怕胖却无力抵抗美食诱惑？物理学家可以这样帮你

发达国家的居民越来越胖。在过去的25年里，英国的肥胖率几乎翻了两番。然而，在经济合作与发展组织(经合组织)的大多数富裕成员国中，超重和肥胖的人占人口的大多数。大规模肥胖有许多原因。久坐不动的生活方式和高热量即食食品显然是重要因素，但事实并非如此。

当我们吃东西时，身体会经历一个极其复杂的荷尔蒙调节过程，这不仅涉及到我们那天吃的食物，还涉及到我们以前吃过的食物的种类和数量。不幸的是，在这个过程中，我们的身体会有变胖的趋势，要扭转这种趋势使我们的身体再次变瘦是不容易的。

例如，让我们想一想身体是如何意识到它是满的。饱腹感(感觉饱)和饱腹感(不想再吃东西)来自外部环境和身体因素，如盘子的大小、食物的数量、胃的饱腹感以及我们新陈代谢的反馈。当肠道检测到脂肪酸、糖和氨基酸的存在时，它会释放几种已知的“饱腹激素”。这些激素让我们感觉“饱了”，但是人体释放这些激素的方式和大脑调节它们的方式非常复杂，我们仍然不完全清楚。我们的胃肠道是一个非常复杂的器官群:例如，口腔中有味觉感受器，使我们能够感觉到食物的甜、咸、苦和新鲜的味道，这些感受器也存在于胃、小肠和大肠中。因此，不仅嘴能“品尝”食物。

无论一个人是超重还是瘦，接受任何一种“饱腹激素”注射都会降低他的热量摄入水平。不幸的是，这些荷尔蒙很快就会恢复到原来的水平，它们的影响甚至不会持续到下一餐。此外，重复给药不能达到减肥的效果，因为相互联系的激素反应可以逐渐适应这些额外的激素。因此，饱腹激素可能不是减肥的好选择。那么，还有其他有效的干预计划吗？

一个解决方案需要利用能增加饱腹感的外部因素，比如减少包装食品的单一成分:正如预期的那样，我们会吃得更少。我们也可以让食物更稠、更耐嚼，所以我们需要咀嚼更多次，吃得更慢，以达到少吃的目的。然而，现代生活的快节奏和快餐的广泛流行使得这个计划不切实际。在考虑实用性的同时，我们也应该意识到加工食品不会在短时间内消失。

另一个计划是重新设计食物。这听起来很极端，但从某种意义上来说，它们已经出现在我们的生活中:许多现代加工食品已经变得更加精致、厚重和独特，以迎合消费者的喜好。该计划的主要挑战是有效地将食物中添加的饱腹感激素释放到人体组织中，在人体组织中它们最有效，同时创造出美味的食物。开发这些所谓的“功能性食品”需要软物质物理学。

不仅是营养

除了具有“正常”的营养价值和味道，功能性食品还能带来一些额外的生理效应。例如，富含维生素的面包、牛奶和橙汁、含有“益生菌”的酸奶、含有高ω-3脂肪酸的鸡蛋以及添加了纤维以降低脂肪含量的肉制品。功能性食品对有过敏症或其他健康问题的人来说也很方便:无乳糖和无麸质食品越来越多地出现在超市货架上。

然而，要用更健康的成分代替原始成分或者在现有的食品配方中添加新的成分(如饱腹感激素)并不容易。食物配方往往是长期实践和研究的复杂结果。添加或删除任何部分都会产生不可预测的后果。

理解食物结构和食物配方的任务属于软物质物理学领域:软物质物理学研究包含分散的气泡、胶体、乳液或聚合物的复杂流体。这些分散物质的尺度可以从纳米到微米不等——后者是你咀嚼时嘴唇可以感知的尺度。

以冰淇淋为例，它含有像气泡、乳液、冰晶和蛋白质这样的胶体颗粒作为聚合物和两亲分子(同时含有亲水和疏水基团的分子)。在巧克力中，可可颗粒、糖晶体和蛋白质聚合物在可可脂连续相中混合。啤酒泡沫依靠生物分子降解产生的聚合物来保持稳定性。在软物质物理学家的眼里，意大利面条是玻璃相中的一种无定形碳水化合物。所有这些食物成分都充满了生物复杂性，但它们可以被改变，并提供了将功能性成分输送到身体相应部位的可能性。

乳剂(悬浮在连续相液体中的分散相液滴的混合物)可以将饱腹感激素输送到肠道。许多加工食品含有乳状液，其中沙拉酱是油滴悬浮在富油相中的乳状液，而黄油和人造黄油是水滴悬浮在富油相中的乳状液。在这种乳液中，充当“乳化剂”的两亲分子可以稳定其中的悬浮液滴，并避免液滴之间的聚集；“乳化助剂”可以使连续的相变变稠或凝胶化，从而避免乳滴之间的碰撞。这种乳液同时含有水相、油相和两亲相，可以含有各种功能性成分来提高饱腹感。乳液的合理组合和加工可以使它们形成各种各样的结构，从糊状到凝胶状再到可以*流动的液体，甚至在干燥后成为粉状添加剂。重要的是，许多食品级材料可以通过相对简单和节能的方法加工成乳液。

然而，乳液确实有局限性，其中一些会在食品加工阶段遇到。高温蒸煮、低温冷藏或冷冻、强烈搅拌和酸碱度变化都会使液滴不稳定，这给功能性食品的研究和开发带来困难。如果油相分散在水相中的乳状液的稳定性被破坏，分散的液滴将聚集在一起，在食物内部或表面形成富油相——也就是说，发生“油分离”，这是我们不想看到的。

乳液的稳定性可以通过在液滴外部包裹一层由带电聚合物电解质形成的固体膜来提高。我们可以选择薄膜的成分，使其在特定的酸碱度或盐浓度条件下能够溶解或产生空腔，从而在肠道的特定位置释放饱腹感因子。

薄膜不必很薄或由聚合物制成:例如纤维素颗粒或更小的液滴，其表面本身被一层蛋白质覆盖，形成所谓的“皮克林乳液”。如何使用这种乳液取决于食物:口腔可以感觉到这种大小的液滴，而在酸奶等半液体食物中，它们会带来一种砂砾和令人不快的味道。

另一种乳化技术使用乳化液来捕获乳滴，形成一种称为“复合乳化液”的层状结构。这种结构可以是“水包油”:在油的连续相中悬浮着“乳滴，油分散在水中”；它也可以是“水包油包水”:一个“分散在油中的水滴”悬浮在水的连续相中。复合乳液在“捕获”挥发性成分方面非常有效，挥发性成分被包裹在不能通过的外部介质中，从而防止它们扩散到外部。这种结构还可以防止一些苦味成分在口腔中释放。此外，复合乳液可以保护食品中的一些不稳定成分免受与外界物质的不良化学反应，从而使食品变质。

虽然乳液可以提供一种很好的方式来封装和传递功能性成分，但是不幸的是，选择合适的乳液和开发功能性食品并不像探索胶囊和服用物质那么简单。我们的身体对不同大小和成分的乳胶粒子反应不同。研究表明，较小的奶滴可以提供热量和饱腹感，而较大的奶滴可以在提供热量的同时降低饱腹感。乳液在人体中分解的位置也很重要:如果油性乳液在酸性胃中分解，胃壁将被一层脂肪覆盖，从而降低饱腹感，但是脂肪降解的产物将增强饱腹感。

乳液在食品领域的应用涉及到非常复杂的相互作用，如乳滴的大小、食物的味道和质地、肠道的消化过程和最终释放的饱腹感激素。在我们理解这些功能之前，我们似乎想击中一个移动的目标，这是非常难以成功的。

蛋白质效率

蛋白质也是一种有吸引力的食物成分。与脂肪相比，它们有两个重要的优势:低卡路里密度和更强的饱腹感。简单地改变温度或酸碱度就能把蛋白质变成纤维状(透明的)或颗粒状(不透明的)胶体，使食物产生不同的质地。如前所述，这些调节食物质地的树胶可以使乳滴周围的介质变稠，防止它们结块。同样，通过简单地改变温度或酸碱度，我们也可以控制蛋白质聚集的方式，使蛋白质颗粒显示出乳液的特性。像乳液一样，这些蛋白质可以用来包裹和缓慢释放控制饱腹感的成分。同时，即使没有脂肪和油，它们也能给食物一种“奶油”般的细腻口感。

淀粉、纤维素、壳聚糖、海藻酸和树胶等碳水化合物聚合物也有类似的效果。这些材料中的许多被用来包裹益生菌。然而，我们必须仔细设计这些包装材料，以抵御胃中的酸性环境，并防止益生菌在到达小肠之前被破坏。许多多糖也被用作增稠剂，其中许多不能被人体消化，所以它们不能直接提供热量。一些“膳食纤维”也能引起饱腹感，这可能是由于它们增加了食物量或含水量，从而改善了饱腹感的身体感觉，但也可能是由于它们在小肠中发酵后释放了饱腹感激素。

未来的食物

理论上，复原的加工食品具有较低的热量密度:高热量的食物材料(如脂肪)被低热量的替代品(如膳食纤维)所取代。然而，这样做很可能会影响食物的味道和质地，从而影响消费者的满意度。对于这个难题，食品物理学家提供了一个可能的解决方案:开发能够模仿热卖产品的味道和口感的新产品，同时添加能够在特定位置发布内容的新产品。智能食品加工也可以减少糖和盐的使用，特别是当糖和盐的使用不是为了调味或营养考虑时。

在一个人们很少或不吃加工食品的理想世界中，上述解决方案都是不必要的。然而，在现实世界中，90%的美国人会购买方便食品，英国人50%以上的热量摄入来自深加工和高热量食品:食品改良是非常必要的。或许聪明的物理学家可以帮助我们预防肥胖危机。