Nauka na UMCS

fot. Freepic, master1304

 Z chemią od kuchni

Kuchnia to nasze domowe laboratorium chemiczne. Tam każdy z nas, o ile tylko chce, może prowadzić własne kuchenne eksperymenty. I niezależnie od tego, czy jest to miejsce przygotowywania posiłków, ulubiona przestrzeń do wspólnego spędzania czasu, czy też miejsce do kulinarnego eksperymentowania – w kuchni dzieje się magia. Ale nie zawsze tak było. 

Jak gotowano kiedyś?

Dawniej kuchnię traktowano tylko jako miejsce do przygotowywania potraw – niezależnie czy było to ognisko, rożen, czy piec opalany drewnem. Potem pojawiły się naczynia – najpierw te wyplatane, potem gliniane, aż w końcu blaszane – zwłaszcza, gdy na początku XIX stulecia w Polsce zagościły kuchnie murowane z cegły lub kafli, kryte początkowo jednolitą blachą, później fajerkami. Obecnie kuchnie indukcyjne wymagają od producentów wielowarstwowych naczyń, tworzonych najczęściej z aluminium bądź miedzi, które doskonale przewodzą ciepło i rozprowadzają temperaturę.

Do wyposażenia kuchni należała duża ława lub stół, potem pojawiły się szafy i półki. Nieodzowne były narzędzia i drobne wyposażenie: beczki, stągwie, maselnice, ściski, foremki, pojemniki, moździerze i młynki, wagi, durszlaki itd. Potem pojawiły się inne udogodnienia – zlewy i zlewozmywaki, dziś dostępne w różnych kolorach i kształtach, wykonane z granitu, stali nierdzewnej czy ceramiki. Chociaż większość naszych gospodarstw domowych wyposażona jest już w zmywarki do mycia naczyń, to jednak bez tego elementu wyposażenia kuchni trudno wyobrazić sobie przygotowywanie posiłków. Co ciekawe, pierwsze zlewozmywaki były płytkimi, drewnianymi lub kamiennymi misami i nie były na stałe montowane do mebli kuchennych – nazywano je suchymi. Dopiero kolejne „generacje” zasilano w wodę. Nadal jednak była to woda zimna.

Na wyposażeniu każdej kuchni mamy także lodówkę. Została ona wynaleziona przez General Electric w 1911 r. i mimo że kosztowała więcej niż samochód, coraz częściej pojawiała się w amerykańskich domach. Odkąd w 1957 r. wrocławskie zakłady Zakrzów (późniejszy Polar) wyprodukowały pierwsze Mewy, lodówka, obok kuchenki i zlewu, stała się również wyposażeniem każdej polskiej kuchni.

Kolejno pojawiły się także w powszechnym użyciu sztućce. Znany od wieków widelec służył do nabierania potraw z półmisków, jedzono zaś palcami, co najwyżej ułatwiając sobie dzielenie większych porcji nożem. Nawet łyżki swoim wyglądem bardzo różniły się od tych dzisiejszych. Zapewne współczesna łyżka wywodząca się z Persji pochodzi od muszli. Łacińskie cochlea oznaczające muszlę ślimaka kojarzy się nam z „chochlą”. Z widelcem także wiąże się ciekawa historia. Początkowo był dwuzębny i okazał się niezastąpiony podczas spożywania spaghetti. W Polsce zaczęto używać go za sprawą królowej Bony. Trzeci ząb widelca w symboliczny sposób miał nawiązywać do liczby palców wykorzystywanych do jedzenia rękami. Obecnie większość jest bardziej wygodna i zawiera cztery zęby. Z kolei nóż stołowy ma swój początek od ostrego noża myśliwskiego. Ludwik XIV uznał, że ostro zakończone noże są zbyt niebezpieczne i zakazał używania ich przy stole. Aby były bezpieczne, nadano im zaokrąglony kształt. W Polsce bardzo popularne były sztućce platerowane uzyskiwane metodą walcowania na gorąco miedzi, mosiądzu lub tzw. nowego srebra.

Nie można zapomnieć o dzienniku laboratoryjnym. W kuchni to tzw. książka kucharska lub współczesny elektroniczny „przepisownik”. W literaturze poradnikowej kuchnia polska to element tożsamości i kultury. I chociaż trudno stwierdzić, czy książka Lucyny Ćwierczakiewiczowej 365 obiadów za pięć złotych obecnie byłaby tak popularna jak ówcześnie, to Kucharz doskonały Wojciecha Wielądki jest znany wszystkim, którzy czytali Pana Tadeusza.

Warto też wspomnieć, że tak jak przepisy, również gust smakoszy zmieniał się z biegiem czasu. Kuchenni chemicy pracują dziś jako kucharze molekularni. Nasze popularne potrawy – rosół z makaronem, pomidorowa, kotlety schabowe i mielone, pieczenie wieprzowe w sosie, marchewkę z groszkiem – zastępują wywarami super eco food, lekkimi piankami, musami czy potrawami przygotowywanymi z wykorzystaniem wyparek, zestawów do destylacji, kolumn chromatograficznych czy techniki zamrażania ciekłym azotem. Przykładem może być tu kuchnia proponowana przez Hestona Blumenthala. Znany jest on ze swojego innowacyjnego, naukowego podejścia do gastronomii, określanego mianem kulinarnej alchemii. Blumenthal jest niezwykłą osobowością, która może poszczycić się licznymi nagrodami i wyróżnieniami. W 2004 r. prowadzona przez niego restauracja The Fat Duck uzyskała prestiżowe trzy gwiazdki Michelin. Czy zatem wiedza chemiczna jest nam potrzebna, by nadążyć za tymi trendami? Zapewne tak. Ale nie bójcie się Państwo – ta elementarna, na poziomie podstawowym, w zupełności nam wystarczy.

Chemia w kuchni, czyli co zrobić, żeby nam smakowało

Kiedy jemy, odczuwamy, że jedzenie to o wiele więcej niż tylko smak, wygląd i zapach. Oprócz smaku liczy się konsystencja, sposób, w jaki jedzenie czuje się w ustach. Liczy się nie tylko to, czy coś jest słodkie, słone, kwaśne, pikantne, ostre czy łagodne, gorące czy zimne, ale czy jest miękkie, twarde, delikatne, chrupiące, rozpływające się w ustach. Zatem liczy się jego elastyczność. Dobrym przykładem jest wołowy stek. Mięsa na steki charakteryzują się wyjątkową kruchością, delikatnością i doskonałą ilością marmurkowatości, mają metaliczny posmak. To właśnie tłuszcz odpowiedzialny jest za smak, aromat i soczystość mięsa. Im większa marmurkowatość, tym delikatniejsze steki. Oczywiście liczy się stopień wysmażenia, od rare w temperaturze 48°C, czyli tzw. stek krwisty, do well done o temperaturze 65°C, czyli stek wysmażony. Inny przykład, tym razem dla miłośników czekolady – mus czekoladowy zaliczany do tzw. pian spożywczych. Jest lekki i delikatny, rozpływa się w ustach. Posiada bardzo niską elastyczność. Z kolei kostka czekolady jest twarda i sztywna. Jej elastyczność ma znacznie wyższą wartość. Prawdziwą belgijską czekoladę gryziemy z wykorzystaniem większej siły. Elastyczność ma swoje granice. Delikatne naciśnięcie np. pianki czekoladowej pozwala jej powrócić do pierwotnego kształtu. Jest to odkształcenie sprężyste – materiał nie ulega odkształceniu, pozostaje zasadniczo niezmieniony. Natomiast mocne naciśnięcie spowoduje zgniecenie i odkształcenie.

Ze względu na specyficzną strukturę i duży udział frakcji gazowej, piany spożywcze charakteryzuje delikatność i przyjemne odczucie w ustach. Typowy przykład – kremowa biała, zwarta i gęsta piana piwna. Pienistość piwa jest istotnym wyróżnikiem jego jakości. Obecność piany istotnie ogranicza utlenianie i utrzymuje piwne aromaty. Jak ona powstaje? Gaz (ditlenek węgla i/lub azot – dla marki Guinness) wyodrębnia się z cieczy w wyniku gwałtownego spadku ciśnienia w butelce/puszce. Jest lżejszy od cieczy i unosi ku górze białka pochodzące ze słodu użytego do produkcji piwa (im lepszej jakości słód, tym gęstsza i trwalsza piana). Są to białka transportujące tłuszcze oraz białka, które odpowiadają za trwałość piany. Piana w piwie zawiera także pochodzące z chmielu tzw. kwasy a, które odpowiadają za charakterystyczny gorzki smak. To właśnie dlatego piana jest bardziej gorzka niż sam trunek. Na intensywność pienienia się piwa wpływa również sposób jego nalewania (po ściance), temperatura (niższa spowalnia proces uwalniania gazu) oraz rodzaj naczyń (wąskie i smukłe). W przypadku piw kraftowych brak piany może być konsekwencją zastosowania dodatków bogatych w tłuszcze. Tłuszcz jest wrogiem piany! Z tego też powodu kufle powinny być czyste.

Nieco inną strukturę ma bita śmietana uzyskiwana przez mechaniczne ubijanie oziębionej śmietanki o odpowiedniej zawartości tłuszczu. Bita śmietana jest pianą, w której pęcherzyki powietrza są stabilizowane przez zaglomerowane cząsteczki tłuszczu. W pierwszej fazie ubijania śmietanki powietrze zostaje do niej wtłoczone w postaci dużych pęcherzy. Cząsteczki tłuszczu skupiają się na granicy faz gaz – ciecz i stabilizują fazę gazową. Ponadto w fazie ciągłej ulegają aglomeracji. Wstępne schłodzenie śmietanki powoduje szybsze zestalenie tłuszczu i przeciwdziała jego koalescencji. Jeżeli śmietanka nie będzie odpowiednio oziębiona, szybko uzyskamy masło. Dalsze ubijanie powoduje podział pęcherzyków powietrza i rozwinięcie powierzchni międzyfazowej, a wzrost ilości pęcherzyków i postępująca aglomeracja tłuszczu – wzrost lepkości, usieciowanie i otrzymanie trwałej piany.

Mówiąc o bitej śmietanie, nie można zapomnieć o uwielbianych przez dzieci i dorosłych lodach. Już pierwsze historyczne wzmianki o deserach przyrządzanych z owoców i mleka z dodatkiem lodu i śniegu pochodzą z Chin prawie sprzed 5000 lat. Były one jednak podobne do dzisiejszego sorbetu, czyli soku z kruszonym lodem. Dało to początek słynnym weneckim lodom. Wkrótce recepturę lodów wodnych zaczęto wzbogacać o jajka i śmietanę. Ale zbyt duża ilość śmietany powoduje „ciężkość” lodów oraz zmniejszenie subiektywnego odczucia świeżości (tłuszcz ma mniejszą przewodność cieplną od wody). Dodatek emulgatorów czy stabilizatorów nie jest niczym szczególnym, jeśli chodzi o recepturę lodów. Jaja i zawarta w nich lecytyna to typowy przykład, czy coraz bardziej popularna mączka chleba świętojańskiego, znana również jako guma karobowa. Ich dodatek powoduje przedłużenie świeżości i poprawienie tekstury lodów. Jeśli domowe lody są za twarde, dodatek glukozy, karobu lub, jak w tradycyjnych gelato, skrobi, powinien poprawić ten parametr i spowodować, że mogą być serwowane w temperaturze, jaką zapewniają nam domowe lodówki (-15/-17°C).

Wracając do chemii w kuchni, wspomnijmy też o tym, że moduł sprężystości pokarmu jest równie istotny co jego elastyczność. Kiedy jemy, ściskamy lub wydłużamy wiązania w spożywanych pokarmach, zmieniając ich położenie względem siebie. A każde wiązanie charakteryzuje się określoną energią, która jest wymagana do jego odkształcenia. Pianka czekoladowa ma mniejszy moduł sprężystości niż stek – przy danej objętości trzeba ścisnąć mniej wiązań. Sprężystość jest bardzo istotna w przypadku wyrobów piekarniczych.

Gluten jest odpowiedzialny za elastyczność wielu produktów zawierających pszenicę, takich jak chleb czy makaron. Jego obecność sprawia, że niektóre ciasta są bardziej delikatne niż inne. Obecność glutenu znacznie poprawia cechy reologiczne wyrobów piekarniczych – mają mniejszą lepkość, większą podatność na obróbkę mechaniczną, są bardziej sprężyste przy jednoczesnym wzroście wytrzymałości na procesy rozrywania. Gluten składa się z gliadyny i gluteiny (1:1). Podczas mieszania ciasta, czyli tzw. miesienia wyżej wymienione białka tworzą tzw. siatkę glutenową. To w niej, w procesie wyrastania, np. ciasta drożdżowego, zamknięte są pęcherzyki ditlenku węgla. Podczas pieczenia gluten „ścina się”, ulega denaturacji, a ciasto uzyskuje charakterystyczną porowatość. Podczas pieczenia również inne składniki ciasta ulegają zmianom, część skrobi zamienia się w kleik skrobiowy, ciecze przechodzą w parę i podobnie jak gazy fermentacyjne oraz powietrze wprowadzone w czasie wyrabiania, powodują spulchnianie ciasta. Białko jaj także tworzy szkielet, na którym opiera się kleista masa ciasta. Alkohol, jaki wytworzył się podczas fermentacji, ulatnia się w całości. Powierzchnia ciasta po pewnym czasie rumieni się (reakcja Maillarda), ponieważ skrobia, cukier łączą się z białkiem. 

Należy pamiętać, że gluten powoduje celiakię prowadzącą do zaniku kosmków jelita cienkiego, które zwiększają jego powierzchnię i są odpowiedzialne za wchłanianie składników odżywczych. W efekcie toksycznego działania glutenu wchłanianie pokarmu jest upośledzone. Produktami naturalnie bezglutenowymi, w których – według ustaleń FAO/WHO – zawartość glutenu nie przekracza 20 mg na kg, są kukurydza, ryż, ziemniaki, soja, proso, gryka, tapioka, amarantus, maniok, soczewica, fasola, sago, sorgo, orzechy, a także mięso, owoce i warzywa.

Kolejnym parametrem jest lepkość – ma fundamentalne znaczenie w odczuwaniu smaku. Jest jedną z najważniejszych cech fizykochemicznych półpłynnych sosów, zup, ketchupów, przecierów itp. By sosy były „lepkie”, powinny zawierać żelatynę lub skrobię. Sosy mięsne są klasycznie wytwarzane przez rozpuszczenie żelatyny z mięsa w procesie długiego gotowania. W przypadku sosów zagęszczanych skrobią przykładem jest beszamel, który powstaje przez gotowanie mleka i mąki z dodatkiem masła. Skrobia nie jest odporna na niską temperaturę i działanie enzymów tzw. amylaz (pod ich wpływem sosy stają się rzadsze). Dobry sos powinien być jedwabiście gładki i gęsty. Odpowiednią teksturę zapewnia właśnie dodatek tłuszczu (mięso, oliwa, masło, mleko, parmezan), żelatyny (z mięs najbardziej „kleista” jest cielęcina) i skrobi (makaron, woda z makaronu, zasmażka). Coraz częściej w nowoczesnej kuchni stosuje się długie blendowanie części składników jako najlepszy sposób na „zagęszczenie”. Na rynku na początku XX w. pojawiły się także nowe zagęszczacze stosowane później przez modernistycznych szefów kuchni. Należą do nich karob, guma guar pochodząca z nasion lnu czy karageniny z wodorostów, szczególnie polecane do dań mlecznych.

We współczesnej kuchni niezwykle ważne są emulsje. Przykładem jest majonez – to zimny sos powstały przez emulsyfikację oleju za pomocą żółtka jaja zgodnie z zasadą similia similibus solvuntur. Tradycyjnie majonez to mieszanka oleju, żółtek, octu i musztardy. Zawartość tłuszczu w takim produkcie to 70–80%. Zmniejszenie ilości tłuszczu do wartości 50–60 % powoduje, że jest on niestabilny i się rozwarstwia. Majonez jest emulsją typu olej w wodzie (O/W) zawierającą niewielkiej wielkości krople tłuszczu (o średnicy ok. 10 mikronów) w niej zawieszone. By taka emulsja mogła powstać i być stabilna, potrzebny jest emulgator. W przypadku majonezu jest to żółtko jaja. Zawiera ono wspomnianą już wcześniej lecytynę oraz szereg białek takich jak lipowitelina, lipowitelinina, liwetyna, które zbierają się na powierzchni kropel tłuszczu, stabilizując go i utrudniając ponowne połączenie w większe krople. Odpowiednie pH jest kluczowe dla majonezu, najlepiej gdyby miał on pH = 4. Wynika to z faktu, że przy tej wartości białka żółtka jaja osiągają swój punkt izoelektryczny (tzn. wypadkowy ładunek elektryczny równy zero). Mają one dzięki temu najmniejszą rozpuszczalność w wodzie, najniższą lepkość i ciśnienie osmotyczne. Dzięki temu podczas robienia majonezu adsorbują się one na powierzchni kropel tłuszczu. Dodatek soli również pomaga majonezowi. Sól pomaga rozbić agregaty żółtka jaja i dodatkowo zmniejsza wpływ ładunków białek, polepszając ich adsorpcję na kroplach tłuszczu. Za smak majonezu odpowiadają izotiocyjaniany (z musztardy), ocet, jak również produkty utleniania tłuszczów powstające w trakcie jego przygotowywania, które są w dużej mierze odpowiedzialne za "majonezowy" aromat.

Podsumowanie

W kuchni warto eksperymentować, by poznawać nowe smaki i tekstury spożywanych produktów. Znajomość chemii w tych naszych eksperymentach bardzo pomaga, dlatego też już dziś zapraszamy na nasze warsztaty chemiczne na Wydział Chemii UMCS, szczególnie młodzież, która jest żądna chemicznych doznań.

Musimy pamiętać o jeszcze jednej kwestii. Zgodnie z szacunkami ONZ w 2060 r. liczba ludności na Ziemi osiągnie 10 miliardów. Przeludnienie planety i kryzys klimatyczny generują nowe wyzwania, jeśli chodzi o produkcję i dystrybucję żywności. Obecnie spośród 8 miliardów ludzi na Ziemi jeden miliard osób głoduje, drugi miliard zmaga się z nadwagą. Nadmiar żywności w niektórych rejonach świata nie jest wykorzystywany w sposób racjonalny. Żywność jest marnotrawiona. To nie jest tylko problem ekonomiczny, to również problem etyczny i ekologiczny. Zastanówmy się, jak ograniczyć marnowanie żywności? Przeglądajmy półki w lodówce, wykorzystujmy zapasy, planujmy zakupy, kupujmy świadomie. Zanim coś wyrzucimy, zastanówmy się, czy nie możemy tego wykorzystać? Duża część żywności, którą wyrzucamy, ma ogromny potencjał. Wystarczy szukać inspiracji kulinarnych, w czym bardzo pomaga chemia.

Na koniec chciałabym życzyć wszystkim miłego świątecznego gotowania, a młodych miłośników kuchni zachęcić do rozwijania wiedzy z tego zakresu na naszej nowej specjalności analiza żywności i środków spożywczych (na kierunku chemia I stopnia), która zostanie uruchomiona w roku akademickim 2024/2025.

Prof. dr hab. Dorota Kołodyńska – kierownik Katedry Chemii Nieorganicznej i prorektor ds. studentów i jakości kształcenia UMCS. Jej zainteresowania naukowe związane są z chromatografią jonowymienną pierwiastków d- i f-elektronowych, metodami rozdzielenia związków nieorganicznych, usuwaniem jonów metali z wód i ścieków ze szczególnym uwzględnieniem biodegradowalnych czynników kompleksujących oraz modyfikowanych biowęgli i sorbentów hybrydowych. Prof. Kołodyńska jest autorką ponad 130 publikacji naukowych, 14 rozdziałów w książkach oraz 280 doniesień konferencyjnych.

źródło: Centrum Prasowe UMCS