千米小说网

1 3 早餐（第1页）

1。3早餐

●　咖啡：溶剂萃取

洗漱完成，身体还香香的。一切都整理好后，你走出浴室来到厨房。早上的胃口还不错，美好的一天从一顿优质的早餐开始。

首先要为自己准备一杯咖啡。但你从来没有想到的是，无论你以哪种方式煮咖啡（用经典的摩卡咖啡壶，用意式浓缩咖啡壶，用那不勒斯咖啡壶，用美式咖啡机，用土耳其咖啡壶或其他任何方式），在这个过程中都会进行一个典型的化学实验操作：溶剂萃取。一般来说，溶剂萃取就是利用需要分离的组分与溶剂中其他物质（化学家称为基质）的溶解度不同，从中分离出这种（某些情况下为多种）组分。一些热带咖啡属植物的种子，经烘焙、研磨后就成了咖啡粉。就咖啡而言，基质就是咖啡粉，溶剂就是咖啡壶中加入的热水。你每天早上（并且还不只早上）喝得津津有味的饮料实际上就是一杯溶解有咖啡粉中水溶性物质的溶液。

众所周知，咖啡品种繁多，最常用的是阿拉比卡咖啡豆（coffeaarabica）和罗布斯塔咖啡豆（ephora），它们具有不同的化学特性和感官特征。因此，咖啡饮料的成分取决于混合咖啡的种类和制备方法。

●　咖啡的成分及其特点

无论所使用的混合咖啡的类型和制备方式如何，咖啡中始终存在有咖啡因。化学家用难懂的专业名称1，3，7-三甲基黄嘌呤来表示咖啡因，或者根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAationalUnionofPureary）的官方命名法，用更生僻的名称1，3，7-三甲基-1H-嘌呤-2，6（3H，7H）-二酮来表示。

咖啡因是一种生物碱，也就是一种具有碱性特征（因为其化学结构中存在氨基）的物质，有特殊的生理作用。咖啡因除了存在于咖啡中，还存在于可可树、茶叶、可乐果、巴拉奎冬青和瓜拿纳树以及由它们制成的饮料中。茶叶和瓜拿纳树中分别含有茶素（theine）和瓜拿纳因子（Guaranine），这些特殊成分的作用与咖啡因相似。

咖啡因具有兴奋中枢神经的作用，可使人上瘾（咖啡因中毒）。咖啡因的分子结构（图7）与腺嘌呤（adenine）相似。腺嘌呤是存在于核酸，即DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）中的含氮碱基。腺嘌呤又与一种叫核糖（ribose）的分子相连，形成腺苷（adenosine）。腺苷是核苷（nucleoside）的一种，是核酸的重要成分。咖啡因可作为腺苷受体（位于细胞膜上）的竞争性拮抗剂。通过这种方式，可以促进特殊激素，如肾上腺素（adrenaline）和去甲肾上腺素（noradrenaline）的释放。这些激素会刺激交感神经系统，从而使心率加快、肌肉的血流量增加、基础代谢率提高，进而让身体处于兴奋状态，帮助提高反应力与注意力。这就是咖啡可以让你提神醒脑的原因。

图7　咖啡因的分子结构

过量摄入咖啡因对人体有害，甚至致命。人类服用咖啡因的半数致死量（mediahaldose，LD50）[27]约为150毫克千克。这是一个很高的剂量，因为一杯咖啡只含有约85毫克咖啡因。因此一个70千克的人必须一次性喝下120多杯咖啡才能达到半数致死量！

我们说过，咖啡的咖啡因含量首先取决于所使用的咖啡类型。罗布斯塔品种的咖啡豆的平均咖啡因含量高于阿拉比卡品种的咖啡豆。而同样的混合配比，咖啡因的含量也会因制作方式的不同而有所差异。咖啡中咖啡因含量最小的是浓咖啡（约60毫克），因为少量的水只能萃取少量的咖啡因。相反，在淡咖啡中加的水较多，因此咖啡因的含量也就增加了（80～100毫克）。另外，在浓咖啡中，咖啡因之外的其他物质的浓度更高，从而使咖啡的香味更浓郁。如果是以盎格鲁-撒克逊人的方式制作咖啡，一杯200毫升的咖啡就含有约250毫克的咖啡因。

关于咖啡因以及咖啡潜在的危害大家众说纷纭。对于“咖啡是坏还是好”这个问题，我们很难有一个明确的答案[28]。但从目前所有已知的研究中可以得出：一天的摄入量控制在3杯以内，好处是大于坏处的，比如可以提高警觉性、集中注意力和增强记忆力，同时可以抗疲劳，抗偏头痛，或许还可以抗帕金森病和阿尔茨海默病（对于3杯的量只有比较敏感的人群会失眠，感到紧张、心悸）。只要保持在每天5杯以下，就可以明显降低血管梗塞、高血压和高胆固醇血症的发病率。如果超过这个量（6～10杯或更多），患心脏病的风险可能会增加，虽然没有确切的数据可以证实，但我们这样猜测也是合理的。此外，孕妇（特别是在怀孕中期）每天摄入超过6杯咖啡，可能会增加流产和新生儿体重不足的风险。

然而，抛开这些临床数据不谈，很多咖啡爱好者都会选择脱因咖啡，这是一种几乎不含咖啡因的咖啡（去除率达95%～97%）。为了达到脱因效果，我们同样得采用溶剂萃取法。1905年，为咖啡贸易股份公司（Kaffee-Haie）工作的德国人路德维希·罗斯留斯（LudwigRoselius），在不来梅（Brema）首次实现了咖啡脱因的操作。脱因后的咖啡产品随后被商业化，以公司名称的缩写HAG为商标名，至今该品牌仍在经营当中。在过去，我们使用氯化烃，如二氯甲烷（diethane）作为提取咖啡因的溶剂，因为咖啡因可溶于这种溶剂，而其他赋予咖啡香味的成分则对此溶剂表现出不溶性。这样的工业技术能使最终的咖啡产品中没有明显的溶剂残留。但是，由于氯化烃通常具有毒性，一段时间之后人们就放弃了此方法。如今，几乎所有制备脱因咖啡的工艺都是利用超临界条件下的二氧化碳作为萃取溶剂。当二氧化碳在温度和压力下维持在所谓的临界值以上时，就会出现超临界状态。临界温度是指在该温度以上物质不能以液态存在的温度。在临界温度下液化气体所需的压力称为临界压力。二氧化碳的临界温度和临界压力分别为31。1℃和7。38兆帕。超临界条件下的流体具有独特的性质，一些类似于**（例如密度），而另一些则类似于气体（例如黏度）。此外，超临界二氧化碳还是一种极好的非极性溶剂，能够溶解（因此也可以萃取）咖啡因等有机化合物。萃取结束后，只要改变温度和压力，二氧化碳就会恢复为气体，并且不会在得到的脱因咖啡和萃取出的咖啡因中有任何的残留，而且这些咖啡因也可用于制药业。

但脱因咖啡真的比普通咖啡更好吗？医学界众说纷纭。一些研究表明，脱因咖啡与普通咖啡不同，不会增加心脏病风险，并且对脑细胞还有保护作用。但这些有益的作用也可能来自咖啡因之外的成分，比如咖啡中存在的抗氧化剂就可以改善血管内细胞的完整性和功能。但根据其他研究，脱因咖啡反而可能会引起心脏问题，因为不断饮用会导致血清低密度脂蛋白（lowdensitylipoprotein，LDL），也就是所谓的“坏的胆固醇”增加。但由于咖啡因的保护性拮抗作用，这种情况不会发生在普通咖啡中。另外，考虑到高剂量的咖啡因会导致孕妇流产和新生儿体重不足，也有很多人建议孕妇使用脱因咖啡。我们在评估咖啡的优缺点（不管是否含有咖啡因）时，也存在类似的不确定性，这是因为有喝咖啡习惯的消费者通常也抽烟喝酒，所以就很难分辨出咖啡真正的效果。不过，最好的办法就是大家都理智一点，不要喝太多的咖啡。如前面所说，每天只要不超过3杯咖啡（不管是否含咖啡因），你的身体就不会面临重大的健康风险。

除了咖啡因，咖啡中还有许多其他物质。其中主要有咖啡酸（caffeicacid）、绿原酸（icacid）、阿魏酸（ferulicacid）、奎宁酸（quinicacid）衍生物（在烘焙过程中形成）、葫芦巴碱（trigonelline）和烟酸（nia）。这些物质具有抗氧化、抗糖尿病、抗胆固醇和抗甘油三酸酯的作用。

●　茶的特点、柠檬的添加、酸碱指示剂

如果你喜欢用茶代替咖啡作为早餐的饮料，你可能也会对茶的一些知识感兴趣。茶和咖啡一样，都含有咖啡因。有人称茶中的咖啡因为茶素，这其实只是一种语言上的自由选择。在化学中，我们只说咖啡因，因为这种物质最早就是在咖啡中发现的，后来才在茶叶和其他产品中发现。但茶叶中的其他物质使茶水中咖啡因的吸收速率比喝咖啡时慢。因此，喝茶时，咖啡因的作用在时间上更持久；而喝咖啡时，咖啡因的作用立竿见影，但很快就会消失。

茶叶中还含有大量的特殊物质——多酚（polyphenol）。多酚对细胞有抗氧化、抗衰老的作用，根据一些研究，甚至还有抗肿瘤的作用。另外还有一种物质叫茶氨酸（theanine），它具有镇静作用，因此可以缓和咖啡因的神经刺激作用。最后，茶叶中的精油成分除了具有令人愉悦的香气，还具有消毒和消化作用。

咖啡因的含量因茶而异。咖啡因含量最多的是红茶。它由茶（Camelliasinensis）的叶子经过长时间的加工（萎凋、摇青、揉捻、干燥）制成。这些过程中会有新的氧化物形成，使茶叶的颜色变深。其中有种氧化物叫作茶红素（thearubigins），可以使浸泡出来的红茶呈现出典型的橙红色。绿茶的加工步骤要少一点，且多酚含量较高。白茶由茶树的芽头制成，多酚含量更高。最后还有一种，叫作乌龙茶或青茶。“乌龙”一词字面意思为“黑龙”，它是一种主要产于中国的半发酵茶。

很多喝茶的人喜欢在里面加一点牛奶，但这种做法似乎并不可取。发表在《欧洲心脏病杂志》（EuropeaJournal）[29]上的一项研究表明，牛奶的添加可能会使茶水中对血管有保护作用的抗氧化剂失效。因为牛奶中的蛋白质（也包括豆浆中的蛋白质）会与抗氧化分子结合，使其无法发挥作用。但在茶中加入柠檬似乎就没有任何禁忌。如果你曾经将柠檬汁挤进过红茶中，可能已经注意到了这种奇特的现象：加入柠檬汁后，茶的色泽会明显变浅。如果你之前碰巧观察到了这一点，你得知道你目睹的这种现象被化学家称为酸碱指示剂的颜色变化。

酸碱指示剂（acid-baseindicator）是一种特殊的物质，它会根据所接触溶液的pH值而呈现不同的颜色。pH值由丹麦化学家索伦·索伦森（S?renS?rensen）于1909年提出，用于表示溶液酸碱性程度。数学上定义pH值为溶液中存在的H3O+（水合氢离子）浓度的负对数。pH=7的溶液是中性，也就是说H3O+的浓度和OH-（氢氧根离子）的浓度相等。如果pH＜7，则溶液呈酸性，即H3O+的浓度大于OH-的浓度。如果pH＞7，则溶液呈碱性，即H3O+的浓度低于OH-的浓度。许多酸碱指示剂都是从植物中提取出来的。我们前面提到的使茶叶呈现出特定淡红色的茶红素就是一种酸碱指示剂。柠檬汁含柠檬酸（citricacid）而呈酸性，因此柠檬汁的添加会降低茶的pH值。pH值降低会使茶红素的颜色发生变化（变色），茶水颜色变浅。

从植物提取的酸碱指示剂中，最常见的是从地衣植物中提取出的石蕊（litmus）。如果将不同的指示剂混合，就可得到通用指示剂。通用指示剂可以通过将混合物呈现出的颜色与先前校准的色标颜色进行比较，以此来估计溶液的pH值。另外，为了更精确地测量pH值，我们会使用一种特殊的仪器：pH计。它的工作原理就是特定电极的电势取决于它所浸泡的溶液的pH值。

●　糖：概述、单糖和多糖、光合作用、蜂蜜、旋光异构体

无论你喜欢喝咖啡还是喝茶，加点糖都能让两种饮料更好喝。我们口中的糖实际上是糖类[也叫碳水化合物（carbohydrate）]这个大家族的众多成员之一。很多人都知道普通食用糖的正确名称是蔗糖（sucrose），或者用更准确但也更复杂的名称4-O-（β-D吡喃半乳糖基）-D-吡喃葡萄糖[4-O-（β-D-Galaosyl）-Dgluose]表示。

蔗糖属于二糖（disaccharide），由一分子葡萄糖（glucose）和一分子果糖（fructose）通过糖苷键结合在一起，其分子结构见图8。而葡萄糖和果糖都是单糖（monosaccharide），因为它们的分子不能分解成更简单的糖。其他的单糖有：阿洛糖（allose）、半乳糖（galaannose）、山梨糖（sorbose），也有核糖和脱氧核糖（deoxyribose），它们分别是RNA和DNA的组成成分。除了名称以-糖（-ose）结尾，从分子结构上看，这些单糖也有相似之处。它们的分子结构中要么有一个醛基（aldehyde），要么有一个酮基（ketone）。醛基由一个碳原子、一个氢原子及一个双键氧原子组成。酮基比醛基少一个氢原子。具有醛基的单糖称为醛糖（aldose），具有酮基的单糖称为酮糖（ketose）。除了这些基团中的碳原子，单糖分子中还存在与氢原子和羟基（-OH）相连的其他碳原子。一般来说我们可以用通式来表示单糖，其中n≥3。通式中的H2nOn部分也可写成（H2O）n。大家都知道H2O是水的分子式，所以也就可以理解为什么糖类也叫碳水化合物了。

图8　蔗糖的分子结构

根据碳原子数目，单糖还可以分为丙糖（triose，3个碳原子）、丁糖（throse，4个碳原子）、戊糖（pentose，5个碳原子）、己糖（hexose，6个碳原子）等。比如葡萄糖就是己醛糖，因为它有醛基和6个碳原子（包括醛基的碳原子）；而果糖是己酮糖，它有酮基和6个碳原子（包括酮基的碳原子）；核糖和脱氧核糖则属于戊醛糖。

借助一些仪器，我们现在可以很容易就确定糖的分子结构，虽然这些结构现在都是已知的，但在过去，想要成功推测出这些分子结构对于化学家来说是一个智力大挑战。1884—1894年，德国化学家赫尔曼·埃米尔·费歇尔（HermannEmilFischer，1852—1919）首次确定了葡萄糖（后来还确定了其他糖的结构）的分子结构。费歇尔仅仅根据葡萄糖化学性质的研究，并运用可以奉为典范的逻辑推理，就能准确地指出分子内所有原子是如何结合的。这是人类鲜为人知的智慧结晶。正因为这些研究，费歇尔在1902年获得了诺贝尔化学奖。

单糖两两结合可以形成二糖，除此之外，多个单糖分子结合还可以形成长链分子[聚合物（polymer），见第三章第2节拓展：高分子化学]。这种由多个单糖聚合而成的化合物称为多糖（polysaccharide）。最重要的多糖肯定是淀粉（starch）、纤维素（cellulose）和糖原（gly）。淀粉是植物体内的储能物质；纤维素是构成植物支撑组织的基础；糖原则是包括人在内的动物的储能物质，主要存在于肝脏中。上述3种多糖都是由葡萄糖分子聚合而成的，但葡萄糖分子结合方式的不同决定了这3种多糖的性质存在很大的差异。

现在化学家已经可以在实验室制糖了。但我们所使用的和世界上存在的很大一部分糖都是由绿色植物通过一种叫作光合作用（Photosynthesis）的特殊化学反应合成的。利用太阳光和叶子的叶绿素（分子结构中心含有镁原子的复杂分子），植物能够通过以下反应将根部吸收的水分和空气中的二氧化碳转化为葡萄糖：

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2

据估计，光合作用每年可将大气中约1。15×1014千克的碳转化为生物质[30]。上面的化学反应看起来简单，但它其实是一个极其复杂的过程，涉及许多物质的转化。

20世纪初，英国植物学家弗雷德里克·弗罗斯特·布莱克曼（Frederian，1866—1947）发现光合作用主要分两个阶段进行。在第一个阶段，叶绿素分子吸收阳光，被激发出高能电子，从而提供了将二磷酸腺苷（adenosinediphosphate，ADP）转化为三磷酸腺苷（aderiphosphate，ATP）以及产生还原型辅酶Ⅱ（niideadeniidephosphate，NADPH）分子所需的能量。同样在这一阶段，水分子的分解还会产生H+、氧气和填补叶绿素分子空穴的电子。在第二阶段，会经过一个被称为卡尔文-本森循环（sonCycle）的特殊过程，该循环以美国化学家梅尔文·卡尔文（Melvin，1911—1997，1961年因对光合作用的研究而获得诺贝尔化学奖）和美国生物学家安德鲁·阿尔姆·本森（AndrewAlmBenson，1917—2015）的名字命名。通过这个循环可将ATP和NADPH分子中积累的能量用于制造葡萄糖分子。然后，葡萄糖就可以合成我们在植物中发现的其他复杂的糖类，包括二糖和多糖。