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圖源：Pxhere.com
- 導(dǎo) 讀 - 今日中秋，我們來(lái)聊聊美味的烘焙與科學(xué)實(shí)驗(yàn)有何共同之處。 計(jì)量學(xué)研究者拉胡爾·曼達(dá)爾（Rahul Mandal）認(rèn)為，烘焙乃物理、化學(xué)與生物學(xué)的完美結(jié)合，廚房則是人類最古老的實(shí)驗(yàn)室。在下面這篇文章中，32歲的曼達(dá)爾講述了科學(xué)思維如何幫助他成為烘焙達(dá)人，并贏得2018年英國(guó)烘焙大賽冠軍。一直以來(lái)，我都對(duì)烘焙非常感興趣，不僅因?yàn)槲蚁矚g吃東西，也因?yàn)槲蚁矚g為別人準(zhǔn)備食物。一代又一代人付出了大量精力、情感和熱情，致力于讓食物變得美味可口。當(dāng)人們歡聚一堂之時(shí)，一席人的焦點(diǎn)幾乎永遠(yuǎn)是食物。我熱衷的另一項(xiàng)事業(yè)是科學(xué)。我對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)來(lái)源于我喜歡質(zhì)疑的天性，加上我有一開(kāi)口就能滔滔不絕幾個(gè)小時(shí)的本事，所以我父母總是應(yīng)對(duì)不暇。當(dāng)我還是個(gè)小孩的時(shí)候，對(duì)雨非常著迷。在印度，下雨是件大事，特別是在季風(fēng)季節(jié)，炎炎夏日的熱浪過(guò)后，雨水是愜意舒適生活的預(yù)兆。我總是很好奇雨水來(lái)自何方。我那時(shí)渾然不知?dú)饣罄淠纬稍频乃?，在烘焙中也以水蒸氣的形態(tài)擔(dān)當(dāng)著讓面包膨起，讓油酥糕點(diǎn)變得松軟的重任。拉胡爾·曼爾達(dá)（Rahul Mandal）是烘焙師，也是工程學(xué)研究者，現(xiàn)為英國(guó)謝菲爾德大學(xué)核先進(jìn)制造研究所的助理研究員，專業(yè)是工程組件的光學(xué)測(cè)量，英國(guó) Channel 4 電視臺(tái)2018年《英國(guó)烘焙大賽》節(jié)目的冠軍。對(duì)我來(lái)說(shuō)，烘焙是物理、化學(xué)與生物學(xué)完美的結(jié)合。我們將各種可食用的化學(xué)物質(zhì)混合做出面團(tuán)或面糊，并讓其中充滿微小的氣泡，這所應(yīng)用的是化學(xué)原理。我們用酵母培養(yǎng)物產(chǎn)生的二氧化碳讓面包膨發(fā)起來(lái)，這是生物學(xué)原理發(fā)揮了作用。面團(tuán)和面糊里面的氣泡體積膨脹，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(guó)烘焙大賽》對(duì)我來(lái)說(shuō)是非常有意義的經(jīng)歷。除了來(lái)到比賽現(xiàn)場(chǎng)以外，有機(jī)會(huì)研究烘焙的科學(xué)原理、在幾百萬(wàn)人面前做現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)都讓人無(wú)比興奮。烘焙和做其他實(shí)驗(yàn)一樣，理解原理是保證成品質(zhì)量的關(guān)鍵。烘焙前的設(shè)計(jì)和規(guī)劃至關(guān)重要，這一點(diǎn)也和在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究非常類似。你必須要認(rèn)真考慮每一個(gè)獨(dú)立變量，從原料的比例到廚房的環(huán)境，再到成品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，所有這些因素都發(fā)揮著重要的作用。你甚至可以說(shuō)，廚房就是人類最古老的實(shí)驗(yàn)室。世界各地的人都會(huì)吃烘焙食品，其中最常見(jiàn)的是各種各樣的蛋糕、面包和餅干。在不同的國(guó)家和文化當(dāng)中，它們都是人們?nèi)粘ｏ嬍车囊徊糠帧２贿^(guò)這些食物的具體形態(tài)會(huì)因?yàn)楫?dāng)?shù)毓任锓N類（包括小麥、玉米、大麥、燕麥、大米和一些其他谷物）、氣候和人們的生活方式的不同而有所變化。不過(guò)制作任何烘焙食品的第一步都是將谷物磨成粉，然后將谷物粉與液體物質(zhì)、油脂混合在一起形成膏狀、團(tuán)狀或糊狀的混合物。每種混合物都會(huì)產(chǎn)生不同類型和質(zhì)感的面包、蛋糕或餅干。作為 STEM 大使，我會(huì)定期去學(xué)校、參加活動(dòng)，鼓勵(lì)年輕人提高科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)方面的技能，并從事相關(guān)工作。我進(jìn)行這一工作的方式就是向?qū)W生們講述烘焙背后的科學(xué)原理，給他們派發(fā)各種烘焙食品，并問(wèn)他們相同的原料如何產(chǎn)出如此不同的食品。孩子們很快就會(huì)就會(huì)告訴你，蛋糕質(zhì)感膨松、柔軟、像海綿一樣，還很有彈性。面包也是松軟有彈性的，不過(guò)也有嚼勁。而餅干質(zhì)地扎實(shí)，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面粉、油脂、糖和雞蛋做成的（見(jiàn)下表），這也是它們質(zhì)感不同的原因之一。另一方面原因在于其他原料的不同，比如蛋糕中的泡打粉和面包中的酵母，這些材料會(huì)讓混合物體積膨脹，產(chǎn)生充滿輕盈的海綿似的質(zhì)感。這兩方面因素對(duì)于讓面糊或面團(tuán)中富含二氧化碳都很重要。雖然維多利亞海綿蛋糕、布里歐修面包和餅干使用的基本原料類似（見(jiàn)上表），但是這三種后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(fā)胖的，使用1:1:1的油脂、面粉、糖和雞蛋，所以質(zhì)地柔軟濕潤(rùn)。布里歐修面包的質(zhì)地則更有嚼勁和彈性，因?yàn)槊鎴F(tuán)在反復(fù)揉捏的過(guò)程中形成了大量麩質(zhì)。餅干的質(zhì)地松脆，因?yàn)樵袭?dāng)中水分相對(duì)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。泡打粉是碳酸鈉和塔塔粉（酒石酸氫鉀）等無(wú)水酸性物質(zhì)的混合物。這種混合物在干燥狀態(tài)下，性質(zhì)不活潑，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是如果泡打粉加到蛋糕面糊當(dāng)中時(shí)，其中的液體會(huì)讓泡打粉發(fā)生反應(yīng)，生成大量微小的二氧化碳?xì)馀萏畛湓诿婧?dāng)中。為了讓二氧化碳的產(chǎn)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(gè)階段，也就是說(shuō)在混合面糊和進(jìn)行烤制的時(shí)候都能產(chǎn)生二氧化碳。（有的烘焙配方要求使用自發(fā)粉而不需要使用泡打粉，其實(shí)這種自發(fā)粉當(dāng)中含有泡打粉，能夠在烘焙過(guò)程中讓面團(tuán)膨大。）另一種往蛋糕面糊里充入氣泡的方式要費(fèi)時(shí)費(fèi)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(lái)攪打。在攪打的過(guò)程中，不斷有空氣混合到黃油和糖中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)混合物的顏色逐漸變化，一開(kāi)始混合物的顏色是和黃油一樣的金黃色，當(dāng)打發(fā)到位的時(shí)候會(huì)變成奶油質(zhì)感的乳白色。對(duì)于面包來(lái)說(shuō)，讓面團(tuán)膨脹的方法跟上面說(shuō)的不太一樣。面團(tuán)當(dāng)中的氣泡是酵母產(chǎn)生的。這是極為最常見(jiàn)的真菌，廣泛存在于空氣之中，我們常見(jiàn)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(shí)只有少數(shù)幾種，它們被大量生產(chǎn)用于制作面包和釀造啤酒。把酵母加入面團(tuán)后，酵母會(huì)以面粉當(dāng)中的碳水化合物為養(yǎng)料，同時(shí)產(chǎn)生副產(chǎn)物二氧化碳，所以面團(tuán)在醒發(fā)的時(shí)候體積就會(huì)膨脹。對(duì)于制作柔軟膨松的烘焙食品來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是要在進(jìn)入烤爐之前讓它們內(nèi)部充入氣體。在高溫環(huán)境下，它們會(huì)發(fā)生神奇的事情（物理現(xiàn)象），面團(tuán)或者面糊就會(huì)搖身一變成為柔軟的面包或松軟的蛋糕。拉胡爾·曼爾達(dá)現(xiàn)為英國(guó)謝菲爾德大學(xué)核先進(jìn)制造研究所的助理研究員。圖源：https://www. 我們能夠?qū)⒖鞠洚?dāng)中發(fā)生的高溫反應(yīng)分成三個(gè)階段：膨脹、定型和上色。在膨脹階段，面團(tuán)或面糊的體積會(huì)達(dá)到最大?？鞠渲械臒崃繒?huì)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(duì)溫度成正比。這樣我們就得到了烘焙食品熟悉的膨松質(zhì)感。除此之外，這個(gè)階段中，水分子開(kāi)始蒸發(fā)形成水蒸氣，這也會(huì)讓面團(tuán)膨脹，讓烘焙食品的體積增大。在定型階段，雞蛋、面粉等成分開(kāi)始形成烘焙食品的基本框架。蜷縮的蛋白分子開(kāi)始變性或展開(kāi)，凝結(jié)變硬。淀粉分子吸收水分后溶脹、分解形成膠體，也就是糊化。這兩者會(huì)讓蛋糕或面包內(nèi)擁有海綿樣的組織結(jié)構(gòu)。在最后的上色階段，食物的形狀穩(wěn)定下來(lái)。食物表面的蛋白質(zhì)和糖發(fā)生反應(yīng)，形成漂亮的金棕色外表皮。這個(gè)過(guò)程就是美拉德反應(yīng)（Maillard Reaction），如果溫度更高也能夠產(chǎn)生焦糖化反應(yīng)。在不同的條件和原料組合下，美拉德反應(yīng)能夠生成數(shù)百種不同風(fēng)味的化合物，這種簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)同樣賦予了烘焙咖啡豆、煎烤肉類獨(dú)特的味道。現(xiàn)在我們來(lái)聊聊更硬、更脆的烘焙食品——油酥糕點(diǎn)和餅干。這兩種食物和面包、蛋糕略有不同，不過(guò)基本原料還是非常類似的：面粉、油脂和水，有時(shí)候會(huì)加入雞蛋或糖。讓油酥糕點(diǎn)酥松膨脹的不是二氧化碳，而是水和油脂在焙烤過(guò)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(dāng)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(guò)程中，水分蒸發(fā)會(huì)形成水蒸氣，隨著溫度升高水蒸氣的體積也會(huì)增加，讓面粉中的分子和層與層之間產(chǎn)生空隙。不同油酥糕點(diǎn)所含的黃油或油脂比例不同，會(huì)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(zhì)感（見(jiàn)下表）。奶油酥皮疏松易碎，以蛋撻為代表。制作它通常都要把面粉和黃油一起搓成面包屑狀，然后用一點(diǎn)水（有的食譜會(huì)用雞蛋或蛋黃）把面包屑一樣的粉揉成面團(tuán)。所有材料捏成團(tuán)后，面團(tuán)當(dāng)中包裹著分散來(lái)開(kāi)的小團(tuán)的油脂。在烘烤過(guò)程中黃油融化，其中的水分蒸發(fā)，形成小團(tuán)水蒸氣體積變大，讓小面塊彼此分開(kāi)。于是就形成了這種點(diǎn)心松脆的質(zhì)地。法蘭酥皮的黃油用量比松脆油酥更多，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(jìn)面團(tuán)或者折疊到面團(tuán)里面-注意不要讓黃油融化在面團(tuán)里面，不然最后的成品就像奶油酥皮一樣了。烘烤時(shí)，油脂碎塊產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)讓面團(tuán)的層與層之間分離，形成層層分明的質(zhì)感。千層酥的制作需要消耗大量時(shí)間精力（所以不用因?yàn)樽约嘿I半成品千層酥而不好意思，很多職業(yè)廚師也會(huì)這么做）。用面團(tuán)包裹住黃油后，反復(fù)將面團(tuán)折疊、搟平，最后形成許多非常薄的面餅層疊起來(lái)的結(jié)構(gòu)。烘烤過(guò)程中，黃油融化形成水蒸氣，讓一層一層的面餅相互分開(kāi)，產(chǎn)生我們所看到的千層酥的結(jié)構(gòu)。泡芙是最復(fù)雜的油酥糕點(diǎn)。烘烤過(guò)程中，泡芙油酥能夠形成一層非常脆的外殼，內(nèi)部則是空心結(jié)構(gòu)，可以填入美味的內(nèi)陷。要掌握這種油酥的制作，需要費(fèi)點(diǎn)工夫練習(xí)。做泡芙的要義是它要經(jīng)過(guò)兩次加熱。面粉在準(zhǔn)備揉成面團(tuán)的時(shí)候進(jìn)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(huì)發(fā)現(xiàn)跟其他油酥糕點(diǎn)相比，它需要大量水分，幾乎是面粉體積的兩倍，并且還需要加入雞蛋。烘烤時(shí)，水分受熱形成水蒸氣，根據(jù)物理學(xué)定律，隨著溫度上升，水蒸氣的體積會(huì)變大，讓油酥面團(tuán)脹開(kāi)，內(nèi)部形成空洞，而外部的面團(tuán)則形成脆殼。我發(fā)現(xiàn)，給年紀(jì)小的學(xué)生講烘焙中的科學(xué)很容易讓他們開(kāi)始思考如何解釋現(xiàn)實(shí)生活中習(xí)以為常的現(xiàn)象。如果在講解科學(xué)知識(shí)的時(shí)候能吃些美味的食物，學(xué)習(xí)就變得更有吸引力了。在學(xué)校里，很多時(shí)候我們都忘了用有趣的方式把科學(xué)原理和它們的應(yīng)用結(jié)合起來(lái)講給學(xué)生。這導(dǎo)致學(xué)習(xí)變得枯燥無(wú)味，而這是完全不必要的，因?yàn)樗瑢W(xué)習(xí)科學(xué)的本意背道而馳。回想一下你小時(shí)候是如何學(xué)習(xí)加法的。大人會(huì)問(wèn)你，假設(shè)你有兩塊糖，然后你的朋友又給了你兩塊糖，那么你現(xiàn)在有幾塊糖了呢？用糖來(lái)打比方可能讓你學(xué)得快了一些。同理，如果你想讓孩子對(duì)科學(xué)感興趣，想辦法讓他們發(fā)現(xiàn)科學(xué)與日常生活間意想不到的聯(lián)系，可能會(huì)大有裨益。要做到這一點(diǎn)也很簡(jiǎn)單，比如引導(dǎo)他們思考一下泡茶的時(shí)候，燒水壺中的水會(huì)產(chǎn)生什么變化?；蛘吒鼜?fù)雜一點(diǎn)，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(xué)核先進(jìn)制造研究所最近舉辦的 STEM 活動(dòng)中，我們讓孩子們動(dòng)手試著利用巧克力進(jìn)行“焊接”-使用融化的巧克力把薄板做成箱子，然后測(cè)試它們能夠承受多大的破壞力。將烘焙和美食的樂(lè)趣與科學(xué)和工程相結(jié)合，能讓你更好地體會(huì)到兩個(gè)世界的美妙。
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