ฟิสิกส์ของการผัดข้าวผัด

ในภาวการณ์ที่ต้อง “อยู่บ้าน หยุดเชื้อ เพื่อชาติ” กันอยู่นี้ การทำอาหารทานกันเองในครอบครัวน่าจะสบายใจและสบายกระเป๋ามากที่สุด อาหารประเภทที่เก็บของเหลือๆในตู้เย็นมาทำได้สารพัดรูปแบบ ไม่ตีกรอบความคิดสร้างสรรค์ รับประทานกันได้ทุกเพศทุกวัย ก็คือ “ข้าวผัด” แต่ถ้าจะให้อร่อยจริงต้องรู้จักเทคนิคการผัด ซึ่งฟิสิกส์ช่วยได้

รูปที่ 1 ข้าวผัดแบบจีน (ที่มารูป: https://aromasian.com/recipe/chinese-fried-rice/)

โดยส่วนใหญ่เมื่อไปทานอาหารที่ภัตตาคารจีน จานปิดท้ายมักจะหนีไม่พ้นข้าวผัด ที่ข้าวเป็นเมล็ดสวยไม่ติดกันสีน้ำตาลอ่อน ปนด้วยฝอยไข่สีเหลือง รสชาติอร่อยไม่จัดจ้าน แต่ที่สำคัญมีกลิ่นหอมพิเศษเฉพาะตัว ว่ากันว่าข้าวผัดอยู่ในเมนูอาหารของจีนมาตั้งแต่สมัยราชวงศ์สุย นั่นคือประมาณ 1,400 ปีล่วงมาแล้ว พ่อครัวจีนจึงเรียนรู้ทักษะพิเศษที่จะทำให้อาหารที่ดูธรรมดามีรสและกลิ่นที่ไม่ธรรมดาได้

ดร. Hungtang Ko นักชีวฟิสิกส์ กับศาสตราจารย์ David L. Hu นักคณิตศาสตร์ที่เชี่ยวชาญด้านกลศาสตร์ของของไหล แห่ง Schools of Mechanical Engineering สถาบัน Georgia Institute of Technology ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ร่วมกันทำการศึกษาเรื่องนี้อย่างละเอียด [1] โดยมีพ่อครัวมืออาชีพประสบการณ์สูง 5 คน (จาก 2 ภัตตาคารในเมืองชิวลู ที่ไต้หวันและอีก 3 ภัตตาคารในมณฑลเหอหนานของประเทศจีน) เป็นต้นแบบในการผัดข้าวผัดขนาด 1 จาน (ปริมาณประมาณ 0.3 กก.) ที่มีส่วนผสมหลักเป็นข้าว, ไข่, หมู, แคร์รอต และข้าวโพด โดยใช้กระทะเหล็กก้นลึก (wok) หนัก 1.4 กก. ที่มีปากกว้าง 37 ซม. ลึก 13 ซม. ส่วนก้นกระทะโค้งกลมมีรัศมี 20 ซม.

การผัดแบบจีนมีลักษณะพิเศษแตกต่างจากชนชาติอื่นตรงที่ใช้อุณหภูมิสูงมาก (รูปที่ 2) ด้วยอุณหภูมิสูงนี่เองจึงทำให้เกิด “ว็อกเฮย์ (wok hei)” หรือ “กลิ่นของกระทะ (the breath of the wok)” ขึ้น ซึ่งหลักๆแล้วก็คือกลิ่นควันของน้ำมันในกระทะร้อนผสมกับกลิ่นที่เกิดจากปฏิกิริยาเมล์ลาร์ด (Maillard reaction)  ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นจากน้ำตาลในอาหาร ทำปฏิกิริยากับกรดอะมิโน โดยมีความร้อน (สูงกว่า 140 เซลเซียส) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จนเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอย่างต่อเนื่องกลายเป็นสารเคมีสีน้ำตาล (บ้างจึงเรียกปฏิกิริยานี้ว่า Browning reaction) มีกลิ่นและเกิดรสชาติของอาหารที่มีลักษณะพิเศษ [2] ปฏิกิริยานี้ดูไปก็เหมือนจะคล้ายกับปฏิกิริยาการเกิดคาราเมล (Caramelization) แต่จริงๆแล้วแตกต่างกัน

ทีนี้จุดสำคัญอยู่ตรงที่ว่าทำอย่างไรจึงบรรลุเป้าหมายดังกล่าวข้างต้นโดยข้าวไม่ไหม้ เมื่อกระทะร้อนเสียออกอย่างนั้น

รูปที่ 2 การทำข้าวผัดสไตล์ภัตตาคารจีนจะใช้อุณหภูมิสูงมาก (สูงได้ถึงระดับ 1,000 เซลเซียส) (ที่มารูป: http://www.freedigitalphotos.net/images/Kitchen_g272-Stir_fried_rice_being_cooked_in_wok_p94685.html

นักวิจัยทั้งสองท่านสรุปกระบวนท่าของพ่อครัวมืออาชีพไว้ดังนี้

เริ่มต้นโดยการอุ่นกระทะ แล้วใส่ส่วนผสมลงไปในกระทะทีละอย่าง คละเคล้าให้เข้ากันด้วยตะหลิว ระหว่างนี้มีการโยนข้าวเป็นครั้งคราว หลังจากข้าวกับส่วนผสมอื่นๆปนเข้ากันดีแล้ว พ่อครัวจะโยนข้าวอย่างต่อเนื่องไม่ต่ำกว่า 5 รอบ กระบวนการทั้งหมดนี้ใช้เวลารวมกันประมาณ 2 นาที การโยนข้าวก็เพื่อไม่ให้ข้าวไหม้นั่นเอง

รูปที่ 3 แสดงแนวคิดที่ใช้ในการคำนวณและผลการศึกษาค้นคว้าบางส่วนของดร. Ko กับศาสตราจารย์ Hu [1]

เพื่อให้การสร้างแบบจำลองการเคลื่อนที่ของกระทะไม่ยุ่งยากจนเกินไป นักวิจัยทั้งสองท่านจึงจินตนาการแทนการเคลื่อนที่ของกระทะด้วยลูกตุ้มแบบแท่งคู่ (two-link pendulum) ที่มีความยาวเท่ากันคือเท่ากับรัศมีความโค้งของก้นกระทะ (20 ซม.) โดยปลายแรกของลูกตุ้มแท่งที่ 1 จะถูกตรึงอยู่ที่จุดสัมผัสระหว่างก้นกระทะกับขอบเตา (ก้นกระทะสัมผัสกับขอบเตาตลอดเวลาซึ่งช่วยผ่อนแรงของพ่อครัวได้มาก จากสถิติพบว่าพ่อครัวภัตตาคารจีนประมาณ 64.5% มักมีปัญหาเรื่องปวดไหล่) ส่วนปลายล่างของลูกตุ้มแท่งที่ 2 จะตรึงอยู่ที่ก้นกระทะส่วนลึกที่สุด ข้อต่อระหว่างลูกตุ้มแท่งที่ 1 กับ 2 จะตรึงอยู่กับจุดศูนย์กลางความโค้งของกระทะ  การคิดแบบนี้ทำให้ตัวแปรที่จะใช้อธิบายการเคลื่อนที่ของกระทะมีเพียง 2 ตัว คือมุม θ₁ กับ θ₂ [รูปที่ 3(b)-3(e)] ทั้งนี้ θ₁ มีแต่ค่าบวก ส่วน θ₂ มีได้ทั้งค่าบวกและลบ เมื่อพ่อครัวโยกกระทะในแบบที่ขอบกระทะด้านไกลตัวเคลื่อนที่เป็นวงในทิศตามเข็มนาฬิกา ขณะเดียวกับที่ขอบกระทะด้านใกล้ตัวเคลื่อนที่เป็นวงในทิศทวนเข็มนาฬิกา (เส้นโค้งสีน้ำเงิน) มุม θ₁ (สีแดง) กับมุม θ₂ (สีน้ำเงิน) จึงแปรค่าตามเวลาในรูปลักษณ์ของฟังก์ชั่นคลื่น [รูปที่ 3(f)] ที่มีคาบเวลา (period) เท่ากันคือ 0.32 วินาที (เทียบเท่ากับ 3 รอบ/วินาที) เส้นทางการเคลื่อนที่ของข้าวที่ถูกโยนเป็นแบบโปรเจกไตล์ (projectile) นั่นเอง นั่นคือเมื่อลอยขึ้นจากก้นกระทะแล้วเมล็ดข้าวก็จะถูกบงการด้วยแรงโน้มถ่วงของโลกเป็นสำคัญ จากการศึกษาในครั้งนี้ประเมินได้ว่าข้าวจะใช้เวลาอยู่ในอากาศประมาณ 0.23 วินาที ซึ่งเข้าจังหวะกันพอดีกับการเคลื่อนที่ของกระทะตามรูปที่ 3(f) ทั้งนี้สำหรับอุณหภูมิของกระทะค่าหนึ่งๆ การใช้ความถี่ของการโยนที่ต่ำเกินไป (คาบเวลายาวเกินไป) จะทำให้ข้าวไหม้ได้ ส่วนการใช้ความถี่ที่สูงเกินไปก็เป็นการเปลืองแรงโดยใช่เหตุ แถมยังเพิ่มโอกาสที่จะปวดไหล่อีกต่างหาก คลิปวีดีโอต่อไปนี้แสดงให้เห็นการเคลื่อนที่ของกระทะและข้าวผัดดังที่กล่าวมา โดยวงเส้นสีฟ้าบันทึกรอยทางการเคลื่อนที่ของขอบกระทะทั้งสองด้าน และเส้นสีแดงบันทึกรอยทางการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางความโค้งของก้นกระทะในช่วงเวลาเดียวกัน [3]

ส่วนผสมของข้าวผัดไทยอาจไม่เหมือนกับข้าวผัดจีนเสียทีเดียว แต่เทคนิคการผัดน่าจะนำมาประยุกต์กันได้ เพื่อทำให้ข้าวผัดไทยมีรสสัมผัส กลิ่นสัมผัส และเนื้อสัมผัสที่ลุ่มลึกมากยิ่งขึ้น

เอกสารอ้างอิง

1. Hungtang Ko and, David L. Hu, “The Physics of Tossing Fried Rice”, Journal of the Royal Society Interface, 12 February 2020, ที่เว็บไซต์: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2019.0622
2. “ปฏิกิริยาเมล์ลาร์ด – เคมีของกลิ่นหอมชวนกิน”, องค์การพิพิธภัณฑ์แห่งชาติ (อพวช.), ที่เว็บไซต์: http://www.nsm.or.th/other-service/1757-online-science/knowledge-inventory/sci-article/science-article-nsm/2721-mellard-s-reaction-the-chemistry-of-perspiring-scent.html
3. Emily Conover, “There’s Science to Making Great Fried Rice”, Science News for Students, 4 March 2020, ที่เว็บไซต์: https://www.sciencenewsforstudents.org/article/theres-science-to-making-great-fried-rice