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各种各样的食材,都有什么力学“脾气”?

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撰文 | 杨灿辉 (南方科技大学力学与航空航天工程系)

你有没有想过一个问题:当我们说一种食物“好吃”的时候,我们到底在评价什么?

答案其实可以拆成两个维度。一个是风味,即酸甜苦辣咸,焦香、果香、肉香,这些由化学分子触发我们的味觉和嗅觉,属于化学的范畴。另一个是口感,即脆的、韧的、糯的、滑的、沙的,这些由食物的物理性质决定,属于力学的范畴。两者缺一不可。如果感冒鼻塞,嗅觉失灵,再好的美食也索然无味,这是化学层面的缺失。但如果一个人没有牙齿,只能吃流食,那许多美食的体验也会荡然无存。这是因为咀嚼过程中的力学感受,是美味不可或缺的一部分。《舌尖上的力学》栏目要聊的,正是后者。从力学角度去剖析食材的“脾气”,食物为什么脆、为什么韧、为什么入口即化?

不过先别急着动嘴。一道美食从食材到餐桌,要走过很长的路。食材本身的性质、处理方式、烹饪过程中的物理化学变化,每一个环节都会影响最终美味的品尝。只有把这些拆解清楚,我们才能真正理解,入口那一刻的“好吃”究竟从何而来。



图1 日常生活中的食材,从左到右依次为固体(如饼干)、液体(如果汁)和凝胶(如果冻)(图片来源于网络)

我们先从食材本身的材料力学说起。如图1所示,根据物理状态,食材大致可以分为三类:固体、流体和凝胶。固体具有确定的形状和体积,能抵抗剪切力,受力后发生弹性或塑性变形。饼干、牛肉干都是代表。流体具有确定的体积但没有固定形状,易流动,无法抵抗剪切力。水、果汁、清汤都属于这一类。凝胶则介于两者之间,是一种液体被三维聚合物网络“锁”住,形成的一种类固体,有形状、有弹性,但主要成分通常是液体。果冻、布丁、嫩豆腐,都是凝胶的典型。

三类食材,各有各的力学“脾气”。我们先从固体食材开始。

你或许想不到,一根干的意大利面里藏着一个拿过诺贝尔奖(虽然是搞笑版)的力学难题。先来做这样一个实验。如图2,取一把干的意大利面,双手捏住两端,慢慢弯曲。啪!面断了。数一下断成了几段?大概率是三段,甚至四段、五段。有没有断成两段的情况呢?几乎从来没有。这不是你的手艺问题。诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼 (Richard Feynman) 也遇到过同样的困惑。某个晚上,他和朋友 (Danny Hillis) 在厨房里煮意面时发现,无论怎么掰,干意面就是断不成两段。这个问题后来被称为“费曼意面难题”。



图2 掰断意面(图片来源于网络)

直到2005年,两位法国物理学家Audoly 和 Neukirch才在《物理评论快报》 (PRL) 上给出了答案[1]。他们用高速摄影捕捉了意面断裂的瞬间,因为整个断裂过程只有0.2 ms到0.5 ms,肉眼根本来不及看清。画面显示:当你弯曲意面到极限时,它会在最薄弱处断裂;但断裂发生的瞬间,原本弯曲的意面突然弹直,释放出一道弹性波,在剩余的两段中传播。这股“回弹波”产生的弯曲应力,超过了意面材料的强度极限,于是引发了第二次、第三次断裂,这就是意面总是碎成多段背后的力学原理。这项工作后来获得了2006年搞笑诺贝尔物理学奖。

故事还没完。2018年,麻省理工学院的科学家们发现,如果掰意面的时候先用力扭转 (像拧麻花一样),再弯曲,就能让它干脆利落地断成两段。扭转产生的应力波会抵消弯曲波的破坏效应,从而抑制级联断裂[2]。之后,有学者进一步深入研究了干意面弯到什么程度会断、会断成几段的问题,给出了预测意面断裂极限曲率和断裂段数的公式[3]。

一根意面的断裂,背后涉及的是弹性模量 (材料有多“硬”)、强度 (需要多大的力才能破坏它) 和断裂韧性 (抵抗裂纹扩展的能力) 等力学概念。当然,也跟意面的几何尺寸、边界条件等因素有关。例如,如果意面足够短,它就能轻易地断成两段。这些都是力学。

掰意面引出了固体食材的两种典型“性格”。一种是脆性。薯片、硬糖、干的挂面,都属此类。它们硬,但脆。一旦载荷超过极限,裂纹便飞速扩展,断口平整,往往还伴随着清脆的“咔嚓”声;这是食材变形过程中存储的弹性应变能在瞬间释放为声波。把一片薯片一掰为二,或者放入口中轻轻咬下,那一声响就是脆性的直接体现。另一种是韧性。牛肉干、牛筋、鱼干同样坚硬,但韧得多。断裂前能承受很大的变形,需要消耗较多能量才能撕裂,断口通常粗糙而不规则。嚼牛肉干时之所以费牙,正是因为牙齿需要反复撕扯、碾磨,才能把那些强韧的纤维组织切断。两者的差别可以这样理解:脆性材料在受力时变形很小,载荷一旦达到极限就迅速崩裂;韧性材料则相反,它通过较大的变形来吸收和耗散能量,因此不容易突然断裂。

除了脆与韧,食材的口感还受到其他多种力学参数共同支配:硬度决定了第一口咬下去的阻力;弹性模量反映了材料抵抗变形的能力;回弹性决定了食物被压下去之后能否回弹,比如Q弹的鱼丸;黏性则让某些食物吃起来“拉丝”或者“黏牙”,比如刚出炉的披萨或糯米糍。这些参数的不同组合,造就了固体食材千变万化的口感。

接下来聊聊液体食材。

液体食材的力学主要涉及两个核心概念:黏度 (描述内部流动阻力) 和表面张力 (描述表面分子的内聚行为)。水很稀,蜂蜜很稠,就是黏度在起作用。挂在杯壁上的“酒泪”、咖啡渍边缘那圈深色环,背后都是表面张力在“作祟”。



图3 牛顿流体(如水)和非牛顿流体(如蜂蜜)(图片来源于网络)

根据黏度是否随搅拌快慢 (剪切速率) 变化,液体可分为牛顿流体与非牛顿流体,如图3所示。牛顿流体最为简单,其黏度是常数,不随搅拌速率变化。水、澄清的果汁、食用油,均属此类;但这类液体在食物中反而是少数派。非牛顿流体则复杂得多,绝大多数液体食物都归于此,如酸奶、蜂蜜、各种酱料。其中,黏度随剪切速率增大而降低的,称为剪切稀化;黏度随剪切速率增大而升高的,称为剪切增稠。

剪切稀化的典型是番茄酱、酸奶、果泥。当你用力摇晃番茄酱瓶时,它变稀了,唰地流出来,这就是剪切稀化。原因是番茄酱内部含有大量长链高分子,静止时高分子链缠结在一起,黏度很高;搅拌时高分子链被剪切力拉直、取向、解缠结,流动阻力骤降,黏度随之下降。所以,使用前“摇晃番茄酱”不是玄学,是力学智慧的一种体现。

剪切增稠的典型是玉米淀粉与水的混合物。慢慢搅动时它尚可流动,快速搅拌时阻力突然增加,混合物变得坚硬;人甚至可以在其表面奔跑,实现“水上漂”。这是因为高剪切速率下,悬浮的淀粉颗粒来不及重新排列,互相卡死,形成临时的固体结构。这一机制近年来被广泛研究,在柔性防冲击护具等方面具有很好的应用前景。

除上述两类之外,还有一类宾汉 (Bingham) 流体,如蛋黄酱、牙膏等。它们具有屈服应力,只有当外力超过某个临界值后才开始流动,在此之前则像固体一样保持形状。蛋黄酱能稳稳立在勺子上,用力一甩才滑落;牙膏在挤压时受剪切而流动,挤到牙刷上后又停止流动、保持形状。

大部分我们熟悉的液体食物,番茄酱、酸奶、浓汤、面糊等,其实都在用自己的方式“对抗”着简单流动。它们是日常生活中非牛顿流体的鲜活例子。



图4 “酒泪”现象和咖啡环效应丨图片来源于网络

表面张力在餐桌上随处可见,如图4所示。轻轻晃动葡萄酒,杯壁上的液膜因酒精挥发快于水,导致上方液膜表面张力高于下方,在马兰戈尼 (Marangoni) 效应驱动下,下方酒液被向上拉拽;当重力最终战胜表面张力,液滴便沿杯壁滑落,形成“酒泪”或“挂杯”。

滴落的咖啡晾干后留下的深色边缘环,则是另一套机制:液滴边缘蒸发更快,且接触线被钉扎固定,内部液体不断向外流动以补充损失,形成毛细补偿流,将溶质持续带向边缘;水分蒸发殆尽后,溶质便沉积在最初接触线上,形成“咖啡环效应”。

最后我们来聊聊凝胶类食材。

凝胶由聚合物网络和溶剂组成。溶剂是水,称为水凝胶;溶剂是油,称为油凝胶。食材中的凝胶绝大多数属于水凝胶。根据这一定义,人体绝大部分的组织和器官其实也是水凝胶,主打一个“吃啥补啥”了。

果冻、嫩豆腐、布丁,都是典型的水凝胶例子。把一块果冻放在手心,它有形状、有弹性,这是聚合物网络在起作用;但它的含水量往往超过90%。本质上,这是一块“固体的水”,兼具固体与液体的性质:网络赋予它固体的形态与承载能力,水赋予它液体般的分子迁移与扩散能力。

水凝胶的力学性能,主要由三个关键因素决定。第一是交联密度,即高分子链之间交联点的多少 (好比一张渔网的节点)。交联越多,网络越密、越刚,材料就越硬。卤水点豆腐便是很好的例子。卤水中的钙离子和镁离子将大豆蛋白质分子链交联成三维网络,把水分子锁在其中。点卤越多,交联点越多,网络越密实,豆腐越硬。从嫩豆腐到老豆腐,正是交联密度逐渐递增的结果。

第二是含水量。水通常是高分子材料的塑化剂。干食材逐渐吸水时,水分子插进聚合物链之间,撑开链间距,削弱链间相互作用,使材料变软、变柔韧。牛肉干与鲜牛肉的硬度差异,根源正在于此。但吸水并非越多越好,例如面条煮得过久,含水量过高,高分子网络被过度稀释,力学性能大幅下降,面条失去筋道,一夹就断,入口软烂。

第三是交联类型。化学交联不可逆,交联点如同“打死结”;物理交联可逆,如同“打活结”。绝大多数天然食物凝胶,如肉、果胶等,属于物理交联。因此烹饪能显著改变它们的力学性能。加热破坏物理交联,网络解体,材料软化甚至液化。



图5 QQ糖和果冻(图片来源于网络)

理解了这三个要素,一个有趣的问题便有了答案。如图5所示,QQ糖和果冻的化学成分相似 (都是水+明胶或果胶网络),为什么口感天差地别?答案就在交联密度和含水量上。QQ糖是含有高浓度、高交联聚合物网络的水凝胶,含水量通常在10%到20%之间,聚合物链密集,交联点多,网络紧凑结实,口感韧而耐嚼。果冻是含有低浓度、低交联聚合物网络的水凝胶,含水量可达70%到95%,网络稀疏柔软,入口即化,几乎不需要咀嚼。化学成分可以完全相同,仅仅是网络结构和含水量的差异,口感便从“韧”变成了“嫩”。这就是“结构决定性能”的典型体现,也是力学最核心的思想之一。

食材的力学性能千差万别:意面硬而脆,牛筋硬而韧;水稀蜜稠;番茄酱剪切变稀,蛋黄酱有屈服应力;QQ糖嚼劲十足,果冻入口即化。这些差异的根源,都可以归结到固体、液体、凝胶三种状态的力学规律上。而我们每天吃饭的过程,本质上就是在用口腔对食材进行一场又一场力学测试。下一次咬下一口食物时,不妨问问自己:我刚刚测试的是哪种力学性能?

当然,这只是一个开始。食材被加工、被烹饪之后,它们的力学性能还会发生翻天覆地的变化。这些变化背后的原理,我们留到后面继续聊。

参考文献

[1] Audoly B,Neukirch S. Phys. Rev. Lett.,2005,95:095505

[2] Heisser R et al. Proc. Natl. Acad. Sci.,2018,115:8665

[3] Zhang Y et al. Theoretical and Applied Mechanics Letters,2022,12:100347

本文经授权转载自微信公众号“中国物理学会期刊网”。



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