烘焙與化學論文（烘焙物理化學與生物學的完美結合）

2023-09-10 10:56:56 1

圖源：Pxhere.com

- 導 讀 -

今日中秋，我們來聊聊美味的烘焙與科學實驗有何共同之處。

計量學研究者拉胡爾·曼達爾 （Rahul Mandal） 認為，烘焙乃物理、化學與生物學的完美結合，廚房則是人類最古老的實驗室。

在下面這篇文章中，32歲的曼達爾講述了科學思維如何幫助他成為烘焙達人，並贏得2018年英國烘焙大賽冠軍。

最後，祝各位中秋快樂！

撰文 | Rahul Mandal

翻譯 | 肖夢

校譯 | 宋宇錚

一直以來，我都對烘焙非常感興趣，不僅因為我喜歡吃東西，也因為我喜歡為別人準備食物。一代又一代人付出了大量精力、情感和熱情，致力於讓食物變得美味可口。當人們歡聚一堂之時，一席人的焦點幾乎永遠是食物。

我熱衷的另一項事業是科學。我對科學的熱愛來源於我喜歡質疑的天性，加上我有一開口就能滔滔不絕幾個小時的本事，所以我父母總是應對不暇。

當我還是個小孩的時候，對雨非常著迷。在印度，下雨是件大事，特別是在季風季節，炎炎夏日的熱浪過後，雨水是愜意舒適生活的預兆。我總是很好奇雨水來自何方。我那時渾然不知氣化後冷凝形成雲的水，在烘焙中也以水蒸氣的形態擔當著讓麵包膨起，讓油酥糕點變得鬆軟的重任。

拉胡爾·曼爾達（Rahul Mandal）是烘焙師，也是工程學研究者，現為英國謝菲爾德大學核先進位造研究所的助理研究員，專業是工程組件的光學測量，英國 Channel 4 電視臺2018年《英國烘焙大賽》節目的冠軍。

對我來說，烘焙是物理、化學與生物學完美的結合。我們將各種可食用的化學物質混合做出麵團或麵糊，並讓其中充滿微小的氣泡，這所應用的是化學原理。我們用酵母培養物產生的二氧化碳讓麵包膨發起來，這是生物學原理髮揮了作用。麵團和麵糊裡面的氣泡體積膨脹，讓烘焙食品體積變大，則是利用了物理原理。

參加2018年的《英國烘焙大賽》對我來說是非常有意義的經歷。除了來到比賽現場以外，有機會研究烘焙的科學原理、在幾百萬人面前做現場實驗都讓人無比興奮。烘焙和做其他實驗一樣，理解原理是保證成品質量的關鍵。烘焙前的設計和規劃至關重要，這一點也和在實驗室中開展實驗研究非常類似。你必須要認真考慮每一個獨立變量，從原料的比例到廚房的環境，再到成品的結構穩定性，所有這些因素都發揮著重要的作用。

你甚至可以說，廚房就是人類最古老的實驗室。

1.談談烘焙食品

世界各地的人都會吃烘焙食品，其中最常見的是各種各樣的蛋糕、麵包和餅乾。在不同的國家和文化當中，它們都是人們日常飲食的一部分。不過這些食物的具體形態會因為當地穀物種類（包括小麥、玉米、大麥、燕麥、大米和一些其他穀物）、氣候和人們的生活方式的不同而有所變化。不過製作任何烘焙食品的第一步都是將穀物磨成粉，然後將穀物粉與液體物質、油脂混合在一起形成膏狀、團狀或糊狀的混合物。每種混合物都會產生不同類型和質感的麵包、蛋糕或餅乾。

作為 STEM 大使，我會定期去學校、參加活動，鼓勵年輕人提高科學、技術、工程和數學方面的技能，並從事相關工作。我進行這一工作的方式就是向學生們講述烘焙背後的科學原理，給他們派發各種烘焙食品，並問他們相同的原料如何產出如此不同的食品。

孩子們很快就會就會告訴你，蛋糕質感膨鬆、柔軟、像海綿一樣，還很有彈性。麵包也是鬆軟有彈性的，不過也有嚼勁。而餅乾質地紮實，比較硬，可能還有嚼勁，容易碎。

不同的烘焙食品都是由比例不同的麵粉、油脂、糖和雞蛋做成的（見下表），這也是它們質感不同的原因之一。另一方面原因在於其他原料的不同，比如蛋糕中的泡打粉和麵包中的酵母，這些材料會讓混合物體積膨脹，產生充滿輕盈的海綿似的質感。這兩方面因素對於讓麵糊或麵團中富含二氧化碳都很重要。

同樣的原料，不同的結果

維多利亞海綿蛋糕 布裡歐修麵包 餅乾

普通麵粉225g 高筋麵粉500g 麵粉275g

糖225g 糖50g 糖100g

黃油225g 黃油250g 黃油150g

雞蛋4個 雞蛋5個 雞蛋1個

牛奶15ml（可以不加） 牛奶150ml -

泡打粉3g 酵母10g -

雖然維多利亞海綿蛋糕、布裡歐修麵包和餅乾使用的基本原料類似（見上表），但是這三種後果烘焙食品的口感和味道完全不同。

蛋糕（右上圖）是三種食物中最容易讓人發胖的，使用1:1:1的油脂、麵粉、糖和雞蛋，所以質地柔軟溼潤。

布裡歐修麵包的質地則更有嚼勁和彈性，因為麵團在反覆揉捏的過程中形成了大量麩質。

餅乾的質地鬆脆，因為原料當中水分相對較少。

這三種食物都很美味，但是原材料比例的不同（以及泡打粉、酵母等添加劑的作用）讓三者成為了截然不同的烘焙食品。

2.膨脹之路不止一條

泡打粉是碳酸鈉和塔塔粉（酒石酸氫鉀）等無水酸性物質的混合物。這種混合物在乾燥狀態下，性質不活潑，不會發生化學反應。但是如果泡打粉加到蛋糕麵糊當中時，其中的液體會讓泡打粉發生反應，生成大量微小的二氧化碳氣泡填充在麵糊當中。為了讓二氧化碳的產生具有最大限度的靈活性，市售的泡打粉釋放二氧化碳分為兩個階段，也就是說在混合麵糊和進行烤制的時候都能產生二氧化碳。（有的烘焙配方要求使用自發粉而不需要使用泡打粉，其實這種自發粉當中含有泡打粉，能夠在烘焙過程中讓麵團膨大。）

另一種往蛋糕麵糊裡充入氣泡的方式要費時費力得多。這種方法叫做糖油攪打法（creaming method），也就是把黃油和糖混合起來攪打。在攪打的過程中，不斷有空氣混合到黃油和糖中，你會發現混合物的顏色逐漸變化，一開始混合物的顏色是和黃油一樣的金黃色，當打發到位的時候會變成奶油質感的乳白色。

對於麵包來說，讓麵團膨脹的方法跟上面說的不太一樣。麵團當中的氣泡是酵母產生的。這是極為最常見的真菌，廣泛存在於空氣之中，我們常見的葡萄表面的白霜亦含有酵母菌。人類能夠安全食用的酵母其實只有少數幾種，它們被大量生產用於製作麵包和釀造啤酒。把酵母加入麵團後，酵母會以麵粉當中的碳水化合物為養料，同時產生副產物二氧化碳，所以麵團在醒發的時候體積就會膨脹。

對於製作柔軟膨鬆的烘焙食品來說，最重要的一點就是要在進入烤爐之前讓它們內部充入氣體。在高溫環境下，它們會發生神奇的事情（物理現象），麵團或者麵糊就會搖身一變成為柔軟的麵包或鬆軟的蛋糕。

拉胡爾·曼爾達現為英國謝菲爾德大學核先進位造研究所的助理研究員。圖源：https://www.sheffield.ac.uk

3.進烤箱

我們能夠將烤箱當中發生的高溫反應分成三個階段：膨脹、定型和上色。

在膨脹階段，麵團或麵糊的體積會達到最大。烤箱中的熱量會讓其中的氣體（空氣或二氧化碳）體積增大，正如查理定律所述，氣壓相同的條件下，理想氣體的體積與絕對溫度成正比。這樣我們就得到了烘焙食品熟悉的膨鬆質感。除此之外，這個階段中，水分子開始蒸發形成水蒸氣，這也會讓麵團膨脹，讓烘焙食品的體積增大。

在定型階段，雞蛋、麵粉等成分開始形成烘焙食品的基本框架。蜷縮的蛋白分子開始變性或展開，凝結變硬。澱粉分子吸收水分後溶脹、分解形成膠體，也就是糊化。這兩者會讓蛋糕或麵包內擁有海綿樣的組織結構。

在最後的上色階段，食物的形狀穩定下來。食物表面的蛋白質和糖發生反應，形成漂亮的金棕色外表皮。這個過程就是美拉德反應（Maillard Reaction），如果溫度更高也能夠產生焦糖化反應。在不同的條件和原料組合下，美拉德反應能夠生成數百種不同風味的化合物，這種簡單的化學反應同樣賦予了烘焙咖啡豆、煎烤肉類獨特的味道。

4.鬆脆的秘密

現在我們來聊聊更硬、更脆的烘焙食品——油酥糕點和餅乾。這兩種食物和麵包、蛋糕略有不同，不過基本原料還是非常類似的：麵粉、油脂和水，有時候會加入雞蛋或糖。

讓油酥糕點酥鬆膨脹的不是二氧化碳，而是水和油脂在焙烤過程中形成的水蒸氣。烘焙中用到的油脂一般都含有一定的水分，比如黃油當中通常含有18-20%的水，而人造黃油的含水量大約是25%。在烤制過程中，水分蒸發會形成水蒸氣，隨著溫度升高水蒸氣的體積也會增加，讓麵粉中的分子和層與層之間產生空隙。不同油酥糕點所含的黃油或油脂比例不同，會形成各有特色的奶油酥皮（shortcrust）、法蘭酥皮（flak ypastry）和千層酥（puff pastry）三種質感（見下表）。

不同的油酥糕點

原料 奶油酥皮 法蘭酥皮 千層酥 泡芙

麵粉 125g 125g 225g 70g

黃油/油脂 55g 80g 250g 55g

水 30-40ml 30-45ml 120ml 140ml

雞蛋 - - - 2個

奶油酥皮疏鬆易碎，以蛋撻為代表。製作它通常都要把麵粉和黃油一起搓成麵包屑狀，然後用一點水（有的食譜會用雞蛋或蛋黃）把麵包屑一樣的粉揉成麵團。所有材料捏成團後，麵團當中包裹著分散來開的小團的油脂。在烘烤過程中黃油融化，其中的水分蒸發，形成小團水蒸氣體積變大，讓小面塊彼此分開。於是就形成了這種點心鬆脆的質地。

法蘭酥皮的黃油用量比鬆脆油酥更多，以法式餡餅和腸仔包為代表。一般要把冷凍或冷藏的黃油擦碎揉進麵團或者摺疊到麵團裡面-注意不要讓黃油融化在麵團裡面，不然最後的成品就像奶油酥皮一樣了。烘烤時，油脂碎塊產生的水蒸氣會讓麵團的層與層之間分離，形成層層分明的質感。

千層酥的製作需要消耗大量時間精力（所以不用因為自己買半成品千層酥而不好意思，很多職業廚師也會這麼做）。用麵團包裹住黃油後，反覆將麵團摺疊、擀平，最後形成許多非常薄的麵餅層疊起來的結構。烘烤過程中，黃油融化形成水蒸氣，讓一層一層的麵餅相互分開，產生我們所看到的千層酥的結構。

泡芙是最複雜的油酥糕點。烘烤過程中，泡芙油酥能夠形成一層非常脆的外殼，內部則是空心結構，可以填入美味的內陷。要掌握這種油酥的製作，需要費點工夫練習。做泡芙的要義是它要經過兩次加熱。麵粉在準備揉成麵團的時候進行了第一次加熱，烤制是第二次加熱。如果你去研究泡芙的配料，你會發現跟其他油酥糕點相比，它需要大量水分，幾乎是麵粉體積的兩倍，並且還需要加入雞蛋。烘烤時，水分受熱形成水蒸氣，根據物理學定律，隨著溫度上升，水蒸氣的體積會變大，讓油酥麵團脹開，內部形成空洞，而外部的麵團則形成脆殼。

5.寓教於樂

我發現，給年紀小的學生講烘焙中的科學很容易讓他們開始思考如何解釋現實生活中習以為常的現象。如果在講解科學知識的時候能吃些美味的食物，學習就變得更有吸引力了。

在學校裡，很多時候我們都忘了用有趣的方式把科學原理和它們的應用結合起來講給學生。這導致學習變得枯燥無味，而這是完全不必要的，因為它同學習科學的本意背道而馳。

回想一下你小時候是如何學習加法的。大人會問你，假設你有兩塊糖，然後你的朋友又給了你兩塊糖，那麼你現在有幾塊糖了呢？用糖來打比方可能讓你學得快了一些。

同理，如果你想讓孩子對科學感興趣，想辦法讓他們發現科學與日常生活間意想不到的聯繫，可能會大有裨益。要做到這一點也很簡單，比如引導他們思考一下泡茶的時候，燒水壺中的水會產生什麼變化。或者更複雜一點，比如巧克力變硬的原理就與冶金中的鋼鐵回火極為相似。在我所就職的謝菲爾德大學核先進位造研究所最近舉辦的 STEM 活動中，我們讓孩子們動手試著利用巧克力進行「焊接」-使用融化的巧克力把薄板做成箱子，然後測試它們能夠承受多大的破壞力。將烘焙和美食的樂趣與科學和工程相結合，能讓你更好地體會到兩個世界的美妙。