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如何运用流体力学和弹性力学,做出更好吃的藕粉?

Pixabay / CC0

为了做出更好吃的藕粉,他们用上了流体力学和弹性力学

中科院物理所,没错,我就是那个物理所。

秋风乍起,北京的气温开始断崖式下跌。呼啦啦的寒风吹过,小编捂紧自己的小衣服,却发现头顶传来丝丝凉意。为了保住自己为数不多的头发,小编决定听妈妈的话,为自己泡一碗养生达人必备的藕粉

撕开包装袋,把藕粉倒进碗里,加入热水,搅拌的同时幻想十个月后郁郁葱葱的头顶……但是,等等,这些小颗粒是怎么回事!为什么大家都溶解成水了,你却变成了小粉团!团子,你不对劲。

或许这就叫命运冥冥之中自有安排。几个月后,当小编面对失败的藕粉时,准会想起当年那个面对同样失败的馒头凉皮芋圆的下午。人生再一次遭遇滑铁卢的小编第 N+1 次求助万能的度娘,度娘给出的建议是:「藕粉先用冷水稀释一下,然后一次性冲入 90 度左右的开水,不要直接用热水冲。」得到了答案的小编终于泡出了完美的藕粉,但与此同时也陷入沉思:为什么直接用开水冲藕粉会结块呢?藕粉是怎么从不溶于水的物态变成一碗胶体的呢

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藕粉糊化过程

百思不得其解的小编再次上网搜索,发现藕粉的主要成分是淀粉,而藕粉变成胶状物的过程叫做「淀粉糊化」。淀粉糊化是淀粉在一定含水量一定温度下加热产生的现象。由于淀粉不溶于冷水,将其放入冷水中搅拌会形成乳状悬浮液,也称作淀粉乳;在此条件下对淀粉进行加热,会使其发生不可逆的无序的变化[1]。淀粉糊化过程中一个重要的概念是「糊化温度」,糊化温度是指淀粉发生糊化时的温度,通常用糊化开始和完成的温度来表示淀粉糊化温度的范围[2]。

天然淀粉主要含有直链淀粉支链淀粉。直链淀粉如同绿荷根茎,不蔓不枝,而支链淀粉却像一颗大树,主干上生出许多分叉枝桠。悬浊液中支链淀粉的比例决定了其粘度,支链淀粉含量越多粘度越高;而只有当温度大于糊化温度时,直链淀粉才有会一定溶出量

从上到下为直链淀粉和支链淀粉

莲藕淀粉的糊化温度为 65.8-73.8°C,而且它比较稳定,糊化需要时间较长,只有当加热温度大于最终糊化温度、并且吸水胀润至少两分钟后,水分才能渗透到莲藕淀粉颗粒内部,晶体结构得以开始崩解。随着淀粉颗粒中水分含量的增加,颗粒结构慢慢松散,水会进入淀粉分子间隙中,并依靠氢键的作用,将淀粉分子内的连接部分地断开,渐渐溶胀甚至分裂。直链淀粉分子则在浓度差和热能的作用下逐渐从颗粒中脱离出来并在水中形成直链淀粉溶液的连续相,支链淀粉仍以颗粒或团块的形式存在于水中成为淀粉糊的分散相,直链淀粉扩散形成的基质包裹支链淀粉颗粒或团块形成胶状物。[3-5]

直链淀粉包裹支链淀粉

如果直接用热水冲泡藕粉,部分藕粉没有充分的浸润就开始糊化,而糊化过程不可逆,就容易出现结块夹生的现象。

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影响淀粉糊化的因素

淀粉糊化的过程受到许多因素的影响,它们不仅决定了糊化过程的快慢,也决定了糊化后的黏度和弹性,通俗地说就是最后的口感。一般来说,小颗粒淀粉内部分子间缔合程度大,结构紧密,糊化温度高,即是说需要更高的水温才能变成胶体;直链淀粉分子间结合力较强,因此直链淀粉含量高的淀粉内部结构较紧密,比直链淀粉含量低的淀粉糊化困难,低直链淀粉的黏度更高,糊化温度最低[6]。

但是,这些变量对小编来说太难控制了:毕竟蹲在超市研究藕粉配方时间成本太高,而购买多种藕粉逐一比较,金钱成本又太高。所以综合考虑,只能从人为可控因素入手:藕粉浓度添加剂(糖)。

实验研究证明,莲子淀粉糊表现为典型的非牛顿假塑性流体。非牛顿流体的概念我们之前在《牛顿棺材板压不住时,请祭出此物防身!》中介绍过,它们的黏度不是定值。玉米淀粉糊和能砸开椰子的口香糖都是典型的非牛顿流体,具有「剪切增稠」的特质,遇强则强,用力抓和揉的时候是硬的,一旦放松,它就变成我们印象中无定形的流体。

但莲子淀粉糊并不具有和玉米淀粉糊一样遇强则强的特性,恰恰相反,它是「剪切变稀」的非牛顿流体,黏度会随压力或剪切的增强而降低。比如搅拌后变稀的酸奶,以及在挤压以后呈现液态流动的牙膏,挤得越快越省力;它们都是典型的剪切变稀的非牛顿流体。莲子淀粉糊浓度增大时,黏度值显著提高,这是由于随着莲子淀粉糊浓度的增加,体系的含水量相对减少,淀粉分子之间的相互作用增加,形成具有牢固网络结构的凝胶,所以黏度迅速提高,弹性也更强;与此同时淀粉糊形成三维网络凝胶结构越刚硬,凝胶结构受剪切破坏后,越难恢复到剪切前的状态,剪切稀化程度越明显

作为一个重度甜食嗜好者,小编的藕粉里可以没有藕没有粉,但不能没有糖(雾。那么问题来了,加入糖会对藕粉的糊化产生怎样的影响呢?实验证明[6],糖浓度的增加使莲子淀粉糊黏度曲线上移,随着糖浓度的增加,黏度开始上升时温度变化不大,但表现出协同增黏效应,究其原因是加入糖后,糖分子取代了水分子,与淀粉分子以氢键相连,使得淀粉分子颗粒增大,黏度升高。

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其他种类的淀粉

在烹饪不同的菜品时,我们往往会用到不同种类的淀粉:玉米淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉等等。不同淀粉由于高分子的不同结构链长以及杂质的组成,所以性质也各不相同。例如木薯淀粉,由于木薯原淀粉中支链淀粉与直链淀粉的比率高达 4:1,所以粘性强,吸水性强,糊化之后呈现出透明、Q 弹的块状,常常用来做甜品布丁和水晶饺子皮,小编屡战屡败的芋圆的原料之一就是木薯粉;而玉米淀粉直链淀粉聚合度高,支链淀粉外链较长,因此玉米淀粉易于老化,老化是糊化的逆过程,也就是当温度降低时,淀粉分子自身以及相互之间会部分地重新排列,变回紧密状态,所以玉米淀粉多用于制药或制作糊精葡萄糖,不能用于制作粉条、粉皮等。

玉米淀粉

那又怎样,懂得这么多淀粉,却依旧做不好一个厨子。

参考文献

[1] 钱文文,李帅,王春辉,严守雷,李洁,王清章.不同品种莲藕淀粉的颗粒形态及流变特性研究[J].食品工业科技,2012,33(04):195-199.

[2] 中华人民共和国卫生部食品卫生检验方法(现代部分)[M].技术标准出版社,1979.

[3] 田翠华,严守雷,李洁,彭光华,王清章.莲藕淀粉的糊化特性研究[J].食品科学,2009,30(11):29-32.

[4] 我膨胀了,竟然想到用激光去测宇宙膨胀速度_(:з)∠)_ | No.127

[5] 为什么在水里打不出响指?| No.19

[6]林鸳缘. 莲子淀粉糊特性的研究与应用[D].福建农林大学,2011.

[7]郭泽镔,陈玲,曾绍校,林鸳缘,郑宝东.莲子淀粉糊流变特性的研究[J].中国粮油学报,2014,29(03):30-36.

[8] 【物理原理】非牛顿流体——为什么软口香糖能戳穿硬椰子壳?