泡麵為什麼總是彎的－136個廚房裡的科學謎題

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資料來源: 科學研習月刊57-10

文
白榮銓 /臺中市居仁國中退休教師

現代人不只喜愛享用美食，更想了解鍋具及食物的「物理性質與化學性質」，例如如何挑選鍋具、食品營養標示上脂肪（fat）含量的疑義、脂肪的性質以及對人體健康的影響。另外，人們還想進一步了解與烹飪相關的「物理變化與化學變化」，例如：加入「生馬鈴薯」（raw potato）是否能拯救一鍋較鹹的湯？梅納反應（Maillard reaction）與焦糖化（caramelization）對食物色澤及風味有何影響？

本書作者沃克（Robert Wolke, 1928-）是美國匹茲堡大學（University of Pittsburgh）榮譽化學教授，曾為《華盛頓郵報》（The Washington Post）撰寫「美食101」專欄（Food 101），長達10年，而且是多本暢銷科普書籍的作者。沃克曾獲得詹姆斯比爾德基金會（James Beard Foundation）最佳報紙專欄獎，以及國際烹飪專業人員協會博特葛林獎（International Association of Culinary Professionals ' Bert Greene Award）的最佳報紙飲食寫作獎。本書彙整了沃克回答餐廳大廚和《華盛頓郵報》專欄裡讀者詢問的一百多個問題，每一個問答單元都是獨立的，不需具備深奧的科學概念就能閱讀，有些主題是相互關連，有助於增進讀者的理解。

為什麼吃剩的義大利麵，不要用鋁箔覆蓋？

《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：家中吃剩的義大利麵用鋁箔覆蓋，放入冰箱裡，當拿出來加熱時，發現鋁箔紙與義大利麵醬料接觸的地方，竟然出現小洞，為什麼？難道這是因為鋁箔，被番茄醬裡的檸檬酸與其他有機酸侵襲，還是另有其他原因？

只有裝剩菜的容器是金屬製（例如不鏽鋼鍋或不鏽鋼碗）的時候，番茄醬才會腐蝕蓋在上面的鋁箔，如果容器是玻璃或者塑膠製的，就不會發生這種情況。當鋁接觸到另一種金屬，以及番茄醬那樣會導電的物質，這三種物質的組合就構成了電池。腐蝕鋁箔不是單純的金屬與酸作用，而是電的作用，更精確地說，這是電解反應。

1780年，義大利的科學家賈法尼（Luigi Galvani, 1737-1798）在偶然的情況下，以銅製的解剖刀，碰到置於鐵盤內的青蛙，青蛙立刻發生抽搐現象，激發青蛙肌肉產生運動的力量，賈法尼稱之為「動物電」（animal electricity）。1791年，義大利的科學家伏打（Alessandro Volta, 1745-1827）認為這只是青蛙在兩種金屬之間傳導電流，他稱之為「金屬電」（metallic electricity）。1800年，伏打將含有濃食鹽水的濕布，夾在銀板與鋅板的中間，然後依照「銀→布→鋅→銀→布→鋅……」的順序，堆疊成一堆圓柱，最後以導線連接最上層的銀板，與最下層的鋅板，成功地製造出最早的化學電池，稱為「伏打堆」（voltaic pile，圖1）。

圖1. 伏打堆(圖片來源)

這可以解釋「為什麼鋁箔與番茄醬接觸的地方會出現小洞」，這是因為不鏽鋼碗的材質大部分是鐵，鐵和鋁具有不同的氧化活性，鋁的氧化活性大於鐵，所以有機會時，不鏽鋼碗的鐵原子，會從鋁箔搶走電子，而番茄醬正好提供路徑，使得電子從上方的鋁箔，轉移至下方的鐵碗。失去電子的鋁不再是金屬的鋁原子，它成為溶解在番茄醬裡的化合物，所以只有在番茄醬造成電子轉移可能發生的地方，才能看到鋁箔溶解。若將不鏽鋼碗，改為塑膠碗或玻璃碗，則覆蓋的鋁箔就不會因電解作用而產生小洞。

厚重的煎鍋品質比較好？

《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：我想買高品質的多用途煎鍋（general purpose frying pan），但是市面上的產品種類繁多，我應該如何挑選？
理想的煎鍋應該具備底下的條件：
（1）爐火的熱可以均勻分布煎鍋表面，
（2）迅速傳熱到食物，
（3）對爐火的調整做出迅速反應。

這可以歸結到兩個性質--厚度與導熱性，亦即應該找尋較厚的、能夠高效率導熱的金屬鍋。如果把室溫下的食材，放進高溫的單薄煎鍋時，食材會從金屬吸收足夠的熱，使鍋子低於最佳烹飪溫度。除此之外，爐火的熱會在還沒擴散之前，就透過單薄煎鍋的底部抵達食物，造成食物的特定區域燒焦，但是厚重的煎鍋，卻能在這些變化的情況下，保持較穩定的烹飪溫度。

最關鍵的還是鍋子的導熱性，為什麼好的煎鍋必須具備高導熱率（thermal conductivity）？有三個原因，如下：
（1）煎鍋必須迅速有效地傳熱到食物，在傳熱很慢的玻璃或陶瓷鍋具，幾乎不適合煎炒食物；
（2）煎鍋的表面要處於相同溫度，即使爐火不均勻，高導熱的鍋底會迅速扯平這些不均勻性，讓食物受熱均勻；
（3）煎和爆炒需要不斷地保持食物處於特定溫度而不燒焦，所以必須時常調整爐火，而高導熱率金屬製造的煎鍋，幾乎能對爐火調整，很快地做出反應

煎鍋有不同的材質，例如銅，鋁和不鏽鋼，各自有其優點，可以透過層疊金屬（layering the metals）的技術加以組合，例如使用銅底（copper bottom）、鋁芯（aluminum core）以及不鏽鋼內部等三層，組合的煎鍋（圖2）。層疊金屬的鍋子，依不同的功能，有不同材質層的組合，例如底部是讓鍋子能用於電磁爐的磁性不鏽鋼（magnetic stainless steel exterior，圖3），中間是讓鍋子能迅速改變溫度的鋁和銅，最上面是能幫助鍋子具有抗腐蝕與抗氧化的「18/10不鏽鋼」（18/10指的是18%鉻，10%鎳）。

圖2. 三層組合的煎鍋(圖片來源)

圖3. 五層組合的湯鍋(圖片來源)

焦糖化與梅納反應有何異同？

《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：食譜要我把洋蔥焦糖化，焦糖化就是將食物加熱至呈現焦褐狀態嗎？

食品因加熱或氧化等化學作用，所引起之褐色，稱為「褐變反應」（browning reaction），例如焦糖化與梅納反應。醣類在無胺基化合物（amino compound）的情況下，被加熱到攝氏約一百多度，就會融成液體，若繼續加熱，顏色就會由黃色，變成淺褐色及深褐色，這就是焦糖化。焦糖化是只含有糖，不含蛋白質的食物，被加熱至焦褐狀態，它包括了化學家尚未完全瞭解的一連串複雜的化學反應。

食譜裡的焦糖洋蔥（caramelized onions，圖4），可以不用加糖下去炒，但是洋蔥經久炒之後，水分蒸發，洋蔥會由透明轉變為褐色，嘗起來味道非常甜美。雖然洋蔥確實含有醣類，烹煮時有助於產生金黃色澤與甜味，故存在焦糖化反應。但是焦糖洋蔥發生的褐變反應，主要還是來自加熱蛋白質與還原糖（reducing sugar，例葡萄糖、果糖）所致，嚴格的說，焦糖洋蔥並不是「焦糖化」。

圖4. 焦糖洋蔥(圖片來源)

梅納反應是指食物中的碳水化合物與蛋白質，受熱至攝氏120度以上的高溫時，所發生的一系列複雜反應。反應過程中，會產生許多風味十足但無法辨識的化合物，這些物質為食品提供了可口的風味和誘人的色澤（圖5）。1912年，法國化學家梅納（Louis Camille Maillard, 1878-1936）曾定性描述它的初步反應，故後來的科學家，將這個反應命名為梅納反應。梅納反應將美好的風味賦予微焦的、含有碳水化合物與蛋白質的食物，例如呈現焦褐色燒烤過的肉（牛肉、豬肉、鮭魚與雞肉）與焦糖洋蔥等。

圖5. 焦褐色的牛排(圖片來源)

馬鈴薯拯救了一鍋湯？

《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：煮湯時，我不小心放了太多的鹽，有沒有補救辦法？聽說生馬鈴薯可以吸收過多的鹽分？

幾乎每個人都聽過這種說法：「煮湯時，不小心加了太多食鹽，可以放幾塊生馬鈴薯進去煮，它們會吸收一部分的鹽，這樣就可以挽救一鍋美味的湯」（圖6），和許多時常聽到的偏方一樣，大多沒有經過科學測試。本書作者準備了兩鍋（實驗組和對照組）添加食鹽的水，做為「模擬湯樣本」（mock soup sample）。由於很多的食譜都是從4夸脫（quart）的湯，加1茶匙（teaspoonful）的鹽開始，一邊品嚐，一邊加鹽，直到味道剛剛好為止，所以作者的一號樣本是每夸脫的水，溶解1茶匙的鹽；二號樣本是每夸脫的水，溶解1大匙（tablespoon，約等於3茶匙）的鹽。

圖6. 煮雞湯加入馬鈴薯測試(圖片來源)

這兩份「模擬湯樣本」的鹹度，分別是食譜一開始調理湯鹹度的4倍和12倍，然後將相同體積的湯樣本，分別裝在相同大小和材質的鍋子，同時置於相同的爐子上加熱，直到沸騰，最後分別加入6片1/4英寸厚（總表面積各為300平方公分）的生馬鈴薯，在蓋得很緊的鍋裡，繼續用小火煮20鐘，取出馬鈴薯，靜候兩鍋湯樣本冷卻。測試時使用馬鈴薯切片，而不是馬鈴薯塊，目的是使馬鈴薯與鹽水充份接觸，讓接觸面積達到最大。

本書作者和身為美食評論家的妻子馬琳（Marlene Parrish）品嚐馬鈴薯切片的鹹度，馬琳根本不知道馬鈴薯切片來自那一個樣本，品嚐結果：加一茶匙鹽，煮過的馬鈴薯味道是鹹的；加一大茶匙鹽，煮過的馬鈴薯味道更鹹，但這只是意味著煮過的馬鈴薯吸收了鹽水，但是馬鈴薯不見得會吸走水裡的鹽。「模擬湯樣本」的導電度測試結果：加入馬鈴薯燉煮之前，與之後的導電度，沒有檢測到差異（no detectable difference），即無論是每夸脫水溶解一茶匙鹽，或是每夸脫水加一大匙鹽，加馬鈴薯的處理方式應是無效的。

有意思的是，本書作者實驗發現：加入馬鈴薯燉煮之後的鹽水導電度，反而稍微高於沒有加馬鈴薯燉煮之後的鹽水導電度，這應是馬鈴薯的含鉀量較高所致。鉀的化合物與鈉的化合物一樣會導電，為了修正這個影響，本書作者將馬鈴薯燉煮的鹽水導電度，減掉馬鈴薯提供的導電度；並盡量將鍋蓋緊密蓋住，使用小火燉煮，雖然水分仍有可能從鍋裡蒸發，使得鹽水的導電度增加，但是在修正馬鈴薯提供的導電度之後，沒有發現水分蒸發帶來的影響，故本書作者的論證應是嚴密可信。

為什麼食品標籤上的脂肪含量數值有誤差？

《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：為什麼食品營養標示的飽和脂肪（saturated fat）、單不飽和脂肪（monounsaturated fat）和多不飽和脂肪（polyunsaturated fat）的公克數，全部加總的含量，低於總脂肪（total fat）的公克數？是否有其他種類的脂肪沒有列出來？

不只美國食品的營養標示，有這樣讓消費者不解的現象，國內食品的營養標示也有類似的情況，以國產某廠牌的高纖蘇打餅乾為例，包裝盒上的營養標示（圖7）「脂肪4.1公克---飽和脂肪（酸）1.9公克、反式脂肪（酸）0公克」，為什麼兩者相加之後，小於脂肪4.1公克？飽和脂肪、單不飽和脂肪與多不飽和脂肪的含量總和，不是應該等於總脂肪含量？其實，脂肪分子包含兩大部份：甘油與脂肪酸（fatty acid），標示上的「總脂肪」公克數，是所有的「脂肪」分子，包括甘油的重量總和。但是標示上的「飽和脂肪」、「單不飽和脂肪」與「多不飽和脂肪」，只是「脂肪酸」的重量，甘油分子的重量並沒有列入，故加總之後，小於「總脂肪」的公克數。

圖7. 高纖蘇打餅乾的營養標示（圖片來源：白榮銓老師）

2018年4月，我國衛生福利部公告修正「包裝食品營養標示應遵行事項」，提到：飽和脂肪得以標示為「飽和脂肪」或「飽和脂肪酸」（saturated fatty acid），反式脂肪得以標示「反式脂肪」或是「反式脂肪酸」（trans fatty acid）。為什麼美國食品的營養標示是「脂肪」，而不標示「脂肪酸」？依據美國食品與藥物管理局（U.S. Food and Drug Administration, FDA）網頁的說法，有兩個可能原因：
（1）大眾只想知道脂肪裡面含有飽和與不飽和的相對分量，
（2）標籤上的空間極為有限，「脂肪酸」一詞占的空間比「脂肪」多。當時（2001年）的FDA網頁承認：因為沒有包括反式脂肪酸在內，營養標示還有更多含混之處。

常溫下液態植物油中的不飽和脂肪酸（unsaturated fatty acid）容易氧化、不耐長時間的高溫烹調，為了提高油的穩定度、延長保存期限、降低成本、以及改善食品口感，工業上將植物油以氫化（hydrogenated）加工處理，使其轉為半固態的形式，成為氫化油（hydrogenated oil）。如果氫化反應能夠完全進行，則會得到「完全氫化油」（fully hydrogenated oil，FHOs），但完全氫化的脂肪往往非常堅硬，應用價值低；因此市售的氫化油大多是「不完全氫化油」（partially hydrogenated oil, PHOs），不完全氫化油往往被用於食品加工過程，例如烘焙或油炸食物。

但是不完全氫化油，在加工過程會改變脂肪的分子結構，產生的反式脂肪，可能增加人體的發炎反應，而發炎反應正是動脈硬化、糖尿病及多種癌症的起因之一，不但會提高人體內的「壞膽固醇」（LDL）和三酸甘油脂，還會減少「好膽固醇」（HDL），被認為對心臟血管疾病的危害最大。

近年來，世界各國的健康意識抬頭，各國政府開始重視不完全氫化油，對人體健康產生的負面影響。2015年6月，美國FDA正式發布通知：未來除非經美國FDA許可之食品外，皆不允許使用不完全氫化油，以避免加工食品中含有人工反式脂肪，並給予食品業者三年時間調整因應此規定。2016年4月，我國衛生福利部發布訂定「食用氫化油之使用限制」，規定：「自2018年7月1日起（以標示之製造日期為準），食品中不得使用不完全氫化油」

脂肪與脂肪酸相同嗎？

《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：當我閱讀有關「飽和脂肪」和「不飽和脂肪」的文章時，很多文章常常無預警地，從「脂肪」切換到「脂肪酸」，幾乎是在兩個「術語」（term）之間隨機來回，好像它們（脂肪、脂肪酸）是同一東西，它們是嗎？如果不是，它們有什麼不同？

在中文的一般用語，人們往往將常溫下，呈現液狀的食用「油脂」（oil and fat），稱作「油」（oil）；而將常溫下，呈現固狀的食用油脂，稱作「脂肪」（fat）。大多數的油脂分子含有三個脂肪酸分子，三個脂肪酸與甘油會形成三酸甘油酯（triacylglycerol），油脂的主要成分是三酸甘油酯。脂肪酸是羧酸（carboxylic acid）家族的成員之一，就酸性而言，它們是很弱的酸。脂肪酸依含碳的數量，可分為短鏈（碳數4-6個）、中鏈（碳數8-12個）與長鏈（碳數大於或等於14個），脂肪酸有可能是飽和或不飽和，到底飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸的結構，有何不同？

若脂肪酸分子的碳鏈所能結合的氫原子數，達到最大值，則這種脂肪酸被稱為「飽和脂肪酸」（圖8），例如硬脂酸（stearic acid）；若脂肪酸分子的碳鏈某處，缺了一對氫原子，即分子中有一對雙鍵（double bond）存在，則這種脂肪酸稱為「單不飽和脂肪酸」（monounsaturated fatty acid），例如油酸（oleic acid）；若脂肪酸分子的碳鏈，缺了兩對或更多對的氫原子，即分子中有兩對或更多對雙鍵存在，則這種脂肪酸稱為「多不飽和脂肪酸」（polyunsaturated fatty acid），例如亞麻油酸（linoleic acid）。

圖8. 飽和、單不飽和與多不飽和脂肪酸(圖片來源)

同一脂肪所含的脂肪酸分子，有可能全都屬於同一種類，也有可能是不同種類的組合。「飽和脂肪」是指飽和脂肪酸和甘油形成的脂肪，含有的脂肪酸分子中，沒有不飽和鍵（雙鍵）；「單不飽和脂肪」是指含有的脂肪酸分子中，只有一個雙鍵；至於含有兩個雙鍵以上的，則稱為「多不飽和脂肪」。一般而言，比較短的分子鏈與比較少的飽和脂肪酸，形成比較軟的脂肪；比較長的分子鏈與較多的飽和脂肪酸，形成比較硬的脂肪。這是因為在不飽和的脂肪酸裡面，只要缺了一對氫原子（即有一對雙鍵存在），脂肪酸分子就有一個扭結（kink），於是脂肪分子不能緊密靠攏，以形成密實的結構，故這種脂肪就更像是液體而非固體。

因此，飽和脂肪酸成分比較低的植物脂肪，傾向於呈現液狀；飽和脂肪酸成分比較高的動物脂肪，傾向於呈現固狀。飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸，各有優缺點，目前市售的食用油中，都含有不同比例的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、以及多不飽和脂肪酸等。攝食不飽和脂肪酸有助於降低血液中膽固醇的含量，減少心血管疾病的風險，但是多不飽和脂肪酸的化學性質不穩定，受到光線的照射或高溫影響時，容易加速氧化速率，故不飽和脂肪酸含量高的油，最好在室溫下保存，並避免陽光直接照射（圖9）；高飽和脂肪酸的油脂較耐高溫，適合用於高溫油炸等烹調，但是攝取量多，容易使血液中的膽固醇值升高，造成血管硬化。

圖9. 橄欖油瓶上的脂肪含量標示（圖片來源：白榮銓老師）

綜合上述，吃剩的義大利麵，用鋁箔覆蓋，鋁箔上產生小洞，主要原因是發生電解作用；利用鋁、銅導熱快的特性，做為不同金屬夾層的材料，然後以不鏽鋼包覆外表，就能製成美觀實用、加熱效率佳的多層複合金鍋具；焦糖化與梅納反應，都是給食物添增美味的科學訣竅；馬鈴薯拯救了一鍋湯，看似可行，卻是錯誤的迷思；食品營養標示上的脂肪含量包含甘油，而脂肪項目下的只是飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸，難怪加總後的數值，不等於脂肪總含量；不精準使用「油、油脂、脂肪和脂肪酸」等術語的文章與標示，常造成一般民眾混淆不清。至於書中還有那些廚房裡的科學謎題？背後的科學原理又是什麼？這些都有待您進一步的閱讀與思考！