飲食文化與化學：烹飪的熱化學

廖建勛

元智大學化學工程與材料科學學系
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n  前言

「民以食為天」。「吃飯皇帝大」是生活中最重要的事，也是每天進行中的事，卻一直為人所忽略，直到一連串的食安問題爆發，以及居高不下的大腸癌發生率，才讓人驚覺 “We are what we eat”。

自從二足裸猿在地球上漫步以來，人之所以為人的關鍵，即在於由生食到熟食。烹飪是以外在的能量，行使部分的咀嚼和消化功能，去除毒性和致命微生物，使人類獲得多方來源、具較高能量且易消化的食物，因此大腦得以變得更大，而消化器官則縮小，製造工具的文明於焉誕生。烹飪過程的香味吸引人們一起用餐分享，將人聚在一起的語言交談，使我們變得文明也創造了文化。只是隨著經濟與工業的發展，我們將食物交給了食品製造業，餐點不再從廚房而來，帶著走、拿著吃的速食，將人類再推回獨行的孤寂中。

本文介紹烹飪與熱化學的關係，導入能量、溫度和熱等熱力學的觀念介紹，探討烹飪的溫度與時間對食物結構、口感與味道的影響。

n  熱、能量與溫度

當普羅米修斯從奧林帕斯山盜火，帶給人類之後，在火堆旁，滋滋作響泛著油光的肉，散發出陣陣令人分泌出大量口水的香味時，人們認為這溫暖的火光會產生神奇的粒子，從熱的火中流入冷的肉中，生肉因所增加的熱質變化成熟肉，這流體叫做卡洛里（calorie）。一直到18世紀末，慕尼黑兵工廠廠長—湯姆生（Benjamin Thomson）觀察到鑽砲管時所產生的高溫，這源源不絕的熱不是來自外界的熱流，而是因為「運動」所產生。19世紀中葉，德國醫生梅耶（Julius Mayer）則觀察一匹馬拉著重物上坡，熱得大汗淋漓，他推論這匹馬並非運動跑得很快，而是很吃力作功才產生熱。19世紀中葉的英國釀酒師焦耳（James Prescott Joule） 則是以科學實驗證明熱與功可以互相轉換，他以懸垂砝碼下降帶動水缸水中的攪動，水缸的水溫隨著砝碼下降距離增加而增加。熱流質的觀念直到此時才走入歷史，取而代之的是度量作功能力的物理量—「能量」的觀念，包括運動的「動能」與位移的「位能」，而熱與功則是能量轉移的表現。至於區分物體熱或冷的物理量則為「溫度」，用來表示構成物體每個分子的平均能量值。當熱的物體（平均能量較高）與冷的物體（平均能量較低）接觸時，代表總能量的「熱」，由高溫物體傳輸至低溫物體，這可視為分子層級的動能作功 [1]。

n  烹飪與熱

人類無法行光合作用獲得能量以自行合成生物體，必須藉由攝食其他生物來獲得能量與維生材料，生物體構成的材料包括：無機的生物礦物質、有機的蛋白質、碳水化合物、脂質與核酸，還有大量的水，熱對這些物質材料的作用與影響就是「烹飪」。這過程，是溫度的高低，且必須有足夠高的平均動能，而非加熱過程所轉移熱量的多寡，才能對食物產生關鍵的化學作用—鍵結斷裂與分子結構改變。欲使食物內部也達到相同的溫度，需時間使熱量由高溫的外部傳導至低溫的內部，因此控制溫度高低和時間長短，即為烹飪的關鍵因素，由此可說烹飪方程式為 烹飪 = 溫度 ´ 時間 [2]。

當人類製作出陶器時，不僅是由火烤變為水煮的烹飪方式改變，也帶動了文明的發展。因為水是食物的主要成分也是很好的傳熱介質，在大氣壓力下，水的沸點為固定的212°F / 100°C，這提供了很方便的烹飪溫度，也足以使許多的食物在這溫度下進行各種反應並改變，如表一所示，除了梅納反應與焦糖化反應之外，其他的食物反應溫度均在100°C以下，水煮提供了夠高的溫度進行食物反應 [3]。再來即為烹煮時間長短的控制，以使整體食材均達所需反應溫度的熱傳導時間。以不同口感熟度的水煮蛋而言，蛋從室溫水煮至沸騰後，由經驗法則續煮3分鐘，即為3分熟，續煮7分鐘為7分熟，全熟水煮蛋煮10分鐘，半熟的溏心蛋則煮4-6分鐘。

表一：食物的關鍵反應溫度 [2]

n  烹飪技藝的科學原理

然而水煮蛋不僅僅是水煮蛋，正如「分子美食學」（Molecular Gastonomy）倡導者—艾維×提斯（Hervé This）（法國國家食品及農業局高級研究員）透過精準的實驗控制，研究烹飪過程中的物理和化學性質變化對食物結構、口感和味道的影響，他所建議的完美水煮蛋水溫是65°C （62°C < T < 70°C）。當以精確的溫度與時間控制進行水煮蛋實驗，結果顯示即使很小的水溫差就能對水煮蛋產生口感和結構上的顯著差異，在52°C時，即使經過很長時間的加熱，蛋白和蛋黃仍然保持流動的液體狀態，少部分的蛋白已轉變成白色；58°C時，蛋黃仍保持流動狀態，蛋白則已變成白色不透明；63°C時，蛋白凝固定形，蛋黃仍能流動；一直到67°C時，蛋黃才凝固成形[4]。這些細微的結構差異，賦予水煮蛋不同的口感，而有溫泉蛋、水波蛋、溏心蛋、全熟沙拉蛋…等等不同的風味。

蛋主要由蛋白和蛋黃所組成，蛋白中90%是水，10%為蛋白質；蛋黃則有16%的蛋白質及31%的脂肪。分布在蛋白和蛋黃的蛋白質種類眾多且不同，一維的蛋白質分子鏈經氫鍵鍵結，摺疊成複雜的糾結線團的三維結構，如圖一所示。當溫度升高時，水分子獲得能量而激烈振動，並將能量傳遞給糾結的蛋白質分子鏈，使其氫鍵斷裂，造成蛋白質變性，分子鏈線團鬆解並重新鍵結組合成網狀的凝結固體結構，如圖二所示。表一的結果顯示蛋白中的蛋白質在62-65°C開始變性凝結，而蛋黃中的蛋白質因為與油脂分子複合成蛋黃顆粒，需在較高溫度65-70°C才能伸展重組凝結。因此，若能將溫度控制在蛋白開始凝結的62°C以上，但避免蛋黃凝結的70°C以下，其中最佳溫度為65°C，所煮的蛋將是蛋白凝結、蛋黃流動的完美黃金蛋。

圖一：透過物理過程的折疊，蛋白質由一級結構變成三級結構（上圖）；最下面是蛋白質的一級（Primary）結構，由右而左展現二級（Secondary）、三級（Tertiary）及四級（Quaternary）結構（下圖）

（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_folding）

圖二：蛋白質的變性（Desnaturalització）和復性（Renaturalització），左方為正常的蛋白質，右方為變性的蛋白質

（圖片來源：https://ca.wikipedia.org/wiki/Proteïna）

魚和肉中的蛋白質主要由肌球蛋白（myosin）和肌動蛋白（actin）所構成，肌球蛋白在40-50°C開始變性而凝固，但肌動蛋白仍保持未變性的柔軟狀態。當溫度升高至65.5°C時，肌動蛋白的氫鍵鍵結斷裂，肌肉失去彈性使肉質變老。因此要吃肉質軟嫩的優質菲力或沙朗牛排，肉體中心的溫度須保持在50-65.5°C之間。另一方面，價位較低的肉，通常有較高比例的結締組織（如筋或膜等），其蛋白質成分為膠原蛋白（collagen），是由三股蛋白質分子鏈如麻花辮般緊緊纏繞成一束，使得肉質又韌又硬，要破壞此結構，溫度須達到68°C以上，且須在有水的環境下長時間加熱，將三股緊纏的膠原蛋白，破壞變性成較軟且容易消化的單股動物凝膠。越是老硬多筋的便宜肉—如腱子、肋條、牛尾、老母雞、老公雞…等，越適合烹煮時間長的細火慢燉。

n  結語

人類藉由烹飪發展文明也形塑文化，而科學工藝所推動的烹飪技術進步，不脫熱能的掌握及溫度與時間的控制，如：壓力鍋、微波爐、氣炸鍋、微波蒸氣烤箱…等等，這些發明的應用往往是來自於科學實驗室。另一分子美食學發起人—牛津大學物理學教授柯第（Nicholas Kurti）名言：「我們對金星大氣層溫度分布的瞭解，比對舒芙蕾甜點內部的溫度與結構的瞭解還多。」也隨著分子料理的興起而改觀，實驗室使用的恆溫水槽廣泛應用於真空烹調法，而迴轉濃縮機則用來萃取特殊的風味添加於料理中。美國哈佛大學廣受歡迎的線上開放課程 “Science and Cooking” 將諸多實驗器材搬到大講堂上，由所延攬的米其林三星主廚們演示烹飪技藝的精髓與奧秘，也將人們帶入烹飪的科學世界中。只是在家裡的廚房，烹飪仍然回歸到最質樸的樣式，艾維×提斯在家就是簡單地用洗碗機煮出完美黃金蛋，其秘密就是：烹飪 = 溫度 ´ 時間。

n  參考文獻

[1]    “搞笑學物理”，費雪 著，天下遠見，2005。

[2]    “廚藝好好玩”，傑夫×波特 著，謬思出版，2013。

[3]    “The chemistry of cookies” in TED Ed, Stephanie W., http://ed.ted.com/lessons/the-chemistry-of-cookies-stephanie-warren.

[4]    “Modernist Cuisine: The Art and Science of Cooking”, Myhrvold, N., Young, C., Bilet, M., and Smith, R.M., Cooking Lab., 2011.