Кофе и яйца — как простой завтрак связан с фундаментальной наукой

В приготовлении еды люди, как правило, опираются на эмпирический опыт. Мы знаем, сколько сахара, соли и приправ нужно добавить «по вкусу»; когда паста уже не просто твердая, но аль денте. В то же время готовку можно рассмотреть сугубо с научной точки зрения и, таким образом, сделать процесс более увлекательным. N+1 рассказывает, как приготовление завтрака — кофе и четырех несложных блюд из яиц — связано с серьезной наукой.

Кофе: эффект Марангони

Утро начинается с кофе — бодрящего, горячего и ароматного. Часто для смягчения и нейтрализации горечи этот напиток разбавляют молоком или сливками. При этом молочные продукты, как правило, остаются в холодильнике до последнего и добавляются в свежесваренный кофе еще холодными. В результате до того, как раствориться в кофе, капля холодного молока некоторое время левитирует над его поверхностью.

Это явление объясняется эффектом Марангони. Холодная капля нагревается, приближаясь к горячей поверхности кофе, в то время как поверхность кофе, напротив, охлаждается вблизи капли. Происходит локальное изменение поверхностного натяжения и возбуждение потоков в кофе и молоке. Течение жидкости приводит к тому, что воздух медленнее уходит из пространства между ними — таким образом, некоторое время молоко находится в «подвешенном» состоянии над поверхностью напитка.

В 1855 году Джеймс Томсон обратил внимание, что на стенках бокала с вином могут образовываться характерные капли, которые позже стали называть «слезы вина». Через 10 лет Карло Марангони подробно изучил это явление, впоследствии получившее название «эффект Марангони».

Эффект Марангони — явление переноса вещества вдоль границы раздела двух сред, возникающее из-за наличия градиента поверхностного натяжения.

В случае вина коэффициент поверхностного натяжения зависит от содержания этилового спирта: там, где его меньше, коэффициент будет выше. Со стенки бокала спирт испаряется быстрее. И чем выше поднимется вино, тем ниже будет концентрация спирта. Область с меньшей концентрацией спирта имеет больший коэффициент поверхностного натяжения и стягивает окружающую жидкость сильнее. Поэтому именно там образуется капля, которая из-за действия силы притяжения стекает обратно.

Отличительная черта эспрессо — плотная нежная коричневая пенка, которую принято называть «крема». Для порции эспрессо объемом 25-30 миллилитров она должна составлять не менее 10 процентов объема чашки.

Пенка кофе представляет собой дисперсную систему с газовой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. В случае кофе газовая фаза в основном представлена углекислым газом (CO2), который образуется во время обжарки кофейных зерен и частично задерживается в твердых частицах кофе. Жидкая среда при этом представляет собой эмульсию — дисперсную систему. Она состоит из микроскопических капель масла, содержащего твердые частицы кофейных зерен, а также распределенных в водном растворе веществ: сахара, кофеина и некоторых других компонентов.

При этом кофейная пенка — не только предмет эстетического наслаждения. Она выполняет важную функцию: будучи пленкой, она словно барьер задерживает кофейный аромат, а также ограничивает теплообмен с окружающим воздухом. Благодаря кофейной пенке напиток, который так приятно пить горячим, остывает медленнее.

Безе: денатурация и пенистые белки

Сладкоежки непременно сопровождают кофе десертом. Одна из самых популярных сладостей — безе или меренга. Компоненты для приготовления этого пирожного весьма незатейливы: понадобятся всего лишь яичный белок и сахарный песок. За счет чего хорошее безе получается одновременно и воздушным, и очень крепким? Чтобы в этом разобраться, вспомним строение белков.

Белки — биополимеры, мономеры которых — аминокислотные остатки. Цепочка из аминокислотных остатков — это первичная структура белка, однако в естественных условиях белок редко пребывает в таком состоянии. Белки могут сворачиваться за счет ряда взаимодействий, образуя вторичную, третичную и даже четвертичную структуру. Однако под воздействием дестабилизирующих внешних факторов (например, высоких температур) белки способны претерпевать изменения в своей конформации и «расплетаться». Это явление принято называть денатурацией. При этом аминокислотная последовательность белка не меняется — изменениям подвергается лишь его структура.

Яичный белок, основной компонент безе, примерно на 85-90 процентов состоит из воды. Остальное его содержимое — это преимущественно белки. Аминокислотные остатки, из которых состоят белки, в зависимости от своего строения могут проявлять гидрофильные (стремятся к контакту с водой), либо гидрофобные (избегают контакта с водой) свойства. В процессе взбивания яичных белков для безе белки денатурируют. При этом гидрофильные аминокислотные остатки связываются с водой, а гидрофобные экспонируются к воздуху, наоборот, скрываясь от воды. Благодаря этому взбитый белок по структуре напоминает пену.

Далее в процесс вступает сахар. Он не только придает безе сладкий вкус, но и играет важную роль в формировании правильной устойчивой структуры безе. В большинстве случаев под используемым в быту сахаром подразумевается сахароза — растворимый в воде дисахарид, состоящий из двух моносахаридов — фруктозы и глюкозы. Растворяясь в белковой пене, сахар окружает пузырьки, из которых она состоит.

Во время выпекания безе при высоких температурах вода испаряется, а сахар карамелизуется. Проще говоря, первоначально белки и молекулы воды образуют сложную пенистую структуру, а сахар представляет собой каркас вокруг воды и затвердевает под воздействием высоких температур.

Яичница: эффект Лейденфроста и реакция Майяра

Перед тем, как начать разбивать яйца, чтобы приготовить традиционный завтрак, необходимо разогреть сковороду и добавить немного сливочного масла. Тут же повар сталкивается с явлением, напоминающим эффект Марангони: при достаточно высокой температуре поверхности масло, попавшее на раскаленную сковороду, не сразу вскипает, а сначала слегка левитирует над поверхностью. Это объясняется эффектом Лейденфроста: жидкость (в данном случае масло) при контакте с поверхностью, чья температура превышает температуру кипения этой жидкости, образует теплоизолирующую прослойку, которая замедляет выкипание.

Открытие эффекта Лейденфроста приписывается доктору и теологу Иоганну Готтлибу Лейденфросту, который первым описал его в рукописи «Трактат о некоторых качествах обычной воды» от 1756 года. Чаще всего эффект Лейденфроста встречается на кухне, когда капля воды оказывается на раскаленной сковороде.

На сковороде, разогретой до точки Лейденфроста (около 200 °C), вода испаряется с такой скоростью, что между раскаленной поверхностью и каплей жидкости образуется тонкий слой пара, который не позволяет воде мгновенно перейти в другое агрегатное состояние.

Через некоторое время капля, конечно, все равно испарится. Однако это займет значительно больше времени, нежели если бы поверхность сковороды была нагрета до температуры выше кипения воды, но ниже точки Лейденфроста.

Во время приготовления яичницы также происходит денатурация белка. В результате белки перестают растворяться в воде, а их частицы агрегируют в коллоидном растворе. Из-за этого ранее прозрачная жидкость вокруг желтка белеет и густеет. Кроме того, при тепловой обработке белка происходит еще и его деструкция: следующие за денатурацией изменения, связанные с разрушением белков до полипептидов, а потом и до аминокислот и низкомолекулярных соединений. В ходе деструкции белков могут образовываться летучие вещества, такие как сероводород, углекислый газ и некоторые другие. Накапливаясь в продуктах, они могут оказывать влияние на вкус, запах или внешний вид пищи.

К примеру, при нагревании яиц из тиоловых и дисульфидных групп белков может выделяться сероводород. Зеленоватый цвет поверхности желтка сваренного вкрутую яйца — как раз результат выделения сероводорода из альбумина и его взаимодействия с железом из желтка с образованием сульфида железа.

При высоких температурах около 60-100°С также протекает неферментативная реакция взаимодействия белков с восстанавливающими сахарами, известная как реакция Майяра. Впервые реакцию Майяра в 1912 году описал французский химик Луи-Камиль Майяр. Однако детально механизм реакции удалось описать только в 1953 году американскому химику Джону Эдварду Ходжу. В ходе этого процесса образуется коричневая хрустящая корочка и специфический аромат, присущий жареной еде. То же самое происходит, если вы, например, готовите яичницу вместе с тостом или беконом.

Дело в том, что углеводы (к ним как раз относятся сахара) содержат и гидроксильные группы (–OH), и карбонильные C=O. При этом аминокислоты имеют аминогруппу –NH2. При высоких температурах аминогруппа аминокислот может вступить в реакцию с карбонильной группой углеводов. За этим этапом следует ряд последовательно и параллельно протекающих перегруппировок и сложных химических реакций, в результате которых образуются различные химические соединения, отвечающие за цвет, аромат и вкус еды.

За окраску корочки приготовленного блюда ответственны меланоиды, образование которых сопровождается появлением веществ, придающих блюду аппетитный запах. Например, пиразины отвечают за аромат жареного мяса. Если блюдо подгорает, могут образовываться алкилпиридины, придающие еде горький неприятный вкус.

С реакцией Майяра при готовке сталкиваются часто. Например, при обжарке кофе. Благодаря этому кофейные зерна приобретают коричневый цвет и характерный аромат. Еще одна реакция, упомянутая ранее и по смыслу похожая на реакцию Майяра, — это реакция карамелизации. Ее отличительная особенность заключается в том, что взаимодействие происходит лишь между сахарами, тогда как участие аминокислот не требуется.

Яйцо—пашот: закисление среды и застывший белок

Помимо яичницы-глазуньи, существует множество других способов приготовить яйцо на завтрак. Среди них яйцо-пашот — вкусное и, на первый взгляд, совсем не сложное в приготовлении блюдо. От повара требуется разбить яйцо в кипящую воду и варить его около 3 минут, чтобы белок успел денатурировать и сформировать «мешочек», в котором будет заключен жидкий желток.

Звучит просто, но на деле с приготовлением яйца-пашот сопряжены определенные трудности. В первую очередь они связаны с тем, что перед тем, как загустеть, белок успевает растечься по кастрюле. И вместо аккуратного мешочка на завтрак можно получить совсем не аккуратные длинные белковые нити. Для борьбы с этим кулинары придумывают разные ухищрения — например, яйцо разбивают не прямо в воду, а в пищевую пленку. Однако существует и более изящный способ, который все так же связан с особенностями строения белков.

Не только тепловая обработка приводит к денатурации белка — схожий дестабилизирующий эффект оказывает низкий pH (кислотность) раствора. Закисление среды, особенно в совокупности с высокой температурой, способствует ускоренной денатурации белка. Поэтому облегчить себе задачу можно, добавив уксус в кипящую воду. Так белок быстрее застывает и не растекается по воде.

Майонез: стабилизированная эмульсия

Яйцо—пашот может быть не только самостоятельным блюдом, но также прекрасно дополнять другие. Например, яйцо-пашот можно обнаружить в составе популярного американского блюда, известного как яйца Бенедикт. Это бутерброд, включающий, кроме яйца, две булочки, ветчину или бекон, а также голландский соус. Признайтесь, захотелось.

Голландский, яично-масляный соус очень напоминает майонез. Но майонез — соус холодный, в то время как голландский соус подается горячим. При этом составом они похожи друг на друга и обязательно включают в себя яичный желток, уксус, растительное масло и специи, а иногда лимон и горчицу.

При внимательном рассмотрении состава майонеза может возникнуть вопрос: как соус получается таким однородным? Основные компоненты майонеза — масло и водный раствор уксуса. Иначе говоря, майонез — это эмульсия. Очевидно, что со временем этот холодный соус должен расслаиваться на составляющие. Тем не менее, этого не происходит.

Дело в том, что яичный желток содержит лецитины — смесь фосфолипидов с триглицеридами и небольшим количеством других веществ. Лецитины представляют собой эмульгаторы: это амфифильные соединения, которые одновременно проявляют свойства и гидрофильных, и гидрофобных соединений. Такая комбинация свойств позволяет лецитинам связывать капли масла и воду, в которой они диспергированы, предотвращая скопление масла в большие капли и стабилизируя эмульсию.

Приготовление даже самого обычного завтрака не обходится без творчества и не лишено интересного научного измерения. Знание процессов, протекающих во время готовки, скорее всего, не заменит эмпирический опыт — зато, вполне вероятно, позволит оптимизировать рецепты и вкусно поесть.