烹饪土豆时发生了什么？

引言

基于土豆在经济价值、营养价值和粮食安全等方面不可替代的优势地位，中国在2015年提出实施土豆主粮化战略 。在土豆的地位越来越重要的今天，如何有效地烹饪是关系食品安全的基础科学问题。土豆的烹饪方式有哪些，在烹饪过程中都发生了什么物理化学变化呢？

 图1 新鲜土豆（图源自网络）

一. 土豆的价值和餐饮文化

大约一万年前，土豆（学名马铃薯，又称洋芋、地蛋等）就已经在南美洲实现人工栽培，供养了印加文明，并在16世纪由西班牙人带入欧洲，哺育和催生了工业革命的兴起与繁荣，也在进入中国的四百多年里扮演着重要的角色[1]。如今，全世界每年的土豆产量超过3亿吨，中国的贡献比例超过四分之一，常年稳居世界第一[2]。相比于稻米和小麦，土豆的生存能力强、种植产量高，从表格1所列出的常见粮食作物单位面积产量数据来看，土豆的单位面积产量远高于传统主粮。 表格1  2021年全国粮食单位面积产量[3]

图2 从田间新出土的土豆（图源自网络）   土豆的营养成分丰富，除淀粉外，还含有人体需要但无法在体内合成的8种必需氨基酸，同时在维生素、膳食纤维、必需微量元素的含量方面也表现优异，可以说是兼备粮食、蔬菜、水果的营养特征，与现代人们所追求的营养均衡、健康养生的饮食理念相契合[1]。 土豆的烹饪方式多种多样，世界不同饮食文化区的人们，发挥了十足的创造力，将不起眼的土豆做出数不清的花样，全方位地满足人们的味蕾。对中国人来说，或许是那一盘爽脆可口的家常版酸辣土豆丝，最能记起家的味道。除此之外，它还以土豆炖鸡块、土豆粉丝煲、青椒土豆片、春炸土豆饼等多种菜式充实着中国人的餐桌。中国当前的土豆人均年消费量为41.9kg，其中约70%是将其作为蔬菜食用[4]。而在西方，人们倾向于将土豆作为主食 ，进行油炸、烘烤、捣碎，发展出炸薯条、烤土豆、土豆泥等等，甚至还包括复杂一些的香煎奶油千层土豆饼（Dauphinoisepotatoes），同样是五花八门。

图3 中式炒土豆丝和西式香煎奶油千层土豆饼（图源自网络）

二. 烹饪土豆过程中的物理化学变化

1. 淀粉糊化

土豆在被烹饪的过程中究竟发生了什么变化呢？想要回答这个问题，就要从土豆的主要成分淀粉说起。1943年，Meyer等[5]发现淀粉是α-D-葡萄糖单元通过糖苷键连接而成的聚合物，并以直链淀粉分子和支链淀粉分子相互聚集形成的颗粒而存在。如图4所示，淀粉的周期性层状结构主要由支链淀粉簇状结构中的双螺旋结晶区和支链淀粉分支部分的非结晶区交替排列形成，其厚度均为9nm左右。土豆淀粉是一种典型的B型淀粉，所形成的六方晶胞中含有12个葡萄糖残基，36个水分子，其中一半的水分子与双螺旋紧密结合，其余的形成复杂的网络结构。  

图4 淀粉颗粒及糊化过程示意图[6]   常温下，水分子可进入淀粉颗粒的非晶层，使其进行可逆吸水溶胀，但受限于结晶区缜密的堆积形态，水分子难以进入到淀粉分子链螺旋附近及空腔进行缔合，削弱或者消除淀粉分子链间强氢键作用力。因此土豆这种B型淀粉形成的晶体比大米等A型淀粉形成的晶体更加完整，不容易受到酶的破坏。此外，土豆中的直链淀粉与脂质发生V型结晶空腔的包和作用，抑制了淀粉颗粒的吸水膨胀，可以减少淀粉与酶分子之间的结合位点，产生对酶的抵抗性。所以，人们无法消化生土豆，土豆必须做熟了才能吃。 以最简单的煮土豆为例，随着体系温度上升至大约55°C - 80°C时，在水分子的作用下，淀粉颗粒的结晶区片晶会由侧表面向内部，由较薄处向较厚处发生溶化[7]，原本坚固的防线被水分子突破，依靠氢键作用整齐排列的淀粉分子链被打乱，淀粉分子链间的相互氢键作用被淀粉分子链与水分子之间的氢键作用所取代，这是一个不可逆的吸水过程。淀粉的双螺旋结构转变为与水缔合的单螺旋结构，颗粒内部的淀粉分子扩散、溶出颗粒外，变成透明或半透明的淀粉胶体溶液，淀粉由半晶结构转变为完全的非晶结构[8]，这一过程叫做淀粉的糊化（Starch Gelatinization），也就将土豆煮熟了。

图5 煮熟的土豆（图源自网络） 我们知道了土豆被煮熟的机理，那么煮熟一个土豆需要多长时间呢？新西兰奥克兰大学的一堂有趣的实验课程探究了这个问题[9]，实验者将洗净的土豆放入稳定在98°C - 99°C的水中煮制不同的时间，分别测量在不同煮制时间下土豆变熟的厚度（cooked thickness）和生熟交界处的温度。  

图6 煮土豆过程中由外而内变熟的示意图[9]   很显然土豆是由外向内逐渐变熟的，如图6所示，热量从水中向土豆内部的糊化反应前沿传递，下面的方程定量地描述了煮熟土豆过程中各个参数带来的影响[9]。

式中r0是整个土豆的半径，ri是尚未被煮熟部分的半径，t是时间，所以等号左侧dri/dt可用来表示土豆变熟的速率。从等号右侧可以看出，土豆变熟的速率与土豆的热导率k、锅中水与糊化反应前沿的温度差ΔT成正比，而与糊化反应焓ΔHR、土豆的密度ρ成反比。实验选取的土豆半径为12.5mm，密度为1500kg/m3，热导率为0.624W/(mK)，糊化反应焓为4.6kJ/kg。将其完全煮熟需要10分钟，而生熟交界处的温度在65±1°C，这正是淀粉糊化反应所需的温度。 从这个实验我们可以总结出，土豆的大小形状和内部含水量都影响着熟透的速率，大小形状决定了土豆表面到中心处的最短距离，内部含水量决定了热量传递和糊化反应发生的快慢。所以个头较小的土豆，以及土豆薄片、土豆丝，在烹饪过程中都更容易变熟。  

2. 美拉德反应和焦糖化反应

和水煮类似，蒸土豆和炖土豆发生的主要变化也都是淀粉的糊化，这些烹饪方式的共同点是水分足且温度不高。而煎炸和烘烤则是水分少而温度高，在这样的条件下，土豆会发生另一种神奇的反应，从而获得不一样的风味。这便是土豆中的还原糖和氨基酸之间的美拉德反应（Maillardreaction）[10]，它通常发生在140°C - 165°C，使食物迅速变为微褐色，释放6-乙酰基-2,3,4,5-四氢吡啶等具有特殊香味的化学物质，让许多人迷恋。然而，美拉德反应还有可能产生一种具有致癌性的副产物丙烯酰胺[11]。 如果温度进一步升高，达到大约160°C - 210°C，则会发生焦糖化反应（Caramelization）[12]，这是因淀粉分子热解而产生颜色更深的褐色物质，并释放出丁二酮等挥发性物质，带来特有的焦糖味。美拉德反应和焦糖化反应的观感和嗅觉都较为相似，但其化学机理不同，产物也不一样。这两种反应还有一个共同点，就是都可能会产生对人体有害的物质，所以从健康的角度来说，我们要避免过于依赖高温烹饪。  

图7 炸薯条（图源自网络）

三. 烹饪土豆的注意事项

最后来总结一下烹饪土豆的注意事项。首先土豆不可生吃，因为人体无法消化结晶区的淀粉，生吃会引起消化不良，所以我们可以充分发挥自己的想象力，将土豆烹饪出丰富的口味。同时也要注意，在烹饪土豆的时候，温度尽量不要过高，以免产生危害人体健康的物质。 如果一次性买太多，可以将土豆储存在阴凉干燥处，但长时间存储的土豆可能会发绿以及长芽，此时的土豆会在表皮处聚集较多的龙葵素，就不能再吃了。新鲜的土豆可以洗净后带皮烹饪，土豆皮中含有维生素、膳食纤维和钾元素，对人体是有益的，工业上也从土豆皮中提取黄酮类和多酚类等抗氧化物质。希望在国家的土豆主粮计划实施之下，我们能越来越多地认识并喜欢这种经济实用、营养丰富、美味健康的食物。