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蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第1张图片:Sohu.com

作者向菲菲

编辑齐的翻译和引用

在一次学术访问中,意大利超导物理学家安德烈·瓦拉莫夫来到复旦大学。陈艳教授和他的学生周政带他参观了上海,包子、饺子和火锅给他留下了深刻的印象。

接下来,三人一起用热力学的知识分析了这些食物的烹饪过程,试图回答一个重要的问题:为什么蒸、煮、涮都是利用水的沸腾来烹饪,但做出的食物味道和口感却如此不同。本文于2018年6月在线发表(论文链接)。

假设一个理想的球形肉丸...

假设首先要研究的包子和饺子都是肉馅的,那么做包子和饺子的过程就涉及到肉从生到熟的过程。

肉制品是由一系列复杂的蛋白质组成的。生肉中的蛋白质呈缠结的长链状。在加热过程中,随着温度的升高,蛋白质长链开始打开并拉直。当温度达到肉制品的临界温度Td时,蛋白质的长链就会被“挤压”成地毯状。这个过程就是蛋白质的变性。不同肉类的临界温度略有不同,但一般来说,蛋白质变性通常发生在相对较低的温度:肉类的变性温度在55℃至80℃之间,而鱼类的温度更低。简而言之,我们可以确认沸水煮过的肉的蛋白质已经完全变性了。

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第2张蛋白质的降解过程。|图片来自报纸

从物理学的角度来看,生肉和熟肉的区别在于蛋白质的状态不同,也就是它们的能量不同。要使蛋白质变性,需要跨越一个能量屏障。在室温下,这个能垒相对较高。在烹饪的过程中,随着温度的逐渐升高,蛋白质中的能量也会发生相应的变化。当达到下图的最高点时,蛋白质会进入新的状态,发生变性,肉就做好了。这就是煮肉的过程。

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第3张蛋白质温度升高时跨越能量垒示意图。|图片来自报纸

就物理过程而言,无论是包子还是饺子,烹饪的最终目的都是为了使里面的肉馅成熟,即在烹饪过程中使温度达到能使给定体积的肉开始变性的最低温度。蒸和煮都能为包子和饺子里的肉馅提供100℃的温度。因此,基于以上描述,作者提出了最简单的烹调肉类的模型:假设待烹调的肉类是一个均匀的肉丸,形状为球形对称,半径为R,初始温度为T0,导热系数为κ,放置在一个固定温度为Te的环境中。那么肉丸中间部分达到温度Tg需要多久呢?

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第4张热量透过球形对称的肉丸。|图片来自报纸

在数学物理中,球体内部的热传导过程由一个复杂的微分方程描述:

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第5张其中T(r,T)为r点和T时间的温度,κ为导热系数,ρ为密度,C为比热。因为蒸和煮都能为肉丸提供100℃的温度。因此,

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第6张假设包子和饺子刚从冰箱里拿出来,那么整个肉丸的温度是4°C:

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第7张等式(2)和(3)确定了微分方程的边界条件。把这三个公式给数学家,然后告诉他们肉的导热系数、密度、比热,他们就能写出世界上最准确的炖肉食谱。

为什么馒头这么好吃,汁多?

蒸的过程是用100℃的水蒸气加热放在里面的食物,瓦拉莫夫和他的合作者提出的问题是如何在热力学上维持包子表面100℃的温度。

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第8张图片来自Pixabay

4℃刚从冰箱里拿出来的冷馒头放入蒸笼时,馒头表面附近的水蒸气极度过饱和。它们开始在包子表面迅速凝结,并迅速升温至环境温度-100℃。

假设温度的跃变发生在靠近包子表面很小的区域,再次使用边界条件(2)和(3)以及公式(1);在蒸的过程中,热流是由每秒钟“降落”在1cm2馒头表面的水蒸气提供的,所以单位时间内每平方厘米馒头皮上凝结的水分子数为

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第9张其中γ代表蒸发比热,N(t)是单位时间内凝聚分子的数量,m(t)是凝聚分子的质量,NA是阿伏伽德罗常数,μH2O是水分子的分子质量。

包子可以“感知”维持100℃的表面温度需要多少热流,因此,我们只需要知道水蒸气从哪里来,就可以知道在给定的一秒钟内,包子表面一平方厘米上会凝结多少水分子。

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第10张蒸饺中水的相图。图片来源纸

蒸和煮相比有什么优势?作者在论文中指出:“由于扩散作用,水分渗透到馄饨中,并与馄饨中的肉馅相互作用,使其具有多汁的味道;但同样的扩散也存在于从馄饨内部扩散到开水中,稀释了馅料的风味。蒸馒头的过程中,馒头处于饱和蒸汽环境,但没有相反的过程。所以蒸饺的味道会比水煮馄饨更多汁,馅料的味道也更丰富。"

为什么煮饺子比蒸快?

煮的过程和蒸的过程类似,都是用开水加热食物,不同的是食物需要直接投入100℃的开水中,那么,如果把和包子放在同一个冰箱里的饺子拿出来直接投入沸腾的热水中,饺子肉末内部的传热过程和边界条件也适用于前述的公式(1) ~ (3)。

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第11张图片来自Unsplash

但是你怎么确定上面那个复杂方程的解呢?在这里,作者使用了量纲分析法。肉中蛋白质的变性温度与水的沸点在同一个数量级(相差20%-25%)。因此,假设临界温度转移到球形固体中心所需的时间只与固体的材料参数有关:导热系数、密度、比热和肉的半径。经过一系列操作,饺子的烹饪时间与上述参数之间的关系如下:

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第12张其中C0是一个未知的常数项。将κ、ρ、c的具体值代入公式,可以得到肉的导热系数χ= /с = 1.5×10-7m/ s,因此1公斤肉煮熟大约需要1个半小时。从某种程度上来说,这个估计有点夸张,因为作者只是考虑到蛋白质的变性温度与水的沸点在一个数量级,而没有进行区分。而且我们不会把一斤肉都包在一个饺子里,而是会做很多个饺子,这样就大大缩小了每个肉丸的半径,也相应缩短了烹饪时间。

相比包子,煮饺子的过程更容易保持饺子周围100℃的环境温度:冷饺子出锅时,饺子周围的水温会略有下降。但由于水的比热大,导热系数高,热对流会不断地把热量从炉子传到锅里,所以水在短时间内又会沸腾起来,这样饺子就能满足公式(2)的边界条件,热量就能不断地传到饺子里。所以市面上卖的直径2cm左右的饺子,只需要煮几分钟就可以上桌了。

肉火锅:其实可以更快。

漂洗也可以归类为烹饪的一种。不同的是,漂洗一般只需要几秒钟,而煮一般需要几分钟,比如煮火锅丸子。那么水煮牛肉丸和牛肉片有什么区别呢?

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第13张图片来自Pixabay

考虑一个物体占据x >: 0 空,其密度、热容、导热系数分别为,温度为t=0时为T0。现在如果你把这个物体表面在x=0的温度改成T1,并保持在这个温度。根据图6所示的温度减半空的渗透模式,并引入一个新的参数来描述温度随时间的累积,最终煮牛肉丸和涮牛肉片的时间比为

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第14张国内常见的牛肉片厚度在1mm左右。假设我们吃的牛肉丸半径是1cm,那么2R/d=20,那么时间比大约是

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第15张等一下,这个结果好像有什么问题?

根据生活经验,肉丸煮熟需要5分钟左右,而牛肉片漂洗只需要10秒左右,所以实际时间比在30左右。

根据理论计算出来的数值,实际上和从生活经验中得到的数值相差一个数量级。这是因为用上述公式计算时间时忽略了肉中蛋白质变性所需的时间,只假设所有的烹调时间都是用来把必要的温度“传递”给整块肉的。肉中蛋白质的变性时间很短,与传热时间相比可以忽略不计。而涮肉的传热时间很短,因此蛋白质变性时间变得极为重要,需要考虑在内。

因此,在上述公式中增加了一个蛋白质变性时间的修正项:

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第16张因为牛肉的导热系数为beef = 1.5×10-7m2s-1,所以公式中的第二项约为0.5s,第一项蛋白质的变形时间为10s。也就是说,花在涮肉上的十秒钟,几乎都是在等待肉中蛋白质变性的过程中度过的,而因为做肉丸需要很长时间,所以这10s的时间可以忽略不计。

蒸饺需要蒸多长时间(蒸包子要多长时间,大火还是小火)  第17张半空温度下的渗透示意图。|图片来自报纸

另外,经常吃鸳鸯锅的朋友都知道,红油厚厚一层的麻辣汤锅锅底总是比清汤锅底先沸腾。油的沸点比水的沸点高很多,那么为什么红油锅的锅底是先沸腾的呢?

其实在红油锅底,沸腾的不是油而是锅里的少量水。油的比热容大约是水的一半,所以油升温到100℃只需要一半的热量,另外散热也有助于红油锅沸腾时间短。根据牛顿冷却定律,红油与空气体界面处的散热比清汤中水与空气体界面处的散热小两个数量级,因此红油香锅的保温能力优于清汤。

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编辑:汤姆少校

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