Научные основы приготовления пищи

В основу приготовления пищи положены десятки научных принципов. Рассмотрим кратко главные из них как введение в науку о питании. Более подробную информацию по любой из перечисленных тем можно найти в литературе по теме.

Передача тепла

Приготовление пищи происходит путем воздействия тепловой энергии на продукты, чтобы они стали пригодными для употребления. При этом продукты изменяют вкус, запах, текстуру, цвет и содержание питательных веществ.

Существуют три способа передачи тепла продуктам.

Теплопроводность — прямая передача тепла путем взаимодействия соседних молекул. Примером такого теплообмена может служить приготовление пищи на плите с плоской поверхностью. Тепло передается от молекул горячей поверхности плиты к молекулам днища стоящей на плите кастрюли, далее — к ее стенкам и продуктам, находящимся в кастрюле. При такой передаче тепла кастрюля обязательно должна касаться поверхности плиты, а материал кастрюли должен обладать высокой теплопроводностью.

Одни вещества лучше проводят тепло, другие — хуже. В целом металлы обладают высокой теплопроводностью, а газы, жидкости и неметаллы (стекло, керамика) — средней или низкой. Поскольку прямая передача тепла связана с необходимостью непосредственного контакта кастрюли и плиты, это достаточно инерционный процесс, но именно благодаря медленному прямому теплообмену между соседними молекулами продукт хорошо проваривается (прожаривается) снаружи, оставаясь сочным внутри.

Конвекция — это передача тепла посредством газов или жидкостей. При нагревании газа или жидкости часть теплоносителя, находящаяся ближе всего к источнику тепла, нагревается первой, плотность его уменьшается, вследствие чего он поднимается вверх, а на его место поступает порция холодного газа (жидкости). Таким образом, конвекция представляет собой сочетание теплопроводности и смешения.

Конвекция бывает естественная (происходит естественным путем) и вынужденная, осуществляемая под действием механических средств. Естественная конвекция имеет место в кастрюле с водой, поставленной на плиту для кипячения. При нагревании плиты она передает кастрюле тепло посредством теплопроводности. Это тепло передается далее тем слоям воды, которые контактируют с внутренней поверхностью кастрюли. Нагретые, менее плотные слои воды поднимаются вверх благодаря конвекции и замещаются более холодными слоями. Таким образом, внутри кастрюли возникают конвективные потоки. Если в кастрюлю положить картофелину, то конвективные потоки передадут тепло ее поверхности, а далее в действие вступит передача тепла посредством теплопроводности — тепло будет передаваться внутренним частям клубня.

Вынужденная конвекция имеет место, когда для создания конвективных потоков с целью ускорения теплообмена и более равномерной передачи тепла используют какой-либо перемешивающий инструмент или вентилятор. Когда вы перемешиваете ложкой густой соус, чтобы он нагревался быстрее и при этом не оседал на дно кастрюли и не пригорал, вы приводите в действие вынужденную конвекцию. В духовых шкафах с конвекционным обогревом используют вентилятор для создания быстрой циркуляции горячего воздуха и равномерного нагрева, что позволяет готовить пищу быстрее, чем в обычной духовке, и с более равномерным пропеканием всех ее частей. (В обычных духовых шкафах основная доля тепла передается путем инфракрасного излучения, хотя имеет место и естественная конвекция за счет циркуляции потока воздуха, нагреваемого благодаря контакту с нагревательным элементом.)

Излучение — это передача тепла посредством электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве с большой скоростью. Передача тепла за счет излучения не требует непосредственного контакта источника энергии и продукта. Вещество, на которое попадает электромагнитное излучение, поглощает его, что вызывает колебательное движение молекул, увеличение их энергии и соответственно повышение температуры. Для приготовления пищи важны два типа электромагнитного излучения: инфракрасное и микроволновое.

К источникам инфракрасного излучения относятся: раскаленные угли гриля, работающего на древесном угле, раскаленная спираль электрического тостера, раскаленный рашпер (металлическая решетка), электрическая духовая печь. Продукты и кухонная посуда поглощают излучение и нагреваются. Темные, матовые или грубо обработанные поверхности поглощают излучение лучше, чем светлые, гладкие и полированные. Прозрачное стекло пропускает излучение, так что температуру обычной духовой печи необходимо снижать примерно на 4°С, чтобы компенсировать дополнительную передачу энергии, которая имеет место при использовании стеклянной посуды.

Микроволновое излучение, источником которого служит микроволновая печь, передает энергию посредством коротких электромагнитных волн. Когда молекулы продукта поглощают эти короткие волны, их энергия повышается за счет усиления колебательного движения молекул, и соответственно повышается температура продукта. Процесс приготовления пищи с помощью микроволнового излучения протекает намного быстрее, чем при использовании инфракрасного, поскольку микроволны проникают внутрь продукта на 1-3 см, в то время как инфракрасные волны взаимодействуют в основном с молекулами поверхности продукта. Продукты с высоким содержанием влаги, сахара или жира поглощают микроволны лучше и нагреваются быстрее, чем другие продукты.

Однако приготовление пищи в микроволновой печи не лишено недостатков. Печь хорошо подходит для приготовления небольших порций. Мясо, которое готовят в микроволновой печи, теряет много влаги и становится сухим. Кроме того, в микроволновой печи не получается румяной корочки на продукте; в печи нельзя использовать металлическую посуду, потому что металл отражает микроволны, вследствие чего может произойти возгорание.

Действие тепла на крахмал и сахар: карамелизация, реакция Майяра и желатинирование

Как мы уже говорили выше, углеводы могут находиться в разных формах, каждая из которых по-разному реагирует на действие тепла. Две формы углеводов, представляющие для нас интерес с точки зрения научных основ кулинарии, — это крахмал и сахар.

Сахар под действием тепла вначале плавится, образуя густой сироп. По мере повышения температуры прозрачный сахарный сироп изменяет цвет, становясь светло-желтым и затем коричневым. Процесс, сопровождающийся потемнением сахара, называется карамелизацией. Он представляет собой сложную химическую реакцию, в результате которой изменяется не только цвет сахара, но и его аромат, а вкус становится богатым и сложным, знакомым нам по карамели. Различные типы сахара карамелизуются при разной температуре. Гранулированный белый сахар плавится при 160°C, а карамелизоваться начинает при температуре 170°C.

В продуктах с небольшим содержанием сахара или крахмала за изменение цвета в сторону коричневого отвечает другая реакция — так называемая реакция Майяра. Она протекает с участием сахаров и аминокислот (из аминокислот построены белки). При нагревании эти компоненты взаимодействуют между собой, образуя множество побочных продуктов, в результате чего основной продукт приобретает коричневый цвет, насыщенный вкус и сложный аромат. Именно этой реакции в основном обязаны своим богатым вкусом и чудесным ароматом кофе, шоколад, запеченные продукты, жареное мясо, жареные орехи, темное пиво.

Хотя реакция Майяра может протекать и при комнатной температуре, и она, и карамелизация обычно требуют относительно высокой температуры (выше 149°С), чтобы протекать достаточно быстро и вызвать заметные изменения в продуктах. Поскольку при обычном давлении воду нельзя нагреть выше температуры кипения (100°С), продукты, подвергнутые обработке водяным паром (кипячение в воде, приготовление на пару, пашотирование, тушение), не приобретают коричневый цвет. По этой причине тушение многих блюд начинают с того, что поджаривают их ингредиенты, а затем добавляют воду.

Крахмал, сложный углевод, обладает высокой склонностью к загустению. Если в крахмал добавить воду или другую жидкость, то он поглотит жидкость, а если затем эту смесь нагреть, то она загустеет. Такой процесс называется желатинированием. Желатинирование наблюдается при различных температурах для разных типов крахмала. Стоит запомнить, что крахмалы корнеплодов (например, картофеля и аррорута, то есть корневища маранты) желатинируются при более низкой температуре, но и разжижаются быстрее, в то время как крахмалы зерновых культур (кукурузный, пшеничный) загустевают при более высокой температуре, но разрушаются медленнее. Высокие уровни сахара или кислоты могут затруднить желатинирование, в то время как наличие соли способствует ему.

Денатурация белков

Молекулы природных белков свернуты в спираль. Когда их подвергают воздействию тепла, соли или кислоты, они денатурируют — спираль разворачивается. При денатурации развернутые спирали стремятся соединиться, происходит слипание отдельных частиц с образованием комочков. Этот процесс укрупнения посредством слипания частиц называется коагуляцией. В качестве примера можно привести вареный яичный белок, который при варке денатурировал, перейдя из жидкого прозрачного состояния в непрозрачное твердое. Когда белок коагулирует, он частично теряет способность удерживать воду, поэтому богатые белком продукты при кулинарной обработке выделяют воду, даже если их готовят на пару или подвергают пашотированию. К счастью, иногда этот процесс является обратимым при охлаждении. Вот почему, если жареным продуктам дать возможность постоять перед подачей на стол, то, охлаждаясь, они вновь поглотят выделившуюся влагу («сок») и станут сочнее. Денатурированные белки легче перевариваются по сравнению с натуральными.

Функция кулинарных жиров

В зависимости от молекулярной структуры при комнатной температуре одни жиры — твердые, другие — жидкие. Жидкие жиры называют маслами. При нагревании твердые жиры размягчаются и в конце концов плавятся, переходя в жидкое состояние.

Кроме того, что жир является жизненно важным питательным веществом, он выполняет ряд кулинарных функций: придает пище богатый вкус, мягкость, шелковистую текстуру, создавая во рту приятное ощущение, что нравится большинству людей. Жир также передает и смешивает вкусы продуктов, делает доступными те питательные вещества, которые растворяются только в жире. Кроме того, жир придает пище привлекательный внешний вид: она становится сочной, нежной, пышной, лоснящейся. В процессе запекания пищи жир выполняет несколько функций: придает ей мягкую консистенцию, разрыхляет, удерживает влагу и создает слоеную, рассыпчатую текстуру. В случае приготовления пищи на плите жир передает тепло продуктам и предотвращает подгорание. Он также удерживает тепло в пище, сгущает соусы и создает хрустящую корочку при обжаривании продуктов.

Важное свойство жира заключается в том, что его можно нагревать до относительно высоких температур без кипения и разрушения. Поэтому в жире можно приготовить пищу быстро и с образованием румяной корочки. Однако если нагревать жир до достаточно высоких температур, то он начинает разрушаться с появлением резкого, раздражающего запаха, ухудшая вкусовые качества всех продуктов, которые в нем готовятся. Температура, при которой начинается разрушение жира — точка задымления — различается для разных типов жиров. В целом растительные масла начинают дымить при 232°С, а животные жиры — при 191°С. Любые добавки в жире (эмульгаторы, консерванты, белки, углеводы) понижают точку задымления. Поскольку часть жира разрушается и при умеренных температурах, а маленькие кусочки продуктов имеют склонность оставаться в жире, повторное использование жира снижает температуру задымления.

Состояния и функции воды в кулинарии

Вода — главный компонент большинства продуктов. Фрукты и овощи содержат до 95% воды; сырое мясо -около 75%. На уровне моря чистая вода замерзает при температуре 0°C и закипает при юо°С. Кипение приводит к испарению воды, обратный процесс называется конденсацией пара. Многие витамины, минеральные и питательные вещества растворимы в воде. При растворении в воде соли или сахара температура замерзания раствора снижается, а температура кипения повышается.

Важной характеристикой раствора является значение pH, которое отражает его кислотность или щелочность. Для чистой воды (нейтральной) pH = 7. Значение pH выше семи говорит о щелочном растворе, ниже семи — о кислом. Практически все продукты являются слабокислыми. Кислотность, или pH, раствора влияет на вкус, цвет, текстуру и питательные свойства пищи.

Образование эмульсий

Эмульсии образуются путем принудительного смешения (например, механического) двух несмешивающихся веществ, одно из которых диспергируется, то есть равномерно распределяется в объеме другого в виде мельчайших капель. В обычных условиях жир (растительное масло или твердый жир) не смешивается с водой, но оба эти вещества являются самыми распространенными ингредиентами эмульсий в кулинарии.

Эмульсия состоит из двух фаз: дисперсной фазы и дисперсионной среды; дисперсная фаза диспергирована (распределена) в сплошной среде (дисперсионной). В качестве примера эмульсии типа масло в воде можно привести уксусно-масляную заправку для салатов, где масло (дисперсная фаза), раздробленное на мельчайшие капли, находится в уксусе (сплошная, или дисперсионная, среда) во взвешенном состоянии. Временные эмульсии (такие, как уксусномасляная заправка) образуются быстро и требуют только механического взбивания, встряхивания или перемешивания. Для получения устойчивой, стабильной эмульсии, в которой масло длительное время остается во взвешенном состоянии в воде, необходимо добавить дополнительные ингредиенты, называемые эмульгаторами. Роль эмульгатора заключается в предотвращении расслоения эмульсии на исходные компоненты — масло и воду. Обычно в качестве эмульгатора используют яичный желток (который содержит природный эмульгатор — лецитин), горчицу и концентрированный мясной бульон. Используют также природные крахмалы, которые, например, содержатся в чесноке, или модифицированные — такие, как крахмал из кукурузы или аррорута.