2.2 胃口大開

●　檸檬魚

吃完煮雞蛋後，你的同事就要品嚐魚片了。他如條件反射一般，直接就將檸檬汁擠在魚片上。我們很多人都會這麽做，但是卻可能不知道這是為什麽。魚肉非常美味（對於愛吃魚的人來說），但它散發出來的味道不一定總是被人喜歡。魚的腥味來自一種特殊的化合物，叫作三甲胺（trimethylamine），其化學式為N（CH3）3。這種分子可以看作氨氣（NH3）的3個氫原子被3個甲基自由基（— CH3）取代而得到。它是一種不溶於水的化合物，非常容易揮發，因此即使魚兒釋放出少量的三甲胺，也很容易被我們的鼻子嗅到。像所有的胺類一樣，三甲胺也是一種堿性物質，因此它可以與酸反應。檸檬汁含有檸檬酸，當我們把檸檬汁灑在魚身上時，三甲胺被檸檬酸鹽化，轉化為水溶性化合物，這樣它就沒有了揮發性，也就消除了難聞的腥味。在各種食譜中，魚肉往往與酸性物質搭配（從簡單的番茄醬開始）。盡管不知道為什麽，但人們將這個烹飪習慣一直保留，顯然是早就猜到了化學所解釋的這個道理（檸檬去腥增香）。但如果檸檬汁長時間接觸魚肉，就有可能會使魚肉的蛋白質變性，讓魚肉像煮熟了那樣變白，比如醃製的鳳尾魚就是這樣。醃製鳳尾魚是一道極好的菜肴，但也有一定的健康風險，因為缺少加熱處理，魚肉中可能有存活的微生物和寄生蟲。

●　蛋黃醬與乳劑

和比目魚片一起，你的同事還叫服務員帶來了一些蛋黃醬。這種醬料也給了我們一個了解有趣的化學物理性質的機會。蛋黃醬其實是一種典型的乳劑，即兩種不相溶的**的混合物，其中一種**以微小液滴的形式分散在另一種**中，形成液滴的相稱為分散相（dispersed phase）。蛋黃醬中的分散相就是油，它以極小的液滴形式分布在蛋黃醬中的含水部分，而這個有水的部分就稱為連續相（continuous phase）。因此說，蛋黃醬是一種O/W型乳劑，即水包油；反之，黃油等產品是W/O型乳劑，即油包水。這兩種乳劑的示意圖見圖21。

圖21　乳劑中形成的O/W膠束和W/O膠束

為了使乳劑具有穩定的性質，必須在其中加入表麵活性劑或乳化劑（我們已經在第一章第2節的清潔劑中談到過）。當然，作為清潔劑的表麵活性劑不能用於食品用的乳劑中。但是，確實存在可食用的表麵活性劑，例如卵磷脂（lecithin）。這是法國化學家和藥劑師尼古拉斯·西奧多·戈布利（Nicolas-Theodore Gobley， 1811—1876）於1846年首次在蛋黃中發現的一種化學性質可變的物質。“卵磷脂”一詞來源於希臘語λ?κιθο?（lkithos），意為“蛋黃”。所以，從上述的內容中我們就可以明白為什麽做蛋黃醬需要雞蛋。蛋黃中存在的卵磷脂可作為油的乳化劑，而油必須分散在由雞蛋本身和添加的檸檬汁或醋所提供的水溶液中。除了卵磷脂，雞蛋中存在的某些蛋白質也可以充當乳化劑。大家應該還記得，表麵活性劑是具有親水部分和親油部分的分子，這使它們能夠在兩相之間的分界麵上排列，以穩定乳劑。在製作蛋黃醬的過程中（每個廚師痛並快樂著），它可能會“發瘋”，也就是分層了。你可以嚐試恢複它，用打蛋器攪拌一些蛋黃，將其加入“發瘋”的蛋黃醬中，然後隻需要一點技巧和……運氣！工業蛋黃醬通過添加額外的乳化劑來穩定它的性質，使其保存時間更長。乳劑的穩定性取決於多種因素，如pH值、溫度、鹽的用量、攪拌程度等。溫度的升高會促進油水分離，因為它增加了脂肪的流動性。反之，適度的冷藏可以穩定乳液。所以廚師才會建議在製作蛋黃醬之前先將食材冷藏。

●　鹽與晶體

任何一張餐桌上都不能少了一個鹽罐。鹽在人類曆史上扮演了非常重要的角色。為了得到它，人們修建了道路，還打起了仗。在古羅馬，它甚至是一種支付手段，比如在外國的前哨士兵，他們在鹽稀缺的地區就會得到一定數量的鹽，稱為薪水（salarium）。這就是“salary”（薪水）一詞的由來，我們今天仍然用這個詞來表示工作所得的報酬。因此，我們就可以理解為什麽圍繞著鹽發展出了這麽多的信仰和迷信。鹽在一些宗教儀式中被廣泛使用。例如，它是驅魔的重要道具，用於聖水洗禮。在一些洗禮儀式中，鹽甚至被直接擦在新生兒的嘴唇上。鹽還常被用來見證約定或友誼。例如，在阿拉伯國家，用鹽宣誓的現象很普遍，也就是人與人之間通過吃同一種鹽和同一種麵包來達成約定。

從化學上講，食鹽就是氯化鈉（NaCl）。它是一種離子化合物（見第一章第2節拓展：化學鍵），是一種立方體結構的晶體，其結構如圖22所示。鹽晶體的結構來自Na+和Cl-在立方體頂點的幾何有序交替排列。這種立方體的幾何形狀也可以在宏觀結構上看到，如果你用放大鏡觀察鹽的顆粒，可以看到它們除了有由於各種不可避免的原因產生的不規則形狀，還有立方體的形狀。

圖22　氯化鈉分子的晶體結構

“晶體”一詞源於希臘語κρ?σταλλο?（krystallos），意思是“冰”。在化學中，所有具有幾何有序的微觀結構（由原子、離子或分子組成）的固體，都叫作晶體。但並非所有的固體都有這種特點。比如，玻璃就具有無序結構，因此它被稱為非晶體（amorphous solid），而且玻璃還可以變成黏度非常高的流體。大多數固體都是多晶體（polycrystalline），由聚集的小晶體（結晶或顆粒）組成。在某些情況下還有可能會有尺寸很大的單晶體（monocrystalline），例如一些在珠寶店中很受歡迎的寶石。

根據所含的化學鍵，晶體可以分為離子晶體（ionic crystal）、分子晶體（molecular crystal）或原子晶體（covalent crystal）。原子晶體是指原子之間通過共價鍵連接而成的晶體，因此我們可以將連接起來的原子看成空間內的一個巨大分子。鑽石的高硬度就要歸功於這種結構。

晶體結構排列的規律性可以看作一個基本單位在空間中的重複排列，以此得到整個晶體，這樣的基本單位被稱為晶胞（unit cell）。根據晶胞的對稱元素（直線、平麵和中心）可劃分出7種晶係（crystal system）：立方晶係、菱方（或三角）晶係、四方晶係、六方晶係、單斜晶係、正交晶係和三斜晶係。1848年，法國晶體學家奧古斯特·布拉伐（Auguste Bravais）證明隻有14種可以填充三維空間的晶胞，它們被稱為布拉伐格子（Bravais lattice）。

晶體的結構可以用X射線技術來確定。發出的X射線與晶體的化學鍵上的電子發生相互作用，產生衍射（diffraction）現象。通過對衍射射線的研究，可以確定晶胞中單個原子的空間位置[1953年，羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin， 1920—1958）、莫裏斯·威爾金斯（Maurice Wilkins， 1916—2004）、詹姆斯·沃森（James Watson，生於1928年）和弗朗西斯·克裏克（Francis Crick， 1916—2004）利用這種技術確定了DNA的結構]。其他晶體學技術使用電子束或中子束代替X射線。

當晶體熔化時，它的幾何規律性被破壞，在**中會表現出完全無序的狀態。然而，有些物質可以具有介於晶體的有序和無序之間的中間結構（中間相），這種物質就是我們在第一章第1節中討論過的液晶。

2011年的諾貝爾化學獎授予了以色列理工學院的丹·謝赫特曼（Dan Shechtman，出生於1941年），以表彰他發現了準晶體（quasicrystal）。準晶體中隻有部分表現出幾何規律性的結構，但這種結構不像真正晶體中的那樣在整個空間中周期性地重複，實際上就是每一個晶胞與它周圍的晶胞都不一樣。這使得從來沒有在晶體形態中出現過的五邊形對稱成為可能。

●　摜奶油與泡沫

在對每道菜進行各種化學探究之時，你們的甜點已經端上來了。你和你的同事都點了一份摜奶油草莓。摜奶油（經過攪打的奶油）屬於第一章第2節中提到的泡沫類別。不過，它也有一些有趣的地方值得深入了解。未打發的奶油是通過脫脂過程從牛奶中獲得的O/W型乳劑（你還記得嗎）。奶油中的牛奶脂肪以直徑為千分之幾毫米的小球形式存在。每一個小球都被一層由蛋白質、磷脂、甘油三酯和膽固醇組成的膜包住。由於磷脂的乳化特性，這層膜可使脂肪小球保持懸浮狀態。市場上的奶油都經過了巴氏消毒（Pasteurisation，以其發明人路易斯·巴斯德的名字命名），也就是在高溫下快速處理，殺死細菌，從而延長保質期。它還會經過一個均質化處理過程，減小脂肪小球的大小。當奶油被打發時（例如用攪拌器），空氣會進入**中。脂肪小球會圈住空氣氣泡，作為空氣和水之間的分界麵，包圍著脂肪小球的那層膜也會展開，讓球體麵向空氣氣泡內部的那一麵露出來。隨著打發過程的不斷進行，氣泡越來越小，最後通過脂肪小球結合在一起，就有了打發後的奶油特有的稠度。成功製作摜奶油的一個重要因素就是溫度必須低，2～6℃。在這個溫度下，奶油中的脂肪必須有一部分是固體才能發揮對氣泡的聚集功能。如果溫度較高，脂肪就會變成**狀，就會打發失敗。奶油中含有的脂肪比例也很重要，比例越高，打發過程越快。

喝完一杯咖啡後（還記得我們在第一章第3節中如何討論的嗎），你和你的同事從椅子上站起來，是時候該回辦公室了。

拓展：碳和有機化學

碳是一種特別的元素。它是唯一一種知道如何在不消耗巨大能量的情況下，與自己結合形成穩定長鏈的元素。而地球上（我們目前所知的唯一有生命的星球）的生命就需要這些長鏈。因此，碳是生命物質的基本元素，但它進入生命世界並不容易，得走一條強製性的、錯綜複雜的道路，直到近幾年人們才探知了一二[46]。

普裏莫·萊維，化學家、傑出的作家和大屠殺的見證人，在他的著作《元素周期表》（Sistema Periodico）中專門論述碳的一章中這樣寫道。

碳在自然界中主要以3種同素異形體的形式自由存在：金剛石、石墨和無定形碳[還可以再加上一種特殊形式的富勒烯（fullerene）[47]]。碳原子結構很簡單，隻含有6個質子和6個電子。而它含有的中子數是不固定的，因為存在幾種碳的同位素。其中最穩定、最廣泛的是質量數為12的同位素，叫作12C（質量數 = 中子數 + 質子數，因此這種同位素含有6個中子）。另外，同位素14C還具有放射性（這就是為什麽它會被用於文物年代鑒定，14C與12C的比例實際上就與文物的年代有關）。

碳的特殊電子構型賦予了它特殊的性質。它的外部電子軌道之間可以以3種不同的方式混雜，這個過程稱為雜化（hybridization，這是一種數學類型的“混雜”，因為軌道是數學函數，見第一章第1節拓展：原子、分子和原子結構）。

第一種是sp3雜化，空間構型為正四麵體。以碳為中心，延伸出來的4個鍵（連接其他原子）分別指向正四麵體的4個頂點。以這種幾何形狀為特征的最簡單的分子就是甲烷（CH4），也就是我們家中使用的天然氣的主要成分。這種類型的雜化，碳原子之間的鍵是由一對電子鍵構成的單鍵。

第二種是sp2雜化，幾何構型為平麵正三角形。還是以碳為中心，生成的3個鍵之間的夾角都為120°。碳原子與另一個碳原子形成雙鍵，也就是由兩個電子對組成的鍵。sp2雜化最簡單的分子是乙烯（C2H4）。

最後一種是sp雜化，幾何構型為直線形。碳原子與其他碳原子形成三鍵（3個電子對）。這種幾何構型的最簡單的分子是乙炔（C2H2）。

由於碳原子可以相互結合，甚至還可以形成很長的原子鏈，所以這種元素的化合物數量非常多，目前已知的含碳化合物就有一千萬種之多。這些化合物被稱為有機物，碳化學則被稱為有機化學[48]，這種說法最初是由瑞典化學家永斯·雅各布·貝采利烏斯於1807年提出，但與現在所指的含義不同。

“有機化學”這一術語的起源就是因為人們曾經認為這些含碳化合物隻能由生物體合成，並且遵循與非生物化合物不同的化學原理。這些理論是在活力論（vitalism）的概念中發展起來的。根據這種概念，“生命現象”無法用普通的化學和物理定律來描述，而是需要一個神秘因素的幹預。這個因素具有形而上學的性質，被稱為生命活力（也稱為馬達補力或生命流）。活力論觀念早在古代就出現了，但在18世紀中葉至19世紀中葉才被係統化。活力論的主要代表人物是德國化學家和醫生喬治·恩斯特·斯塔爾（Georg Ernst Stahl， 1659—1734），蘇格蘭醫生約翰·布朗（John Brown， 1735—1788）以及法國醫生保羅·約瑟夫·巴爾特茲（Paul-Joseph Barthez， 1734—1806）和弗朗索瓦·約瑟夫·維克多·布魯賽（Franc?ois-Joseph-Victor Broussais， 1772—1838）。活力論的支持者反對機械論主義者，因為機械論與之相反，認為生命可以用化學和物理術語來解釋。

1828年，一位名叫弗裏德裏希·沃勒（Friedrich W?hler，1800—1882）的年輕德國化學家的發現嚴重打擊了活力論觀點。沃勒在與貝采利烏斯合作後，在柏林理工學院教授化學，並同時致力於化學研究。有一天，他通過加熱氰酸銀（silver cyanate）和氯化銨（ammonium chloride），成功地合成了一種意想不到的化合物，這種化合物呈長長的白色晶體狀。這種不尋常的物質與1773年法國化學家希萊爾·魯埃勒（Hilaire Rouelle， 1718—1779）從人的尿液中分離出來的物質相同，所以也就被稱為尿素（urea），其化學式為CO（NH2）2，分子結構見圖23。它能消除新陳代謝中的含氮產物，因此是一種典型的生物學產物。沃勒通過使用其他試劑完善了合成過程，順利獲得了高純度的尿素。所以我們說他成功地從無機化合物中合成了一種有機化合物。

圖23　尿素的分子結構

化學史學家們一直在爭論沃勒的實驗是否真的代表了活力論觀點的終結。但是，這種觀點當然還是在尿素的合成中幸存了下來，即使在今天也有各種意識形態的複蘇，可以將我們重新帶回活力論的思想體係中。由於這些原因，也許有時候沃勒的作用被誇大了，但是他的實驗確實為許多其他有機合成鋪平了道路，並且這些有機合成在隨後的時間裏接踵而來。

沃勒的合成也迫使化學家重新定義了有機化學。1861年，德國化學家弗裏德裏希·奧古斯特·凱庫萊·馮·斯特拉多尼茨（Friedrich August Kekul von Stradonitz， 1829—1896）將有機化學描述為“對含碳化合物的研究”[49]，今天的人們仍然接受這一定義。

生物化合物確實是有機化合物，也就是含碳化合物。但絕不是說所有的有機化合物都一定具有生物學上的重要性。比如，我們身邊所有的塑料物品，它們都是由有機化合物製成的，但不具有生物學上的意義。

有機化學和無機化學遵循完全相同的原理，活力論的觀點才是毫無根據。一些富有想象力的學者根據碳以外的元素假設了生命的形式，其中用到的第一個元素就是矽，它的性質與碳相似，與碳屬於元素周期表的同一族。我們不知道宇宙中是否存在類似的生命形式，如果有一天它們被發現，那將是化學和生物學的一次非凡革命。