麵包放進冰箱，為什麼反而更快變硬？
― 變硬不是因為變乾，而是澱粉重新排列
照理說冷藏應該能保存更久，可是放進冰箱的麵包，隔天卻乾乾硬硬的。其實麵包變硬，並不是水分跑掉了。而是裡面的澱粉，正慢慢「重新排隊」。而這個排隊過程，在冰箱的溫度下進行得最快。
週末買的吐司，為了避免長霉，收進了冰箱。
隔天早上直接吃，原本應該鬆軟的麵包，卻變得乾硬粗糙。明明袋子也有確實封好。
但如果用烤麵包機把同一片麵包加熱,內部又會變軟。如果真的是變乾了,加熱應該不會變回去才對。到底發生了什麼事?
原因只有兩個
烤好的麵包裡,澱粉的長鏈分子原本抱著水,鬆散地散開著。冷卻之後,這些長鏈會一點一點靠近彼此,整齊排成堅硬的束狀結構。
排列需要同時具備「排列的契機」與「可以移動的自由度」。冰箱的溫度恰好落在兩者都充足的區間,據稱進行速度比室溫快上數倍。
讓我們依序來看。關鍵在於:「硬度的真正原因不是水量,而是澱粉的排列方式」。
麵包裡的澱粉,到底在做什麼?
麵粉的主要成分是澱粉。澱粉是由幾千個葡萄糖連接而成的長鏈分子。在生麵粉裡,這些長鏈緊密排列,形成堅硬的顆粒。
烘烤麵團時,熱與水會讓顆粒膨脹,原本排列整齊的長鏈就此鬆開。水滲入鬆開的長鏈間隙,形成鬆軟濕潤的麵包內裡。這個過程稱為「糊化」。請看圖1的左側。
然而,鬆開的狀態並不持久。冷卻之後,長鏈會試圖再次靠近彼此。經過好幾天,長鏈之間會逐漸形成平行排列的小束狀結構。水分從束狀結構內被擠出,移往周圍的部分。這就是圖1中間的狀態。這種重新排列的過程,稱為澱粉的「老化」。
排列整齊的束狀結構,會讓麵包內部的骨架變得堅硬。所以即使水分幾乎沒有流失,摸起來還是硬的,吃進嘴裡也會感覺粗糙乾硬。
為什麼冰箱的溫度進行得最快?
長鏈要排列,需要兩個條件。第一是「開始排列的契機」。溫度越低,長鏈越容易彼此靠近,契機就越多。
另一個是「可以移動的自由度」。長鏈要排列,必須一點一點地移動位置。溫度一旦降得太低,長鏈與水幾乎都無法移動。
也就是說,太溫暖的話契機不足,太冰冷的話又無法移動。介於兩者之間、恰到好處的溫度區間,重新排列的速度最快。而那正好接近冰箱的溫度。請用圖2的旋鈕調整溫度來確認看看。
在冷凍庫的溫度下,長鏈與水幾乎都凝固而無法移動。重新排列幾乎完全停止。因此如果想長期保存麵包,據稱冷凍庫比冰箱更合適。
為什麼加熱後會變軟?
排列整齊的束狀結構,會像冰一樣被熱熔化。據稱澱粉的束狀結構大約在60℃前後會鬆開。用烤麵包機或微波爐加熱到內部,束狀結構就會熔化,長鏈再度抱住水分。所以才會變軟回來。
不過,這只是暫時的。一旦冷卻,又會開始重新排列。而且每次重新加熱,表面的水分也會一點一點流失。反覆重新加熱的麵包會變得真正乾硬粗糙,原因就在這裡。
1850年代,法國化學家布桑戈（Boussingault）把麵包放進密封容器裡靜置。水分明明無法逃出,麵包卻確實變硬了。據稱進一步重新加熱後,軟度也恢復了。這被視為證明「變硬不是因為乾燥」的經典實驗。
放進冰箱的米飯或飯團變得乾硬粗糙,也是米裡澱粉的老化。剩飯如果不馬上吃,先冷凍起來,吃之前再加熱,比較容易恢復接近剛煮好的口感。
總結
麵包變硬,不是因為水分跑掉了。而是烘烤時鬆開的澱粉長鏈,在冷卻後一點一點重新排列。這種重新排列,在不過冷也不過熱的冰箱溫度下進行得最快。要馬上吃就放室溫,要久放就冷凍,吃之前再加熱。這才是符合澱粉特性的保存方式。
讓麵包變硬的不是乾燥,而是重新排列。
冰箱正是最催促這種排列的地方。
至於麵包究竟是如何膨脹起來的,可參考「麵包為什�麼會膨脹？」；吐司烤出來的焦香色澤與香氣,則在「烘烤變美味的原理」一文中有詳細解說。
- 準備同一包吐司中的三片,分別裝進不同的袋子並確實封好口。一片放室溫,一片放冰箱,一片放冷凍庫。
- 隔天,把冷凍的那片放在室溫下回溫約30分鐘。用手指輕壓三片,比較凹陷與回彈的情況。冰箱的那片應該會是最硬的。
- 把冰箱那片用微波爐加熱約10秒,再壓一次看看。如果軟度恢復了,就證明硬度的真正原因不是乾燥。
把袋子封好,是為了減少乾燥的影響,只比較「重新排列」這一項因素。微波爐加熱過久的話,冷卻後反而可能變得更硬,所以加熱時間要短。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的對應從國中理科到大學專業科目,各個層級都有明確標示
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「化學」「生物」課程範圍
- 高中＋高中進階內容,或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（食品化學、高分子物理）的內容
- 研究即使在大學也不算「定論」、研究者目前仍在研究中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 澱粉：由大量葡萄糖連接而成的分子。是植物儲存養分的形式,也是麵粉與米的主要成分。
- 糊化：藉由水與熱,讓排列整齊的澱粉顆粒鬆開、抱住水分而變軟的過程。烤麵包、煮飯時都會發生。
- 老化（澱粉老化）：糊化的澱粉冷卻後再次重新排列而變硬的過程。這是麵包與米飯變硬的原因。
國中高中用公式驗證：冰箱裡的麵包,幾個小時會變硬一半？
我們用0（剛烤好）到1（完全變硬）的比例,來表示重新排列進行到什麼程度。再用描述這個比例隨時間增加的公式,比較室溫與冰箱下「變硬一半所需的時間」。
| 用符號表示 | θ ＝ 1 − e^(−k × t) ,變硬一半所需時間 t½ ＝ ln2 ÷ k |
| 用文字表示 | 重新排列的比例 ＝ 1 － （尚未排列的比例）。尚未排列的部分,會以固定比例持續減少 |
| 公式的來源 | 表示結晶形成速度的亞伏拉米方程式（Avrami equation），據稱在麵包的情況下將指數取為1時,與實測數據相符。排列速度 k 由溫度決定,在冰箱的溫度下達到最大 |
| θ | 重新排列的比例（0〜1,無單位） |
| k | 表示重新排列速度的數值（單位為 1/天） |
| t | 烘烤後經過的時間（單位為天） |
| ln2 | 2的自然對數。用於計算變成一半所需的時間 |
| ln2 的數值 | 約 0.69 |
| 室溫下的速度 k（作為例子設定的數值） | 0.35 /天 |
| 冰箱比室溫快多少倍（概略值） | 據稱約快 3 倍 |
| 室溫下變硬一半所需時間 | 0.69 ÷ 0.35 ≒ 1.97 天 |
| 冰箱下的速度 k | 0.35 × 3 ＝ 1.05 /天 |
| 冰箱下變硬一半所需時間 | 0.69 ÷ 1.05 ≒ 0.66 天 |
| 換算成時間 | 0.66 × 24 ≒ 15.8 小時 |
室溫下要花約2天才會發生的變化,在冰箱裡算起來一個晚上（約16小時）就會進行完畢。晚上放進冰箱的麵包,隔天早上就已經變硬,原因就在這裡。k 值會因麵包種類與水分含量而大幅變動,這裡的數字只是用來說明比較方式的例子。
高中高中＋直鏈澱粉與支鏈澱粉
高中澱粉分為兩種:呈直線狀長鏈的直鏈澱粉(amylose),與分支較多的支鏈澱粉(amylopectin)。兩者都是葡萄糖連接而成的多糖,屬於高中化學或生物的課程內容。
高中＋直鏈澱粉在冷卻後數小時內會迅速排列,支撐起剛烤好麵包的骨架形狀。隨著日子過去麵包逐漸變硬,主要被認為是分支較多的支鏈澱粉緩慢重新排列所致。在60℃前後重新加熱時會熔化的,據稱也正是這種支鏈澱粉的束狀結構。
大學為什麼結晶化速度會呈山形?
澱粉的老化,是高分子結晶化的一種。結晶化的速度,由「成核速度」與「晶核成長速度」相乘決定。溫度越低於熔點,越容易成核;而成長速度則隨著接近玻璃轉化點而越慢。在這兩者之間,結晶化速度就呈現山形。整體的進行方式,一般以亞伏拉米方程式（強森—梅爾—亞伏拉米—柯爾莫哥洛夫方程式）來表示。冷凍庫的溫度,相當於含水麵包的玻璃轉化點以下,據解釋分子幾乎無法移動。
📖 公式的推導與更深入的內容：亞伏拉米方程式（英文版維基百科） ／ 玻璃轉化點（日文版維基百科）
研究目前還不完全清楚的事
- 硬度有多少成分是澱粉造成的。水分從澱粉移往蛋白質（麵筋）一側,也被認為與硬度有關。兩者各自的影響比例,目前仍有討論。
- 延緩老化材料的作用方式。已知添加油脂、乳化劑、酵素,可以讓麵包較不易變硬。但這些材料具體作用在分子的哪個部位、如何作用,各家說法並不一致。
- 老化澱粉與人體的關係。重新排列後的部分澱粉會變得不易消化,據稱作用類似膳食纖維。冷飯是否對身體有益,包括食用量與吃法,目前仍在研究當中。
也就是說,本文的內容也只是「目前已知範圍內的解釋」。食物口感這個身邊常見的問題裡,藏著高分子物理學。
與教科書的對應（依層級分類）
| 層級 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科（消化與吸收、澱粉的性質） | 澱粉是長鏈分子 |
| 高中 | 化學（糖類・高分子化合物）、生物 | 直鏈澱粉與支鏈澱粉 |
| 高中＋ | 化學（進階：高分子的結晶性） | 束狀結構熔化的溫度與重新加熱 |
| 大學 | 食品化學・高分子物理 | 亞伏拉米方程式、玻璃轉化點、結晶化的山形曲線 |
| 研究 | 食品科學（麵包老化） | 麵筋的作用、延緩老化的材料 |
| ― | 與生活的關聯 | 麵包與米飯不要冷藏,應放室溫或冷凍保存 |
- 澱粉（デンプン，日文版維基百科）― 糊化與老化
- 糊化（日文版維基百科）
- Gray, J. A. & BeMiller, J. N. "Bread Staling: Molecular Basis and Control." Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2003.
- Cauvain, S. P. & Young, L. S. (eds.) "Bakery Food Manufacture and Quality: Water Control and Effects." Wiley-Blackwell.
- McGee, H. "On Food and Cooking: The Science and Lore of the Kitchen." Scribner, 2004.
※本文為大眾科普解說。文中數值為幫助理解原理所用的概略估算值。關於食品的保存期限與防霉,請依照各產品標示為準。