物理学家揭开炒饭的秘密

论文《The physics of tossing fried rice》

作者 | David L. Hu，Hungtang Ko

编译整理 | 科技行者

炒饭，几乎是每一家中餐馆的传统食物之一，而真正可口的炒饭需要「持续的高温」和「持续的翻炒」，最终制成一道美味的佳肴——烹饪过程总是与化学原理相关，但也经常涉及物理原理。

64.5%的中餐厅厨师在调查中称，调整翻勺正是导致该职业肩颈疼痛的核心原因之一。最近，来自乔治亚理工学院的物理学家教授David L. Hu和研究生Hungtang Ko，在《Royal Society: Interface》期刊发表了一篇论文《The physics of tossing fried rice》，他们设计出一套模型，用以解释炒饭的颠勺动作原理，希望帮助厨师减少重复劳动，介绍如何能制作出完美的炒饭。

炒饭的历史最早可追溯到1500年前。起初，在汉代（公元前206年至公元220年），颠勺的最初用途在于“烘干食物”，而非“烹饪食物”。而颠勺手法带来的高人气餐食之一，正是炒饭——这种色泽金黄诱人的食品，起源于1500年前的隋朝（公元581年至619年）。

颠勺，为人们带来了期待已久的焦香与锅气（镬气）。颠勺是一种褐变类型，只有在炒锅表面达到1000°C时，才会发生这种“美拉德反应”，即氨基酸与碳水化合物在高温下发生化学作用，从而导致肉类出现褐变。在高温下，厨师快速翻勺的动作能够确保米粒只发生褐变，而绝不致焦糊。

2018年夏季与2019年夏季，Ko与Hu先后在中国大陆以及中国台湾拍摄了五位专业厨师的炒饭过程，并从录像当中提取颠勺频率数据。（他们向受访者明确解释了录制素材的作用，即仅用于科学研究，绝不会在电视上公开放映）

在台湾的两家餐厅，厨师使用的炒锅重1.4公斤，宽39厘米，深13厘米。厨师们会烹制一份常规炒饭，主要成分包括大米、鸡蛋、猪肉、胡萝卜以及玉米，烹饪完成的炒饭重约0.3公斤。

在出锅之前，厨师们大概需要完成2分钟左右的炒制过程，平均每份炒饭需要颠勺276次，每次颠勺平均时长约0.3秒，具体步骤包括：预热炒锅，按顺序加入食材，用锅铲将食材混匀，翻勺颠炒。

在烹饪当中，翻勺颠炒的次数并不太多，只是偶尔出现。但在厨师加入所有食材之后，往往会连续进行五次颠炒，同时用锅铲将个别粘连在炒锅上的米粒除下。

整个过程的运行轨迹分两种：一种是，向前推动炒锅，并顺时针旋转，以接住颠勺腾空的米粒；另一种是，向后拉炒锅，以逆时针方式接住米粒。

本质上，炒饭相当于进行两种运行方向：平移（使米粒沿炒锅滑动），翻转（将米粒抛向空中）——“其中的要诀，是将灶台边缘作为活动支点。”另外，这两种运动具有相同的频率，但相位略有不同。

▲ 图：炒饭颠勺运动学。（a）在美国乔治亚州亚特兰大Chin Chin餐厅中，厨师正在进行颠勺，图片来源/Candler Hobbs；（b-e）显示颠勺过程中炒锅运动的图像序列，彩色的点显示出研究人员在视频中跟踪的点，注意，炒锅左端点沿顺时针方向行进，炒锅右端点则沿逆时针方向行进，两条轨迹皆标记为蓝色；炒锅中央位置的行动轨迹标记为红色，连杆摆动模型叠加在图像序列的上方，用以显示模型变量θ1与θ2的演变过程。

▲ 图：用于表达颠勺运动的数学模型。（a）展示数学模型示意图。（b）炒锅上各预设点的运动轨迹，在厨房坐标系中以灰色绘制。实验数据用蓝色实心点表示，模拟数据用灰线表示。炒锅最左侧与最右侧部分的运动轨迹，同模拟结果最为吻合。绿线定义炒锅参数。角度ζ 表示炒锅上的位置，角度区间从-ζmax到ζmax不等。常数L、D以及W分别代表炒锅的半径、深度与宽度。（c）摆角θ1 (red)与θ2 (blue)。各点表示实验，各线表示模型。灰色区域代表米粒在颠勺过程中的滞空阶段。（d）为炒饭过程中，五位专业厨师的各自颠炒次数，不同颜色代表不同厨师。

在确定了基本运动轨迹之后，Ko与Hu写道，事实证明，只需要两个变量就能准确模拟炒锅的运动，且运动轨迹可通过双连杆摆锤实现。

而由于厨师很少会在炒饭过程中将锅从炉子上取下，因此整套运作可以只涉及“单一滑动接触点”。他们的模型利用三项指标，基于弹丸运动特性，预测了炒饭过程中米粒的运动轨迹，分别为：抛掷起的米粒比例，米粒的飞行高度，以及米粒的角位移。

Hu解释道，在经过简化之后，整个运动轨迹类似于“翻转煎饼或者米粒杂耍”，其中的诀窍，在于炒锅内的温度可达到1200摄氏度，为了避免快速焦糊，厨师必须确保米粒不断离开锅体，以稍稍得到冷却，如此一来，米粒本身的水分将慢慢收干，而由此炒出的米饭既可充分褐变，但又不致焦糊。

根据Hu与Ko的分析，他们建议，厨师们进一步增加炒饭过程中的颠勺频率，以保证两种不同运动之间出现“相位滞后”——即尽可能让米粒的滞空时间更长，促进充分冷却与充分混合。

Hu与Ko希望，通过这套数学模型，可以总结出烹饪炒饭的最佳方案，并提出对现有炒锅结构加以改进的方法，更重要的一大目标在于，通过这项研究，衍生出颠勺机器人，以及厨师专用“可穿戴式外骨骼或者类似装置”，以减少厨师罹患肌肉拉伤的几率。

事实上，大多数亚洲美食均采用颠勺工艺，而在中式餐厅，厨师需要完成大量颠勺。长期以来，人们怀疑炒锅本身的重量加上操作速度，正是引发从业者高劳损几率的重要原因。在面向中式厨师的肌肉骨骼疾病研究中，炒锅成为经常被提及的“罪魁祸首”。2014年，炒锅被归纳为需要研究并调整设计工艺的几项核心风险因素之一。颠勺动作需要的精确肌肉活动并不确切，但很可能严重依赖于肩部。由于烹饪过程大量使用肩部发力，因此肩颈不适成为中式餐厅厨师群体中最常见的疾病之一，患病率高达64.5%，有九分之一的厨师因肩部不适而被迫选择离职。从这个角度来看，了解颠勺动作中的基本原理，将成为解析相关身体劳损难题的重要前提。

自上世纪五十年代以来，人们开始对烹饪自动化产生浓厚兴趣。最近几年出现的烹饪机器人技术研究，主要集中在利用机器人模仿人类厨师完成烹饪操作，例如切割、炖煮、油炸以及添加配料等。对于诸如翻转煎饼等动态任务，机器人也能够利用机器学习算法，快速掌握个中窍门。

也有人尝试实现炒饭的自动化，但目前来看效果不够理想。

一方面，大多数颠勺设备采用旋转，搅拌，或者摇动等方式，实现配料混合。1957年，Wang发明出一种搅拌机器人，能够利用旋转滚筒，以类似于洗衣机的方式实现配料混合；上世纪八十年代末，新的设计则开始引入自动搅拌工具，例如锅铲等；到九十年代，工程师们着手将这些方法结合起来，开发出一种“翻铲一体炒锅”，能够像翻转煎饼一样翻转食材，并利用自动锅铲，防止食材在高温下相互粘连。然而，虽然这类设备能够通过旋转或摇动实现食材的充分混合，但由于缺少颠勺环节，因此无法实现决定高温烹饪风味的谷物碳化过程。

另一方面，还有一些餐厅利用机器人准备食物，但效果依然差异。比如，一家位于美国马萨诸塞州波士顿市的餐厅Spyce，利用转筒以0.5 Hz的频率混合并加热中餐，能够将专业厨师的颠勺动作缩减至原先的六分之一——由于翻动速率较低，食物未能得到充分抛掷，因此有理由怀疑，这套设备需要降低炒锅温度以避免焦糊，但这同时也令美拉德反应变得无法实现；再比如，来自新加坡樟宜机场的Ruyi餐厅，他们于2014年展出了自己的最新颠勺机，然而尽管这台颠勺机将翻动频率提升到了2 Hz，但仍然不足以让食材如人工操作般得到充分抛掷。

Hu指出，“如果能开发出一种理想的自动化方案，可能会给厨师带来新的希望。”

该论文这项工作出自乔治亚理工学院David Hu实验室，作者为David L. Hu和研究生Hungtang Ko（Ko也是2019年一篇“关于火蚁集体建造木筏中的物理学原理论文”的联合作者）。该实验室主要对蚂蚁、水黾、蛇、各类爬行动物，蚊子，猫舌独特属性，以及动物体的排泄等活动特性开展研究，并凭借“关于袋熊为何会排出方形粪便”的研究获得2019年搞笑诺贝尔奖。

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