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云无心:实验室手记之我奶奶都能作的事
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云无心:实验室手记之我奶奶都能作的事
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云无心:实验室手记之我奶奶都能作的事
在学校的时候,有一天老板走进我的办公室。
老板:XX公司要我们给他们作些实验……
我:干什么?
老板:他们用糖浆浸泡胡萝卜和西兰花,然后捞出来装好了卖……
我:这玩意好吃吗?有人买吗?
老板:这就不是我们关心的了……他们想研究一下糖浆浓度、温度和浸泡时间怎么影响有多少糖浸进去……
我:这有什么难的,我奶奶都能做……他们为什么自己不做?
老板:你奶奶那是experience,工业界要的是technology……
我:technology?
老板:比如说吧,你奶奶只知道怎么泡,他们想知道的是用在不同的条件下,能浸进去多少糖;或者,浸进去同样的糖,可不可以有不同的条件实现,哪种条件成本最低;还有,如果生产中条件有波动,对于最后结果有多大影响……这就是technology,technology好的公司就可以用低的成本,生产出同样的东西来。
我:不过,这既没技术难度又没学术难度的,做起来没有什么意思……没法发文章,你也没法用来写项目计划……要不在你上课那班上找个本科生,我带他作就行了吧……
老板:人家专门说了,不能找本科生糊弄,至少要高年级研究生来作,他们会按照相应的标准付钱……
在这个世界上,永远是钱说话好使,再牛气的教授,也只能按照出资者的意愿去做研究,何况是我老板那样还算不上大牛的教授。对他来说,找到钱来运转实验室,才是最核心的事情。没有大的课题,这样无聊的研究也就聊胜于无,至少可以跟公司混个脸熟,有了大项目的时候能想起他来。
拿人钱财,替人消灾。实验很简单:称一磅西兰花或者胡萝卜,泡在糖浆里,放在某个温度下的房间里,放到一定的时间,捞起来,滴干糖浆,再称重;然后放到一个低温烤箱里,烤到水分完全蒸发,再称重。根据预先测过的蔬菜的含水量,算出来渗出了多少水,浸进了多少糖。于是那一段时间,我干的事情就是变换糖浆浓度、变换温度、变换泡的时间,翻来覆去地测量。在浸泡和烤干的那几个小时里,就回到办公室干别的事情,上网灌灌水,或者务点正业诸如写个程序解解方程画画图之类。如是一个半月,把两种蔬菜、若干温度、若干浓度和若干时间的组合作了一遍,收集了厚厚的一摞数据,画了若干曲线,于是准备交差。
我:数据分析是不是做个统计拟合就可以了,他们拿到拟合方程,把条件参数往里一代,就可以算出有多少糖浸进去了,有多少糖泡出来了……
老板:那种统计模型吧,是没办法的时候才采用的。分析这种数据用起来不是很好的……
我:为什么?工业上经常这么干啊。
老板:你想啊,那种统计模型假定每个参数的影响都是线性的。比如说,你把浸泡时间从一个小时延长到两个小时,和从两个小时延长到三个小时,多浸进去的糖是一样多的。这显然是不对的嘛……所以,咱们得作机理模型,才能显示我们实在作Science……
我:就是说在报告里得写点他们不会的东西,问题往复杂了弄呗……
于是,我看着那些曲线,先想这象一种什么样的函数,再想什么样的方程能解出这样的函数,然后想什么样的机理能够写出这样的方程,最后找理由说这个机理在这里是多么合理。当然,报告是倒过来过来写的。先说这个糖泡蔬菜的过程实质上是一个什么样的过程,遵从的微分方程是什么样的,初始条件边界条件是什么样的,解出来的函数是什么样的。然后拿这个函数去跟实验数据一拟合,哇,拟合得真不错!
我:这可以交差了吧?你看,这些公式很简洁的,其中的参数我都给他们算出来了。在这个范围内,他们把任何想到的条件放进去,就可以算出最后的蔬菜中有多少糖,重量增加了多少;或者确定了最后的菜中需要多少糖,就可以把这些条件参数换来换去的玩,可以写出各种不同的条件组合,然后让他们的会计算算那种方案最便宜;确定了条件,还可以看看生产的时候需要把操作参数控制在什么范围内,比如温度上下浮动两度最后的产品还合不合格之类的……
老板:嗯,挺好,这就是他们想要的technology了……你再查查文献,看看有没有在这上面人做过scientific research,再往这上面联系联系……
我:作这个干嘛?他们没有要求啊……
老板:显示我们对这个问题的理解水平很高啊,以后他们如果要作复杂的就知道找谁了……
我:(嗯,这就是老板之所以成为老板的原因……就象杀手接了一单生意,结果不但把人杀了,还顺手栽赃了给雇主的对手。雇主一想,这杀手水平真高,下回有生意还找他……)
果然已经有了不少纯学术论文,使用了二维、三维的微分方程、考虑了蔬菜的几何形状,甚至是传递的各向异性,方程的解自然极为复杂。那个解是一个级数展开式,可以根据需要简化成不同的形式。如果简化到只保留一项,竟然就是我糊弄出的那个函数。然后我算了一下保留两项的形式,与实验数据的拟合精度并没有明显提高。于是,我那堆泡蔬菜的数据和糊弄的公式就立刻浸透了science的气息,变得高深起来。
老板说算算成本吧。实验的蔬菜糖浆都是公司送来的,只好把实验用的锅碗瓢盆都算上。我的时间自然是大头,老板说直接实验一个半月,查阅文献和写报告就算一个月吧。于是根据我当时的市场价格,按两个半月算出价钱若干。
最后,老板把报告交给公司,伴随一张账单。公司收到报告,通过,付账,双方皆大欢喜。
那段时间经常想起一个广告,具体内容忘了,大意就是“若干个博士、若干个硕士、多少个科研人员,潜心研究,夜以继日,倾情奉献某某产品”,几乎就直说你要不买,简直对不起科学。不知道卖蔬菜的这个公司在推销产品的时候会不会也说“某某公司,与某某大学精诚合作,N多教授、N多博士、N多硕士,竭心尽力,呕心沥血,精心研制出某某糖浸西兰花、糖浸胡萝卜。。。”?
Posted: 2009-02-16 17:58 |
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云无心:实验室手记之老板你吃过土豆丝没有
在学校的时候,属于一个研究中心。建立那个中心的人很牛,把许多大公司拉来作会员。会员公司每年交一笔会费,大致相当于保护费。交钱之后,和中心的项目合作就方便了许多。他们可以向中心的教授们咨询一些技术上的事情,也可以要求做一些简单的实验。
有一天上午,老板挺兴奋地到了我的办公室。
老板:某某那个组……就是某某公司炸土豆片的那个……要我们帮忙解决个问题……
我:什么问题……
老板:他们炸薯片的过程是这样的:把土豆切成片,用高压水蒸汽加热到大半熟,然后烘干,最后放到油里炸……
我:这不挺成熟的流程了吗?
老板:他们说土豆片一加热就变得很粘,送到下一步烘干的时候比较麻烦……所以想看看能不能用表面处理来解决这个问题……如果可行的话可能弄成个研究项目……
老板是做表面研究的,基本上就是找一些物理现象拿着数学方程去描述,然后写些很少有人能看明白、也没什么人看的文章到领域内的那几个学术刊物上灌水。要是有什么实际生产中的问题能用上他那一套,就会非常兴奋,尤其是能够有实际项目做的时候——既可以养学生,又可以解决他暑假里的工资。不过,这次我给他泼了点凉水……
我:这个……大概希望很渺茫……
老板:哦?……为什么?
我:这个啊……你去过中餐馆没有?
老板:去过啊,中餐馆怎么啦?
我:一般中餐馆都有炒土豆丝,你点过没有?……
老板:没点过……没人告诉过我……
我:土豆丝就是把土豆切成细条,然后放到锅里炒熟……
老板:嗯……跟这个有点像……
我:炒土豆丝有两种……(这话有点熟——回字有四种写法?)……一种是互相之间比较粘的……还有一种是互相之间不粘的……一般中餐馆卖的都是不粘的……
老板:加工过程上的差别在哪儿呢?
我:土豆切成细条以后表面会有很多淀粉……
老板:哦,我明白了……这层淀粉在加热的时候糊化、交联,然后就像糨糊一种互相沾粘……
我们那个研究中心是以研究淀粉著称的,里面一大票人以折腾淀粉为乐。我老板虽然是个异端,跟淀粉没什么关系,不过不吃猪肉也见惯了猪跑,对于淀粉的事情还是很明白的。知道了切好的土豆表面会有一层淀粉,其它事情也就好说了。因为淀粉糊化形成的浆糊是亲水的,所以对两性分子没有什么吸引力。表面处理没有什么用,老板的功夫也就没有了用武之地。虽然有点失望,还是接受了现实。
老板:那……中餐馆的土豆丝是怎么变得不粘的呢?
我:很简单啊,切完了之后先用水把那层淀粉去掉就行了……你看中餐馆炒得肉有点粘,就是在切好的肉里加了一些淀粉,炒的时候肉表面的那层淀粉糊化,形成一道屏障阻止肉内部的水分流失,所以肉就比较嫩,也有点粘……
老板:既然他们咨询了,咱们也不能就这么简单说说……你下午做点实验来展示这些吧……
老板中午回家吃饭的时候从家里带了几个土豆给我——要用科研经费去买土豆还挺麻烦,老板又不愿意背上要我们自己买实验材料的恶名,就自己贡献了。实验当然很简单。拿了个烧杯在加热板上烧开水,烧杯上放了个铁丝网。等到水开了,蒸汽不停往上冒的时候,切了片土豆放在上面,过一会儿(为了显得正式一点,还记了时,忘了是15秒还是30秒了),土豆片上就出现了粘糊糊的一层。把那片土豆从中间切开,叠在一起,嘿,果然粘在一起了。
下一步就是看看“表面处理”能否洗掉那层糨糊了。拿了三杯溶液,分别是纯水对照、一种常用的表面活性剂和一种表面活性好的蛋白质。为了效果明显,还弄了个相当高的浓度。分别把蒸过的土豆片放进去涮涮,拿出来看——毫无区别,同样地粘。
下一组,把切好的土豆片在上述的液体里涮涮再蒸,结果——三种液体洗过的土豆片结果一样:几乎都不再发粘了。
然后,一本正经地把那个下午干的事情写成一份实验报告,结论:由于土豆片变粘是渗出的淀粉受热产生的,一旦产生就不易去除,建议在蒸之前用水洗去土豆片表面的淀粉。
Posted: 2009-03-31 11:36 |
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云无心:实验室手记之师妹的大作业
师妹毕业前选了一门课,叫做“核磁共振应用”,教授要求每个学生结合自己的研究,完成一个小的研究题目。题目的选择需要跟自己老板商量,不能为完成作业而作,而要让学到的技术服务于研究。老板是个很认真的人,我当时的研究时正好在用这个技术,老板就让我帮师妹选一个题目。
师妹当时已经快毕业了,我说估计她也没多少时间花在上面,就做个容易出结果的吧。反正一个作业而已,也不用作出什么新的发现。当时我们正在做一些蛋白质的功能研究,我说已经有人用核磁共振研究过蛋白质的变性,结论是蛋白质的变性会导致弛豫时间变化。简单说来,弛豫时间就是用核磁技术检测到的样品的一个性质。作为一门课的作业,考察一下加热温度和加热时间对于一个蛋白质变性程度的影响也就够了。
师妹找到了那篇原始的论文。那个教授作了这么一些实验:测量不同浓度蛋白质溶液的弛豫时间,然后把这些溶液在高温下加热一定时间,再测,弛豫时间都下降了。因为别的研究已经表明这样高温加热的蛋白质结构已经发生了变化(所谓的变性),所以结论是这种变性导致了弛豫时间的降低。这篇文章已经发表好些年了,大家也一直引用着这个结论。
师妹于是测量了很多数据,在实验室开例会的时候给大家看。奇怪的是有些样品的弛豫时间下降了,有些样品的却没有。因为加热这些样品的温度和时间是一样的,也就是说,变性程度应该是一样的。难道说,那篇论文的结论有问题?老板说,我们不能这么下结论。首先,我们要重复那篇论文中的实验;其次,我们要重复自己的实验,看看重复结果再说。
第二周,师妹又拿了一堆数据,重复那篇论文的样品证实了那篇论文的数据,那些弛豫时间没有下降的样品也得到了重复。老板说,现在我们可以看到,那篇论文的样品中蛋白质浓度都比较高,而我们的那些弛豫时间没有下降的样品都是低浓度的。也就是说,这个弛豫时间变化与否跟蛋白浓度有关。原论文中没有提到这一点,意味着那个结论至少是不完善的。根据目前的数据,我们该如何来解释这个现象?如何去证实或者证伪我们的解释?
于是,一次组会基本上都在讨论这个问题,尽管这个问题只是师妹的一个作业而已。最后,大家形成了三种可能的解释:一、蛋白质浓度低的时候驰誉时间信号很弱,被背景淹没了,这个只需要测量纯水就可以证实或者排除;二、这个蛋白质的变性受到分子间作用力的影响,当蛋白质浓度低时没有发生变性,这个可以用其它仪器检测蛋白质的变性情况;三、弛豫时间的变化不是由蛋白质变性,而是其它原因引起的,但是这种变化在低浓度下不发生,在高浓度下会发生。这第三种情况比较复杂,作为第一步,可以把高浓度下变性的蛋白质稀释到低浓度,看看弛豫时间是什么样的再说。
又过了两周,师妹说前两种可能都被排除了。第三种情况,高浓度下变性的蛋白稀释到低浓度,其弛豫时间比低浓度下变性的蛋白要低。这说明,第三种解释是正确的。作为一个作业,这已经做得太多了。老板说,这是一个很有意思的结果,我们应该进一步研究,搞清楚蛋白质加热过程中这个弛豫时间下降的机理是什么。但是那门课已经要结束了,师妹也没有时间去做更多的实验。老板就去找那门课的教授,担保师妹有很有趣的实验结果,并让那个教授也加入进来,共同探讨这个问题。
其实做到这里,后面的事情就比较简单了。把低浓度下加热变性的蛋白用透析的方法浓缩,所获得的溶液弛豫时间没有下降,证明高浓度的蛋白溶液在变性的过程中发生了别的变化,而该变化才是弛豫时间下降的原因。我想起以前做过的渗透压试验,这个蛋白在一定浓度之上加热时会发生聚合,或许聚合才是弛豫时间下降的原因。于是师妹又去使用了另一个仪器,测量出前面用到的所有溶液中蛋白质的表观分子大小,发现了表观分子增大的时候就伴随着弛豫时间的下降。这个结论得到了那门课的教授从理论上的解释。
这样,师妹的一个大作业,做到了毕业之后才作完。不管是她自己,还是老板和那门课的教授,所投入的时间都远远超出了预期。但是,对于所研究的这个现象,推翻了前人所得到并且人们接受了很久的一个结论。这个结果本身,或许对于生产生活并没有什么实际的意义。甚至,不能说它就一定是正确的。只能说,它最恰当地解释了目前人们所观察到的现象,所以在科学发展上,它还是有着一定的意义。最后,师妹因此而发表了一片不错的论文。
Posted: 2009-03-31 11:48 |
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云无心:实验室手记之见鬼了没有
事情得从养细胞说起。大学毕业的时候要作几个月的细胞培养。被人类培养的细胞主要有两类,一类是细菌,一类是动物细胞。细菌类似于平民,好养,给点阳光就灿烂。只要能管温饱,就憋足了劲地长,比如泡菜和酸奶里的那些细菌。在工业生产上,通常叫做发酵,现在用来生产蛋白质、酒精、可降解塑料之类,价格便宜量又足。动物细胞比较小资,吃得精细,住得高档,温度高了低了都不干,动不动就不活了。但是呢,动物细胞生产的东西比较值钱。就像山野蔬菜,农民一采就是一大捆,扔在菜市场的角落里,卖不出好价钱。高级宾馆只弄几根,放在精美的盘子里,摆成花样,就比农民的几大捆都值钱。同样的道理,动物细胞里合成的蛋白,量少,氨基酸序列能摆出复杂的空间造型,提取出来注射到人体里能够治病,也就格外值钱。如果把那段基因放到细菌里,细菌也能生产出同样的氨基酸序列,但是细菌体内没有高级厨师,产量又大,只好随便捆了放角落里,能否卖出去都还是个问题。
所以,很多药用蛋白不能用细菌生产,只能培养动物细胞来生产。通常的动物细胞毛病很多(难怪要对小资的知识分子进行社会主义改造),非要贴在壁上才长,因此培养容器的利用率很低。而且由于先天不足,随着生长分裂次数的增加,“气数”不断降低。到最后,“气数已尽”,彻底灭亡。这样,直接培养动物细胞来生产蛋白难度也很大。可是动物细胞家族里还真有一类不务正业的,生命力强劲,传多少代都不死,基本上是秦始皇渴望的类型——大家痛恨的肿瘤细胞。要说人类对自然界的改变,转基因也就是相当于镶个假牙装个假肢顶多换个肾。在动物细胞这儿,简直是惨无人道。生生把正常细胞跟肿瘤细胞融合在一起,然后让它们生产蛋白。融合的细胞连名字都被剥夺了,改叫杂交瘤。杂交瘤细胞保留了各自细胞的优点,避免了各自的缺点,而且水性大涨,可以成天漂在水里而不用靠岸,生存的意义就只在于为人类生产蛋白。细胞是最小的生命,不知道那些“敬畏自然,尊重生命”的人士,知道他们用的特效药来自于人类对生命如此的践踏,会不会拒绝使用?
我们那个项目基本上就是助纣为虐,尽量延长细胞的存活时间,让他们尽可能多地生产蛋白,简直比最黑的资本家还残酷。我做的那部分呢,就是控制细胞的饮食,一次不能给太多。因为一下给太多,它们胡吃海塞,会产生大量的代谢产物,如乳酸和铵。这些物质会毒害细胞生长,积累到一定浓度,细胞就死了。当时我的实验是每隔四个小时取一点培养液,测血糖浓度,算算细胞们吃了多少,然后补给多少。因为给的东西少,细胞们只好慢慢吃,完全消化,产生的有害代谢物比较少,积累得也就比较慢。我的一次实验持续了一个星期,日夜不能停。那是我的实验生涯中最辛苦的一次,晚上也睡在实验室,每隔几个小时起来一次。后来当了爹,小丫头几个月大的时候独自带过她两个星期,麻烦程度也超不过这个。
故事发生在某一天的晚上。那个实验室有一个里间,一个外间,和一个休息间。夜深人静,里间时断时续地发出吱吱哐哐的声音。看着紫外灯的幽幽灯光,听者时断时续的吱吱哐哐,心里总感觉很怪异。在那个校园里呆了好几年,校园里每个角落的鬼故事都耳熟能详。我们那个系馆处在偏僻幽深的东南角,那时候只能用荒凉阴森来形容。(当然现在建起一座座阳气极盛的建筑了。)校园里多数的鬼故事就发生在那一带。其实鬼故事最吓人的地方不在于故事本身的恐怖,而在于故事发生的场所。当一个人看到一个个与故事里的场景,心里难免会有点发虚。虽然坚信世上没有鬼神,心里还是感到异样,总怕眼前突然出现一个红衣少女或者白衣长发抱孩子的少妇。在校园里的那些鬼故事里,这样的人物在这个地方出现了多次。而且,最重要的是,她们都不像蒲松龄的鬼那样可爱。
后来想,可能也不是真的怕鬼,而应该是一种“幽闭恐怖”的表现。幽闭恐怖症是一种心理疾病,据说一个叫孙燕资的著名歌星就有很严重的这种病。通常的表现就是在一个密闭的环境如电梯飞机机舱中会极度不适,严重的可能晕倒。幽闭恐怖症的产生通常是因为受过什么刺激。但是我觉得,跟很多的心理疾病一样,很多时候难以用“有病”或者“没病”来描述,“幽闭恐怖”应该是一种现象,有的人很弱甚至没有,有的人很严重。对于普通人,可能或多或少都有一点。不管是谁,被关进小黑屋,大概都会非常不适。而我独自一个人在那个冷冷清清的楼里,脑海里难免浮现着一个个“鲜活的面容”,多少就激发了一点“幽闭恐惧”。
第二天早上,看到BBS上说前一天晚上发生了多次轻微地震。进到实验室里,终于找到了原因。一个柜子的上面有两个铁丝筐,筐里装的是玻璃瓶。由于地震,筐里的瓶子不停晃荡,就发出了吱吱哐哐的声音。我摇动柜子,折磨了我一晚上的声音响起,居然觉得很亲切。
Posted: 2009-12-12 16:12 |
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云无心:实验室手记之卡布奇诺的泡泡
研究经费申请书的写作指南都会强调要对研究的应用价值浓墨重彩,哪怕这个应用前景还很遥远还很虚幻。因为决定给不给钱的人不一定愿意去完全搞明白你想干嘛,他们对于“研究意义”就会更加关注。所以老板每次写申请都会说“泡沫的形成与稳定在工业上有广泛应用……”。虽然我念学位的几年中从来没有见过传说中的应用,到了后来帮他写申请的时候还是不假思索地把那些话照抄上去。所谓推己知人,我也就一贯对于人们坚决捍卫以讹传讹的传说充满了理解。我才不过听老板念叨了几年就已经可以不加思考,何况那些从小就耳熟能详的传说?到了快毕业的时候,还真有一个公司找老板研究如何产生“更好”的泡沫。那时候我已经靠折腾泡沫在学术刊物和会议上灌过一些水,用老板的话说也算得上“专业人士”了,自然就被老板抓来为实验室做贡献。在与公司的人会面之前,打算做点家庭作业,就问老板他们想做什么泡沫。老板说是那种自动售货机的cappuccino,见我一副茫然的样子,解释说就是咖啡泡沫。我说没见过,老板说没见过也没有关系,反正又不是要你做咖啡,你只管泡沫就行了。想想老板说的也是,研究猪肉的人不一定需要吃猪肉,也不一定需要见过猪跑,研究cappuccino泡泡的人也不一定非得喝过它。
很久以后,我才知道cappuccino在中文里的的小资译法叫做 “卡布奇诺”。真正的卡布奇诺是浓缩咖啡加牛奶泡沫组成的,可以做得很精细很高档,在专卖店里还可以做得很花哨而充满“高雅”和“情调”。不过在我老板眼里,再花哨的泡沫也还是泡沫,而美国更广泛的是我们要做的这种“快餐化”的“卡布奇诺”。它已经跟真正的“cappuccino”相去甚远了,只是作为自动饮料机的一个选项,其他的选项可以是牛奶、果汁、可可等等。这样的饮料机可以放在公共场所,或者教室外面的走廊,只要投入硬币,拿个杯子自己去接就行了。虽然没有“正宗”卡布奇诺的情调,但是方便实惠,很符合美国人的需求,比“真正”的卡布奇诺甚至更加流行。
其实公司只是有一个意向,第一次见面就是要把他们的要求转化成具体研究目标,并且确定实验流程、实验变量以及检测指标及手段等等。跟国内常规的饭桌上解决问题不同,鬼子们的业务都是在会议室里谈的,谈完了也没有饭吃。对方的公司来了两个人,加上我和老板,四个人在大会议室里煞有介事地开会。他们的目标倒也简单,就是想让出来的泡沫好看一些、持久一些。
细腻、持久是生活语言,作为研究我们得需要一个明确的物理参数来衡量。泡沫的细腻主要由泡泡的大小决定,而稳定性也深受大小的影响,所以泡泡的尺寸就是关键参数。可是那些泡泡很小,需要用显微镜放大才行,这又牵涉到别的细节问题。反正说起来简单,做起来繁琐,我就开始琢磨如何“嫁祸于人”。至于稳定性,对方说他们是用透明的杯子接一杯泡沫,记录不同的时间泡沫和液体的高度,用这两个高度的变化来衡量泡沫的稳定性。我还在想这玩意儿容易,又简单又直观,老板说我们可以用核磁成像来测量。做老板的好处就是只需要知道什么技术能够干什么就够了,至于这项技术如何工作交给学生就行,所以老板说完“我们已经成功地使用这项技术很久了”,就把殷切的目光投向了我。其实用核磁成像来测量泡沫稳定性,对解决他们的问题并没有太大帮助,而且真正操作起来比拿杯子看要麻烦多了。虽然我对老板这个“简单问题复杂化”的决定相当不解,还是老老实实地开始介绍这项技术的“高级之处”。他们显然对于技术原理以及实验操作兴致索然,只是出于礼貌地频频点头,我也就尽量长话短说。在毕业答辩上“简介”15分钟的东西,用两分钟来介绍,我也很配合地不问他们明白了没有。然后,我说“……这样,使用这个技术可以把杯子中不同高度上的泡沫的水含量随着时间的变化测量出来”。虽然这句话很长很别扭,把人绕糊涂的能力很强,但是听起来有点酷,他们可能很满意,终于隐隐显示出了不虚此行的兴奋。后来我问老板为什么要用这个很麻烦但是对解决问题没有什么帮助的技术,老板的回答是:人家跑到大学里来找你做,当然需要一些他们做不了的“高技术”了,你看他们不是对这个核磁成像的曲线充满了兴趣吗?这个例子再一次证明:做老板不是会解决问题就够的,智商之外情商也很重要。
下面就是决定研究什么因素对泡泡的大小和稳定性有影响了。老板搭了台,唱戏自然是我的责任。
我:最有效的就是提高奶粉浓度……
对方:这个……我们清楚……不考虑……(也是,提高浓度要增加成本)
我:那把奶粉换成纯蛋白?
对方:研究的时候可以,实际应用还是要用奶粉……(哦,忘了,奶粉比纯蛋白便宜多了)
我:那加点增稠剂如何?
对方:可以试试……但是希望不大……改变配方我们决定不了……(大公司就是麻烦,做点小改变要一堆人审批)
我:那……你们能够改变什么?
对方:机器的操作条件、或者机器的内部构造……你们找出哪些因素影响比较大就行了……(哦,这就是叫做“研究”而不是“开发”的原因了——我们找到路,他们决定如何走)
……
于是天马行空,四个臭皮匠,合成一个诸葛亮,把大家能想到的可能的影响因素列了出来。然后按照他们能够提供的经费,决定对哪些影响因素进行检测。工业界的研究与学术研究的区别之一就是,做什么如何做不是由研究人员的好奇心决定的——很大程度上,是由准备花多少钱决定的。
最后,就是讨论如何做泡沫了。显然,用现成的饮料机无法改变要研究的因素,也很难监测机器运行中的物理量。于是,就不能只吃猪肉不见猪跑了,得先看看饮料机的内部构造,然后搭建起一套东西,既要模拟那个过程,又能改变操作条件,同时可以测量一些变量。
会面一周之后,我收到了他们邮来的饮料机。于是,“泡沫在工业上的应用”终于有了一个实践的机会。
在老板给了卡布奇诺的拼写之后,我很好奇地去查了它的做法。正宗的卡布奇诺是以浓缩咖啡(espresso,大致发音“已死不勒索”)为基础的,应该装在瓷杯子里,上面的那层泡沫是把热的水蒸汽通到凉的牛奶里产生的。瓷杯子和这层泡沫除了看起来有情调一些,还有保温的作用。做真正的卡布奇诺的咖啡机设计要复杂一些,关键部分是把水加压加热——在卡布奇诺咖啡机的内部,水与咖啡粉接触的地方水温可达95度,通过咖啡粉末的时候,从中提取可溶成分的能力和效率都要比通常的热水高,因而得到的咖啡很浓(原稿中的温度是我疏忽了,谢谢lalunasun提醒)。就咖啡因而言,通常浓度是普通咖啡的两三倍。此外,还有一些通常的热水提取不出来的成分也被搞定。这样,浓缩咖啡并不是简单的“普通咖啡的浓缩”,而是其中的成分也不相同。既然有加压的水,自然也就可以产生高压的水蒸汽。把高压水蒸汽通到牛奶里,就能产生牛奶泡沫。把泡沫装到浓缩咖啡的上面,就卡布奇诺了。
不过这玩意儿操作起来不是那么方便,至少不能放到图书馆或者会议室的走廊,让大家自己去弄——除了瓷杯子和牛奶桶的不便,万一哪个毛手毛脚的被水蒸汽烫了手,经销商可就亏大了。所以,真正的卡布奇诺,还得到咖啡店里让店小二服务,或者买台机器回家自己动手。
对米国鬼子来说,喜欢的还是用一次性的杯子,投几个硬币,然后接一杯拿着去上课、开会或者自习。那层泡沫有助于保温,在冬天里尤其受欢迎。我们要做的,就是这种山寨版的“卡布奇诺”。
江湖前辈风清扬说,天下武功只要九招剑法就可以全被破掉。食品中产生泡沫,只有三招——产生泡沫的形形色色的厨具,都是从这三招变化而来。正宗卡布奇诺的那招,属于“通气法”,就是把气体通到液体里,气体钻出来就成了气泡。另一招是“减压”,就是在高压下把气体溶解到水中,突然减压之后水中的气体获得了自由,争先恐后杂乱无章地逃跑,就产生了气泡。碳酸饮料就是这种方式,还有啤酒、一些葡萄酒也依靠其中的二氧化碳而“起泡”。最简单、最容易操作的还得算是第三招——“搅和”。拿一个鸡蛋,只要蛋白,用搅拌器或者筷子“打”一会儿,就能产生雪白细腻可以保持形状的泡沫。搅上一盘,摆七根薯条或者桔梗,在某些饭店里就可以叫做“七剑下天山”了。
令狐冲所有的剑招都需要一把剑,否则他就跟常人无异。而得到稳定的泡沫都需要水里有乳化剂。正式版和山寨版的卡布奇诺都用奶粉来实现乳化。啤酒和葡萄酒在发酵过程中会产生一些蛋白质碎片等具有表面活性的成分,也具有乳化性能。至于鸡蛋白,乳化性能就更好了,不加水的蛋白浓度也高,搅出的泡沫接近固体了。
收到公司寄来的饮料机,就找了个改锥给拆开了。我老板喜欢招学过工程的学生,大概也是因为敢于下手——不管什么仪器,都敢拆开,只要再装回去的时候不多出零件来就行了。里面其实没有我想象的那么复杂,就是一个电路板,连接到几个马达。水经过热水器连到搅拌器里,搅拌器上方有几个盒子,用来装各种不同的粉末,比如奶粉、可可粉、咖啡粉等等。盒子底部都有一根螺旋状的棍子,一转起来就可以把粉末带出来,掉到搅拌器里。
那个电路板显然是整个饮料机的“大脑”,根据面板上的选择决定马达们哪个先转那个后转。不过我完全看不懂那个电路板和那堆红红绿绿的线。虽然做研究好奇心很重要,但是不被累死的关键是看不懂的东西就不去折腾。于是我直接无视了饮料机的“大脑”而着眼于细节——我只需要关心那个搅拌器就行了。
那个搅拌器也比较简单,就是一个小马达带动一个搅拌桨。搅拌桨外面是一个不大的塑料壳。热水和粉末一起进到搅拌器里,被搅和之后再从搅拌器下面的口出来,就成了气体和液体的混合物。接到杯子里,很快就变成了下面是液体上面是泡沫的“卡布奇诺”。
我剪掉电线,取了一个搅拌器下来,开始了搭建装置的努力。过程实在是繁琐,一言难尽,就不说了。大致就是把整个实验室都翻了个遍,寻找各种东西为我所用。这个过程中还发现原来这个实验室的犄角旮旯里藏着许多我都没见过的东西,有很多估计老板都忘了它们的存在。最后,终于在实验台上搭出了一堆东西,可以搅出泡沫来,也可以检测其中的几个物理量。
前面说过为了显示这个项目的技术含量,要用核磁成像来检测不同位置的泡沫含水量的变化曲线。虽然老板气定神闲地说过我们已经成功地应用这个技术很久了,其实他并不清楚这个泡沫做核磁成像不是一定能成的。简单说来,泡沫的核磁成像,就是把一管子泡沫放到仪器里,连续地检测它产生的核磁信号。在各个位置检测到的信号由那个地方的氢原子数、溶液的核磁特性参数以及操作参数来决定。对于泡沫来说,泡沫中的水在不停地从上往下流,而这个过程中伴随着溶液的核磁特性参数的变化。应用这个技术来检测水含量的变化,关键就是把操作参数调节到除了含水量之外的其他参数总的影响接近常数。此外,仪器接收到的信号除了泡沫产生的,还有一些背景信号——就像我们听别人说话的同时也能听到“噪音”。如果噪音太大,就可能淹没真正的信号,检测到的东西就没有意义了。在分析技术上,就把想要检测的信号和背景噪音的比值称为“信噪比”。信噪比越高,检测结果就越容易分析。对于一个具体的检测来说,如果我们做两次检测,然后把检测结果相加,那么信号就会加强,但是由于“噪音信号”是杂乱无章的,相加的结果是只是另一个强度相同的噪音。这样,信号加强了,但是噪音的强度没有变化,检测结果就更加清晰。
我以前做的检测是为了研究泡沫的稳定机理,泡沫故意做得很稳定。那台仪器扫描一次要两秒钟左右,因为泡沫很稳定,我可以把六十多次扫描的信号相加当作一个时间点,这样信噪比很高,曲线很平滑。但是这个卡布奇诺的泡泡太不稳定了,含水量的分布变化很快,没法把那么多次的信号相加。减少扫描次数,得到的曲线信噪比不是那么高,就不那么赏心悦目了。我再一次跟老板探讨做这个的必要性,老板说能做成啥样就做成啥样了,反正对公司来说都是新鲜玩意儿。
虽然说科学研究的结果有时候很有趣,不过收集数据的过程多数都很枯燥无味。这个研究泡沫的项目把这种枯燥发挥到了极致。在实验装置搭好以后,需要干的事情就是把各个操作参数取不同的数值,再互相组合形成很多组操作条件,然后配溶液、开马达、收集泡沫、测量各个泡沫的指标。
周而复始,日复一日,过不了几日人类喜新厌旧的种子就开始滋生。还在会议室跟公司的人讨论的时候我就想过如何把这活推销出去——想来觉得应该比赵大叔卖拐还是要容易一些。于是跟老板说,你看这实验挺容易的,干脆你找个爱好科研的本科生来,我带着他做得了,这样我还可以去干别的。老板也觉得这实验没有什么技术含量,还是希望我去给他写程序解方程——虽然那也基本上是个体力活,不过老板自己不会,也找不到人手,于是大喜。估计也用不了什么忽悠,就有爱好科研的孩子趋之若鹜——即使对实验没兴趣,作为打工的机会赚点生活费,还能在以后的简历上写“参与过某某研究项目”,吸引力还是巨大的。两天以后,老板那门课的“科代表”就得到了这个机会——进水楼台的优势,凡是有人的地方都是存在的。
于是每当师妹没课,就来到实验室。我给她几组那天要做的条件,她做完之后再给我数据。我隐隐体会了一下做“老板”的感觉,原来真的不错——难怪,每个人都想做老板。
测试过了许多因素之后,比较明显的因素有溶液进入搅拌器的速度和马达的转速:当进入速度慢的时候,产生的泡沫更加丰富;而马达的转速增加也会增加产生的泡沫量。讨论结果的时候,老板说这个两个因素影响明显,我们得有一个合理的解释。虽然提出了几个可能,但是没有证据支持的可能只能是“猜想”而不能作为解释。科学与工程的一个区别在于:工程上知道是怎么回事也就够了,而科学上还需要进一步知道为什么是这样。虽然在理学院面前,我们是以工程的面目存在的,但是在工业界面前,我们还得摆出科学的姿态来。
我说,如果这个搅拌器是玻璃做的就好了,可以看看溶液在里边是怎么搅的。老板一听,说:要透明的容易啊,你们去车间里找那个技工,让他用透明塑料做一个搅拌容器,你把马达拆下来装进去就成了嘛。
不能不说大学的优势就在于此。系里有一个车间,里边有各种车床和工具。当教授们需要什么买不到的装置,就可以让技工给加工出来。那个技工说起话来很蔫,一口地道的方言英语,我跟他交流实在是有点障碍,就打发师妹去了。
师妹找他回来,说是没有问题,但是需要加工图纸。话说当年,我也是练过画图纸的。刚上大学的那一年,每周都要在那座比我奶奶年纪还大的楼里,趴在专用的绘图桌上修炼几个小时。在被称为蓝旗营技术学院的校园里,故老相传绘图是近百年的传统。我们当然不是一个人,两千来人的一届学生中,据说只有中文这样风雅的专业不用绘图。而我们,则光是削铅笔就要学上大半节课。
不过我们并没有画过实际的东西。而那个容器也不是很规则,拿着卡尺仔细端详,发现需要的尺寸还挺多。看起来要按照当年的训练画出这么个小玩意儿,也还是需要些功夫的。那天中午做饭的时候,我突然明白:如果我的目的是搞清楚饭为什么会熟,就不用执着于锅的细微差别。为了搞明白进水的速度和马达转速跟泡沫的关系,也并不需要做出一个完全一样的搅拌器来。
于是,下午,我把整个搅拌器交给师妹,说只需要做出来的搅拌容器跟现成的这个差不多,并且能把搅拌桨装上就行了。抓住了关键,去掉了细枝末节,那个蔫蔫的技工干起活来还真不含糊,很快就完成了。
后来的一切就变得简单。在水溶液里放了一点染料,于是溶液在搅拌器内的运动变得一目了然。俗话说“有图有真相”,何况师妹还拍了视频。在后来项目总结的时候,那几段视频也成了公司的技术人员最感兴趣的部分。
几十秒的视频,胜过了大段的推测和描述。在搅拌容器内,溶液被搅拌桨搅成气体和液体的混合物,同时搅拌桨象离心泵一样把这些气液混合物打到出口排出去。气液混合物被接到杯子里之后,气泡上升,就在液面形成了一层泡沫。气液混合物排出的速度主要由搅拌桨的转速决定,如果溶液进入搅拌器的速度快,进入的速度就会比出去的速度要快。这样,溶液就会在搅拌器中积累,很快淹没了搅拌桨。于是搅拌桨完全在水中搅拌,产生的泡沫就比较少。如果进入的速度慢,进和出的速度差不多,搅拌容器中的液面在搅拌桨的位置上,正好把空气搅入液体中。马达转速的影响也与此相似:马达转得慢的时候,溶液来不及流出,很快就淹没了搅拌桨,因而产生的泡沫就少。
(待续)
Posted: 2010-02-02 23:26 |
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云无心:实验室手记之把调料留住
有一天,老板很高兴地说一个卖“chip”的公司要资助一个项目——美国人所说的chip不仅仅是炸薯片,还有很多是面粉做的。而这个项目是要研究调料被沾在面片上受那些因素影响,目标是把更多的调料留住。
跟所有人的反应一样,我首先很好奇的就是:做这个……有什么意义吗?老板说:食品行业主要是薄利多销——当然我后来明白这只是针对规范成熟的社会才成立——所以成本的每一点降低都能为生产者带来竞争优势和大量利润。对于炸面片来说,从面片上掉下来的那部分其实是浪费了。而为了让消费者吃到的面片上有足够的调料,就只能通过多加来解决。如果明白了面片如何留住调料,就可以有的放矢地改进,从而减少被浪费的那一部分。
这种研究说起来很简单,就是改变各种条件,看看沾在面片上的调料有多少。不过实际做起来很难:首先,如何保证炸出的面片是一样的?如果每次实验所用的面片不一样,那么产生的结果就无法比较了。其次,如何来衡量多少调料被沾住,多少调料掉了下来?毕竟,如果使劲敲的话,掉下来的就会比较多。
这个项目的资金和工作量正好够一个硕士毕业,所以老板就招了一个东南亚女孩进来。这个项目的准备工作就是:在实验室里炸面片,要求跟超市里卖的接近,而且每次炸出来的没有明显差别。做炸面片本身并不难,就是把面粉与水和好,压成片,烤干,然后油炸就可以了。麻烦就处在“每次炸出来的没有明显差别”,否则得到数据无法比较,就没有意义了。
好在师妹是一个人到美国念的大学,所以对于操作各种厨具算得心应手。总之,就是逐渐摸索,最后固定了使用的玉米面粉批号、和面时的水量、和面的搅拌强度和时间、压片的厚薄大小、烘烤的温度和时间,保证每次烘烤出来的面片基本上一样。然后控制炸面片的油温和时间,使得炸出来的面片除了没有加调料,确实就跟超市里卖的看起来一样。最后控制炸好的面片放在餐巾纸上的时间 ,来控制面片成品中的含油量。
说起来这么短短的几句话,实际上师妹花了两三个月的时间才完成——要把很多看起来简单的事情当做科学研究来做,把操作流程标准化是很费功夫的工作。
后面真正的“实验研究”做起来还要容易一些。测量装置是放在一个风道,其中有一个架子。风道通过一个流量计连接着空气管道,于是空气的流速可以被精确控制,而调节架子的角度还可以可以任意调节面片于竖直方向的角度。师妹的工作就是,在炸好的面片上按照公司的使用量洒上调料粉,放在架子上,在不同角度下用不同流速的风去吹,然后把面片取下来,用天平称量重量减轻了多少,从而算出被沾住的调料量。
真正的研究就是每次改变一个操作参数,炸出不同的面片,看看它们最后沾住调料的能力如何。比如,把调料用筛子分成粗细不同的组分,用粘度不同的油炸,用表面活性剂改变油的表面张力,改变最后用餐巾纸吸油的时间以使成品面片的含油量不同等等。
在其后的一年多里,师妹不是在实验室里吹面片、称重量,就是去了楼下的实验室里炸面片。一年多之后,她有了无数的数据。把那些数据化成图表,她发现使用粘度高的油(比如橄榄油)就比粘度低的油(比如大豆油)炸出来的面片沾住的调料更多。不过这个结果只有学术的意义而没有商业价值——考虑到橄榄油的价格,还是多放调料更划算。而另一个结果是,当油的表面张力高的时候,炸出来的面片沾住的调料要多一些。炸的次数多的油,表面张力会下降——从这个意义上说,用新鲜的油是有利的。不过厂家不一定愿意,毕竟用新鲜的油所花费的钱会更多。还有一条结论是含油量高的面片沾住调料的能力更强——只要缩短吸附或者滴干油的时间,面片上残留的油就会高一些。不过这一条,显然也要受到营养考虑的限制,毕竟这是一个大家都要避免吃油的时代。
另一条结论有点出乎意料,就是对于粗细不同的调料来说,粗的调料被沾住得更多。而老板很厉害地写了数学方程,证实对于同种材料,大颗粒与面片间的吸附作用比小颗粒更强。不过在师妹毕业答辩的时候,有位教授质疑说:你假设大的调料颗粒和小的颗粒是同样的物化性质,但是它们完全可能是不同的成分——正是因为其成分不同,所以在磨碎的过程中产生的颗粒大小不同。师妹本来对那些数学计算就似懂非懂,一下子就被问住了。好在老板挺身而出,说:这个可能性我们确实没有考虑到,不过下一步可以把筛出来的大颗粒调料磨细了再测量一下。在论文答辩中出现答不上来,由老板出手的情况也不少见,所以质疑的教授也没有为难师妹,她也就顺利毕业了。
Posted: 2010-05-17 01:34 |
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