硬科学和高级美食

分子餐馆经营者忙于蛋白质和聚合物/ New Max Planck研究发表

美因茨的马克斯·普朗克聚合物研究所的物理学家将对软物质的研究与烹饪科学完美地结合在一起。 通过“分子美食” Thomas A. Vilgis，厨房成为了实验室。 MaxPlanckResearch的最新版本（4/2003）访问了Vilgis，描述​​了“硬科学”与“高级美食”相遇时的情况。

为什么肉在煮熟后会变软，但如果加热时间过长，使其坚硬的鞋底呢？ 搅打蛋清或澄清黄油时会发生什么？ 自称“分子餐馆”的科学家们正在处理有关烤，酱或布丁的化学和物理问题。 托马斯·维吉斯就是其中之一。 他的主要工作是在美因兹的马克斯·普朗克聚合物研究所研究聚合物，生物聚合物以及可以构建它们的复杂材料的特性。

图 1：蛋清的显微图像清楚地显示气泡壁的结构像三明治：表面活性蛋白层与空气直接接触，水相嵌入其间。

图片：MPI 聚合物研究

乳液、悬浮液、泡沫、凝胶、生物膜或纤维由非常大的分子组成。这些分子（通常是聚合物）在许多尺寸尺度上相互影响：从纳米（十亿分之一米）到微米甚至毫米。这赋予所有这些材料复杂且同时具有特征的特性。这就是为什么今天的科学家将其概括为“软物质”这一总称，它代表着一个多样化且非常活跃的研究领域。软物质包括所有生物材料（骨骼和牙齿中的生物矿物质除外），因此也包括我们吃的一切。

例如，一种有趣的烹饪方法来自蛋白质的角度。这些生物聚合物是由数千个原子组成的大分子。在生物体中，它们几乎在所有生化过程中都发挥着核心作用。至关重要的是，这些分子可以改变它们的形状，从而改变它们的生物功能：一些蛋白质可以在叶状折叠形状和螺旋形状之间切换。根据目前的了解，这样的过程甚至会引发疯牛病等脑部疾病。

图 2：部分“展开”蛋白质模型分子在不同放大倍数下的形状视图。左：最高放大倍率显示单个原子仅相距 0,1 至 0,2 纳米（十亿分之一米）的一级结构。在这里您可以看到构成蛋白质基本构件的氨基酸。蛋白质的功能及其二级结构（中）取决于它们的顺序：这可以由各种元素组成，例如螺旋或片状结构。二级结构最终纠缠在一起形成整个分子的球状、球状三级结构，具有生物活性（右）。

图片：赫尔穆特·罗勒

托马斯·A·维尔吉斯 (Thomas A. Vilgis) 和他的同事正在开发新的数学模型，例如为了更好地了解抗体和酶的工作原理。作为催化剂，酶加速生物体中的生化反应，从而使许多生命功能成为可能。然而，某些酶也可以帮助烹饪，例如作为“嫩肉剂”。为了确保生物组织同时坚固且富有弹性，胶原纤维贯穿其中。这些生物聚合物纤维由非常稳定的分子三螺旋组成 - 这使得生肉坚韧。加热或接触某些酶，例如新鲜菠萝或无花果汁中的酶，可以改变胶原蛋白：三螺旋溶解，聚合物连接在一起形成松散的空间网络。这会形成凝胶，肉会变软。

厨房提供各种复杂的材料，因此为分子美食家的科学好奇心提供了充足的素材。例如，界面非常有趣：在食物中，它们通常由一层仅几纳米厚的有序蛋白质组成。例如，这些层可以连接水滴和脂肪滴，否则它们会相互排斥。这会产生牛奶和黄油等乳液。分子界面还赋予泡沫中的气泡足够的稳定性。为此，必须首先“打开”蛋清中呈球状的蛋白质分子：这是通过用搅拌器搅拌来完成的。透明的蛋清变成不透明的蛋清。修饰后的蛋白质分子现在可以将鸡蛋的水分子包裹在精细的三明治状膜中。这些膜在鸡蛋泡沫中的气泡周围形成稳定的外壳。令人惊讶的是，像搅拌器这样简单的装置却可以改变几纳米大小的分子形状。纳米技术在厨房中有着悠久的传统！

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MaxPlanck Research 4/2003 现已出版。这本 76 页的杂志提供了来自马克斯·普朗克学会各研究所的令人兴奋且易于理解的信息。本期的焦点是“光学地平线”：显微镜已有 400 年的历史，但仍未得到充分利用。体验科学家今天用来探索最小和非常微小事物的世界的复杂方法，以及他们在这个过程中获得的奇妙见解。论文提出“智力需要多少大脑？”的问题，研究与社会部分（“数字游戏-确定性的幻觉”）深入思考错误和错误判断的原因，以及第一手知识致力于有关环境化学品影响的模型。本期的其他文章：“伟大的沟通者”（康拉德·洛伦茨 100 岁生日）和“SUSY 与本笃会”（物理学家在玛丽亚·拉赫修道院举行的一次不寻常的会议）。

MaxPlanckResearch 每年出版四期。该科学杂志可以在马克斯·普朗克学会新闻办公室或通过我们的网络表格订阅。订阅是免费的。

相关链接：

[1]MaxPlanck在网上的研究： http://www.mpg.de/

原创作品：

N. Lee，TA Vilgis - 单链力谱 - 读取 HP 蛋白质模型的序列 - Eur. Phys。 J.B 28, 415 (2002)

N. Lee，TA Vilgis - 疏水极性模型蛋白质在图案表面上的优先吸附 - Phys。修订版 E 67, 050901 (2003)

E. Jarkova、N. Lee、TA Vilgis - 响应性两亲凝胶的溶胀行为 - J. Chem. Phys. 119, 3541 (2003)

来源：美因茨 [mpg]