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All posts by Brianne Christopher

焦糖制作背后的科学原理

2021年 6月 6日

许多人(包括我自己)都喜欢看一档烹饪比赛节目The Great British Bake Off :不仅节目有趣,而且里面的食谱看起来也很美味。我在看节目时注意到的一件事情,就是当被要求用焦糖烤东西时,参赛者通常都会抱怨。原因是制作焦糖是一项不稳定的任务——一个错误的举动就会毁了整批成果。让我们在制作这种甜蜜的美味时,审视一下其中隐藏的复杂物理现象吧。 焦糖烹饪基础 你知道米尔顿·s·赫尔希,著名的赫尔希巧克力棒的创造者,他是以制作焦糖开始他的糖果生涯的,而不是巧克力?或者说现在流行的咸焦糖味就是在 20 世纪 70 年代被一个叫亨利·勒·鲁的巧克力商发明的?除了这些有趣的事实,从制作到理解复杂的化学过程本身还有很多我们不知道的焦糖化过程。 从技术上来说,我们制作焦糖实际上需要的唯一成分是糖(尽管很多配方中也需要水、黄油、奶油和一点盐来降低甜味)。制作过程本身似乎很简单。根据精致烹饪 这篇文章讲述的,制作焦糖可以用干法或湿法制备: 干法制备: 将白砂糖在中高温下烧至冒泡,最后变成金黄色 湿法制备:往锅里加点水,这样糖可以煮得更久,颜色变化丰富,味道也更好 “炒糖色”的制作过程(从开始加热需要一直搅拌)。 焦糖化后的白砂糖(图中用的是蔗糖)。 看起来似乎很容易,对吧?没那么简单。如果我们没有注意到一些重要的要点,那么你炒的糖色最终可能会被扔进垃圾桶,而不是美味的焦糖布丁或巧克力蛋糕了! 燃烧 在用干法炒糖色时,温度的把控是很重要的,这样糖就不会烧焦(也就是我们常说的火候)。提示:精密的温度计实时测量焦糖的精确温度及其变化不失为一个好方法。下面的表格是使用专业的温度计测量的制作焦糖的全过程。 温度 焦糖的状态 160 ℃ (320 ℉) 砂糖变成透明的、融化的液体糖 171 ℃ (340 ℉) 液体糖开始变成浅棕色;冷却时易碎 179 ℃ (355 ℉) 焦糖开始变成中棕色;冷却时变硬 185 ℃ (365 ℉) 焦糖变成深棕色;冷却时又软又黏 210 ℃ (410 ℉) 焦糖变得又黑又苦;通常在这个阶段用作着色剂 需要考虑温度的另一个重要方面是:当焦糖开始变成棕色时,这意味着物质中80% 的水分已经蒸发了。水在沸腾时需要大量的能量,因此水沸腾时的温度是恒定。当大多数水蒸发后,所有的能量都被用来提高焦糖的温度。焦糖的温度会快速上升,以至于很难将其保持在所需的温度范围内,如上表所示。因此,焦糖可能会燃烧,变得又苦又黑。 重结晶 如果你选择用湿法炒糖色,在糖里加水,那么会存在一定风险:糖浆会溅到锅的侧面。水蒸发后,留下了糖晶体。如果有一颗糖晶体掉进煮焦糖的锅里,它会引发糖晶体的连锁反应,使整锅糖都变硬。结果呢?会变成粗糙的颗粒状焦糖,这在大多数食谱中是不可用的。 炒糖色时,需要密切监控锅的侧面有没有沾到糖晶体。 许多厨师,包括前面提到的 The Great British Bake Off 节目中的参赛者有一种特殊的方法来避免重结晶:就是经常用湿面饼刷锅的侧面,以确保蒸发的糖浆不会形成糖晶体。 焦糖化过程及其背后的化学反应 当你炒制糖色时,可能会认为砂糖晶体会直接融化成酱汁——事实上,并没有这么简单。相反,糖在这个过程中经历了一个复杂的化学反应,叫做“非酶褐变反应”,其中的化合物会被热分解,而没有蛋白质或酶参与。 就普通蔗糖而言,焦糖化过程包括 4 个主要步骤。首先,发生 蔗糖转化,其中二糖蔗糖被分解成两个单糖:葡萄糖和果糖。 然后,施加的热量会发生冷凝。糖失去水分并相互反应,形成一种叫做二果糖酐的化合物。之后,进一步发生脱水反应,不同的糖之间发生更多的化学反应。最后,糖分子断裂并发生聚合。最终生成的三种大的棕色分子赋予焦糖味道、色泽和黏性: 焦糖酐(C12H18O9) 焦糖烯 (C36H50O25) 焦糖素 (C125H188O80) 此外,这个过程还会产生更小、更易挥发的分子,使焦糖具有美味的香气和风味,包括: 呋喃,产生坚果味 麦芽酚,产生烘烤的味道 乙酸乙酯,产生果味和芳香 二乙酰,赋予焦糖标志性的黄油味 焦糖化过程取决于许多不同的变量,包括糖的类型、加热温度和糖的加热时间等。事实上,焦糖化的程度取决于你想要用它来做什么。 焦糖化:不要与美拉德反应混淆 […]

通过多物理场建模设计用于 5G 器件的腔体滤波器

2021年 4月 13日

2020 年中至年末,备受期待的 5G 智能手机开始向公众推出。射频滤波器是支持这些设备的新型 5G 基础设施的一个关键器件。用于防止信号干扰的滤波器可能会受到明显的温度变化的影响,从而导致结构变形,尤其在极端环境条件下。

借助仿真实现声呐系统的快速原型设计

2020年 12月 15日

借助多物理场仿真技术,诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman Corporation,NGC)快速完成了声呐系统的创新设计和实现。Lauren Lagua 是 NGC 水下系统部门声呐集成团队成员之一,她在 2020 年北美 COMSOL 用户年会的主题演讲中,讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件在声呐系统开发中进行快速原型设计。文中摘录了她的一些演讲内容,并附加了完整的视频演讲,欢迎浏览。 视频演讲:NGC 如何使用 COMSOL Multiphysics® 进行快速原型设计   NGC 的快速原型设计流程 在 NGC 公司,工程师遵循着快速原型设计的流程,该流程包括四个部分,其中前三个部分经常重复多次: 原型设计 原型制造 测试与设计验证 最终设计的制造 Lauren Lagua表示,在该流程的每一个环节都使用了多物理场仿真技术。 原型设计 在为声呐系统设计换能器(Tonpilz 型压电换能器案例模型)时,工程师会通过测试不同的参数设置,来了解如何最好地实现项目的总体目标。他们可能会尝试测试材料(例如新的压电材料)、几何形状和频率等参数。Lauren 团队使用 COMSOL Multiphysics 的 压力声学、固体力学、静电 和电路 接口,确定了不同的参数变化如何影响其设计。 在测试新材料时,团队经常缺少供应商提供有关材料属性的所有必要信息。因此,他们使用 COMSOL Multiphysics 评估已有信息测试材料属性,并将评估结果与 COMSOL 模型进行比较来估计材料性质。 主题演讲的屏幕截图,显示了换能器设计中使用的材料。 原型制造 NGC 团队在建立好模型并运行之后,会在整个原型制造过程中执行一系列测试,并将其与模拟结果进行比较。有时结果会不匹配,例如模型中可能缺少物理场。有时,Lagua能够在原型中发现制造问题。例如,当将压电材料黏合到背衬基板时,可能会出现气泡或黏合不良等问题。 Lagua 对导致问题的原因进行了假设,并在 COMSOL Multiphysics 中模拟了其假设。通过将模型结果与原始原型的假设进行比较,Lagua 能够快速对制造问题进行故障排除并纠正。 测试和验证 准备好原型后,NGC 团队将对其电气和声学特性进行系统级测试。 电气测试包括阻抗测试和电容测量。 在声学方面,NGC 公司使用了最先进的声学测试设备。该设备是私营企业最大的测试池,直径为 15 米,可容纳约 1500 立方米水,并用红木衬砌,以建造一个理想的宽带声学测试环境(模仿开放水域环境)。声学测试池用于测量声呐换能器中的发射电压响应,远场电压灵敏度和辐射方向图。该设备的测试结果将被反馈回模型中,并进行验证模型,或者在必要时进行调整。 声学测试池。图片由 Northrop Grumman Corporation 提供。 一旦设计通过了快速原型设计流程的前三个阶段,就可以一次又一次地快速迭代它们,直到准备好制造出最终设计版本为止。 微型无人水下飞行器的声呐 在 Lagua 的主题演讲中,她以 NGC 公司的一个项目为例说明了如何借助仿真快速实现声呐系统的原型制造。该项目成功使用 COMSOL […]

通过仿真研究输电线附近的磁场暴露水平

2020年 12月 14日

Sweco使用数值模拟来研究输电线路周围的磁场暴露水平。点击这里了解完整的故事。

庞巴迪运输公司使用仿真 App 设计电感器

2020年 11月 20日

庞巴迪运输公司(Bombardier Transportation)是全球铁路运输解决方案提供应商,与 60 个国家的 200 个主要城市建立了合作关系。事实上,每天有超过 5 亿乘客会乘坐庞巴迪的制造的列车。这些列车的部件需要根据不同客户的要求,以及不同供应商的规格要求定制。

多物理场仿真助力抗击全球疫情

2020年 8月 13日

无创呼吸机(Noninvasive ventilation,NIV)是一种医疗救助装置,它通过持续气道正压通气技术(Continuous positive airway pressure,CPAP)为呼吸困难的患者提供空气。

人体头部扫描几何的头相关传递函数计算

2020年 7月 14日

头相关传递函数(head related transfer function,HRTF)是设计音频设备时的一个重要因素。声学工程师常使用通用的HRTF测量结果,但每个人都有自己的 HRTF —— 它就像指纹一样独特。为了进行更个性化的分析,可以用麦克风测量个人的 HRTF,但这个过程既耗时又繁复。

开发用于按需 DNA 合成的硅 MEMS 芯片

2020年 1月 21日

体细胞基因组编辑逐渐表现出能够治疗多种遗传疾病的能力。随着功能强大的基因组编辑工具 CRISPR-Cas9 的不断发展,人们对 DNA 合成技术的需求也越来越多。


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