小中大实验室手记之补铁的饮料
在学校的时候，有一个公司开发功能食品。因为铁是一种许多人缺乏的微量元素，估计全世界大概有20%的人缺铁。对于食品公司来说，加入这样的成分无疑有助于提高产品的价值。但是在食品和饮料中加铁并不是一件容易的事情。可溶性的铁很容易与食物中的其它成分反应，一方面产生难看的颜色和不好的味道，另一方面可能影响其它成分的吸收。不溶性的铁虽然能稳定存在，但是人体也难以吸收，加了也只能骗骗人。
为了克服这两方面的问题，他们使用某种象蜡的油脂把硫酸亚铁或者富马酸亚铁包裹起来，然后再加到食品或者饮料中。因为硫酸亚铁和富马酸亚铁都比水重，而油脂比水轻，所以通过调节包裹的油脂厚度可以使整个颗粒密度与水相同。
如何做出这样的颗粒是一个工程问题，通过糖浸西兰花的研究方式可以实现(参见实验室手记之我奶奶都能做的事，很多看过这篇文章的人对这种研究很不屑，其实这是工业生产中最常用的)。他们做出这样的颗粒之后，发现这些颗粒根本不能进入水中，也就没法加到饮料里。正好参与那个产品的研发人员中有一个是我们实验室毕业的，所谓“举贤不避亲”，就推荐了我们实验室来为他们解决这个问题。
这样的问题看起来并不复杂，一个没有经过科学训练的家庭主妇也可以尝试。比如，她可以改变饮料的组成，或者折腾那些包着铁的油脂颗粒，试来试去如果运气好的话也能找到“独家秘方”。这大概就是“烹饪艺术”的来源。
当然这种方式对工业生产来说很难以接受——如果运气不好，根本就不知道试到何时是尽头。工业上经常采用不同的实验设计方案——确定一个目标，找出各种可能的影响因素，然后用这些因素的不同组合去做实验。最完善的设计方案是把所有可能的组合都试过(英文叫做Full Factorial Design，一般翻译成“全因子设计”)，可以挑出最好的，行不行也就可以做个决断了。比如这个油脂颗粒分散到水里的问题，可能的因素就有颗粒的大小、油脂的组成、饮料的组成等等。这种方案往往一般不需要对被研究的体系有太深入的知识，而结果却很直观实用，所以在工业上应用很广泛。但是对于牵涉因素多的东西，这种方案的工作量会变得非常大。比如在这个例子里，如果我们尝试3种不同的颗粒大小、4种不同的油脂组成和5种不同的饮料成分，那么这些条件的不同组合是60种。如果再考虑每种成分可以用不同的浓度，假设尝试3种浓度的话，总的条件组合数就变成了180种。如果进一步考虑对实验进行重复——重复两次那么总实验数是360种，重复三次则是540种!在大多数情况下，这样的工作量大大超出了一个研发项目的承受量。而且，实际上的影响因素可能更多，每个因素可选择的条件也可能更多。对于解决比较复杂的问题而言，这样的实验方案显然非常劳民伤财。通常也通过一些特定的程序只选择其中的一部分来作，然后通过这一部分的实验结果来作判断。通过合理的选择，可能在减少测试的前提下获得比较多的信息——但是总的来说，做得越少还是越有可能错过最好的方案。
科学与经验的区别在于：科学研究的过程很繁杂，但是它的应用常常会赏心悦目地事半功倍;而经验简单易行，但是你往往不知道它能否用在别的地方，甚至很多经验到最后是以讹传讹。所以，当我们实验室的那位师兄说可以让科学跳出来说点话的时候，他的公司很容易就接受了，拍出一笔钱给我们实验室来玩。
问题在老板看起来很简单。油脂颗粒不能进到水里是因为表面很疏水，油脂不愿意跟水混在一起。要想它们进去，就要降低油脂表面的疏水性。所以，那些与疏水性无关的因素，比如颗粒大小，对于颗粒是否容易进入水中就没有什么影响。油脂组成的影响，也就归结为表面疏水性如何——这个因素也就用不着放进全因子设计中去一一实验，而只需要找出表面疏水性低(也就是亲水性高)的组成就行了。而饮料成分的影响主要是具有吸附能力的分子跑到颗粒表面上，疏水的那头挨着油脂，亲水的那头冲着水，整体来言颗粒的亲水性就增加了。所以，问题就变成，挑出疏水性比较低的油脂，改变饮料中有吸附能力的成分及其浓度，看看油脂颗粒在其中的分散状况。这样，需要考虑的影响因素大大减少了。如果按照前面讨论的情况，颗粒大小和油脂组成不用考虑，5成分各3种浓度的条件组合是15种。也就是说，经过这一番分析，获得同样的信息，我们需要测试的条件组合从180种降到了15种。
科学理论的指导还没有结束。如果直接拿颗粒在饮料中测试的话，测试有多少颗粒进了水中还是个挺麻烦的事情——作为实验研究，不能拿着一杯饮料说“这个看起来可以”，而是要用具体的数据来表达。而数据，首先需要确定一个可以量化的指标。颗粒对于饮料的表面疏水性是这里问题的关键，但是表面疏水性没有一个切实可行的方法来测量。不过呢，当固体遇到液体的时候，与表面疏水性密切相关的有一个量叫接触角。简单而言，接触角就是液体碰到固体的时候，液体和固体的界面与液体与气体的界面所形成的夹角。(关于接触角的仔细介绍，有兴趣的参见荷叶效应与纳米涂层)。把一个密度与水差不多的固体小颗粒放到水里，因为疏水性的原因颗粒有拒绝进水的愿望。这个愿望的影响远远大于重力的影响，所以有多大的部分进入水中，基本上就取决于接触角的大小。接触角越大，颗粒露出水面的部分就越大;接触角越小，浸入水里的部分就越多。于是，这个问题进一步转化成，测量油脂颗粒在不同组成的饮料上的接触角，目标是找出接触角小的配方。
测量颗粒在液体里的接触角已经有了许多现成的方法，不过真测起来也挺麻烦的。好在接触角只取决于固体、液体和空气的性质，跟固体的形状无关，所以可以把那种油脂涂在玻璃片上，把液体滴在上面来测接触角。这样的操作要简单多了，测量仪器也很便宜。
于是，开头那个很复杂的问题，就转化为了一个简单的实验。——大公司愿意花钱做基础研究，或者养着一群科学家的原因就在于此。
真正的实验操作很简单，把熔化的油脂涂在玻璃片上，晾干;把各种配方的水滴在上面，测出接触角。什么样的成分有助于减少接触角，已经有了许多现成的知识，所以在成分的选择上多少也算“有的放矢”。因为实验简单，我们最后测试的成分大概有10来种，所测试的浓度也比较多——这有利于找出达到效果的最小浓度。这样的成分和浓度数量如果采用前面所说的“全因子设计”是不可能做的。最后，找出了一两个最好的配方，来作真正的饮料测试。确实，正如期望的那样，那些颗粒都能进到水里被水打湿。
但是，我们猜中了开头，却没有猜中结局，那个产品实际上还是没有成功。因为那些颗粒只能做到平均密度与水相同，实际上是有的密度比水稍大，有的稍小。当这些颗粒进到水里，这个微小的密度差依然会导致这些颗粒上浮或者下沉——只是，上浮的颗粒不再露出水面而是被水完全浸湿了而已。做出密度与饮料正好相同的颗粒是不现实的，所以这个问题几乎无法解决，正如俗话说“按下了葫芦又起了瓢”。通过理论计算，我们还提供了挽救这个产品的两条思路——一是减小颗粒尺寸，当颗粒的尺寸小到一定地步，密度差的影响会被水分子的无规则运动所掩盖，那么颗粒就有可能稳定存在于饮料中;而另一种则是，把这种颗粒用到那些非常粘稠的饮料中，利用饮料的高粘度来减缓颗粒上浮或者下沉的速度。
