美食中的化學 科學家曾經做過一個實驗，把受測者的眼睛矇住，從口中餵他糖水，鼻子則讓他吸不同水果的香味，結果同樣的糖水，卻會讓受測者以爲自己喝到了不同的飮料。從這個實驗可以看出，其實人能感受一樣食物好吃大都是靠喚覺，並非味覺。人的味覺只能嚐出五種味道，就像中國成語說的「五味雜陳」，而嗅覺卻能分辨約一萬種的氣味。 無論味覺或喚覺，事實上都是生物化學的作用。早在一百五十年前，科學家已經提出一種想法，就是鎖鑰理論。該理論認爲，鼻子裡的嗅覺細胞、舌頭上的味蕾細胞，其實都像一把鎖，等著合適的鑰匙去開啓。所謂的鑰匙，指的是一種特定類型的分子，只要類型對了 ，跟嗅覺細胞或味蕾細胞一結合，就會讓人產生聞到某種氣味或嚐到某種味道的感覺。 以下從味覺的世界開始，詳細探討味覺如何產生，跟美食之間又有哪些密切的關係。 ===味覺的世界=== 雖然中國老祖宗說酸甜苦辣鹹五味雜陳，科學家不認爲有五味，因爲辣只是熱覺的表現，認爲只有酸甜苦鹹四味，最近大多數才接受還有第五味，就是所謂的甘味。 人的舌頭不但有酸甜苦鹹，和最近被接受的甘味。味蕾細胞也分布在舌頭上在最適當的位置。比方大家都知道甜味蕾一定分布在舌頭的尖端，爲什麼？想想我們的祖先還是猴子的時代，拿到一個水果，舌頭一嚐到是甜的，馬上就一 口吃掉，不然就被旁邊的猴子搶走了！而苦味蕾呢，則是在舌頭最後端，因爲它得把守重要的關口。所謂一夫當關，因爲食物要下肚或許能避過舌尖，卻一定要經過舌根。所以當一個人吃到食物發現是苦的，馬上就會吐掉，因爲苦的東西大部分是有毒的，也就是植物鹼。酸掉的食物也不是很好，吃了往往會腹瀉，所以酸味蕾在舌後部的兩側，鹹的還好一些，因此鹹味蕾則在舌前部的兩側。甘味的味蕾則比較特別，平均分布在舌頭上的各部位。 從分子和味蕾細胞結合的角度來看，味覺在美食上的應用有哪些？首先要說的就是味精。味精很久以前就有了 ，最早是日本人煮海帶萃取出來的。後來就發現不必那麼麻煩，可以用麵粉做成的麵筋去水解。再來又更省錢了 ，用糖蜜，也就是台糖生產糖的副產品去發酵，就可以產生。味精就是麩酸一鈉，味道鮮美。 但人們很快又發現，味精跟肉類或洋菇一起煮的時候特別美味。繼續深入研究，原來這時候味精會和這些食材的核苷酸結合，味精本來就能跟甘味的味蕾結合，但加上核苷酸後會結合得更好，鮮度更高。於是人們把味精加上核苷酸，變成高鮮味精，這正是鎖鑰理論的一個好例子(圖一)。 糖爲什麼是甜的，也可以用鎖鑰理論來解釋。以葡萄糖爲例，葡萄糖上面有許多氫氧基(-OH)，但能和甜味蕾細胞結合的只有其中兩個-OH，一上一下，兩個-OH的距離在十埃(一埃等於億分之一公分)以內，這差不多就是甜味味覺接受體的大小。 詳細說明的話，這兩個-OH基的作用也不同。其中一個是用-OH基的H這一邊，去和甜味接受體上「親核」的地方結合。所謂的親核，就是喜歡正電性，而我們知道-OH基的H這一邊是帶有一部分正電的。另一個-OH基，是用O這一邊和甜味接受體上「親電子」的地方結合。所謂親電子，就是喜歡負電性，而我們也知道，-OH基的O這一邊是帶一部分負電的。不過光是這樣還不夠，這兩個-OH後面還要接一個「疏水基」，就是後頭要有一個不喜歡水的官能基，也就是親油的，這樣才會甜。兩個不同位置的-OH基，跟甜味接受體結合，後面再接一個疏水基，這就是所謂甜三角理論。然而在這當中，兩個-OH基的位置還是很微妙，距離不能太近也不能太遠，角度也有講究。因此假如用化學方法把剛剛說的其中一個-OH切掉，再在不同地方接一個-OH ，就可能讓它完全喪失甜味。 更深入來看，其實和甜味接受體親核的地方結合的，也不一定得是-OH基的H，-NH基的H或其他帶部分正電的H都可以。同理，和甜味接受體親電子的地方結合的，也未必一定要是-OH基的O，其他帶部分負電，或有電子圑的結構都可以代替。 根據這個原理，實驗室裡就可以做出來許多甜的東西，而且甜度更高，糖精就是一個例子。 不過因爲據說會引起癌症，它被長期禁用，儘管美國食品藥物管理局花了十五年的時間重新研究證明糖精完全無毒，但市場已經被阿斯巴甜給取代了。 其實阿斯巴甜沒有糖精甜，糖精的甜度是糖的三百倍，阿斯巴甜則是兩百倍，而且苯酮尿症患者不能吃，但它已經搶占市場，售價便宜，糖精就無法競爭。阿斯巴甜的發現十分偶然，話說有個專門做生物化學與胺基酸的科學家，因爲知道所實驗的產物都沒有毒性，習慣拿來嚐一下，有次實驗後把做出來的化合物一舔，發現非常甜，他就知道自己發財了。其實，阿斯巴甜是苯丙胺酸和天門冬胺酸兩個胺基酸化合在一起做出來的，本質是胺基酸，根本就不是糖，但就是甜，道理很簡單，只是符合甜三角的理論而已。 此外也要講一下醋酸鉛，它根本是無機物，居然也是甜的，而且它和羅馬帝國的滅亡有關。原來羅馬時代使用鉛製水管，難免會用含鉛的水製酒或含鉛的容器裝酒，酒有一部分氧化變成醋，就產生醋酸鉛。醋酸鉛是有毒的，羅馬人卻不知道，還覺得這種酒特別甜美，大量攝取後自然就中毒了。 討論過甜味，接下來看看酸味。有個東西曾經流行過一陣子，現在不知道哪裡買得到，它叫做奇蹟果，只要吃了這個奇蹟果，兩個小時內，可以吃檸檬、喝醋，而且覺得它們甜得不得了。這也是因爲奇蹟果當中含有一些胺基酸，可以跟舌頭上感覺酸味的味蕾細胞結合，吃的人就無法再嚐到酸味，直到受體細胞再生出來。這當然也完全符合先前提到的鎖鑰理論。 ===繽紛的嗅覺=== 二〇〇四年的諾貝爾化學獎是頒給研究嗅覺的Richard Axel和Linda Buck兩人，他接到瑞典的電話時很驚訝地說：「我得了化學獎？有沒有搞錯，我不是做化學的。」其實他是做生物化學的，當然有資格得化學獎，換句話說，就是我們現在的生物研究其實是化學分子的層次。 先前說過舌頭只能辨識五味，因此眞正要感受到食物的美味，多半是靠嗅覺。大部分生物的嗅覺都很靈敏，比方說，有關蛾交配的性費洛蒙，就算濃度很低，一立方公尺空氣中只有數十至數百個分子，牠們也能聞得到。 除了靈敏，嗅覺還比味覺更豐富，光是人類能分辨的氣味就有約一萬種，其中又可分成三類。第一類是簡單的，比方說蘋果、香蕉、香瓜的氣味。第一 一類是像大蒜這種。第三類則是複雜型的，比方煮咖啡、烤麵包的香氣等。 大部分花草水果的香味都屬第一類，意即可以找出一種主要的氣味分子來源，比較單純。我們喝的大部分芭樂汁、柳丁汁等等都是用人工合成的氣味分子調出來的，並非拿眞正的芭樂、柳丁去榨，而是把該種水果主要的氣味分子萃取出來，研究出它的分子構造，再用化學方法合成，就非常便宜，適合食品工業的應用。至於萃取方法是什麼呢？簡單地講，就是拿活性碳去吸附這些氣味分子，待它吸附飽和，然後用有機溶劑把它們全部溶出，再加以分析，找出主成分。這些分子在化學家眼中也很有趣，比方有些分子可以區分成左邊右邊，就像一個人照鏡子，左手在鏡子裡看起來是右手，這種東西叫做鏡像異構物。奇妙的是我們的身體可以區分它們，只要左右不同，味道就完全不同，一邊左旋的是甜的，但另一邊右旋的是苦的。大家都聽過的左旋C也是指接下來我們講比較不同的第一 II。比方說大蒜，小心地剝開蒜皮時是聞不出味道的，一刀切下味道就出來了。 一般人直覺會以爲，這是由於它的氣味分子藏在裡面，其實不然。大蒜是所謂酵素反應型的香味，也就是說，大蒜中本來並沒有任何會發出大蒜香味的分子，而是一些不容易揮發的其他大分子，必須等這些大分子被酵素催化反應切成兩半，才能揮發出大蒜的味道。所以中國料理的大廚師最厲害，因爲他們不是切開大蒜，而是拍碎大蒜再用刀背搗成泥，這樣最香，理由是可以讓酵素充分地引發反應。這件事在化學上的解釋是，大蒜中僅含有蒜香的前驅物，前驅物發生反應後才會得到蒜香的生成物。 茶和咖啡的香味又更複雜些，除了有酵素反應生成的氣味，還有別的原因，不過兩者相比，茶還是比較單純，因爲茶的氣味主要仍來自於酵素反應。中國對茶是很講究的，一心一葉叫旗竿，一心一 一葉叫雀舌。天還沒亮就去採，採下來稍微曬一下脫水叫做凋萎，之後就是最重要的搓茶，搓的時候不但用力要適中，搓的時間也有講究，不能太長也不能太短，每個細節都會影響茶的品質。 爲什麼呢？可以舉個常見的例子來說明，比方說買菜，買回來的菜如果葉片都很完好，就能在冰箱擺比較長的時間，但若葉片有折到，就會很快爛掉，原因就是酵素跑出來了。茶也是利用這種原理，把茶的葉子搓出酵素來短暫發酵，然後烘烤把酵素破壞，強制停止發酵。這就是所謂的炒茶，一邊炒把酵素都破壞掉，一邊把茶葉搓成合適的形狀，有的一頼頼，有的長條型。茶的香味就取決於發酵的程度，發酵時間短成爲綠茶或清茶如文山包種，發酵時間長成爲顏色較濃的金萱，甚至紅茶。茶的香味優劣主要就取決於這個發酵的過程，沖泡的技術雖有影響，卻比較小。 咖啡卻完全不同，煮的技術會大幅影響咖啡的風味，這是因爲跟茶相比，咖啡的香味來源又複雜得多。這種最複雜的第三類，就叫做化學反應型的香味。咖啡豆也是要炒，要讓它發酵，但煮的時候又有許多變化，根本無法在實驗室中控制它的氣味。其他諸如烤麵包、烤牛排等各種美食的香味，都屬於這一類。有時甚至必須在高溫下，讓醣類分解脫水焦化，或使蛋白質分解成胺基酸而揮發，才會產生。這些香味在實驗室中是無法再現的，比方說牛肉口味、鮮蝦口味的零食，都必須眞的從牛與蝦的相關產物中製出。這方面的市場非常大，如果有人能用人工方法做出來，一定可以賺大錢。 ===化學養生祕笈=== 談美食不能只看賺錢，甚至不能單看美味，因爲在這個年頭，美食早已離不開養生，也就是營養和健康的需求。所以我們也要從化學角度，談談食物中的營養成分。食品中最主要的營養成分有三種，就是油脂、蛋白質和碳水化合物。 首先看到油類，如圖所示是最有名的三酸甘油酯分子(圖二)，有三條長鏈，長鏈就是脂肪酸。左邊就是酯化後形成的-COOC-，這就叫做酯的官能基。我們在檢査身體的時候要知道油脂的含量，就是檢査這個三酸甘油酯的多寡。 所謂飽和脂肪酸，就是沒有雙鍵，所有的碳周圍都接滿了 ，謂之「飽和」，比如豬油、牛油就完全沒有雙鍵。反之看到植物油，我們說它「不飽和」，正是因爲它有雙鍵。可是雙鍵卻不是愈多愈好，反而是只有一個雙鍵的橄欖油最健康，因爲它最穩定。 至於沙拉油，卻有兩個，甚至三個雙鍵。雙鍵愈多，就會愈不穩定，不穩定加熱時就會產生變化，這點我們等一下會再詳談(圖三、圖四)。油脂有飽和有不飽和，不飽和的有一個雙鍵或多個雙鍵，那麼我們要吃哪種油最健康？答案是不可偏廢，各種油脂全都要吃，因爲它們各有不同功能，例如飽和脂肪酸是細胞膜的原料，不飽和脂肪酸則是體內激素的原料。比方體內控制血壓的重要激素前列腺素，就是由植物油製造出來的。 那麼營養學家爲什麼告訴我們要吃植物油，不要吃動物性油脂？那是因爲我們吃肉時已經把動物性油脂吃進去，不需要再多吃豬油牛油。像我們小時候，偶爾吃個豬油拌飯，加點醬油，就很美味，現在吃的肉多，就不需要再吃豬油了。 爲什麼有些人說沙拉油比較不健康？其實涼拌時用沙拉油就很好，不會有任何問題，熱炒時馬上吃也沒有問題，問題是不能回鍋，熱過後也不能擺。因爲一加熱，它的雙鍵就會打開，開始聚合反應。各位回家可以做個小實驗，用紙杯裝一點加熱過的沙拉油，擺一段時間，過幾天會很黏，甚至還會「牽絲」。這表示三、四天中沙拉油一直在進行化學反應，一個雙鍵加熱打開後就產生了自由基的電子，有的會回去變成雙鍵，有的會氧化變成酸，氧化變酸是油腐敗的第一步。此外有些自由基電子還會去抓另一個分子，叫做自由基連鎖反應，它會打開另一個還沒打開的雙鍵，把沙拉油的分子聚合起來。 說得詳細點，就是自由基電子靠著它的活性，硬把另一個雙鍵打開，就像扳開一雙握緊的手，被扳開的雙鍵產生另一個自由基電子又去抓別的分子，把許多分子接在一起，就是聚合反應，幾天內這杯油一直在進行這樣的化學變化。所以我們說熱過的沙拉油不好，應該馬上把它吃掉，留著就是禍患。由此也可看出橄欖油爲何健康，因爲它只有一個雙鍵，當然比較不容易聚合。此外植物油還有許多種類，包括葵花子油等，無法一 一列舉，總之，雙鍵數目較少的植物油，都比較安定不易變質。 下一個要提的，就是專家建議，要養生就不要吃乳馬林。普通體質的人吃了 ，還不嚴重，如果家族有心血管疾病或過敏體質的遺傳，就要小心了。乳馬林就是氫化植物油，以加氫破壞植物油的雙鍵讓它變成飽和脂肪酸，這個過程中難免會產生失敗的氫化，氫從雙鍵的一邊掉出來，但跑到雙鍵的另一邊，又接回去了 ，脂肪酸就從順式變成反式，我們的身體完全不能吸收這種東西，甚至有害。要成爲養生美食的專家，這類知識可是絕不能少的。 剛才談過油脂類，現在來談談醣類。圖五a.是葡萄糖的結構，它是一種碳水化合物，有很多氫氧基(-OH)。碳水化合物是我們的基本食糧，因爲氫氧基多，它的異構物也多得不得了。糖的異構物太複雜，研究核酸或蛋白質都有人得諾貝爾獎，研究糖的還沒有，就是最好的證據，這類研究目前做得最好的是中研院院長翁啓惠院士。其實能把糖分子按照設計，把它一個一個脫水聚合接在一起，能接四、五個就很了不起可稱大師了 ，爲什麼呢？原因是它到處都是-OH ，放在一起時不知到底是從哪一個-OH接在一起？合成一瓶亂接的多糖很容易，但要控制它接的位置，就不簡單。許多人體成分都有特定的接法，比方說人的血型就是因爲糖受體的差異而有不同。 不過，我們在此只看最簡單的α和β葡萄糖，在圖五a.中分別以Alpha和Beta表示。先說澱粉，它全是由α葡萄糖聚合而成，構造是很特別的，我們必須多一點想像力。各位都聽說過葡萄糖的形狀像一把椅子，不是平的而是有個角度，如果接到下一個葡萄糖，自然會產生一個夾角(圖五b.)。 我們現在問一個是非題，那麼澱粉這樣一長條聚合出來的分子，會是直線，還是會盤旋起來？答案是既然有偏角，一個一個小偏角累積起來，自然就會變成螺旋狀(圖五b.)。這也可以解釋小學時的實驗，爲什麼碘會和澱粉起反應變成藍紫色？那其實不是一種完全的化學反應，碘只是跑進這個螺旋的中間，因而產生光學上的變化，如果擺得夠久，碘又會跑掉變成無色。 大家知道液晶螢幕的偏光膜是塑膠做的，其實就是仿造這樣的原理，將含有大量-OH基的分子聚合成螺旋狀結構，讓碘分子可以穿進這種塑膠去，排列整齊的碘分子就會起一種偏光的作用，而它確實也會因此變得有點偏藍。肚子餓的時候，血糖仍維持一定的濃度，要靠儲存在身體的養分釋放出來，吃飽的時候，把澱粉消化變成的葡萄糖，也不能全部釋放到血液裡，否則等於把血管泡進很濃的糖水中醃漬，是會把血管破壞掉的。因此消化得到的葡萄糖，馬上會被轉化成肝醣，儲存起來。請看肝醣的結構(圖六)，爲什麼是這樣？想像一下在路上突然被野狗追，瞬間需要大量的葡萄糖使用，如果儲存時也像澱粉一樣長長一條，釋放時只能從末端一個一個水解釋出，就緩不濟急了。人體靠酵素把葡萄糖剪下來，如果像澱粉那樣一次只有一個末端，那就只能像是一刀就剪一個，肝醣卻有許多分支(branching)，讓酵素可以像工人拿電鋸修剪樹木一樣，同時作用，一次就可剪下五到十個的葡萄糖(圖六)。事實上自然界還更有趣，剪直的酵素不會剪分支，剪分支的酵素不會剪直的。 我們體內的酵素，無法消化直線狀排列的纖維素。纖維素爲何不像澱粉盤旋，而是直的？道理很簡單，一個α葡萄糖接一個β萄葡糖，一上一下，偏的角度互相抵銷，它就是直的了。我們需要吃這種不能消化的東西，是因爲不能消化的纖維，正好可以幫助胃腸蠕動。 還有一個好東西就是所謂的寡醣，有種飮料叫奧利多，就是取自英文的 OligO。寡字首的意思就是它也是聚合體，結合方式與纖維素類似，但分子量很小，略溶於水，使它的性質和大分子不同。寡醣當然還是不能消化，但我們吃它卻有好處，因爲可以幫助腸道中的友軍——有益的細菌。 比方我們喝了一罐奧利多，吃下許多寡醣，腸胃道中的益菌就會歡呼，補給來了！於是牠們就會很活潑，大量繁殖。益菌量大，壞細菌就不敢作怪，甚至如果吃得太多，連放屁都不會臭，因爲益菌消化後只會產生一 一氧化碳，很乾淨。 相反地，會讓消化後產生硫化氫、阿摩尼亞的都是壞菌，因此如果放了臭屁，不但不文雅，也可以讓我們知道腸胃道中的壞菌有點多了 ，可以補充寡醣讓益菌大量繁殖。另外像保健食品表飛鳴，它則是直接補充益菌，健胃整腸。 接下來我們講到食物中主要營養的第三種，胺基酸。它可就簡單了 ，就只有一個胺基和一個酸基組合起來。當胺基酸要聚合成蛋白質，自然就不會有醣類那樣複雜的分支，胺基就接酸基，酸基就接胺基，非常直接，只能一個接一個依序結合。 胺基酸的變化在酸基laOOH和胺基上的一個R ，人體內就是由這一 一十種不同R的胺基酸所構成。其中有九種，必須靠攝取食物來獲得，因爲身體無法自行轉化、製造，稱爲基本胺基酸。另外十一種胺基酸，如果不夠了 ，身體還會自行轉化製造，所以不要緊(圖七)。 不一樣的 R 造成不同的胺基酸，而蛋白質的特別之處，就在於它們聚合後，有一個特別的官能基(-NH-CO-)，它們彼此之間，可以形成氬鍵。氫鍵的眞正意義就是中間夾著的那個氫其實是被兩個原子所共用，可能一個用得多，一個用得少，所以兩條蛋白質之間有許多氫鍵，甚至一條蛋白質盤旋起來，自己上下之間都有氫鍵，稱爲"螺旋，一條蛋白質會靠著自身的氫鍵盤旋起來，是自動自發的。但若一條條平行排列，也能形成稱做"摺板的結構，它們彼此之間有許多氫鍵，我們身體裡的蛋白質就是這兩種結構爲主。藉此構成我們身體的重要成分。 講完營養成分，還是要回到美食的主題，其實蛋白質也是讓食物美味的最主要角色。油脂只起潤滑的作用，而一盤水燙青菜更是索然無味，素食不怎麼好吃，就是因爲只有植物性的蛋白質，種類少了許多。那麼，要怎麼樣讓做出來的東西好吃？讓大廚來舉幾個例子，拉麵、蒸餃和鍋貼，都是一些特殊的麵食。 米飯爲什麼比較難變出花樣？因爲澱粉多，蛋白質少。麵食比較好吃，就是蛋白質比較多的關係。蛋白質的含量高低，則是所謂高筋、中筋，邇有低筋麵粉的區別。高筋麵粉的國家標準中，蛋白質的含量甚至要超過百分之十。 現在從揉麵的階段開始做拉麵。請看圖八，剛開始的時候，麵粉中的蛋白質是什麼樣子？是一團一團的。前面說過蛋白質是胺基酸一個個接起來的，乍聽之下好像不會結成團，但要留意蛋白質有氫鍵，自己就會折起來，絕不會乖乖地一直條接下去，因此生物體製造出來的蛋白質當然就都是球狀。比方把生蛋打破，蛋白是透明的，還會流動，道理就是如此，因爲當時它的蛋白質是一球一球的，泡在水裡邊，可以自由移動。把它煮熟之後呢？ 一加熱，氫鍵就破壞掉，而一旦把蛋白球的氫鍵打開，那些長條狀的蛋白質自然就不肯也不能乖乖變回去原狀，反而彼此搭在一起，變成固體rJ!蛋也就這麼煮熟了。 所以揉麵的時候，要一點一點地加水，反覆揉來揉去，如果加了很多水，攪一攪，成爲流體，可就揉不起來了。現在我們用正常揉麵方法揉，一點點加進適量的水，因爲水分子也有很多氫鍵，和蛋白質的氫鍵彼此拉在一起，所以它就起了 一個潤滑的作用，讓蛋白質分子可以滑動。接著就可以開始拉扯，拉完後蛋白質分子大部分便會延伸開來，而且和麵條的形狀平行。這時麵就好吃了 ，因爲單位截面積中有最多的化學鍵，韌性很夠，且這時候把麵拉到很細，它也不會斷(圖九)。 再來說到蒸餃、鍋貼，蒸餃或鍋貼要好吃，應該要用烫麵。現在外面賣的蒸餃或鍋貼有些沒有用燙麵，那就不好吃。同樣是麵粉，蒸餃的皮和麵包、饅頭的做法有何不同？程序是這樣的，首先要拿一碗麵粉，倒一些熱開水進去，攪一攪，當作母麵，然後再加入一些冷水和麵粉。開水愈少，冷水愈多，那就愈硬，反之,就愈軟。燙麵和揉麵也不一樣，熱水瞬間燙下去，作用的對象是澱粉,而不是糾結得很扎實的蛋白質。麵的目的就是爲了只把澱粉的氫鍵打開，而不打開蛋白質的氬鍵，澱粉的氫鍵被打開的瞬間就糊化了 ，而蛋白質的氫鍵還沒有打開，這樣做出來的麵糰就很軟，不像拉麵那樣硬梆梆的，如此就可以做出好吃的蒸餃皮。 從最根本的化學，來看食物的美味和營養，是不是很有趣？自古以來的料理，都是經驗法則，知其然，不知其所以然。美食化學這堂演講希望突破這一點，讓大家了解其實味覺的產生，和許多料理的手法，都是可以找到科學根據的。