化學教室活動:庶民的分子廚藝教室 / 郭益銘、鄭惠華

星期六 , 12, 五月 2018 Leave a comment

化學教室活動:庶民的分子廚藝教室

郭益銘1, *、鄭惠華2

1中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系
2巧比諾有限公司
*
kuoyiming@gmail.com

n  前言

一、分子廚藝讓廚房變實驗室

1985年,法國科學家Herve This與物理學家Nicolas Kurti,正式為共同研究的「分子廚藝」(molecular gastronomy)定名,位於西班牙的El Bulli餐廳是「分子廚藝」的創始店,主廚安德里亞(Ferran Adria)顛覆傳統廚藝,「眼見為憑」已非真理,每一口都是驚喜,還被英國權威雜誌「餐館」(Restaurant)二度評選為全球最佳餐廳。分子美食就是廚師利用各種奇異工具,通過物理或化學的變化,把食材的味道、口感、質地、樣貌完全打散,讓後再重新「組合」成一道新菜,讓傳統的菜肴變得充滿新鮮感,給我們不斷帶來驚喜。

二、熟悉知識卻不曾體驗的學生

現今的課程編排,一個國小學生要學習的科目和細項相當多,因此教育現場實際操作實驗的時間和內容均受到侷限,教師在備課上,除採購物料與準備教材,甚至於在安全考量上,都必須花費比較多的時間。而當今孩子因為科技的進步與家庭的保護下,很多孩子在實作的基本能力上也缺乏實際體驗。更報導指出學童的食育力下降【中華日報新聞網,2018】(見圖1),只會吃「白香蕉」的窘境,一時間發現,熟讀澱粉糊化理論的學生,居然連煮飯要放水這件事情都感到猶豫。

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1:董氏基金會調查成果發表狀況

(圖片來源:中華日報新聞網,http://goo.gl/TkYLhA

三、關懷偏鄉縮小落差

2013年起我們在一般地區以及偏鄉和弱勢地區推動「科學小食神」及「點心吃什麼」等科普專案,我們普遍發現學生在生活能力與科學理論的結合上是脫節的。優勢家庭的孩子即使成績優異,能侃侃而談澱粉糊化、蛋白質變性等化學理論,但是在家政領域裡,煮飯不放水、喝鹹豆漿堅持不想放醋,都讓我們感受到實作的需求。而偏鄉弱勢地區由於家長的教育陪伴力量薄弱,閱讀及學習興趣低落,孩子不認識食品添加物,也無人引導觀察生活中食物的化學變化,生活的應變能力與科學的學習無法同時提升。

n  材料與工具

本次實驗所需的材料與工具如下:市售鬆餅粉(通常內含泡打粉與中筋麵粉)、葡萄汁(自製或市售均可)、檸檬汁(自製或市售均可)、電熱烤板或烤箱、叉子、量匙、容器、攪拌棒、盤子。

n  實驗流程、問題提問與觀察引導

1.        酌量取出鬆餅粉,不添加水逕行放在烤板上或烤箱內加溫1-2分鐘,此時詢問同學,鬆餅粉是否會變成鬆餅?

教師角色:引導學生觀察鬆餅粉,確認並未變成鬆餅(見圖2),在進入下一階段觀察。

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2:未加水鬆餅粉加熱後狀況

2.        鬆餅粉加到水裡,不加熱,是否會變成鬆餅?

教師角色:引導學生觀察鬆餅粉與水混合後,是否有糊化現象,抑或僅為單獨澱粉略為膨脹顆粒懸浮於水中,並確認其並不會變為鬆餅(見圖3)。

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3:加水鬆餅粉未加熱後狀況

3.        鬆餅粉加到水裡混合攪拌後,並加熱,觀察其是否變為鬆餅。

教師角色:引導學生觀察鬆餅粉與水攪拌均勻後,在加熱過程中,其漸漸糊化的現象,在水分漸漸蒸發後將轉變成可口的鬆餅,且鬆餅上有許多小孔洞(見圖4),可詢問其原因,並引導入小蘇打粉與酸性物質反應後產生二氧化碳的反應。

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4:加水鬆餅粉加熱後:成型狀況(左);學生操作情形(右)。

4.        加入葡萄汁並已經烤好的鬆餅,觀察其顏色,另外在加入檸檬汁後,再觀察其顏色的變化。

教師角色:引導學生觀察鬆餅的顏色,詢問學生鬆餅粉為淡黃色,葡萄汁為紫色,紫色加黃色後應該呈現紫黃色,為何混合後會變成綠色?另外,添加檸檬汁後為何又變成粉紅色?藉此問題詢問再導入花青素於酸鹼中,顏色會變化的概念,並聯想至酸鹼中和所使用的石蕊試紙,以作為課程的延伸。

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5:加水鬆餅粉在加熱後的外觀:加入葡萄汁和牛奶的鬆餅漿(左上);沾上檸檬水的鬆餅漿烘烤(右上);原味與葡萄口味鬆餅漿烘烤成型外觀,加上檸檬水的葡萄鬆餅漿偏粉紅色,未加上檸檬水的葡萄鬆餅漿烤過後偏綠色(下)。

n  問題引導與答案說明

1.        鬆餅粉為何會變成鬆餅?

本次實驗時,先讓學生放置鬆餅粉於烤盤上,發現鬆餅粉即使經過高溫亦不會變成鬆餅,此係因澱粉糊化作用。澱粉分子為長鏈的葡萄糖分子的聚合物,澱粉分子之間以氫鍵方式交聯在一起。澱粉分子於常溫下不溶於水,僅能可逆地吸收水和輕微地溶解脹大,但隨溫度漸增,澱粉分子振動劇烈,造成澱粉分子之間的氫鍵斷裂,進而澱粉分子與較多的水分子結合。由於水分子的進入造成長鏈的澱粉分子的分離,增加澱粉分子結構的無序性、減少結晶區域,溶解脹大並分裂形成均勻糊狀溶液的特性,稱為澱粉的糊化(gelatinization)。

2.        烤鬆餅時孔隙從何而來?

鬆餅成品有大量細微孔洞,顯示烘烤過程當中產生氣體,本次實驗所使用的鬆餅粉主要成份含中筋麵粉與泡打粉,中筋麵粉與水混拌加熱後會產生糊化現象,並凝結成鬆餅,而泡打粉主成分為小蘇打粉(Sodium bicarbonate, NaHCO3)、弱酸性物質如塔塔粉(cream of tartar)、磷酸二氫鈣(Monocalcium phosphate, Ca(H2PO4)2)或硫酸鋁鈉(Sodium aluminum sulfate, AlNa(SO4)2)等,再加上乾性介質如玉米粉等,因此其在高溫環境下產生CO2,導致鬆餅中孔隙的產生,發生的化學反應如式[1]所示。

NaHCO3(aq) + H+(aq) → CO2(g) + Na+(aq) +H2O(g)    [1]

3.        加入葡萄汁的鬆餅,再加入或檸檬汁後,為何鬆餅顏色產生變化?

當鬆餅粉加入葡萄汁考完後,其顏色呈現綠色,但在加入檸檬汁後,卻呈現粉紅色,其關鍵在於葡萄汁中所含的花青素(anthocyanidins,其結構式如圖6所示,係屬水溶性的植物色素,存在於液泡內的細胞液中。其與醣類物質以醣苷鍵結合的後即為花色素苷(或稱花色苷)(anthocyanins),與花的顏色、葉變紅等有關,屬天然的抗氧化劑。花色素苷的顏色會隨著環境的pH值而有所變化可用於試紙測試酸鹼性。以紫色葡萄汁為例,其花色素苷變色範圍之pH = 4.3 ‒ 6.4,當pH < 4.3時呈現紅色,當pH > 6.4時呈現綠色。由於鬆餅本身近中性或弱鹼性,因此加葡萄汁烤乾的鬆餅呈現綠色。在添加檸檬後,鬆餅的pH < 4.3,且鬆餅本身為淡黃色,因此紅色和淡黃色混合而呈現淡紅色。

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6:花青素的化學結構圖(R1-R7為取代基,為−H−OH−OCH3

(圖片來源:Anthocyanins, https://en.wikipedia.org/wiki/Anthocyanin

n  教學反思與回饋應用

1.        廚房或教室可以變成實驗室,庶民也是生活的科學家

教師透過教材的設計和教學教法,可將廚房活動與教學演示融合為一。透過廚房將食品以物理化學的方式組合成一道新菜的過程,能讓學生在活動當中體驗科學的奧妙,這類型實作型之課程延伸性最強,課程成果還能一口吃下,充分與生活結合的科學教育,最能引發學生的高度興趣。

2.        最貼近生活的科學理論

透過鬆餅粉加水烘烤成主食的烹調可讓學生看見:澱粉糊化、泡打粉產生氣體以及花青素隨pH變色等三種科學現象,實驗過程均為生活經常使用的食材,相關的概念也與化學理論緊緊相扣,讓我們談一場食指大動的化學教室課程吧!

3.        隨手可得的食品材料

在食品的科普課程中,課程所用的材料絕大部分可在廚櫃或冰箱裡找到,孩子在教室裡實際體驗過後,回到家裡看見熟悉的素材,還能拿起來再次演練,超市裡便可採買,家長樂在其中無負擔,偶而加入孩子的討論與操作,還能分享激盪出不一樣的火花。

4.        不斷改良的烹煮用具

實驗裡的燒杯、培養皿或酒精燈,學生在使用時,教師總是必須擔心受怕學生受傷,近年來廠商於廚具市場中,推陳出新許多烹煮或切割的器具,操作簡易且安全,適度使用可避免國小低年級同學於明火的操作中,有引燃及燙傷的危險,電鍋、鬆餅烤盤等均為加熱實驗的好幫手,食物剪刀與切菜神器更可讓同學們能安全地使用刀具切割。

5.        安全易懂的微實驗

食品科學實驗中的酸鹼藥劑使用量不多及其強度也不高,學生們不慎接觸時,以清水即不至於造成危害。透過酸鹼中和的實驗中,小蘇打、食用醋、檸檬汁等素材,均可提供孩子在中和過程中,觀察到氣體與顏色的轉變等。

6.        免費即時的延伸助教

學校教室的實驗課程,一位教師須帶領二十多位學生,學生輪流操作,而教師須在掌控其動作,對於教師而言是甚大的挑戰。廚房的化學教室中,家長都可成為助教,沒有學歷限制,均可為這場學習做免費而即時的延伸教學。每當孩子上課時,眉飛色舞地描述回家後,媽媽如何更厲害的做出成品,祖父母分享早年他們是如何在拮据的環境下做出一樣的東西,這項課程就得到最大的回饋,來自學生的體驗,也來自家庭的支持。

7.        科學實驗無所不在

讓大家把實驗白袍換成廚房圍裙,把燒杯換成鍋子,把攪拌棒換成湯匙。讓親子走進生活的實驗室,讓科學變成生活日記,一起動手做科學遊戲吧!

n  結語

庶民的分子廚藝教室教案嘗試將冰冷的試管與燒杯,換成同學們都熟悉的餐具與美食,引導父母親與孩子們走進生活化的科學教室,將艱深的化學原理,以遊戲方式呈現在學生面前,讓學生都能以愉快地學習科學知識,並將這些知識以圖像實踐的方式牢記在腦海裡,相信透過這樣的學習,能夠讓同學們達到寓教於樂的效果。

 

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