过程可以显著缩短烹饪时间,并且油脂发生彻底燃烧,不会有焦糊味儿。

此外,不饱和油脂中含有双键,还会发生聚合反应,在长期油炸之后,油脂变粘,底部甚至还会有胶状物质,一般就是聚合反应的结果。

最后,还要介绍一个特殊的过程——乳化。严格来说,这算不上化学反应,但也不是纯粹的物理变化。脂肪中含有很多两性分子,如卵磷脂,以及发生皂化的油脂等等,这些分子就如同是天然的乳化剂一样,让油性分子可以稳定地漂浮在水中,形成“奶汤”。


(图片来自网络)


蛋白质

蛋白质是食物变熟过程中发生变化最为美妙的一类物质,毕竟人类天生爱吃肉。

变性

首当其冲当然是变性,这我们从高中就知道,鸡蛋变熟主要是蛋白质变性,巴拉巴拉。

然而,蛋白质的变性方式有四种,你可知道?

其实还不只四种,只是常见的确实可以算上热、力、光、盐这四种,也就是加热、机械力(通常用超高压实现)、电磁波辐射以及离子。

一般我们所说的蛋白质变性,不会涉及到一级结构,换句话说,分子链不会断,只是氢键结构被破坏了,于是原来的三级结构解体,也有的是α-螺旋、β-折叠之类的二级结构受损。

1、先说加热,这咱们都熟悉,不过,反其道而行之而用冷冻的话,又会怎么样?其实也会变性。可不要觉得这跟我们烹饪没啥关系,现代食品行业几乎全是靠冷冻技术支撑起来的,不过大多数时候,这种变性会负面影响口感,所以如何降低这个反应程度,对于美食而言,也是很重要的。让我们感谢这些人的贡献,从而让我们可以吃到更美味的生鱼片。

(图片来自网络)

2、机械力引起的蛋白质变性,我们在烹饪过程中有吗?其实还真有,只不过不是超高压,而是高剪切力,所以高速搅拌机在处理食物的时候,会带来蛋白质一定程度的变性。就算没有搅拌机,手上力度大一点,用筷子打鸡蛋的时候也可以实现这个过程。变性之后的蛋白质因为结构变化,会丧失很多机能,比如有一些脂质就hold不住了,还有肌动蛋白和肌球蛋白也会发生解离,这是潮州牛肉丸弹性的秘诀。剪切力对蛋白质还有一个特殊的作用,那就是取向,不过是无关于性别的取向。我们知道,蛛丝和蚕丝的分子都是蛋白质,但强度却相差很大,这很大程度上是因为,蜘蛛跑得快,一边蜘蛛网一边用机械力对蛋白质进行取向,主要也是氢键结合力的断裂重组,于是韧性很足,可蚕太胖了,就没这个效果了。所以,如果我们搅肉馅的时候,朝一个方向搅而不是来回瞎搅,肉的弹性会变好的,下面这个问题我就不再答了哈——

为什么饺子馅搅拌时,老人都要求一个方向搅拌,有什么依据么?

3、电磁波导致的蛋白质变性,自然界很常见,X光、紫外线这些高能电磁波都能导致蛋白质变性,食品加工厂也会利用这个过程对食物进行消毒,而厨房里就要说微波炉了。严格来说,微波炉的作用其实是让水这样的极性小分子快速转动,从而产生热量导致蛋白质变性,所以这其实还属于热变性,不过又和一般的加热效果截然不同。一方面,微波加热是内外一起进行,蛋白在变性是引起的体积变化(一般是收缩)是均匀的,所以会显得比较嫩,而其他加热方式是从外而内,所以往往外层会过热而显老变柴,当然极端一点的是煎烤炸手法的外焦里嫩,又是另一种风味,美拉德反应的香味会更突出,而微波加热的效果就要差一些了。另一方面,微波有点像逆向的蒸,水分在此过程中不升反降,也会一定程度影响口感。

@Kingking 此前曾问过我微波炉是否会影响健康的话题,应该说也是有可能的,但是否比其他加热方式更多,似乎并无证据,至少像什么苯并芘之类的多环芳烃,比煎炒烹炸是要少的。

4、各种离子也会导致蛋白质变性,这在我们的烹饪中也会经常用到。我相信很多人脑海中已经想到了——豆腐。没错,点豆腐利用的就是,离子会使水溶性蛋白质变性,从而产生凝胶,一般利用的是钙离子和镁离子。这样的例子其实还有不少,皮蛋也是这么个过程。还有很多人认为食盐可以让菠萝蛋白酶变性,所以用食盐泡过的菠萝就不会扎嘴了,不过这条却没有得到验证,我们通常使用的食盐浓度,还不足以让菠萝蛋白酶变性(盐析),因此改变扎嘴口感的原因,应该是影响了其他刺激味觉细胞的分子。

5、其他变性方式,比如脱水变性,我们也会作为一种加工手段啊,比如风干牦牛肉。再比如溶剂变性,我们用酒泡一些食物就是这么个目的。

然而蛋白质变性,才只是开启了蛋白质变熟的第一华章。

水解

蛋白质是氨基酸的聚合物,所以,如果在水中,它们就会发生水解。这个过程实在是太重要了,因为我们之所以觉得肉香,这个作用功不可没。

但是在水中,蛋白质的降解并不是一蹴而就,而是一级一级地变小,于是我们的肉汤中就会充满各种不同分子大小的多肽、寡肽,直至单分子的氨基酸。

这个过程中不一定要在正式掌勺时才进行,比如我们很多人喜欢用的嫩肉粉,里面的主要成分是木瓜蛋白酶,这东西和上面提到的菠萝蛋白酶,都可以把大分子的蛋白质切成小碎段。

很多单分子的氨基酸还有寡肽都是鲜味的来源,大名鼎鼎的谷氨酸就不用多说了吧?

交联

以为上面这就完事了?早呢,蛋白质相关反应岂是我们这些凡夫俗子几句话能说完的。

高筋面粉听说过吧,面粉为什么能这么劲道呢?其实这主要不是淀粉的贡献,而是蛋白质中的巯基发生了交联,变成了双硫键。也许还有人要继续追问,为啥变成双硫键就劲道了?具体原理就不多说了,就说一点,硫化过的橡胶总见过吧,就是轮胎那种,硫化的过程就是用双硫键把橡胶分子连到了一起,够劲道吧?

凝胶

看到评论区有人提到了胶原蛋白,那咱就借凝胶的事顺便说说。

蛋白质是大分子,跟淀粉这样的碳水化合物一样。胶原蛋白是一类较为特殊的蛋白质,骨骼与皮肤中最多,具有特别好的亲水性,因此可以吸收大量的水分子,也就是所谓的“保水作用”。在加工食物时,它们也会溶解到水中,而当条件发生改变时,就会形成诸如肉皮冻那样的凝胶。

(图片来自网络)

乳化

前面提到了油脂和水可以形成乳液,但油水本身不相容,还需要乳化剂。蛋白质天然就是两性分子,具有乳化作用,这是我们喝(黄)豆浆觉得醇厚的主要原因,假如没有这个过程,豆浆就是绿豆汤的口感了。

美拉德反应

前面说到糖的时候提到,这是美味的来源。所谓美拉德反应,是醛基与氨基之间发生的一系列非酶褐变反应,糖提供醛基,那氨基就是由蛋白质及多肽提供了。

发酵

蛋白质也能发酵,风味也会特别独特,比如火腿就是经过了这个过程。再比如,酱油,也是蛋白质发酵之后的产物,其中含有大量由蛋白质分解而来的氨基酸和乱七八糟的各种分子。


说完三大能量营养物质,我们还有几类跟食物变熟关联性很大的化学反应值得说说。


ATP及核酸

这两种东西之所以要一块儿说,是因为它们都含有一样东西,那就是核苷酸,只不过ATP里只有一种腺嘌呤核苷酸,而DNA和RNA这些遗传分子中含有四种。

它们没有熟之前,都是生命体中叱咤风云的分子,可熟了之后还有什么用呢?

一个字:鲜!

嘌呤类小分子是比谷氨酸还要鲜上数百倍(具体多少倍就别纠结了,学术上没个准数)的存在,我们可以在很多提鲜的添加剂中找到“呈味核苷酸”这样的字样,同时如果你是一名痛风患者,应该对以下这个食谱不陌生:啤酒、海鲜、豆制品、火锅、内脏、菌类……

而它们,都是嘌呤含量比较高的食物。


维生素

维生素分两大类,水溶性的B族与C,以及脂溶性的A、D、E、K,它们在烹饪过程中,也会发生不少化学反应。

像维C这种,其实多数是等不到煮熟的。别说熟了,有些食物中自带维生素C氧化酶,没等吃到胃里呢,就已经被氧化掉不少了。维生素B族也有不少娇气的,比方说B12溶到水里,见光分解。

脂溶性维生素也可能会被氧化,比如维生素E,在有自由基存在时,就很容易被氧化,不过,幸亏它有这独门绝技,我们补充维生素E,主要也就是为了让它干这事——消除自由基。


矿物质

各类金属矿物质在烹饪过程中,也会发生一些化学反应。比如铁是半微量元素,我们都要补充它,但它也是最不让人省心的一种元素,实在太活泼了,它通常以二价铁的形式存在于食物中,可以和很多有机分子结合,尤其是带有螯合基团的,尤其在加热过程中,它还容易氧化成三价,然后成为自由基的生成源头。

不过我们要庆幸很多金属离子都可以跟铁一样,能够形成螯合物,因为像镉、镍这些具有破坏性的重金属离子,也因为发生了这些反应而降低了毒性。

也有一个反应是很多人都听说过的,五价砷会被维生素C还原成砒霜!是的,这样的反应会进行,但是,这不是螃蟹与柿子不能同食的原因,也不是“食物相克”理论泛滥的理由。

最后一个有意思的,是铝。铝离子有个反应是我们烹饪中利用到的,那就是炸油条,铝在遇到小苏打时,会发生双水解反应,产生二氧化碳气泡,从而实现膨化。不过,由于铝离子不健康的一些证据浮现,如今已经有更多炸油条的方式了,比如我用酵母就可以。

(图片来计我计几)


其他各类有机分子

别看被研究得少,这些反应却是我们锅里最为复杂的一类。

比方说,食物要有“色”,有些分子挺身而出了,比如花青素,加点醋就是红色,加点小苏打就是蓝色,中性就是紫色。试问花青素哪家强?葡萄蓝莓紫甘蓝。

再比方说,食物要有“香”,我们都知道,酯化反应可以实现这一点,往食物里加点酒,就可以跟食物中各种酸形成一堆酯,香味就呈现了。

还比方说,食物要有“味”,这可要想明白了,毕竟一种食物最重要的属性就是要“好吃”,发生什么样的反应很重要。比如洋葱,明明生的时候是辣的吧,可煮熟了,却可以呈现甜味,其实就是含硫化合物给降解成了烯丙基硫醇。

所以,色香味俱全,有点化学知识,事半功倍哦!


最后,还要友情致谢三个无机物

水、氧气及氯化钠

是你们,参与甚至作为主要反应物,让食物变熟的过程中,产生了各种爱恨离愁,让美食成为一门学问,让我们这些成天在化学实验室的人也能发现乐趣。