●　化学与烹饪，我们为什么需要吃饭

上午的工作结束，午餐时间到了。你没有时间回家，所以和同事相约在离办公室不远的一家小饭馆吃午饭。

尽管我们在一些伪健康圈里经常听到有人说想把化学从食物中完全剔除，但化学和烹饪是密不可分的，不存在没有化学物质的食物[42]。进食本身就严格地与化学有关。我们是“化学机器”，为了生存，需要不断地与我们生活的环境进行物质和能量的交换。吃饭就是这种持续交换的重要环节。

人类是异养生物，这意味着我们不能像自养生物那样，从无机物中自动合成我们所需要的有机分子。比如植物通过叶绿素的光合作用，可以将二氧化碳和水转化为有机化合物。除了植物，藻类和许多细菌也是自养生物。我们人类必须利用其他生物体（动物或植物）合成的有机物质来获取我们生存所需的物质，因此我们需要吃饭。

在生物体或生物体的某一组成部位中（例如在细胞中）发生的一系列化学和物理过程，称为新陈代谢（metabolism）。新陈代谢作用的物质是我们摄入的食物，任何参与这一过程的物质都被称为代谢物（metabolite）。新陈代谢一般分为合成代谢（anabolism）、分解代谢（catabolism）和能量代谢（energy metabolism）。合成代谢是指从简单的分子构造出更复杂的分子的一系列过程。而分解代谢则是指将较为复杂的大分子逐渐降解为简单的小分子并释放出能量的一系列过程。最后，能量代谢可以被认为是分解代谢过程的延伸，其目的是从分解代谢过程中回收尽可能多的能量。

我们必须从食物中摄取的物质称为营养物质，可以分为不同的类别：糖类（或碳水化合物）、蛋白质、脂类（或脂肪）。这三种物质被称为宏量营养素（macronutrient），之所以这么叫是因为我们的机体对这3种物质的需求量很大。除了宏量营养素，还有所谓的微量营养素（micronutrient），如维生素和矿物质，人体也必须摄入它们，因为它们也是完成新陈代谢所必需的。

我们已经在第一章第3节关于早餐的内容中谈到了碳水化合物，在第一章第2节关于肥皂的内容中谈到了脂类。接下来我们就讲讲蛋白质，蛋白质是由氨基酸长链组成的大分子。“蛋白质”名称来自希腊语πρ?το?（prótos），该术语由荷兰化学家杰拉尔杜斯·约翰内斯·穆尔德（Gerardus Johannes Mulder， 1802—1880）于1838年提出。

氨基酸是指同时含有酸性的羧基（-COOH）和碱性的氨基（-NH2）的分子。当分子中的羧基和氨基连接在同一个碳原子上时，称为α-氨基酸。

一个分子的羧基和另一分子的氨基能脱水缩合形成一种特殊的键，称为肽键（peptide bond）。这样一来，就可以形成称为多肽的长聚合链。一个或多个多肽可能会与其他辅助分子结合形成蛋白质（图19）。

图19　两个氨基酸之间的肽键

构成现有蛋白质的氨基酸大约有20种。根据它们结合的类型、数量和顺序，可以得到无限多的蛋白质。我们的机体能够合成部分氨基酸，但有一些氨基酸无法自己合成，因此这些氨基酸被定义为必需氨基酸（essential amino acid），必须通过食物摄取。α-氨基酸有一个不对称的碳原子，因此可以以两种对映体的形式存在（见第一章第3节拓展：立体化学）。具有生物学意义的氨基酸均具有L构型（见第55页）。因此，我们讲的是L-α-氨基酸。

氨基酸的排列顺序是每个蛋白质的特征，它也构成了所谓的一级结构（primary structure）。同一条肽链连续部分的NH和CO基团之间存在氢键，它可以使主链呈现螺旋状的空间排列，而侧链排列在外，这种结构称为二级结构（secondary structure）。在由多条链组成的分子中，不同链之间的NH和CO基团也可以产生氢键。此外还可以有二硫键（disulfide bond），二硫键由相邻肽链的两个半胱氨酸的残基之间的SH基团氧化产生。螺旋形肽链可以在纵向上彼此靠近排列，可以把自己缠绕成大线圈，形成一种特殊的绳状（纤维状蛋白质，fibrous protein），也可以卷曲成球状或椭圆状（球状蛋白质，globular protein）。纤维状蛋白质可分为可溶性蛋白质（Soluble protein）[如血液的纤维蛋白原（Fibrinogen）]和不溶性蛋白质（Insoluble protein）[丝蛋白（fibroin）、胶原蛋白（collagen）、肌球蛋白（myosin）等]。球状蛋白质分为单纯蛋白质（simple protein，只由氨基酸组成）和结合蛋白质（Conjugated protein）[如核蛋白（nuclear protein）、染色蛋白（chromoprotein）、脂蛋白（lipoprotein）、糖蛋白（glycoprotein）、磷蛋白（phosphoprotein）]。结合蛋白质中还存在氨基酸以外的成分。

●　面包：酵母与发酵

你和你的同事在饭馆的餐桌前坐下，服务员给你端上来的第一样东西就是面包。这是一款不错的自制面包，切成片状，面包皮酥脆，面包心松软且有明显的气孔。似乎很奇怪，即使是手工面包，它也是典型的化学反应的产物。

面包的历史可以追溯到人类的早期。直立人（homo erectus）似乎早就会做原始的面包了：它是一种在热石头上烘烤的面粉和水的简单混合物。这种面包的食用持续了很长时间。它的优点是可长期保存，并且随着时间的推移，在不同的社会中还具有了宗教意义（比如犹太人和基督徒的无酵饼）。似乎是埃及人发现，如果面团在烘烤前放置在空气中一段时间，得到的面包就会变得更加柔软可口。他们因此无意中知晓了我们所说的发酵，而发酵就是餐桌上的面包片带有美丽的海绵状气孔的原因。发酵是一个典型的化学过程，这就证明了前面所说的“面包都是化学反应的产物”的陈述是正确的。为了全面了解面包的制作过程，我们需要从原材料——面粉开始说起。

麦粒[在植物学上称为颖果（caryopsis）]有一层麦皮（麸皮层），通常会被去除再制成麦麸（全麦产品除外）。在麦粒中要区分胚（或胚芽）和胚乳，胚乳是包含淀粉和蛋白质的那部分，这里的蛋白质是制作面筋（gluten）的基础。生产面粉时所用的麦粒要去掉胚芽和麦壳，再将胚乳进行一系列研磨，生产出各种类型的面粉。意大利法律根据面粉的矿物质含量将面粉进行了分类，矿物质的含量会通过分析面粉完全燃烧后的灰分来确定。灰分中矿物质含量少则说明面粉仅由胚乳制成，胚乳制成的面粉会更白。灰分中矿物质含量最高的是全麦粉，这是因为全麦粉中含有麦皮，麦皮的矿物质含量很高，而且全麦粉的颜色也较深。出粉率（abburattamento）表示从小麦中获得的面粉的百分比（该术语来源于buratto，即“筛子”，一种装有筛子的机器，用于分离杂质或对固体材料的成分进行分类，如分成不同大小的颗粒或粉末）。

面粉的分类如表2所示：

表2　面粉分类

软小麦面粉主要由淀粉（64%～74%）和蛋白质（9%～15%）组成。面粉中加入水，充分拌和，此时面粉中的蛋白质[主要是麦醇溶蛋白（gliadin）和麦谷蛋白（glutenin）]就会形成一种叫作面筋的蛋白质复合物，从而使得到的面团具有弹性。面筋能吸收其重量1.5倍的水，并且在发酵过程中，还能留住酵母产生的二氧化碳。麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的比例决定了面团的性质。麦谷蛋白使面团具有韧性和弹性，而麦醇溶蛋白则使面团具有延展性。

发酵过程中起主要作用的是一种特殊的微生物，叫作酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）。它通常被称为啤酒酵母（beer yeast），几千年来一直用于制作面包和酒类（葡萄酒、啤酒等）。面包酵母利用面粉淀粉中的低聚糖来产生酒精和二氧化碳。面团静置一段时间后就会因为二氧化碳的产生而膨胀。在发酵过程中，酵母还会产生一系列芳香物质使面包具有不错的香味。在加热烘焙过程中，面团中二氧化碳和空气的膨胀以及水和酒精的汽化使面团体积进一步增大。另外，我们还可以加入合适的化学发酵剂，也就是在面团中加入由碳酸氢钠（sodium bicarbonate）和其他盐类[如酒石酸钾（potassium tartrate）和碳酸氢铵（ammonium bicarbonate）]制成的化学酵母。碳酸氢钠与酸性物质发生反应时会释放出二氧化碳和水，其他盐类也会分解并释放出气体，使面团膨胀。

在烘焙过程中也发生了许多其他的化学物理反应，它们同样也为面包的成功制作出了一份力。面包的烘烤温度在180～275℃，时间从13～60分钟不等。面团里的发酵会持续进行，直到酵母菌在40～60℃死亡为止。随后在60～80℃时，发酵产生的酒精挥发，淀粉开始凝固。在100～140℃的较高温度下，面包表面的水完全蒸发并开始形成外壳。面包表面的琥珀色是因为发生了焦糖化反应和美拉德反应（Maillard reaction，我们稍后就会谈到美拉德反应）。

服务员问你们想喝点什么，你要了一杯红酒，你的同事要了一杯啤酒。这真有意思，除了刚刚香气四溢的面包外，这两种饮料居然也是面包酵母辛勤工作的成果。

●　烤牛排（美拉德反应）

你决定不要第一道菜（意大利正餐用餐顺序为前菜、第一道菜、第二道菜、配菜、甜品。第一道菜通常为意面，一般没有肉），虽然一盘美味的意大利面十分诱人，但你今天早上已经摄入了丰富的碳水化合物，而且刚刚你也没有管住嘴，吃了一片面包（也是碳水化合物）来打发等待的时间。所以你点了一份不错的牛排。

几分钟后，服务员递给你一盘美味的烤牛排，牛排熟得恰到好处，香气扑鼻，非常诱人。除了厨师的功劳，还要归功于一种化学反应：美拉德反应，而且它也许是整个美食界最重要的化学反应。这个名字由法国医生、生物化学家路易斯·卡米拉·美拉德（Louis-Camille Maillard， 1878—1936）提出，并以他的名字命名。在研究细胞的代谢时，美拉德发现了一种特殊反应，这种反应可以在蛋白质的氨基酸和细胞中的糖之间发生。有趣的是，在厨房里烹饪各种食物的过程中也会出现这样的反应。除了牛排的香味，面包皮、果酱馅饼或其他甜食的特殊香味，洋葱油炸菜以及其他油炸食品（如薯条或米兰风味的炸肉排）表面的焦棕色，都要归功于美拉德反应。

美拉德反应相当复杂，人们仍不完全清楚其过程。它能产生数百种分子，为食物提供特殊的香气。反应的产物也会因反应温度以及糖类和氨基酸的种类而不同。除了提供香气，反应的产物带给食品表面特有的棕色。牛排散发出的诱人的烤肉香，主要归因于一种化学家称为双（2-甲基-3-呋喃基）-二硫[Bis (2-methyl-3furyl) disulfide]的物质，它的分子结构如图20所示。

图20　双（2-甲基-3-呋喃基）-二硫的分子结构

美拉德反应发生在烹饪阶段，涉及的物质有蛋白质和碳水化合物。我们知道肉类中含有丰富的蛋白质，那糖类呢？牛肉中含有足够多的糖类来参加反应。其他肉类（如鸡肉和一般的白肉）可能就没有足够的糖分。在这种情况下，你可以在烹饪时加入适量葡萄酒（含有糖分）、柠檬汁（或橙汁，比如经典菜——橙汁鸭），或者一点蜂蜜。但直接加入食用糖（蔗糖）的方法，可能会与你认为的相反，它并不奏效。这是因为只有“还原性”糖类才能产生美拉德反应，而蔗糖不是还原性糖。但是，在酸性环境中（比如加入柠檬汁），蔗糖就会分解成葡萄糖和果糖（你还记得我们在第一章第3节中讲到的转化糖吗），所以它可以发挥作用。要想发生美拉德反应，温度也很重要，得超过140℃。实际上美拉德反应分为连续的不同阶段。第一阶段没有明显影响，但会引起一些必需氨基酸的降解，如赖氨酸（lysine）。在第二阶段，形成了熟食典型的气味化合物。最后，在第三阶段，形成了赋予食物外表棕色的大分子。微碱性的环境也有利于美拉德反应，所以加入少量的碳酸氢钠可以促进反应的进行。在有金属存在的情况下美拉德反应更容易发生，所以要吃到美味的牛排，最好使用金属锅，而不是使用涂有特氟隆（Teflon）的不粘锅[特氟隆是聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene）的别称]，化学也会不可避免地进入厨房用具中（见第四章第1节）。

●　疯牛病与二氯甲烷

你的同事是不会吃牛排的，即使已经有一段时间没有听人们谈起过“疯牛”事件，但他对此事仍记忆犹新，作为一个十分谨慎的人，他不想冒任何风险。“疯牛”事件是一个很好的例子，它向我们说明了不借助化学是如何造成严重损害的。

所谓的“疯牛病”（MCD， Mad Cow Disease）在兽医学上被称为牛海绵状脑病（BSE， Bovine Spongiform Encephalopathy）。这是一种不可逆的慢性、退化性神经系统疾病，影响牛的健康，人吃了被感染的牛肉也会被传染。在人类中我们将此病称为变异型克雅氏病（Creutzfeldt-Jakob disease），以20世纪20年代首次描述该病的两位医生的名字命名。这两种疾病都是由朊病毒（prion）引起的，朊病毒是一种致病蛋白，被认为是一种非常规传染病原体（agent transmissible non conventionnel）。1986年英国发现了第一例BSE病例，20世纪90年代又发现了许多例，还有一些克雅氏病例。1996年，英国政府承认有10名年轻人死于克雅氏病，可能是吃了感染病毒的牛肉所致。现在似乎已经确定，英国疯牛病的传播是由动物饲料引起的。在动物饲料的生产过程中，人们曾使用二氯甲烷（dichloromethane， CH2Cl2）作为脂肪溶剂，并高温处理。这种双重处理消除了传播朊病毒的风险。但之后就有人（特别是各种环境协会）抨击二氯甲烷，因为它被认为对人类有致癌作用，并且与其他氯氟烃（chloro fluoro carbon）一样，会对大气臭氧层造成破坏（见第三章第2节）。迫于舆论压力，大约在20世纪70年代末，二氯甲烷就被放弃使用了，而制备动物饲料的工艺也改成了低温处理。也就是这样，导致疯牛病的朊病毒能够在这个过程中存活下来，并通过饲料传染给牛。后来发现，二氯甲烷并不致癌（尽管它和许多其他物质一样，在一定剂量下是有毒的），而且它根本就不会对臭氧层造成破坏，因为它会迅速氧化生成其他化合物，然后被雨水带走[43][44]。对化学的恐惧有时比化学本身的危害更大！

●　煮鸡蛋：蛋白质变性

你的同事不吃牛排，所以要了一个煮鸡蛋和一份比目鱼片。煮鸡蛋是另一种化学反应了。

一个鸡蛋中含有74%的水，12%的蛋白质和11%的脂肪，还有少量的维生素、矿物质等。脂肪主要集中在蛋黄中，蛋清主要是蛋白质的水溶液，浓度约为10%。正如我们前面所讨论的那样，有一些蛋白质可以聚集成球状或椭圆状（球状蛋白质）。鸡蛋中（包括蛋黄和蛋清）很多蛋白质都是这种类型，并且它们的球状体就分散在鸡蛋所含的水中。当温度升高时，一个叫作变性（denaturation）的过程就开始了。在这个过程中，长长的蛋白质分子链会伸展开。变性的链结合在一起，并逐渐形成一个立体的网，可以将水分子困在其中。烹煮条件会影响变性过程，进而影响煮鸡蛋的品质。如果煮的时间过长，蛋白质过度变性，蛋白质链形成的网就会变得非常密集，留不住水分子。这样煮熟的鸡蛋，蛋白会变得像橡胶一样，蛋黄也会变干，两者的口感都不太好。蛋黄和蛋白的凝固时间不同，因为它们含有的蛋白质不一样。蛋清中约有12%的卵转铁蛋白（ovotransferrin），它在62℃左右开始凝固，65℃时变成软固体，因此在这个温度时蛋白仍然是软的。蛋清中的第二种蛋白质是卵清蛋白（ovalbumin），占54%，在85℃时凝固，因此蛋清在这个温度下会变得非常结实。但蛋黄里的蛋白质开始凝固的温度要高一点：65℃时蛋黄变稠，70℃时完全凝固。

长时间高温煮鸡蛋也会使蛋黄表面出现难看的灰绿色。这是因为蛋白[特别是半胱氨酸（cysteine）]会产生硫化氢（H2S），这是一种具有典型臭鸡蛋味的气体。硫化氢能与蛋黄中的铁反应，生成深色的硫化亚铁（FeS），硫化亚铁与黄色的蛋黄混合后就产生了绿色[45]。尽管灰绿色的蛋黄外观不好看，但它完全没有害处。为了避免这种变色，在烹煮结束后要将鸡蛋从热水中取出，在流水中冲洗冷却，以防止鸡蛋继续被加热。

鸡蛋的蛋白质变性也可以在非加热的情况下获得，只需要加入乙醇就可以。蛋清和蛋黄在经过酒精处理后，会呈现出煮熟鸡蛋的外观，但是我们无法保证这样处理得到的鸡蛋的色香味是怎样的。