Кулинарная наука, или Научная кулинария

Вся еда, которую мы употребляем в пищу, содержит три основные группы молекул: сахара, белки и жиры. Молекулы сахаров состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Многих из сахаров называются углеводами, поскольку они состоят из перечисленных выше атомов. Строго говоря, сахара включают в себя не только углеводы, но и многие другие соединения – крахмал и даже целлюлозу (главную составляющую деревьев!).

Множество соединенных между собой единиц сахара называются полисахаридами, а в другом физическом состоянии, без контакта с водой и возможностью соединяться с ее молекулами, – моносахаридами. Нам, кулинарам, хорошо известны такие моносахариды, как глюкоза, фруктоза и галактоза. Некоторые из них мы используем в процессе приготовления пищи буквально каждый день.

Глюкоза, фруктоза и галактоза имеют одинаковую химическую формулу (С6Н12O6), но расположение атомов в данных сахарах отличается в каждом конкретном случае, что влияет на главное – вкус этих веществ.

Моносахариды – глюкоза, фруктоза и галактоза

В чем содержатся эти вещества?

Глюкоза и фруктоза присутствуют во многих фруктах и в меде, а также в смеси с другими сахарами. Галактоза же – в неферментированных молочных продуктах.

Сладкие фрукты и овощи (морковь и свекла) содержат довольно много сахаров. Фруктоза – самая сладкая из всех трех видов сахаров, на втором месте по сладости находится глюкоза.

Однако, если нагревать фруктозу до 60 °C, например, при варке вишневого варенья, готовое лакомство окажется кислым. Этот феномен объясняется тем, что при достижении данной температуры, сладость фруктозы снижается ровно в два раза. Именно поэтому знающие хозяйки, употребляя фруктозу с чаем, кладут в чашку всегда на 2–3 ложки больше, нежели обычного сахара рафинада. А вот глюкоза в чистом виде вообще не применяется в качестве подсластителя, так как она еще менее сладкая, чем фруктоза.

Если быть совсем точным, нужно отметить, что ни один из перечисленных сахаров в кулинарии не применяется в чистом виде. Обычно используется дисахарид – их «старший брат», состоящий из более крупных молекул сахара.

Дисахариды – сахароза, лактоза и мальтоза

В кулинарии и пищевой промышленности известны три вида дисахаридов: сахароза, лактоза и мальтоза.

Поговорим о каждом из них в отдельности.

Сахароза состоит из химического соединения двух моносахаридов – глюкозы и фруктозы. Именно этот продукт мы знаем как обычный столовый кусковой сахар-рафинад, или сахарный песок. Этот второй (после фруктозы) по сладости сахар обычно используется для приготовления конфет, поскольку он имеет приятный вкус даже при высоких концентрациях, а также обладает интересными формообразующими (текстурными) свойствами. Концентрация сахара в любом продукте очень важна. Мало кто знает, что при высоких концентрациях всеми любимый коричневый тростниковый сахар становится горьким.

Лактоза состоит из соединенных вместе остатков (остатки – термин органической химии, см. глоссарий) глюкозы и галактозы. Она редко встречается в кулинарии в чистом виде, но содержится в молоке. Лактоза гораздо менее сладкая, чем сахароза, поэтому никогда не используется в качестве подсластителя.

Мальтоза состоит из двух объединенных молекул остатков глюкозы, более всего содержится в ячмене. Аромат пива, кроме зависимости от прочих исходных ингредиентов, определяется наличием мальтозы в этом продукте.

Вместе моносахариды и дисахариды образуют группу углеводов, известную в органической химии как «простые сахара». Их называют «простыми», потому что они легко разрушаются и усваиваются организмом. Кстати, это объясняет и немедленный всплеск энергии, который мы чувствуем после употребления сахаров. Например, чай с сахаром бодрит гораздо больше, чем без него. Присутствие сахаридов, наравне с кофеином, во многих сладких газировках также объясняет их тонизирующие (непродолжительные) свойства.

В разгар напряженного рабочего дня попробуйте съесть кусочек сахара-рафинада. Вы моментально почувствуете большой прилив сил и энергии.

Врачи-диетологи любят повторять: «Гораздо более важно не то, что мы едим, а как мы эту еду перевариваем». В процессе пищеварения молекулы сахара разрушаются под действием пищеварительных ферментов. Организм некоторых людей не вырабатывает фермент лактазы, который отвечает за переваривание лактозы, обычно встречающейся в молоке. Такие люди страдают от особой болезни – лактозной непереносимости или лактозной недостаточности. Их организм не может переваривать лактозу, или молочные продукты, с ее содержанием. Это наследственное заболевание сегодня уже эффективно лечится новейшими медицинскими средствами. Большинство крупных производителей молока выпускают специальные марки молочных продуктов без лактозы, кстати, их можно пить и тем, кто страдает сахарным диабетом.

Кристаллизация сахара

Что такое кристаллизация сахара? Мы видим кусочек сахара только благодаря процессу кристаллизации сахаров. Молекулы сахара в безводном пространстве хорошо притягиваются друг к другу. Стоит только нанести капельку воды из пипетки на кусочек сахара, и мы увидим, как медленно кристаллические цепочки начнут разрушаться, а сахар «таять» на глазах. Когда миллионы молекул дисахаридов присоединяются друг к другу и преобразуются в кристалл – сахар становится видимым.

Кристаллы сахара всегда значительно отличаются по размеру: от малейших (сахарная пудра) до весьма крупных (сахарный песок).

Растворимость сахаров

Присутствие так называемых «ОН-групп» сахаров делает простые сахара легко растворимыми в воде. В воде ОН-группы связываются преимущественно свободными молекулами воды. Сам же кристалл сахара разрушается, и его частички равномерно распределяются в водной среде. Это можно увидеть в прозрачном стакане с водой, опустив в нее кубик сахара и медленно перемешав.

Как же растворяются сахара? Как определить, сколько сахара добавлять в сироп для ягодного морса, а сколько для приготовления карамели? Какие процессы происходят при растворении сахара в холодной или кипящей воде?

Ответим на эти вопросы исчерпывающе.

В науке считается, что сахар «растворяется», то есть крупные кристаллы многократно дробятся на более мелкие и притягиваются к молекулам воды, постепенно становясь невидимыми.

А сколько сахара вообще можно растворить в жидкости? Оказывается, что можно растворить в воде ровно столько сахара, сколько потребуется для того, чтобы не дать возможности молекулам воды двигаться хаотично. Иными словами, в определенном количестве воды всегда можно растворить лишь четко определенное количество сахара.

Фруктоза – самая растворимая из всех простых сахаров. Ее можно растворить в количестве воды, равном четверти ее исходного объема. Сахароза также неплохо растворяется в воде. Она вторая по растворимости и может раствориться в количестве жидкости, равной половине исходного объема сахарозы и образовать густой раствор. А вот глюкоза чуть менее растворима, и поэтому из нее не получится густой сахарный раствор.

К сожалению, фруктоза довольно дорога и редко доступна в продаже, именно поэтому ее редко используют для варки варений и сиропов. Хотя, если вам позволяют средства и все-таки удалось найти этот «чудо-сахар», стоит использовать именно его для приготовления фруктово-ягодных заготовок. Фруктоза чрезвычайно полезна.

Вернемся к растворимости сахаров. Итак, после определенного момента сахар невозможно дальше растворять в уже сладком растворе, потому что в нем попросту «заканчиваются» молекулы воды, доступные для связи с новыми молекулами досыпаемого в емкость сахара. В этот момент сахар остается в кристаллической форме и больше не будет растворяться. Такой раствор сахара называют «насыщенным».

В отличие от сложных углеводов, белков и жиров, сахара состоят из маленьких и стабильных молекул, к тому же чрезвычайно устойчивых к теплу. Смесь сахара и воды может быть нагрета до температуры кипения без ущерба для структуры сахара. Как только сироп закипает, молекулы воды равномерно испаряются из смеси, а раствор становится все более и более концентрированным. При этом молекулы сахара начнут связываться между собой и образовывать твердые кристаллы.

Твердые кристаллы сахара есть не что иное как любимые всеми детьми карамельные леденцы на палочке!

Хозяйка, которая использует сахар при варке сиропов и варенья, должна помнить, что температура кипения раствора сахара всегда будет выше 100 °C. Это объясняется тем, что в процессе связывания молекул сахара и воды, тепло необходимо не только для того, чтобы разорвать связи молекул воды друг с другом, но и для существенного увеличения скорости их движения.

Советы кулинарам:

♦ Сахарный сироп следует нагревать немного выше той температуры, когда вода начинает превращаться в газ (пар).

Есть простой кулинарный закон: «Чем более концентрированный раствор сахара, тем выше температура его кипения».

По мере того как сироп нагревают, вода испаряется все интенсивнее, и раствор становится все более и более концентрированным, соответственно увеличивается температура его кипения. Например, раствор с концентрацией сахара в 90 % закипит при температуре 125 °C.

Если сироп нагревать до достаточно высокой температуры (до момента, когда вся вода испарится из сахарного раствора), сахар постепенно начинает приобретать характерный «карамельный» вкус, из-за того что молекулы сахара начали разрушаться. Моносахариды – химически активные вещества. При их нагревании до относительно высоких температур атомы из молекул начинают интенсивно вырываться наружу. При этом образуются новые молекулы уже с совершенно другой структурой атомов. Вновь образованные молекулы обусловливают как широкий спектр вкусов продукта с содержанием сахара, так и его коричневый цвет.

В кондитерском деле вышеупомянутый процесс известен под названием «карамелизация». Чем больше карамель нагревается, тем более коричневой она становится.

Кулинарный закон:

♦ Чем сильнее нагреть карамель, тем менее сладкой она будет.

Это обстоятельство связано с тем, что молекулы, «отвечающие» за сладкий вкус карамели, в процессе нагрева полностью разрушаются.

Очень важно вовремя убрать карамель с огня, как только она приобретет требуемый нежно-коричневый цвет. В противном случае она станет темной и горькой.

Обычный сахар карамелизируется при температуре 170 °C, а глюкоза – уже при 150 °C.

Если вы хотите приготовить карамель из фруктозы, то сотейник или сковороду нужно нагреть всего до температуры 105 °C.

Советы кулинарам:

♦ Контролируйте температуру нагрева карамели с помощью кондитерского термометра или используйте кастрюли с крышками-термометрами.

♦ Для приготовления карамели, сиропов и варенья используйте сахарозу (сахар-песок).

Добавляйте в сиропы и карамель белки (сливки или молоко). Аминокислоты, содержащиеся в них, позволят вам добиться разнообразных оттенков вкуса и запаха.

Если вы хотите уменьшить кристаллизацию варенья, сиропа или карамели – добавьте каплю лимонного сока. Когда сахароза нагревается с присутствием кислоты, она распадается на монокомпоненты сахара. В кулинарии этот процесс называется «инверсия». Инверсия часто используется профессиональными кондитерами при приготовлении сладостей для уменьшения кристаллизации.

Сахара используются не только как «подсластители». Они также могут уменьшить горечь или кислоту либо подчеркнуть иные вкусовые свойства продукта. Мастера паназиатской кулинарии почти ни одно блюда не готовят без сахара. Сочетайте сахар с кислотой и используйте его в маринадах к мясу и рыбе. При жарке этих продуктов именно сахар позволит вам добиться фантастического вкуса блюд. Помните, сахара выступают основными компонентами в реакции Майяра, только они обеспечивают вкус и аромат горячих блюд. При этом не злоупотребляйте количеством такой «специи».

Сложные углеводы отличаются от простых лишь тем, что в них содержится гораздо больше молекул сахара и они формируют длинные молекулярные цепочки. Эта группа углеводов известна как полисахариды.

Сложные углеводы очень плохо усваиваются человеческим организмом. Существует огромное количество продуктов, насыщенных углеводами, которые просто физически не усваиваются пищеварительной системой млекопитающих и удаляются из организма почти без изменений. К таким углеводам, например, относится целлюлоза.

Сложные углеводы синтезируются растениями и находятся в растительных источниках. Сложные углеводы подразделяются на две основные группы – волокна и крахмал. Волокна – основные составляющие стенок клеток, а крахмал находится внутри клетки. Эти группы имеют различные свойства, и, несмотря на то, что обе они являются сложными углеводами, все же будут рассматриваться нами как отдельные группы.

Волокна – целлюлоза, пектин, гемицеллюлоза

Основные типы волокон, которые находятся в стенках клетки, – это целлюлоза, пектин и гемицеллюлоза. Каждое из них имеет несколько отличное строение, что отражается на том, как они ведут себя при нагреве и изменении pH (кислотности).

Кулинара должно интересовать то, что клеточные стенки растений играют важную роль в определении текстуры (формы поверхности) овощей и фруктов. Понимание того, как реагирует каждый из компонентов клеточных стенок на высокую температуру или pH, очень полезно для того, чтобы контролировать изменения внешнего вида овощей и фруктов в процессе приготовления пищи. Например, пектин действует как клей, удерживая вместе стенки клеток и, таким образом, играет важную роль в определении внешнего вида фруктов и овощей.

В свою очередь целлюлоза состоит из длинных прямых цепочек молекул глюкозы. Отсутствие боковых цепей позволяет молекулам целлюлозы лежать плотно друг к другу и образовывать очень жесткие структуры. Вы, конечно, помните, что целлюлоза – это основа деревьев.

В отличие от других волокон целлюлоза не подвержена химическому распаду под влиянием тепла или pH. Содержание целлюлозы в древесине и других растительных материалах – соломе, шелухе семян, кукурузных кочерыжках и т. п. составляет 13–43 %. Именно поэтому некоторые стеблевые растения крайне тяжелы в размягчении в процессе кулинарной обработки.

Теперь рассмотрим другой вид сложного углевода – крахмал.

Крахмал

Крахмал, в том или ином количестве, содержится почти во всех овощах. Есть два основных вида молекул крахмала, которые содержатся в овощах: амилоза и амилопектин. Они формируются из длинных цепочек молекул глюкозы и отличаются тем, каким образом эти молекулы глюкозы связаны вместе.

Крахмал, который содержится в пище, часто включает в себя смесь этих двух молекул, но обычно амилопектин составляет большую часть крахмала (от 70 до 85 %). Точное соотношение амилозы и амилопектина зависит от источника, из которого добывается крахмал, а так как молекулы амилозы и амилопектина ведут себя по-разному, то и крахмалы, полученные из различных источников, ведут себя иначе.

В кулинарии крахмалы применяются в качестве загустителей. В воде или иной жидкости длинные молекулы крахмала рассеиваются равномерно, и потому молекулы жидкости уже не двигаются интенсивно вокруг друг друга, жидкость будет течь не очень легко и станет гуще.

При соблюдении необходимых условий молекулы крахмала образуют «сеть», которая загустит жидкость до состояния геля. Аналогично этому ведут себя и денатурированные белки (речь о них пойдет ниже), которые могут быть использованы для удержания воды в пище, делая ее сочнее.

С течением времени «сеть» будет становиться крепче и крепче, так как будут образовываться новые связи, в результате гель начнет вытеснять воду (процесс называется «синерезис»). Крахмал – это производное от растительной ткани, где молекулы крахмала собраны в гранулы, очень тесно связанные вместе. Разрушить эти гранулы и высвободить крахмал можно только через нагрев ткани.

Как и другие основные компоненты продуктов питания, белки – это крупные молекулы, состоящие из повторяющихся меньших частичек остатков аминокислот. Однако, в отличие от составляющих других пищевых групп, они содержат атомы азота, углерода, водорода и кислорода.

Есть около двадцати различных аминокислот, обычно встречающихся в белках. Белки состоят из длинных цепей этих аминокислот, которые удерживаются вместе сильными связями, называемыми «пептидными связями». Их строение похоже на бусы. В этой аналогии «бусинки» представляют собой аминокислоты, а «шнурок» – связи между ними.

Так как существует множество различных аминокислот, каждая из которых может быть составляющей любой из других аминокислот, то и самих белков существует великое множество.

В кулинарии белки представлены в основном в мясных и рыбных продуктах, а также в яйцах, и в меньшей степени – в семенах.

Как известно, мясо животных на 75 % состоит из воды. Белки почти не существуют в природе без связи с водой. Некоторые аминокислоты содержатся внутри белков и как бы спрятаны в их оболочке. Другие аминокислоты находятся на поверхности и связаны с молекулами воды.

При этом белки имеют различные электрические заряды. Некоторые из них сильно связаны друг с другом, а некоторые – нет. Кулинарам очень важно понимать такую особенность белков, для того чтобы понять, почему одни виды продуктов питания более плотные, а другие – рыхлые, почему некоторые продукты прозрачны, а другие – нет.

Например, яичный белок прозрачен, потому что зазоры между цепями его белков пропускают свет.

Гидрофильные и гидрофобные группы белков

Белки делятся на две группы по принципу «особого отношения» с водой. Выделяют гидрофильные и гидрофобные группы белков. Ввиду того что белковые цепочки достаточно плотно свернуты в клубок, внутри него удерживается значительное количество воды. Когда белок разрушается, вода с большим содержанием белка выделяется наружу. Такая «вода» в пище называется ни чем иным, как «соком» блюда или продукта.

Во время приготовления пищи протекают физические и химические процессы, которые приводят к различным метаболическим изменениям белков.

Два наиважнейших процесса в кулинарии, описанные в органической химии, о которых настоящий кулинар должен знать почти все, – это «денатурация» и «коагуляция» белков.

Рассмотрим эти важнейшие кулинарные процессы подробнее.

Денатурация белков

Довольно слабые связи, которые удерживают трехмерную структуру белка, могут быть вполне легко разрушены. Для этого необходимо просто нагреть продукт, содержащий белок, или добавить немного кислоты (лимонной или уксуса), или приложить некоторое механическое усилие (например, прижать к сковороде или перемешать в кастрюле).

По мере того как связи, удерживающие белок в сложенном виде, разрушаются, белки разворачиваются в длинные цепочки, и защищенные ранее внутри белка аминокислоты попросту «вываливаются» наружу. Этот процесс и называется «денатурацией».

Кулинарный закон:

♦ Желудок человека гораздо легче переваривает денатурированные белки, чем любые другие.

Это означает, что сырая рыба (в суши и роллах) переваривается гораздо хуже, чем запеченная. Пища, приготовленная на огне, либо с добавлением соли и кислоты, переваривается гораздо лучше, чем сырая, соленая, вяленая или незначительно термически обработанная!

Быстрее всего белки денатурируются температурой, нежели кислотой, солью или путем механического воздействия, потому приготовить мясо можно гораздо быстрее на огне, нежели замариновав или законсервировав его (сушеное, вяленое мясо).

Денатурированные белки имеют много полезных функций в современном процессе приготовления пищи. В этой книге мы не раз еще вернемся к процессу денатурации белков. Они не только лучше перевариваются, чем сырые белки (их группы более доступны для переваривания ферментами), они – гораздо полезнее.

Как известно, яйца выступают простейшим источником белков, но усваиваются организмом гораздо хуже, чем денатурированные белки мяса или рыбы. Это связано с тем, что мясо, рыба и растительные источники содержат белки в сочетании с большим количеством других молекул (крахмала, жиров и др.).

Белки также выполняют другую, важнейшую в кулинарии, роль – они выступают естественными эмульгаторами.