电饭煲蛋糕硬核科学指南：从入门到放弃
The following article is from 中科院物理所 Author NKXXX
来源：微信公众号“中科院物理所”（ID：cas-iop）
不知不觉在家里已经待了这么久，成功地完成了 “难忘的寒假” 这一史诗级成就。最近已经有不少地方的中小学陆陆续续开学了，我嘴上说着羡慕……其实心里真的也很羡慕，家里蹲从冬天蹲到了春天脚都要麻了。
之前现在家里太无聊，把小伙伴们都要逼疯了，新冠病毒没完蛋，自家电饭煲先完蛋 。
救救孩子吧
既然大家对做蛋糕这个事情这么积极，那就让大家体会一下，为啥别人都是蛋糕，就你是一个蛋饼。
烘焙之路难，难于上青天
万事开头难，想要抓住一个人，除了抓住 Ta 的胃，还要先把那个人的名字念对。这个词念烘焙，贝壳的贝，是第四声。
早期人们缺乏烹饪的器具，可能偶然之下发现了把谷物磨成粉以后和水混合成一个面糊，用火烤了以后居然能馋哭隔壁家的小朋友。自己吃一口，忍不住说一句：真香。
现在的人们早就不满足于以前那种粗糙的制作方式了，从对发酵和烤箱温度的精细控制，再到对配料表的吹毛求疵，冰箱、烤炉到能够快捷配送的冷链，能方便地满足我们对于精美面点和蛋糕的需求。
当然，便利的条件也给了很多人自己在家就能做出一份美味蛋糕的自信……
最近在家里，除了做蛋糕以外也试着做做菜，点一点烹饪的技能点。做物理实验久了以后，其实对于定量和精确有种谜一样的追求，特别不适应“适量”“少许”。不过做蛋糕的过程，显然会更像化学实验而非食品生产。
在你接触烘焙一段时间以后，就会发现面粉、糖、蛋、水或者牛奶的出现概率是真的高，因此材料配方重量比例的准确性就显得尤为重要。
失败的作品其一，不知道为啥就变成了这样……
复杂的配方以及制作手续，让很多专业的蛋糕师傅都会翻车。你花了大把的时间，结果最后做出来的蛋糕软了、硬了、黏了、肿了、塌了、缩了、不好吃了，心情估计也不会太好。而且想要知道自己哪一步做蛋糕的时候做错了，比从代码里找 bug 要难上不知道多少。唯一的建议只有：把做坏的东西扔了吧……
在做蛋糕的时候，往往要默认教程里不会出现的第零假设：不要随意改方子。很多人由于条件有限，或者为了做出来的蛋糕更加符合自己的口味，往往都会试图魔改一下网上找到的蛋糕配方，比如不想吃得太甜就少加一次糖；或者觉得鸡蛋吃太多不好于是做蛋糕的时候少用一个鸡蛋黄。每一个新手都觉得自己有“新手光环”，改了配方以后自己就是天之骄子，但显然 …… 大部分时候都只是你的错觉，只有那黏糊糊一点都没熟的蛋糕胚会把你从梦境里拉回现实。
失败的作品其二，甚至里面都没熟……
虽然做蛋糕的时候不要改方子，但在科学史上，其实有过那种改配方改出一个诺贝尔奖的故事，虽然是撞大运撞上的。在日本东京工业大学进修的韩国边衡直博士于实验室制作聚乙炔时，看错单位加入超量一千倍的催化剂，使得本来该得到黑色粉末聚乙炔（顺式聚乙炔）的反应却合成了银白色的薄膜（反式聚乙炔）。在掺入一点碘以后，导电性能提升了十亿倍，把仪器都烧了。
话说回来，有一说一，大众心里所想象的蛋糕的制作过程和现实中真正的蛋糕等面点的制作过程想去甚远。烘焙这个行业就是工艺复杂，配料辅料品类繁多，制作时间长，储存时间短，运输容易坏，人工配方工序多变。所以一时间，糊了几次电饭煲蛋糕，或者甚至根本没煮熟，一点都不用气馁。万事都不容易，只要肯放弃……
放弃蛋糕以后，面包好像也失败了……
怎么做一个优秀的电饭煲蛋糕？
终于把主题带到我们的主角“电饭煲蛋糕”上了。
从蛋糕制作的大概流程上来说，网络上流行的电饭煲蛋糕和戚风蛋糕的制作过程大同小异。将鸡蛋的蛋白和蛋黄分离以后，用蛋白打发制作蛋白霜，用蛋黄和面粉制作面糊，最后混合起来，加入到电饭煲或者烤箱中加热。
从最简单的原理上看，想要制作蓬松的蛋糕，核心是要在面粉之中“制造”气体。气体的来源可有很多种，我们可以在制作时候加入酵母或者泡打粉，用化学或者生物的方法在面粉中产生额外的气体。另外我们也可以使用物理的方法，在制作的时候把空气直接混进去。所以很多人做电饭煲蛋糕的时候在起跑线上就输了，因为打发蛋白，把空气混进去这个事情取不了巧。没有把空气打进去，你做不出来蛋饼才奇怪。
在面粉的选择上也有讲究。众所周知面粉的主要成分是淀粉，但是在制作面点或者蛋糕的时候，其实更应该关注里面的蛋白质，也就是“面筋”的含量。面筋的多少直接决定了最后成品口感如何，想要制作口感松软的蛋糕，必须使用低筋面粉。如果有人想象不出来面筋到底是啥样的话，不如去买几包辣条尝一尝。
辣条。图片来自 bilibili，拾物家
虽然从原理上来讲，面粉里的蛋白质含量越低越好，但是蛋白质在受热凝固以后实际上也为整个蛋糕提供了一个支撑的框架，让其不至于回缩塌陷。也有一些“电饭煲蛋糕”的教程里专门提到，制作的时候要使用中筋面粉而不是低筋面粉，这样才可以给蛋糕体提供坚实的支撑，而不至于一出炉就坍塌。
蛋白打发犹如沐浴露搓澡
这里我们就尽量略去蛋糕制作过程中发生的其它物理化学过程了，把目标专注在怎么在蛋糕里加入空气变得蓬松——也就是蛋白打发上。蛋白打发的过程，可以用一个专门的名词来称呼，乳化。把气体和液体两个物相成功地混合起来，其实并不容易。液体需要能够形成稳定地气泡结构包裹空气，换而言之也就是表面张力不能太大；气泡结果越小才越稳定，需要你不停地搅；最好液体的黏性不要太低，这样流动起来才会更慢一些，泡泡的寿命才足够长，能坚持到做完其它步骤甚至进行搅拌。
虽然说了一大堆，但上面整个过程通俗地讲，蛋白打发和你用沐浴露搓澡的时候会搓出一大堆泡泡本质上并没有什么区别……
满手泡泡。图片来自网络
很多人都不是很理解打发的时候为啥要加那么多的糖，其实就是为了 提高黏性，降低表面张力。虽然原则上少加点糖也依旧能打发，但会困难很多。同理利用打蛋机也能让打蛋的过程轻松一些。烘焙之路谁都逃不过买买买，这还只是刚开始……
打发蛋白过程中蛋白质结构示意图
网上有一则图很形象地展示了蛋白打发的过程，通过不断搅动蛋白，蛋白中的蛋白质逐渐展开并重新缠绕在微小气泡的周围，从而使得气泡能够稳定下来。但是在搅拌过程中展开来的蛋白也可能过度结合，这样就会影响气泡的多少和气泡壁垒的结合紧密程度，最终影响蛋白霜的稳定性。所以也有很多教程里会教你在打发的时候加一点点酸（一个蛋白平均对应 2mL 柠檬汁），或者在铜制容器里面进行打发。这是因为蛋白质上存在 -HS基团，相互之间容易把氢离子扔掉形成二硫键，两个硫原子紧密地结合在一起。加酸也就是加一点氢离子，让硫原子能够和氢离子结合更紧密一些，让蛋白不容易过度结合。
同理因为铜也能够和硫原子紧密结合，也能防止蛋白过度结合影响蛋白霜的质量。为了验证上面这个理论，1984 年斯坦福大学一群生物学家甚至还专门去设计实验 ，相关研究结论最后发表在了顶尖科学杂志 Nature 上。而且后来他们还发现银质物品同样也有这个效果，不过可能是考虑到大家家里没啥银制的金属锅碗瓢盆，这个结论最后传播得并不广。
打发奶油的过程其实也差不多，这里展示的是奶油在电子显微镜下的照片。空气在周围微小的脂肪颗粒的包裹下稳定存在，右图是更清晰的空气泡局部图像。蛋白打发的过程也太同小异。两张图右下角黑色线条长度展现了比例尺的大小，分别对应 0.03mm 和 0.005 mm。图片来自 ON FOOD AND COOKING
这些气泡需要在将蛋白霜和蛋黄糊混合在以后依然存在，这也是大家都教混合的时候要利用翻折进行混合，一定不能画圈圈。画圈圈接触的气泡最多，气泡都被破坏光了，蛋糕最后自然只能是一个蛋饼，蛋白霜打得多成功都没用。
搅蛋白为何不杯壁下流？
不知道有没有好奇心爆棚的小伙伴试过把电动打蛋器开起来去搅水，那叫一个杯盘狼藉…… 虽然平时做蛋糕的时候打发蛋白也很杯盘狼藉，满目疮痍……
怎么制造一个水龙卷? 图片来自正经玩 184 期
正经玩曾经玩过一期用矿泉水瓶实现水龙卷，用手搅动以后打开瓶口，在瓶子中间出现了一条细细的线，就像龙卷风一样。这能够实现其实也是因为水是一个牛顿流体。很多人聊起来非牛顿流体，最喜闻乐见的就属用玉米淀粉制作的那个广为传播的视频了。看上去还在流动的液体，人站上去居然一点都没事，还能在上面表演翻跟斗。
大家想象中的非牛顿流体
不得不说非牛顿流体现在这个概念真的非常深入人心，邻居家 8 岁的小孩都知道能用口香糖戳穿椰子…… 但其实非牛顿流体有很多种，上面这种的特征是施加一定应力以后，流体黏性变大，会变得越硬；也有本来很硬，但是施加应力后会变软的，比如我们平时涂的各种护肤品，越搓就会越像水。蛋白霜则是属于很多人不知道的第三类非牛顿流体，宾汉流体。
宾汉流体是 1922 年宾汉（E.C. Bingham）最早提出的。它的典型特征是在不施加应力的情况下，几乎静止不动，而在施加一定应力以后则表现出很强的流动性。我们做蛋糕的时候用到的奶油、蛋白霜都是宾汉流体，生活中更常见的牙膏也是宾汉流体。
回到蛋糕上，制作戚风蛋糕时候打发蛋白至恰好合适的一个标准，就是整个盆子倒扣，里面的蛋白霜不会流动，提起打蛋器的头，蛋白呈直角三角形。这不是别的，就是宾汉流体啊， 所以下次作蛋糕不成功的话，剩下来的原料别急着扔，不如录一个科普小视频，然后再那去馋隔壁家的小孩。
在利用电动打蛋器打发蛋白的时候，教程里都会写先用低档打至鱼眼泡以后，再加入糖逐步提高转速档位。基本没有人会在这里专门划一个重点，但这都是血与泪的教训啊…… 一开始就开高档的人，打蛋器伸下去可能就不剩多少蛋白了。
开头水龙卷的例子上，在我们转动液体的时候，由于惯性的影响，液体其实更多地会被甩飞从而附着在杯壁上。但是假如你有过用电动打蛋器打发的经历的话，在打发到后期的时候，虽然看上去电动打蛋器转动地十分轻松写意，但真的用人手去搅动蛋白霜其实会感受到很大的阻力。这就是说明宾汉流体，我们的蛋白霜成型了。而高档转动蛋白霜都不会让它甩飞到杯壁上再下流，其实正是来自于非牛顿流体的一个奇妙性质 —— 韦森堡效应，也叫包轴效应（Weissenberg effect）。
包轴效应示意图，图片来自 https://nnf.mit.edu/home/billboard/topic-5
因为宾汉流体黏性会随着剪切应力的大小发生变化，所以在中间棒棒转动的带动下，流体没有因为惯性被甩飞，反而沿着转动的杆变成了向上爬升。注意看 gif 图片转动轴的底端的话，其实可以看到整个实验过程并没有把转动轴提起来，完全是流体自身的特性导致的。在打蛋器上其实也可以经常看到乳白色的蛋白霜沿着杆子往上爬。爬得越成功，说明你蛋白打得也就越好。
一蛋糕功成，万蛋糕糊哭
最后终于来到了我们的烤制环节，其实烤制这一块能说的不算太多，因为电饭煲和烤箱比起来，真的差的太远了。我们从热量传递的几个过程来看，传导辐射对流。在电饭煲里面，加热只能通过下面那个锅接触传导热量来实现，热量分布十分不均匀，可能中间的蛋糕糊根本还没加热多久，下面的蛋糕都快要焦了。
反观烤箱的话，作为烤箱的基本功能，上下加热管能单独调节温度是必须的，而且烤箱越大，内部的温度分布越均匀。在这里就不提可怜的电饭煲了，我们普通家用的烤箱都可以买到几十升的容量了，更别提专业的面包房里烤箱长度都是用米来计算的。
而且更要命的是电饭煲的温湿度控制和烤箱相比也根本没法比，做蛋糕是个精细活，随便翻开一本专门讲烘焙的书，列举导致蛋糕最终味道不对形状不好的可能原因都有巨长无比的一串。温度没控制好，太高了气体还没膨胀呢结果蛋白质先凝固了，最后做出来的蛋糕不够蓬松表面还都裂开了；温度低了，蛋白质凝固的太慢了，结果蛋糕都塌了。
所以最后结论：做不如买，买不如吃！