准备一顿美餐可能是一个过程，需要相当大的耐心、技巧和对每种成分的深刻理解，以及充分发挥所有成分所需的步骤。

类似于管弦乐队，配料可以齐声演奏并产生基于味觉和嗅觉的和声，在整个人类进化过程中，就像这些交响乐的作曲家和指挥一样，厨师们不得不想出创造性的新方法来改善最终产品并解决问题使某些食物安全食用等问题。

其中一些改编导致了深刻的创新科学发现。

在最近的一篇评论文章中，对给定学科或主题的研究进行了精选总结，发表在《现代物理学评论》 杂志上，艺术与科学学院物理学助理教授Arnold Mathijssen及其同事描述了丰富的科学史和食物以及有多少解决烹饪限制的方法导致了为烹饪艺术铺平道路的创新。

“就像准备饭菜前一只手洗手一样，食物教会了我们很多关于科学的知识，而整个科学领域的突破不断改变着人们的饮食方式，”Mathijssen 说。

他和他的同事在大流行期间开始撰写这篇评论文章，当时许多研究人员发现自己无法在实验室工作，并开始在家中，尤其是厨房进行实验。

“它开始主要是为了制作一种教育工具，因为厨房为进行科学研究提供了一个低门槛——你所需要的只是一些锅、平底锅和一些配料来进行一些反应——但很快就发展成为一旦我们意识到这些领域是如何交织在一起的，就可以更科学地反映食物的历史，”Mathijssen 说。

研究人员通过流体力学的视角探索了食品科学世界，发现了物理学、美食学和厨房动力学的错综复杂的融合。这篇评论揭示了日常烹饪的科学，将烹饪艺术与工程原理无缝结合。

为了使信息更易于理解，该团队选择将他们的评论构建为一种隐喻的用餐体验，从“厨房水槽基础知识”开始，探索与食物准备和展示相关的流体力学基础知识。就像精心准备的一顿饭，评论引导读者了解各种科学概念，使用熟悉的用餐阶段作为主题锚。

“一旦你进入厨房并打开水龙头，大量的流体力学概念就会涌现，”该论文的合著者、迈阿密大学物理学助理教授Vivek Prakash说。

“当你增加流速时，水射流从所谓的‘平滑层流’变成‘不稳定的湍流射流’，并发出嘶嘶声。然后，当水射流撞击水槽表面时，您会看到一个代表水跃的圆环外观，这是另一个仍然是活跃研究课题的现象。”

接下来，研究人员探索了“餐前饮品”，因为他们专注于鸡尾酒中的流体动力学不稳定性，指的是不同液体相互作用的不可预测行为，如酒精和混合器。这种状态是多相流的结果，其中两个或多个相（液体、固体和气体）共存并相互影响。

由蒸发引起的基本不稳定性。颜色表示酒精浓度，从蓝色（低）到红色（高），是通过使用光束测量相移的设备测量的。（图片来源：山姆·德海克）

“想想一瓶香槟；在它被打开之前和之后，有很多物理现象在发生，”Mathijssen 说。“这些微小的 CO2 气泡想要从乙醇中分离出来，这个过程需要大量能量，影响味道，并导致特有的爆裂声。”

参考主菜，研究人员阐明了热量的作用及其对食物质地、香气和风味的影响，并谈到了莱顿弗罗斯特效应，即液体在非常热的表面上形成绝缘蒸汽层，防止快速沸腾。当水滴在热锅上掠过而不是立即蒸发时，可以看出这一点。

“你在一锅热水表面附近看到的微妙的波浪状结构实际上是羽流结构，”普拉卡什说。“这些羽流是热的流体包裹，将热量输送到地表。”

除了阐明烹饪实践之外，研究人员还展示了流体力学在开发先进食品技术方面的实用性，强调了这些技术在食品安全和质量控制等领域的适用性，并强调了使科学知识更具包容性和可及性的重要性。

他们指出用于改进食品加工机械的流体力学原理。他们说，这些广泛用于制造可食用泡沫和乳液的微流体技术可能在开发新型食品微结构或提取生物活性化合物方面发挥关键作用。

此外，研究人员认为，通过使用流体动力学原理，科学界可以部署能够检测食源性病原体或毒素的设备，从而为公共卫生做出重大贡献。它们解决了对与环境可持续性和食品安全相关的基于科学的政策的需求，参考了欧盟宣布的到 2030 年禁止使用 PFAS 不粘涂层的禁令。

在强调使科学知识更具包容性和可及性的重要性时，研究人员鼓励来自不同背景的贡献，以此激发好奇心驱动的研究和教育，并促进更广泛的社会参与科学。作者引用了Agnes Pockels在表面科学方面的开创性工作，该工作的灵感来自于她在洗碗时对肥皂膜的观察。

“她的故事讲述了科学的不平等，因为她是 19 世纪后期德国的一名女性，所以她不被允许上大学接受正规培训，这使得她很难将她的研究成果提交给期刊，”马蒂森说。“但她并没有被吓倒，而是将厨房用作她的实验室，她开始制造设备来测量肥皂水中的表面张力，这些发现极大地促进了我们对表面和液体相互作用的理解。”

研究人员表示，通过剖析做饭或冲咖啡等日常现象背后的科学，他们希望能为人类生活中无处不在的流体力学提供一面镜子。

“前进的道路充满了揭示新见解并将其应用于可持续和包容性未来的机会，将用餐行为变成科学冒险。这是处于食品与科学交叉点的激动人心的时刻，一顿简单的饭菜可以展开对物理学、工程学和人类创造力的迷人探索，”Mathijssen 说。

Arnold Mathijssen 是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理与天文学系的助理教授。

Vivek N. Prakash 是迈阿密大学物理系的助理教授

其他作者包括华沙大学的 Maciej Lisicki 和奥斯陆大学的 Endre JL Mossige。

这项研究得到了美国农业部 (USDA-NIFA AFRI 2020-67017-30776 和 2020-67015-32330) 的支持。