茄汁的科學：從物理到微生物學


茄汁是一種不太友善的醬汁。以下是你把茄汁從雪櫃取出後發生的連環不幸事件：你嘗試倒出茄汁但不果，然後多次猛力拍打瓶底，但茄汁依然無動於衷，只好苦等一會後再來一次 — 啊 —！這次茄汁一下子從瓶裡射出，而你根本用不著那麼多茄汁。茄汁是用途廣泛的調味料，適合配搭不同食物，因此以上情境也許是茄汁愛好者習以為常的經驗。但為甚麼這樣的事情會一再發生呢？為甚麼只有茄汁會出現以上的情況？

作為有可變黏度流體的茄汁

我們想茄汁容易流動，但從雪櫃取出的茄汁卻是冰冷的，決不是容易流動的。這時在物理學上它可以被形容為黏滯（viscous），即不易流動 [1]。與其待它解凍，大多數人會選擇用力敲打茄汁瓶的底部。根據牛頓黏滯定律，流體的流動速度應與施加的力成正比，但茄汁有觸變性（thixotropy）的特點 [2]，意思是茄汁變稀或變得容易流動的程度與施力是不成比例的，故此茄汁又被稱為非牛頓流體 [3]。

為甚麼茄汁會有這樣的特性？由於分子間的吸引力或有大型分子充當物理障礙阻礙分子流動 [1]，黏滯流體裡的分子不能自由流動。至於茄汁，它95%的成分是由水和醋（乙酸）等等的小分子及鹽組成 [2]，但其觸變性正是由另外5%的成分所賦予的。

茄汁另外5%的成分是多種大型糖分子（多糖）[1]，當中影響力最大的是果膠，它是番茄（及其他很多蔬果和植物）裡具黏性的多糖，作用是把相鄰的細胞壁連接起來 [1]。製作茄汁時把番茄皮和果肉攪碎會把果膠釋放至番茄漿內 [3]，果膠和其他纖維分子會構成大型分子網絡結構，當中靠分子的電荷把分子網絡拉住 [1]。這亦意味著包括水在內的小極性分子並不能再自由流動，因為它們會被分子間作用力拉向網絡 [1]；當它們不能自由流動時，茄汁就會變得黏滯。

你可能見過茄汁在放置一段長時間後表面會浮現一層水；事實上，過多的水份最終可以離開分子網絡，這過程稱為瀝取（leaching）[1]。此時你需要搖勻茄汁，使分子再一次均勻分配而達至均勻化（homogenized）。但記著，茄汁是非牛頓流體，當你搖動茄汁瓶或猛敲瓶底時，施加的力會破壞維持分子網絡的分子間引力，令茄汁中的水份以與所施的力不相稱的速度飛快濺出！

茄汁的防腐之謎

茄汁有以上特性都是歷史上把番茄引入「茄汁」配方後的結果，現在讓我們探究一下茄汁保鮮的秘密吧。膎汁原是發祥於中國及東南亞的一種魚露，名稱來自福建話（註一）[4]，配方輾轉被改頭換面並加入番茄後才變成今天的茄汁，不過無論是最初的魚露還是現在的茄汁，都是以長達一年的保質期聞名 [4, 5]。其中一個延長保質期的常用方法是加入酸性物質來抑制微生物生長，因此早期的膎汁即使沒有番茄，味道也是酸的 [5]。進入以番茄製作茄汁的年代後，人們曾經加入化學防腐劑到早期的商業配方裡以延長保質期 [4]，但在19世紀後期一些生產商和科學家開始相信被廣泛使用的防腐劑苯甲酸鈉（sodium benzoate）並不安全 [4]，這驅使Henry Heinz及他旗下的公司尋找方法製造不含防腐劑的茄汁 [5, 6]。

食品科學家發現決定性的因素在於番茄的成熟程度和加入溶質的量 [5]。成熟的番茄含有更多果膠和果膠酸，那是在成熟過程中透過酶促使的反應所產生的。不單是高果膠含量使茄汁變得更濃稠，Heinz所用的方法還需要加入更多的鹽、糖和醋 [5]，它們均有不同作用：果膠酸和醋能增加茄汁酸性；而加入鹽、糖之類的溶質有助降低水分子移動的能力，不僅是在茄汁內，還減少進入微生物體內的水分子，這有助切斷供其生長反應所需的水份來源 [7]。這些改動都能在不加入防腐劑下抑制微生物生長，以免茄汁變壞。使用更成熟的番茄及加入醋和糖同亦能錦上添花，使茄汁變得更甜更酸 [8]，塑造出茄汁獨特和更受人喜愛的酸甜味。

最後，人們還發現原來對茄汁瓶的設計做一些改動就能使我們每次都能輕易地倒出茄汁 [9]。不過這又是另一個故事了……

[Footnote]

  1. 膎汁：「膎」的粵音為haai4（讀：鞋）[10]，解作「以鹽醃製的魚蝦、肉類」[11]。

參考資料:


  1. Vilgis, T. (2012). Ketchup As Tasty Soft Matter. In C. Vega, J. Ubbink, & E. van der Linden (Eds.), The kitchen as laboratory: reflections on the science of food and cooking (pp.142-147). New York, NY: Columbia University Press. doi:10.7312/columbia/9780231153454.001.0001.
  2. Daubert, C. R., & Foegeding, E. A. (2010). Rheological Principles for Food Analysis. In S. Suzanne Nielsen (Ed.), Food Analysis (pp.541-554). Boston, MA: Springer. doi:10.1007/978-1-4419-1478-1_30
  3. Hannink-Melbourne, N. (2016, December 21). Rheology: This Branch of Physics Explains Why Ketchup's Hard to Pour. Futurity. Retrieved from https://www.futurity.org/ketchup-physics-rheology-1321922-2/
  4. Wiggins, J. (2014, April 21). How was Ketchup Invented? National Geographic. Retrieved from https://www.nationalgeographic.com/culture/article/how-was-ketchup-invented
  5. Smith, A. F. (1996). Pure Ketchup: A History of America's National Condiment. Columbia, SC: University of South Carolina Press.
  6. Blum, D. (2019, February). How Henry Heinz used ketchup to improve food safety. National Geographic. Retrieved from https://www.nationalgeographic.com/magazine/article/how-henry-heinz-used-ketchup-to-improve-food-safety
  7. Government of Manitoba. Water Content and Water Activity: Two Factors That Affect Food Safety. Retrieved from https://www.gov.mb.ca/agriculture/food-safety/at-the-food-processor/water-content-water-activity.html
  8. Gladwell, M. (2004, September 6). The Ketchup Conundrum. The New Yorker. Retrieved from https://newyorker.com/magazine/2004/09/06/the-ketchup-conundrum
  9. Palmer, K. M. (2015, July 2). The Physics Behind Those No-Stick Ketchup and Mayo Bottles. Wired. Retrieved from https://www.wired.com/2015/07/physics-behind-no-stick-ketchup-mayo-bottles/
  10. Zhou, W., & Rao B. (Eds.). (1988). Gwong zau waa biu zeon jam zi wui [Standard Pronunciation of Chinese Characters in Cantonese]. Hong Kong: The Commercial Press (H.K.) Ltd.
  11. Ministry of Education, R.O.C. (2011). kê/kuê. In Dictionary of Frequently-Used Taiwan Minnan. Retrieved from https://twblg.dict.edu.tw/holodict_new/result_detail.jsp?n_no=10813&curpage=1&sample=%E8%86%8E&radiobutton=1&querytarget=1&limit=20&pagenum=1&rowcount=6

作者︰香港科技大學《科言》學生編輯胡適之
設計︰香港科技大學《科言》學生設計師林曉薏
翻譯︰香港科技大學《科言》總編輯劉劭行
2022年11月