2017年10月27日

廚房中的化學

陳時欣/國立宜蘭大學食品科學系教授兼研發長。研究專長食品微乳化系統、澱粉加工、米食加工、低升糖指數(glycemic index, GI)飲食、食品工程。

廚房是一個充滿科學知識的地方,食材從平淡無奇轉變成色香味俱全的桌菜,絕對不單單只是廚師的技巧而已,沒有背後一連串的化學反應,是不會激發出那麼令人垂涎的佳餚。廚師就是遊走在這一連串化學反應中的魔術師。廚房中的化學要談的議題很多,每一道菜、一頓佳餚都可以說上一整天的科學故事,現在讓我們從基本的糖、鹽、味精開始,再看看常吃的麵包和蛋糕。拋出一小片的薄磚,由各位看官找出更多的璞玉。

各種不同類型的糖。(shutterstock)

糖?醣?澱粉?
我們常因為「糖」和「醣」該如何使用而不知所措,有人說「糖」會甜、「醣」不會甜,似乎有點道理,但是甜不甜是個人感受實在很難一錘定音。雖然沒有明確嚴謹的規範,但科學一點的說法是,「糖」用來做「命名」,「醣」則用來作「分類」。例如:葡萄糖、果糖、蔗糖等,都是指特定的食用「糖」;單醣、雙醣、寡醣、多醣等,都是歸納分類一大項糖的統稱。葡萄糖、果糖、半乳糖都是單醣,單醣是構成雙醣、寡醣或多醣的單體,反之,醣類水解後的最小單元就是單醣,分子小才有辦法被消化吸收。抽血驗的血糖,其實就是在驗血液中葡萄糖的濃度。蔗糖、乳糖、麥芽糖都是雙醣,由兩個單醣分子脫水,用化學式來說:

蔗糖+ 水= 葡萄糖+ 果糖
乳糖+ 水= 葡萄糖+ 半乳糖
麥芽糖+ 水= 葡萄糖+ 葡萄糖

兩個單醣要結合成一個雙醣一定要脫一分子水;反過來,一個雙醣要分解成兩個單醣一定要加入一個水分子,所以才稱為水解。棉子糖是最常被提到的參醣:

棉子糖+ 2 水= 半乳糖+ 葡萄醣+ 果糖

澱粉是一種多醣,由上千個以上葡萄糖構成,米飯、麵包都是澱粉製品,所以教科書常說米飯、小麥咀嚼久一點會有甜味,就是澱粉被唾液中的澱粉酶部分水解成麥芽糖所致,但其實量少所以甜度很有限。

「澱粉(starch)」其實是一個有嚴格定義的名詞,可是都被濫用了!將米或小麥等作物去殼跟糠層後磨粉,稱為穀粉(flour),穀粉經過水洗,一般都是用鹼水,去除大部分的蛋白質,再用酸中和、烘乾、粉碎後才稱為澱粉。所以澱粉是純度很高的醣類(或碳水化合物);簡言之,穀粉必須經過精製過程才會得到澱粉。澱粉比穀粉貴很多,澱粉包在一顆顆的澱粉顆粒裡,顆粒經加水、升溫後就會膨脹破裂,而釋出澱粉,稱為糊化。廚師常作的勾芡就是利用澱粉的糊化作用,低溫下的澱粉漿液是不會糊化的,自然也沒黏性,所以糊化一定要在超過糊化溫度下進行。糊化是不可逆反應,所以糊化後的澱粉是不會再回到原狀態,雖然它還是葡萄糖聚合物。所有澱粉都可以拿來作勾芡,只是勾芡後黏度不同,而且有的會呈透明狀(馬鈴薯粉、甘薯粉),有的會是白色(玉米粉、米穀粉),目的不同用法自然不同。糊化後的天然澱粉都是很好消化的食物,補充能量很快,當然血糖也升得快!

回頭看看日常生活最常用的蔗糖。市面上可以買到的蔗糖依其蔗糖含量由低到高依序是黑糖、赤砂糖、白砂糖、冰糖;換言之,黑糖是雜質含量最多的蔗糖,冰糖是純度最高的蔗糖。許多人認為黑糖是最營養的糖實在沒啥科學道理,它甚至含有少量致癌物呢!坊間說白砂糖不好更讓人丈二金剛,它是純度很高的蔗糖,而蔗糖是純物質,純度高哪會不好?就跟沒有雜質的純水一樣,怎麼會跟不好扯上關係?烹調加蔗糖的目的是為了蔗糖的甜,不是為了它的雜質,所以沒道理說純度高的蔗糖不好。對溫帶國家而言,蔗糖可由甜菜根提煉純化而得,跟來自甘蔗的蔗糖具有相同的化學結構。但就有美食專家堅稱它們是不一樣的,可能心理因素大於科學因素吧!

各種不同純度的鹽。(shutterstock)

海鹽?岩鹽?精鹽?粗鹽?
鹽是人類唯一食用的天然礦石。「鹽」在化學上的定義是一大類化學物質的統稱,但是這裡我們討論的是俗稱的鹽巴,也就是氯化鈉(NaCl)。市售各種鹽的主要成分都是氯化鈉,它們的差異只在於雜質或顆粒大小的不一樣罷了,喝瑪格莉特調酒用的是顆粒較大的鹽,灑在
薯條上的是顆粒較小的鹽,它們的成分都一樣。玫瑰鹽和精鹽只差在那含量低於1% 的雜質,但是那些少少的、由其他食物就可獲取的雜質卻要你掏出大把鈔票去購買。

鹽是可溶於水的離子化合物,所以在水中它會解離成正一價的鈉陽離子(Na+)和負一價的氯陰離子(Cl-),數量上是1:1 的關係,而且相當穩定。多數的研究發現,飲食上攝取太多的鈉離子會造成高血壓等心血管疾病的罹患風險,所以就有了低鈉鹽,其實就是用鉀離子(K+)部分取代了鈉離子。有些低鈉鹽產品則會標榜,每茶匙的鹽鈉離子含量比其他鹽低,事實上是加入了膨鬆劑提高了鹽的體積;吃進去的是虛胖的鹽,當然鈉離子攝取就少了。其實都是行銷手法,它的創意在於多賣你一些原本是免費的空氣,原因是你自己不會克制鹽的攝取。

日常生活常見許多跟鹽相關的謊言。例如,在60、70年代盛行的冰果店,點一盤西瓜、木瓜、楊桃等水果,常會給一小碟鹽巴沾著吃,那是因為當時的水果不像今日被改良得那麼甜,所以用鹽巴的鹹度來欺騙味蕾,產生甜度的反差感。又如,「煮麵條時加點鹽會讓麵條更Q 彈」,其實除了讓麵條帶有點鹹味以外,完全沒有意義!另外,有些高檔餐廳喜歡在排餐料理上灑上韓國灰鹽、法國紅鹽或印度黑鹽等,說實話,除了那瓶看起來很有質感的鹽罐,珍貴的應該是鹽裡的雜質,是什麼顏色取決於當地的黏土和藻類,與其說是風味不如說是因為不純。另外,「精鹽不好,粗鹽比較健康」這種說法,前面提的蔗糖的純度一樣,並無科學上的根據。

最後,鹽是很容易受潮、吸濕而結塊的礦物質,為避免無意義的團塊發生,讓消費者更好使用,業者常會加入防結塊劑。常使用的防結塊劑有有碳酸鎂、碳酸鈣、磷酸鈣等,當然它必須是食品級的,而且一定要滿足國家規範的添加劑量。

味精與中國餐館症候群的公開秘密
所謂的中國餐館症候群是指1960 年代一些美國人在中式餐廳用餐後,會感到不適的症狀,如口乾舌燥,甚而有睡意、面紅、頭疼和頸部麻痹等,這些症狀大多不是很嚴重,而且一段時間後就會消失,專業上應該稱為麩氨酸鈉症候群(Monosodium glutamate symptom complex)。麩氨酸鈉(MSG), 俗稱味素或味精,是1908 年日本科學家由海帶中分離出來的天然物質。味精是沒有味道的細小結晶體,它可以強化食物本身的天然風味,但無法無中生有的改善食物味道,在食品專業領域上稱為提鮮劑或提味劑。麩胺酸是構成蛋白質最常見的非必需胺基酸,其麩胺酸基具有增強食物風味的特性,凡是具有能釋出麩氨酸基的化合物都有相同的作用,只是以麩氨酸鈉的效用最佳。許多蛋白質都含有麩氨酸,經蛋白質酵素水解後就會釋出,所以蛋白質水解液常是食品加工中使用廣泛的風味增強劑。對味精過敏的人都應該注意食品成分標示,凡是標示上宣稱有水解植物蛋白、自溶酵母蛋白、酵母萃取物、酵母營養素、天然原味素或天然調味,其實都是指產品中含有麩氨酸基的化合物,也就是味精。
常添加味精的中式餐點。(shutterstock)

回到中國餐館症候群,其實國人具有對麩氨酸鈉過敏體質的人很少,大部分的人都認為吃多了味精會口渴。其實,美國食品藥物管制局(FDA)多年前已撰文及公告澄清,所謂的中國館症候群並不是味精所致,還味精一個清白。聯合國下的糧食及農業組織(FAO)和世界衛生組織(WHO)也將味精歸類為安全的食品添加物。那麼為什麼多吃含味精的食物會口渴?其主要的原因在於鈉攝取過多,味精中的鈉不太會展現出鹹味,所以就會添加鹽巴來調整鹹味,如此一來,鈉的攝取就過多,所以才會口渴。食物中如果添加味精,就要斟酌鹽巴的使用,這樣就不至於會造成食用後口乾舌燥。還是一樣,說味精是不好的東西,就跟說精鹽是不好的東西一樣,是沒有道理的。

當麵包遇到蛋糕
常常有人問我賣什麼最好賺?我都說:空氣和水!麵包和蛋糕都是膨發的產品,換句話說,裡面都是塞滿了空氣。現代生活裡,因為方便性且多樣性,幾乎沒人拒絕得了它們!但是,造成其膨發的原因卻差異很大!麵包是因為酵母菌的發酵作用,在潮濕的麵糰裡產生了肉眼很難觀察到的細小二氧化碳氣泡,經過高溫烘焙後氣泡受熱而膨脹變大,因而撐大了麵包的體積。如果同一家麵包店、同一款式的麵包同時重量也一樣的話,那體積大只是代表裡面空氣含量愈多或是氣泡愈大而已,只是消費者常有「數大就是美」的觀念,所以在視覺上體積大的賣的就比較好!當然,同重量但體積太小的麵包代表的是膨發程度不好,也就是一開始的麵糰發麵就沒做好。
製作麵包時所需的麵團。(shutterstock)
反過來看蛋糕,蛋糕的膨發靠的是空氣,是製作過程中用打蛋器打發蛋白和蛋黃所打進去的空氣。所謂的蛋白泡其實就是薄薄的一層蛋白包覆著空氣,不管是蛋黃和蛋白一起打發的全蛋海綿或是分開打發再拌勻的戚風蛋糕,都是裡面充滿空氣氣泡的產品。會做蛋糕的人都知道,蛋的打發其實是很有學問的,打不夠久烘烤後會發的不夠好扁扁的,打太久放涼後又易塌陷,重點是它們都沒辦法補救!其主要的原因都是因為蛋白質的變性,蛋白或蛋黃在被打發的過程中,它的蛋白質結構開始被破壞,也就是氫鍵被破壞的不可逆物理變化,但是因為它不可逆,所以很難被歸類為物理變化,因此一般也都把蛋白質的變性稱為化學變化。

不管蛋糕或麵包,把氣泡做小、做多是品質的關鍵技術,氣泡愈細小、均勻,口感就愈細緻、綿密,師傅級的技術就贏在這裡。另外,做麵包用的是高筋麵粉,而蛋糕用的是低筋麵粉,兩者也不一樣。所謂的筋,其實就是蛋白質,所以高筋、低筋的分別就在於蛋白質含量的多寡。蛋白質和澱粉都不是純物質,是混合物,分子量相當巨大,而且蛋白質比澱粉複雜許多。

結語
廚房中的科學有說不完的故事,細細品味仔細思考,科學都藏在細節裡。走進廚房,發揮你敏銳的觀察力,就會發現到處處都是驚喜和學問!

延伸閱讀
Robert L. Wolke,高雄柏譯,〈馬鈴薯拯救一鍋湯?〉,臉譜出版,2007 年。

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