今日中秋，我们来聊聊美味的烘焙与科学实验有何共同之处。计量学研究者拉胡尔·曼达尔（Rahul Mandal）认为，烘焙乃物理、化学与生物学的完美结合，厨房则是人类最古老的实验室。在下面这篇文章中，32岁的曼达尔讲述了科学思维如何帮助他成为烘焙达人，并赢得2018年英国烘焙大赛冠军。
一直以来，我都对烘焙非常感兴趣，不仅因为我喜欢吃东西，也因为我喜欢为别人准备食物。一代又一代人付出了大量精力、情感和热情，致力于让食物变得美味可口。当人们欢聚一堂之时，一席人的焦点几乎永远是食物。我热衷的另一项事业是科学。我对科学的热爱来源于我喜欢质疑的天性，加上我有一开口就能滔滔不绝几个小时的本事，所以我父母总是应对不暇。
当我还是个小孩的时候，对雨非常着迷。在印度，下雨是件大事，特别是在季风季节，炎炎夏日的热浪过后，雨水是惬意舒适生活的预兆。我总是很好奇雨水来自何方。我那时浑然不知气化后冷凝形成云的水，在烘焙中也以水蒸气的形态担当着让面包膨起，让油酥糕点变得松软的重任。
拉胡尔·曼尔达（Rahul Mandal）是烘焙师，也是工程学研究者，现为英国谢菲尔德大学核先进制造研究所的助理研究员，专业是工程组件的光学测量，英国Channel 4电视台2018年《英国烘焙大赛》节目的冠军。
对我来说，烘焙是物理、化学与生物学完美的结合。我们将各种可食用的化学物质混合做出面团或面糊，并让其中充满微小的气泡，这所应用的是化学原理。我们用酵母培养物产生的二氧化碳让面包膨发起来，这是生物学原理发挥了作用。面团和面糊里面的气泡体积膨胀，让烘焙食品体积变大，则是利用了物理原理。
参加2018年的《英国烘焙大赛》对我来说是非常有意义的经历。
除了来到比赛现场以外，有机会研究烘焙的科学原理、在几百万人面前做现场实验都让人无比兴奋。烘焙和做其他实验一样，理解原理是保证成品质量的关键。烘焙前的设计和规划至关重要，这一点也和在实验室中开展实验研究非常类似。你必须要认真考虑每一个独立变量，从原料的比例到厨房的环境，再到成品的结构稳定性，所有这些因素都发挥着重要的作用。你甚至可以说，厨房就是人类最古老的实验室。
世界各地的人都会吃烘焙食品，其中最常见的是各种各样的蛋糕、面包和饼干。在不同的国家和文化当中，它们都是人们日常饮食的一部分。不过这些食物的具体形态会因为当地谷物种类（包括小麦、玉米、大麦、燕麦、大米和一些其他谷物）、气候和人们的生活方式的不同而有所变化。不过制作任何烘焙食品的第一步都是将谷物磨成粉，然后将谷物粉与液体物质、油脂混合在一起形成膏状、团状或糊状的混合物。
每种混合物都会产生不同类型和质感的面包、蛋糕或饼干。
作为STEM大使，我会定期去学校、参加活动，鼓励年轻人提高科学、技术、工程和数学方面的技能，并从事相关工作。我进行这一工作的方式就是向学生们讲述烘焙背后的科学原理，给他们派发各种烘焙食品，并问他们相同的原料如何产出如此不同的食品。孩子们很快就会就会告诉你，蛋糕质感膨松、柔软、像海绵一样，还很有弹性。面包也是松软有弹性的，不过也有嚼劲。而饼干质地扎实，比较硬，可能还有嚼劲，容易碎。
不同的烘焙食品都是由比例不同的面粉、油脂、糖和鸡蛋做成的（见下表），这也是它们质感不同的原因之一。另一方面原因在于其他原料的不同，比如蛋糕中的泡打粉和面包中的酵母，这些材料会让混合物体积膨胀，产生充满轻盈的海绵似的质感。这两方面因素对于让面糊或面团中富含二氧化碳都很重要。
虽然维多利亚海绵蛋糕、布里欧修面包和饼干使用的基本原料类似（见上表），但是这三种后果烘焙食品的口感和味道完全不同。
蛋糕（右上图）是三种食物中最容易让人发胖的，使用1:1:1的油脂、面粉、糖和鸡蛋，所以质地柔软湿润。布里欧修面包的质地则更有嚼劲和弹性，因为面团在反复揉捏的过程中形成了大量麸质。饼干的质地松脆，因为原料当中水分相对较少。这三种食物都很美味，但是原材料比例的不同（以及泡打粉、酵母等添加剂的作用）让三者成为了截然不同的烘焙食品。
泡打粉是碳酸钠和塔塔粉（酒石酸氢钾）等无水酸性物质的混合物。
这种混合物在干燥状态下，性质不活泼，不会发生化学反应。但是如果泡打粉加到蛋糕面糊当中时，其中的液体会让泡打粉发生反应，生成大量微小的二氧化碳气泡填充在面糊当中。为了让二氧化碳的产生具有最大限度的灵活性，市售的泡打粉释放二氧化碳分为两个阶段，也就是说在混合面糊和进行烤制的时候都能产生二氧化碳。（有的烘焙配方要求使用自发粉而不需要使用泡打粉，其实这种自发粉当中含有泡打粉，能够在烘焙过程中让面团膨大。）
另一种往蛋糕面糊里充入气泡的方式要费时费力得多。这种方法叫做糖油搅打法（creaming method），也就是把黄油和糖混合起来搅打。在搅打的过程中，不断有空气混合到黄油和糖中，你会发现混合物的颜色逐渐变化，一开始混合物的颜色是和黄油一样的金黄色，当打发到位的时候会变成奶油质感的乳白色。
对于面包来说，让面团膨胀的方法跟上面说的不太一样。面团当中的气泡是酵母产生的。这是极为最常见的真菌，广泛存在于空气之中，我们常见的葡萄表面的白霜亦含有酵母菌。人类能够安全食用的酵母其实只有少数几种，它们被大量生产用于制作面包和酿造啤酒。把酵母加入面团后，酵母会以面粉当中的碳水化合物为养料，同时产生副产物二氧化碳，所以面团在醒发的时候体积就会膨胀。
我们能够将烤箱当中发生的高温反应分成三个阶段：膨胀、定型和上色。在膨胀阶段，面团或面糊的体积会达到最大。烤箱中的热量会让其中的气体（空气或二氧化碳）体积增大，正如查理定律所述，气压相同的条件下，理想气体的体积与绝对温度成正比。这样我们就得到了烘焙食品熟悉的膨松质感。除此之外，这个阶段中，水分子开始蒸发形成水蒸气，这也会让面团膨胀，让烘焙食品的体积增大。
在定型阶段，鸡蛋、面粉等成分开始形成烘焙食品的基本框架。蜷缩的蛋白分子开始变性或展开，凝结变硬。淀粉分子吸收水分后溶胀、分解形成胶体，也就是糊化。这两者会让蛋糕或面包内拥有海绵样的组织结构。在最后的上色阶段，食物的形状稳定下来。食物表面的蛋白质和糖发生反应，形成漂亮的金棕色外表皮。这个过程就是美拉德反应（Maillard Reaction），如果温度更高也能够产生焦糖化反应。
在不同的条件和原料组合下，美拉德反应能够生成数百种不同风味的化合物，这种简单的化学反应同样赋予了烘焙咖啡豆、煎烤肉类独特的味道。
让油酥糕点酥松膨胀的不是二氧化碳，而是水和油脂在焙烤过程中形成的水蒸气。烘焙中用到的油脂一般都含有一定的水分，比如黄油当中通常含有18-20%的水，而人造黄油的含水量大约是25%。
在烤制过程中，水分蒸发会形成水蒸气，随着温度升高水蒸气的体积也会增加，让面粉中的分子和层与层之间产生空隙。不同油酥糕点所含的黄油或油脂比例不同，会形成各有特色的奶油酥皮（shortcrust）、法兰酥皮（flaky pastry）和千层酥（puff pastry）三种质感（见下表）。
奶油酥皮疏松易碎，以蛋挞为代表。制作它通常都要把面粉和黄油一起搓成面包屑状，然后用一点水（有的食谱会用鸡蛋或蛋黄）把面包屑一样的粉揉成面团。所有材料捏成团后，面团当中包裹着分散来开的小团的油脂。在烘烤过程中黄油融化，其中的水分蒸发，形成小团水蒸气体积变大，让小面块彼此分开。于是就形成了这种点心松脆的质地。
法兰酥皮的黄油用量比松脆油酥更多，以法式馅饼和肠仔包为代表。一般要把冷冻或冷藏的黄油擦碎揉进面团或者折叠到面团里面-注意不要让黄油融化在面团里面，不然最后的成品就像奶油酥皮一样了。烘烤时，油脂碎块产生的水蒸气会让面团的层与层之间分离，形成层层分明的质感。
千层酥的制作需要消耗大量时间精力（所以不用因为自己买半成品千层酥而不好意思，很多职业厨师也会这么做）。用面团包裹住黄油后，反复将面团折叠、擀平，最后形成许多非常薄的面饼层叠起来的结构。烘烤过程中，黄油融化形成水蒸气，让一层一层的面饼相互分开，产生我们所看到的千层酥的结构。
泡芙是最复杂的油酥糕点。烘烤过程中，泡芙油酥能够形成一层非常脆的外壳，内部则是空心结构，可以填入美味的内陷。
要掌握这种油酥的制作，需要费点工夫练习。做泡芙的要义是它要经过两次加热。面粉在准备揉成面团的时候进行了第一次加热，烤制是第二次加热。如果你去研究泡芙的配料，你会发现跟其他油酥糕点相比，它需要大量水分，几乎是面粉体积的两倍，并且还需要加入鸡蛋。烘烤时，水分受热形成水蒸气，根据物理学定律，随着温度上升，水蒸气的体积会变大，让油酥面团胀开，内部形成空洞，而外部的面团则形成脆壳。
我发现，给年纪小的学生讲烘焙中的科学很容易让他们开始思考如何解释现实生活中习以为常的现象。如果在讲解科学知识的时候能吃些美味的食物，学习就变得更有吸引力了。在学校里，很多时候我们都忘了用有趣的方式把科学原理和它们的应用结合起来讲给学生。这导致学习变得枯燥无味，而这是完全不必要的，因为它同学习科学的本意背道而驰。
同理，如果你想让孩子对科学感兴趣，想办法让他们发现科学与日常生活间意想不到的联系，可能会大有裨益。要做到这一点也很简单，比如引导他们思考一下泡茶的时候，烧水壶中的水会产生什么变化。或者更复杂一点，比如巧克力变硬的原理就与冶金中的钢铁回火极为相似。
在我所就职的谢菲尔德大学核先进制造研究所最近举办的STEM活动中，我们让孩子们动手试着利用巧克力进行“焊接”-使用融化的巧克力把薄板做成箱子，然后测试它们能够承受多大的破坏力。
将烘焙和美食的乐趣与科学和工程相结合，能让你更好地体会到两个世界的美妙。