茄汁的科学：从物理到微生物学


茄汁是一种不太友善的酱汁。以下是你把茄汁从雪柜取出后发生的连环不幸事件：你尝试倒出茄汁但不果，然后多次猛力拍打瓶底，但茄汁依然无动于衷，只好苦等一会后再来一次 — 啊 —！这次茄汁一下子从瓶里射出，而你根本用不著那么多茄汁。茄汁是用途广泛的调味料，适合配搭不同食物，因此以上情境也许是茄汁爱好者习以为常的经验。但为甚么这样的事情会一再发生呢？为甚么只有茄汁会出现以上的情况？

作为有可变黏度流体的茄汁

我们想茄汁容易流动，但从雪柜取出的茄汁却是冰冷的，决不是容易流动的。这时在物理学上它可以被形容为黏滞（viscous），即不易流动 [1]。与其待它解冻，大多数人会选择用力敲打茄汁瓶的底部。根据牛顿黏滞定律，流体的流动速度应与施加的力成正比，但茄汁有触变性（thixotropy）的特点 [2]，意思是茄汁变稀或变得容易流动的程度与施力是不成比例的，故此茄汁又被称为非牛顿流体 [3]。

为甚么茄汁会有这样的特性？由于分子间的吸引力或有大型分子充当物理障碍阻碍分子流动 [1]，黏滞流体里的分子不能自由流动。至于茄汁，它95%的成分是由水和醋（乙酸）等等的小分子及盐组成 [2]，但其触变性正是由另外5%的成分所赋予的。

茄汁另外5%的成分是多种大型糖分子（多糖）[1]，当中影响力最大的是果胶，它是番茄（及其他很多蔬果和植物）里具黏性的多糖，作用是把相邻的细胞壁连接起来 [1]。制作茄汁时把番茄皮和果肉搅碎会把果胶释放至番茄浆内 [3]，果胶和其他纤维分子会构成大型分子网络结构，当中靠分子的电荷把分子网络拉住 [1]。这亦意味著包括水在内的小极性分子并不能再自由流动，因为它们会被分子间作用力拉向网络 [1]；当它们不能自由流动时，茄汁就会变得黏滞。

你可能见过茄汁在放置一段长时间后表面会浮现一层水；事实上，过多的水份最终可以离开分子网络，这过程称为沥取（leaching）[1]。此时你需要摇匀茄汁，使分子再一次均匀分配而达至均匀化（homogenized）。但记著，茄汁是非牛顿流体，当你摇动茄汁瓶或猛敲瓶底时，施加的力会破坏维持分子网络的分子间引力，令茄汁中的水份以与所施的力不相称的速度飞快溅出！

茄汁的防腐之谜

茄汁有以上特性都是历史上把番茄引入「茄汁」配方后的结果，现在让我们探究一下茄汁保鲜的秘密吧。膎汁原是发祥于中国及东南亚的一种鱼露，名称来自福建话（注一）[4]，配方辗转被改头换面并加入番茄后才变成今天的茄汁，不过无论是最初的鱼露还是现在的茄汁，都是以长达一年的保质期闻名 [4, 5]。其中一个延长保质期的常用方法是加入酸性物质来抑制微生物生长，因此早期的膎汁即使没有番茄，味道也是酸的 [5]。进入以番茄制作茄汁的年代后，人们曾经加入化学防腐剂到早期的商业配方里以延长保质期 [4]，但在19世纪后期一些生产商和科学家开始相信被广泛使用的防腐剂苯甲酸钠（sodium benzoate）并不安全 [4]，这驱使Henry Heinz及他旗下的公司寻找方法制造不含防腐剂的茄汁 [5, 6]。

食品科学家发现决定性的因素在于番茄的成熟程度和加入溶质的量 [5]。成熟的番茄含有更多果胶和果胶酸，那是在成熟过程中透过酶促使的反应所产生的。不单是高果胶含量使茄汁变得更浓稠，Heinz所用的方法还需要加入更多的盐、糖和醋 [5]，它们均有不同作用：果胶酸和醋能增加茄汁酸性；而加入盐、糖之类的溶质有助降低水分子移动的能力，不仅是在茄汁内，还减少进入微生物体内的水分子，这有助切断供其生长反应所需的水份来源 [7]。这些改动都能在不加入防腐剂下抑制微生物生长，以免茄汁变坏。使用更成熟的番茄及加入醋和糖同亦能锦上添花，使茄汁变得更甜更酸 [8]，塑造出茄汁独特和更受人喜爱的酸甜味。

最后，人们还发现原来对茄汁瓶的设计做一些改动就能使我们每次都能轻易地倒出茄汁 [9]。不过这又是另一个故事了……

[Footnote]

  1. 膎汁：「膎」的粤音为haai4（读：鞋）[10]，解作「以盐腌制的鱼虾、肉类」[11]。

参考资料:


  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︰香港科技大学《科言》学生编辑胡适之
设计︰香港科技大学《科言》学生设计师林晓薏
翻译︰香港科技大学《科言》总编辑刘劭行
2022年11月