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焦糖制作背后的科學原理

2021年 6月 6日

許多人(包括我自己)都喜歡看一檔烹飪比賽節目The Great British Bake Off :不僅節目有趣,而且里面的食譜看起來也很美味。我在看節目時注意到的一件事情,就是當被要求用焦糖烤東西時,參賽者通常都會抱怨。原因是制作焦糖是一項不穩定的任務——一個錯誤的舉動就會毀了整批成果。讓我們在制作這種甜蜜的美味時,審視一下其中隱藏的復雜物理現象吧。 焦糖烹飪基礎 你知道米爾頓·s·赫爾希,著名的赫爾希巧克力棒的創造者,他是以制作焦糖開始他的糖果生涯的,而不是巧克力?或者說現在流行的咸焦糖味就是在 20 世紀 70 年代被一個叫亨利·勒·魯的巧克力商發明的?除了這些有趣的事實,從制作到理解復雜的化學過程本身還有很多我們不知道的焦糖化過程。 從技術上來說,我們制作焦糖實際上需要的唯一成分是糖(盡管很多配方中也需要水、黃油、奶油和一點鹽來降低甜味)。制作過程本身似乎很簡單。根據精致烹飪 這篇文章講述的,制作焦糖可以用干法或濕法制備: 干法制備: 將白砂糖在中高溫下燒至冒泡,最后變成金黃色 濕法制備:往鍋里加點水,這樣糖可以煮得更久,顏色變化豐富,味道也更好 “炒糖色”的制作過程(從開始加熱需要一直攪拌)。 焦糖化后的白砂糖(圖中用的是蔗糖)。 看起來似乎很容易,對吧?沒那么簡單。如果我們沒有注意到一些重要的要點,那么你炒的糖色最終可能會被扔進垃圾桶,而不是美味的焦糖布丁或巧克力蛋糕了! 燃燒 在用干法炒糖色時,溫度的把控是很重要的,這樣糖就不會燒焦(也就是我們常說的火候)。提示:精密的溫度計實時測量焦糖的精確溫度及其變化不失為一個好方法。下面的表格是使用專業的溫度計測量的制作焦糖的全過程。 溫度 焦糖的狀態 160 ℃ (320 ℉) 砂糖變成透明的、融化的液體糖 171 ℃ (340 ℉) 液體糖開始變成淺棕色;冷卻時易碎 179 ℃ (355 ℉) 焦糖開始變成中棕色;冷卻時變硬 185 ℃ (365 ℉) 焦糖變成深棕色;冷卻時又軟又黏 210 ℃ (410 ℉) 焦糖變得又黑又苦;通常在這個階段用作著色劑 需要考慮溫度的另一個重要方面是:當焦糖開始變成棕色時,這意味著物質中80% 的水分已經蒸發了。水在沸騰時需要大量的能量,因此水沸騰時的溫度是恒定。當大多數水蒸發后,所有的能量都被用來提高焦糖的溫度。焦糖的溫度會快速上升,以至于很難將其保持在所需的溫度范圍內,如上表所示。因此,焦糖可能會燃燒,變得又苦又黑。 重結晶 如果你選擇用濕法炒糖色,在糖里加水,那么會存在一定風險:糖漿會濺到鍋的側面。水蒸發后,留下了糖晶體。如果有一顆糖晶體掉進煮焦糖的鍋里,它會引發糖晶體的連鎖反應,使整鍋糖都變硬。結果呢?會變成粗糙的顆粒狀焦糖,這在大多數食譜中是不可用的。 炒糖色時,需要密切監控鍋的側面有沒有沾到糖晶體。 許多廚師,包括前面提到的 The Great British Bake Off 節目中的參賽者有一種特殊的方法來避免重結晶:就是經常用濕面餅刷鍋的側面,以確保蒸發的糖漿不會形成糖晶體。 焦糖化過程及其背后的化學反應 當你炒制糖色時,可能會認為砂糖晶體會直接融化成醬汁——事實上,并沒有這么簡單。相反,糖在這個過程中經歷了一個復雜的化學反應,叫做“非酶褐變反應”,其中的化合物會被熱分解,而沒有蛋白質或酶參與。 就普通蔗糖而言,焦糖化過程包括 4 個主要步驟。首先,發生 蔗糖轉化,其中二糖蔗糖被分解成兩個單糖:葡萄糖和果糖。 然后,施加的熱量會發生冷凝。糖失去水分并相互反應,形成一種叫做二果糖酐的化合物。之后,進一步發生脫水反應,不同的糖之間發生更多的化學反應。最后,糖分子斷裂并發生聚合。最終生成的三種大的棕色分子賦予焦糖味道、色澤和黏性: 焦糖酐(C12H18O9) 焦糖烯 (C36H50O25) 焦糖素 (C125H188O80) 此外,這個過程還會產生更小、更易揮發的分子,使焦糖具有美味的香氣和風味,包括: 呋喃,產生堅果味 麥芽酚,產生烘烤的味道 乙酸乙酯,產生果味和芳香 二乙酰,賦予焦糖標志性的黃油味 焦糖化過程取決于許多不同的變量,包括糖的類型、加熱溫度和糖的加熱時間等。事實上,焦糖化的程度取決于你想要用它來做什么。 焦糖化:不要與美拉德反應混淆 […]

一場“安靜”的革命:通過仿真分析電動機噪聲

2021年 5月 26日

一個多世紀以來,世界在電動機的幫助下不停地運轉。當人類社會享受到從電風扇到汽車等由電動機帶來的各種好處時,人們可能就會要求這些機器變得更加安靜。電動機發出的聲音是一種多物理場現象,因為電動機的電磁運作會通過機器和周圍的空氣傳送振動。

通過多物理場建模設計用于 5G 器件的腔體濾波器

2021年 4月 13日

2020 年中至年末,備受期待的 5G 智能手機開始向公眾推出。射頻濾波器是支持這些設備的新型 5G 基礎設施的一個關鍵器件。用于防止信號干擾的濾波器可能會受到明顯的溫度變化的影響,從而導致結構變形,尤其在極端環境條件下。

我應該使用哪個輻射接口建立傳熱模型?

2021年 3月 4日

與傳導和對流傳熱機制相比,輻射傳熱有其獨特的特點。例如,輻射不需要任何介質就能遠距離傳輸熱量,在非常高的溫度下主要是輻射傳熱產生作用。此外,輻射依賴于方向、波長和溫度。那么,在 COMSOL Multiphysics 軟件中,哪個接口可以最好地考慮我們傳熱模型中的輻射?

在 COMSOL Multiphysics? 中編輯和修復導入的網格

2021年 2月 25日

在一些情況下,修復導入的網格可能會很有用。今天我們將討論在COMSOL Multiphysics? 軟件中編輯、修復和連接導入面網格的功能。我們將比較不同操作的結果,討論一些案例,并提供一些現有的教程和其他相關資源來幫助您了解更多信息。

通過仿真分析高強度超聲聚焦技術在生物組織中的傳播

2021年 2月 23日

高強度超聲聚焦(High-intensity focused ultrasound,HIFU)是一種用于生物醫學領域的非侵入性技術,包括手術、癌癥治療和沖擊波碎石術。當施加高強度聚焦超聲時,超聲波在焦點上耗散實現組織凝結和消融。我們可以通過仿真進一步分析該技術的聲學特性和非線性性質。

將全局方程引入全耦合目標搜索法

2021年 2月 20日

今天,我們將在 COMSOL Multiphysics? 軟件的模型中引入一個目標搜索方程,該方程與全耦合方法結合使用可以求解非線性問題。在計算上,盡管這種方法比我們之前介紹的分離式求解方法成本更高,但其在魯棒性方面卻具有一些獨特的優勢,并能夠突顯 COMSOL? 軟件的一個核心優勢。

在 COMSOL Multiphysics? 中模擬熱機械疲勞

2021年 2月 18日

今天的客座博主是來自Lightness by Design公司的 Bj?rn Fallqvist 博士,他在文中討論了分析熱機械疲勞的不同考慮因素和方法。 在這篇博客文章中,我們研究了 COMSOL Multiphysics? 軟件中用于分析熱機械疲勞的相關材料模型(模型使用了來自熱機械疲勞測試的實驗數據,以及參考文獻中的材料參數)。隨后,對在高溫下運行的壓力容器進行了分析,并使用非線性連續疲勞損傷模型評估疲勞壽命。 為什么要分析熱機械疲勞? 在許多應用中,傳統的等溫疲勞分析是不夠的,因為部件在高溫下或在高溫循環下工作時,材料性能與室溫有很大不同。這種應用的典型例子是渦輪機和發電廠部件。 傳統的疲勞分析,尤其是高周疲勞(high-cycle fatigue,HCF),不能直接考慮高溫造成的影響。在高周疲勞區域中,載荷較低,蠕變等影響可以忽略不計。有時,S-N曲線會減小,以解決溫度升高時疲勞強度降低的問題。然而,這沒有考慮到溫度和載荷同時循環時的影響,即所謂的熱機械疲勞。這種溫度變化的影響在低周疲勞(low-cycle fatigue,LCF)區域中尤為重要,在該區域,需要考慮多個方面,主要是彈塑性和蠕變的材料性能變化。 評估高溫下疲勞性能的一種方法是使用樣品在多個溫度下的穩定(通常是壽命中期)應力-應變曲線,以獲得應力或應變幅度,并確定控制非線性應力-應變曲線的硬化參數。理論上,人們可以用一組特定的外加載荷和溫度組合進行實驗,并嘗試根據實驗結果估算疲勞壽命。然而,熱機械疲勞測試需要相對較長的時間,并且成本較高。評估高溫下疲勞能力的一種更方便的方法是使用描述應力水平和失效循環關系的解析表達式,并根據溫度對其進行修正。 熱機械疲勞試驗 在熱機械疲勞試驗中,試樣通常同時承受循環應變和循環溫度。這可以是同相(IP)或異相(OOP)。對于前者,最大拉伸載荷與最高溫度同時出現,對于后者,最大拉伸載荷出現在最低溫度時。 為了與本篇博文中的實驗結果進行比較,我們參考了參考文獻 1,其中研究了 P91(一種常見的電廠用鋼) 的熱機械疲勞。我們從參考文獻 2 中獲得了模型材料參數,獲得了應力-應變曲線。值得注意的是,對于參考工作,使用統一的模型(即黏塑性應變由塑性和蠕變分量組成)。然而,這只會影響模型蠕變部分的值。 熱機械疲勞分析的材料模型 作為溫度的函數的材料模型參數(參考文獻2)如下表所示: Temp [°C] E [MPa] k [MPa] Q [MPa] b [-] a1 [MPa] C1 [-] a2 [MPa] C2 [-] Z [MPa s1/n] n [-] 400 187,537.0 96 -55.0 0.45 150.0 2350.0 120.0 405.0 2000 2.25 500 181,321.6 90 -60.0 0.6 98.5 2191.6 104.7 460.7 1875 2.55 600 139,395.2 85 -75.4 1.0 52.0 2055.0 463.0 463.0 […]


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