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csliao@saturn.yzu.edu.tw 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 […]

飲食文化與化學：烹飪科學資訊介紹（上） 李  暉 國立東華大學課程設計與潛能開發學系國立東華大學科學教育中心leehuei@mail.ndhu.edu.tw `關於食物本身的化學成分與結構，和烹煮過程中所產生的化學變化，一直是喜好美食的化學家想深入瞭解的知識。這些知識固然和大學中的食品科技相關系所關係密切，但國內學者從美食的角度加以探討的，似乎仍十分有限。因此媒體中一些美食知識，或美食家所談論之內容原理，多係譯自國外書籍或媒體報導。事實上，烹飪雖是居家生活小事，卻隱含許多高深科學。例如經由教科書人人都可得知肉類的主要成分是蛋白質，加熱後會產生變性（denaturation）反應，但如何烹調才能保持鮮嫩多汁？這其中除了調味尚牽涉包括肉品種類、部位、爐具、鍋具、火力、時間、程序……等諸多變項，簡單的問題卻牽涉複雜的研究，而結果往往亦非簡單的基礎科學即可解釋。 在網路資訊尚未普及之前，相關知識不僅有限，在傳播上亦甚少見。近年來拜網際網路之賜，許多訊息透過Google大神蒐尋獲之甚易，但訊息雖多，像烹飪原理這樣既學術又生活化的知識，看似簡單實則繁複，又要能提供數據、深入淺出，為大眾所理解的文字呈現，的確不易亦不多見。另一方面，由於經濟能力提昇，溫飽之餘追求精緻，在國外逐漸發展成為登堂入室之學問，哈佛大學甚至有系列線上課程供人修習，相關書籍如雨後春筍紛紛出籠。 本人忝為《臺灣化學教育》「飲食文化與化學」專題主編，所知有限，尚未認識有以美食與化學為研究主題之化學先進。而對此主題有興趣，且博覽群書歸納比較，甚而將之實踐於生活之中者，不乏其人。但若將這些知識為文公開發表，目的雖是推廣分享於同好，但終因非原始研究者，似有未妥，故僅敢為文介紹個人所知之相關資訊，以餉同好。 以下資訊分三方面介紹：翻譯書籍、科普網站及線上課程。翻譯書籍介紹九本書包含兩本分子廚藝的書籍，科普網站介紹泛科學二十篇短文，線上課程介紹二門英文課程。 n  翻譯書籍 一、《料理的科學》The Science of Good Cooking 圖一：《料理的科學》一書的封面 《料理的科學》一書（見圖一）的原作者是The Editors at America’s Test Kitchen & Guy Crosby，2012出版；翻譯者為陳維真、張簡守展，臺北市：大寫出版社於2015年出版。此書是目前最新且最完整的一本烹飪科學的書籍。它不是一人一時之作，而是美國實驗廚房（America’s Test Kitchen）團隊（隨時都有三、四十位實驗廚師、編輯、食物科學家、試吃人員和廚具專家在此工作），投入20年探索料理基本原理的成果。在前30頁除了先介紹前言之外，從整體上討論測量、時間與溫度、冷熱、工具與食材，以及感官的科學；在主體部份分為肉類、奶蛋、蔬菜、辛香料、烘焙等五大區塊，以50個觀念（concepts）分別介紹烹飪中的科學。每個觀念以簡單的陳述開始，繼而詳述其中的科學原理。最具特色的是接著進行實際實驗或測試，包括過程與結果（常附有數據），然後附上一些相關的食譜（多達412個），並安插適當的基本知識和實用科學知識。所附之圖表與相片清晰易懂，是研究料理科學不可或缺的一本書。著名的科普網站泛科學（PanSci，http://pansci.asia/）就曾收錄轉載其中三篇（糖會改變質地和甜度，http://pansci.asia/archives/87237；麩胺酸和核苷酸可增添料理風味，http://pansci.asia/archives/87216；爆香能有效提升香料風味，http://pansci.asia/archives/87195），讀者不妨選擇試閱。 其實光是看這本書的介紹詞就夠吸引人的：「以基本科學解釋食譜背後的原理，你對料理將更豁然開朗。」、「本書不只解釋烹飪時的科學原理，也如實呈現團隊人員對於實驗廚房中獨一無二的科學實驗。其中有些好玩，有些創新—為什麼要做出有口感的布朗尼時，麵糊只能〝切拌〞不能攪動？為什麼想做出最美味的漢堡排一定得自己絞肉？為什麼以高溫烘焙疏菜前最好用鋁箔紙包覆？」，何不訂購一本慢慢品味。 二、《食物與廚藝》On Food and Cooking: The Science and Lore of the Kitchen   圖二：《食物與廚藝》一書三冊的封面 《食物與廚藝》一書（見圖二）的原作者是McGee, H.，New York: Scribner於2004出版；翻譯者為邱文寶、林慧珍、蔡承志，新北市：大家出版社於2009年出版。本書可謂廚房科學的聖經，自1984第一版問市以來所向披靡，《時代》雜誌評譽為「全球大廚，沒有人敢不拿這本書！」；中文版內頁介紹更貼切的語詞，故引用如下：「1984，本書於美國出版，在廚藝界投下一枚震撼彈；2004，增修了將近600頁內容，獲得世界級大廚一致推薦；2008，作者榮登《時代》雜誌百大影響人物；改寫了全球廚房，催生開創性的〝分子料理〞與〝化學廚房〞；獲得讚譽：〝凡張口吃東西的人，都用得上本書！〞；歷經1/4世紀，無書能出其右，連《時代》雜誌亦譽為〝小鉅著〞。」。在《料理的科學》一書尚未出版前，一直是筆者最重要的參考資料。 本書中文版分為三冊盒裝（可單獨購買），第一冊為原著1~4章，中文副名為「奶、蛋、肉、魚」；第二冊為原著5~9章，中文副名為「蔬、果、香料、穀物」；第三冊為原著10~15章，中文副名為「麵食、醬料、甜點、飲料」。記得中譯本剛出版時竟然賣到缺貨，還是請住高雄的朋友代購才搶到一套，近兩年再刷後才又重回市面，如今網路上還能免費下載到英文版的pdf檔。 作者在內容上，不僅分門別類的介紹了許多食物與烹飪的物理及化學原理，其它如烹調器具、食物儲存環境；甚至咖啡研磨與沖泡之技巧皆有論述；對於人類飲食習慣（終於有些〝文化〞討論）和歷史，亦有述及；而對於食材的介紹，諸如：物種、成分、特性、用途、地緣……等，更是詳盡。許多書頁的註腳，常附有與主題相關之趣事、軼聞與小訣竅。就因為如此著名，網路上評論與推薦文甚多，於此不再贅述。 值得一提的是，作者繼此鉅著之後，又在2012年出版了Keys to Good Cooking: A Guide to Making […]

飲食文化與化學：烹飪科學資訊介紹（下） 李  暉 國立東華大學課程設計與潛能開發學系國立東華大學科學教育中心leehuei@mail.ndhu.edu.tw 〔承《飲食文化與化學：烹飪科學資訊介紹（上）》〕 n  翻譯書籍 五、《鮮味的秘密：大腦與舌尖聯合探索神秘第五味》Umami: Unlocking the secrets of the fifth taste 圖五：《廚藝解構聖經》一書的封面 《鮮味的秘密：大腦與舌尖聯合探索神秘第五味》一書（見圖五）的原作者是Ole G. Mouritsen & Klavs Styrbaek，於2014出版；翻譯者為羅亞琪，臺北市：城邦文化事業於2015年出版。鮮味是中國自古以來烹飪追求的目的之一，但卻是被日本化學家池田菊苗在1908年找到「鮮味」的科學答案，而本書的書名Umami就是來自日文的鮮味。關於本書的介紹，《泛科學》已有極佳之專文（http://pansci.asia/archives/80302），此處不再贅述。 六、《味覺獵人：舌尖上的科學與美食癡迷症指南》Taste What You’re Missing: The Passionate Eater’s Guide to Why Good Food Tastes Good 圖六：《味覺獵人》一書的封面 《味覺獵人：舌尖上的科學與美食癡迷症指南》一書（見圖六）的原作者是Barb Stuckey，於2012出版；翻譯者為莊靖，臺北市：漫遊者文化出版社於2014年出版。這是一本教你如何品嘗美食的書，有趣的是作者並非美食家亦非名廚老饕，而是食品開發公司的研發專家，負責的是行銷、食品趨勢追蹤和消費者研究。或許基於工作經驗，她融合了簡明易懂豐富深入的資訊、個人的趣事，和精湛的文筆，從說明五官知覺到基礎味覺，以及風味的細微差異，簡單的說，就是教你如何嘗出美食何以吸引老饕，重新體會「味道」這個常用詞彙的意義。甚至教導我們味覺以外的感覺如何影響味覺，這當中包含有「嗅覺」、「觸覺」、「視覺」以及最容易被忽略的「聽覺」，有趣吧！ 七、《烹：人類如何透過烹飪轉化自然，自然又如何藉由烹飪轉化人類》Cooked: A Natural History of Transformation 《烹：人類如何透過烹飪轉化自然，自然又如何藉由烹飪轉化人類》一書的原作者是Michael Pollan，於2013出版；翻譯者為韓良憶，新北市：大家出版社於2014年出版。本期專刊主題為「飲食文化與化學」，在領頭文章中已說明「飲食」與「飲食文化」有所差異，而本書所討論的正是烹飪與烹飪文化。或許作者原始目的是呼籲家庭烹飪的重要性，只不過從文化議題討論如何烹飪入手會更吸引人。全書主要部分分為四章，每一章分別探討一種將自然變為文化的轉化術—烹飪，並分別對應到火、水、風（空氣）、土這四大元素。因此本書不像其它本章所介紹討論烹飪科學之書，它並未直接談論烹飪科學，卻一直企圖以這四大元素將古往今來，不論東方西方的廚房事，都納入這些解釋。無論是否合適，不可否認作者在這方面頗為努力，甚而有時還能引經據典（例如引用《呂氏春秋》中，伊尹之言「鼎中之變，精妙微纖，口弗能言。」）。 作者每章只說一件事，例如在「風」這一章只討論烤麵包，在72頁的篇幅中從麵包、麵粉、麵糰、發酵、烘焙等內容，藉著自己製作麵包的過程，以蓬鬆的麵包對比穀物粥，來說明如將空氣導入食物中。完全不像一種知識的教導，而是和朋友聊天說故事，因此讀來格外輕鬆。 八、《認識分子廚藝：顛覆傳統美食體驗的料理革命》Traité élémentaire de cuisine 九、《創新前衛的分子料理》Petit Précis de […]