Ну тут наука прям, гоже Диффузия
Как мы знаем продукты можно готовить различными способами, но все они приводят к многочисленным вариантам фазовых превращений. Мы узнали, что печенье и стейк приобретают свою роскошную текстуру за счет нагрева, севиче приготавливается, поглощая кислоту, а паста — впитывая воду. Несмотря на очевидные различия, все эти блюда тем не менее объединяет одна базовая характеристика, лежащая в основе их рецептов. Можете догадаться, что же это? Севиче имеет белый «приготовленный» наружный слой и розовую сырую серединку. Стейк обычно подрумянен снаружи, но со всем другой внутри, в диапазоне от мяса с кровью до хорошо прожаренного, в зависимости от времени приготовления. Даже паста, если присмотреться, обычно имеет твердую серединку, окруженную более мягким тестом — по крайней мере, если она приготовлена аль денте.
Мы видим, что в каждом из этих блюд что-то произошло снаружи, но это что-то не произошло внутри (пока). В каждом случае некий элемент проникает в продукт снаружи, изменяя текстуру, а порой еще цвет, вкус и запах. В случае со стейком этот элемент, ясное дело, тепло. Тепло приготавливает наружную часть мяса, однако центр остается по большей части сырым. В случае севиче этим элементом является лимонный сок: кислотность сока придает рыбе приготовленный вид. В случае с пастой работает вода. Когда вы варите спагетти, вода медленно меняет твердое тесто пасты, придавая ему желеобразную текстуру, а сердцевина обычно остается еще недоваренной. Но каков же механизм, за счет которого эти разнообразные элементы — тепло, лимонный сок и вода — попадают внутрь продукта? Несмотря на всю их непохожесть, это происходит за счет одного и того же процесса — процесса, который настолько распространен и важен для кулинарии, что проявляется в самых разнообразных рецептах. Управление этим процессом — ключ к успешной реализации рецепта, и умелый повар умело им распоряжается. Без полного контроля над ним паста расползается, стейк оказывается пережаренным, а растопленный шоколад внутри кекса застывает.
Так что же это за таинственный процесс?
Диффузия невооруженным глазом - Научное название этого важнейшего процесса —диффузия. Когда что-то диффундирует, невооруженным глазом можно наблюдать только результаты, но не сам процесс. Вы увидите изменения текстуры и цвета, вызванные нагревом или лимонным соком, а со временем сможете наблюдать, что эти изменения проникают все глубже и глубже внутрь продукта. Вот пример того, как это может выглядеть. Вспомните рецепт рикотты, который мы рассмотрели тут https://vk.com/typical_cook?w=wall-32169312_2200827
В этом рецепте мы выяснили, что добавление уксуса или лимонного сока и нагрев до 93 °С заставляет молоко створожиться, то есть белки молока коагулируют. Что, если бы мы могли включить зум и посмотреть, что происходит? На рисунке 1 именно это и показано. Помещая на предметном стекле рядом каплю молока и каплю уксуса и наблюдая за их смешиванием, мы, по сути, готовим крошечную порцию рикотты.
Если бы вы могли посмотреть в микроскоп до того, как капли смешались, то увидели бы, что в молоке содержится множество крошечных капель, которые непредсказуемо перемещаются во все стороны. Это шарики жира. На самом деле тот факт, что они двигаются, — само по себе удивительное открытие: кто бы мог подумать, что составные части молока вот так дергаются? На самом деле все частицы в растворе двигаются. Это называется броуновским движением — и, как мы увидим, это явление невероятно важно для данной главы.
На следующем этапе молоко и уксус смешиваются. Представьте, что продолжаете смотреть в микроскоп на дергающиеся шарики жира в молоке. Когда капли начнут смешиваться, вы увидите, как уксус врывается в поле зрения с одной стороны, а когда он продолжит распространяться внутрь, движение внезапно прекратится! Когда уксус добирается до молока, оно становится совершенно неподвижным. По мере того как по молоку будет распространяться все больше уксуса, все более обширная область под микроскопом станет прекращать движение. То, что вы только что «видели», и есть понятие диффузии. По мере своего продвижения уксус заставляет белки молока разворачиваться и формировать новые связи. Двигавшиеся шарики жира были пойманы этой белковой сетью, которая их остановила. Мы создали гель — и вы наблюдали за процессом.
Когда вы думаете о приготовлении шоколадного кекса с текучей серединкой, стейка, пасты или сферифицированного горохового сока, вам следует воображать сходный процесс диффузии. Диффундирующий элемент поступает в продукт, и по мере его проникновения вглубь подвергшаяся воздействию область растет. В шоколадном кексе, стейке и сферифицированном гороховом соке диффузия оставляет за собой более твердое вещество; для пасты основной принцип тот же, но материал, наоборот, становится мягче, поскольку в него диффундирует сама вода.
Диффузия и случайное блуждание - Давайте посмотрим на все при еще большем увеличении. Как процесс диффузии выглядит на молекулярном уровне? Как именно лимонный сок, тепло или другие диффундирующие элементы двигаются сквозь продукты?
При большом увеличении вы увидите, что суть диффузии — случайное движение молекул. Все молекулы обладают внутренней энергией, которая заставляет их слегка подергиваться. Когда температура повышается, молекулы дергаются сильнее, а когда падает — слабее. При этом каждую молекулу пихают окружающие молекулы, которые также двигаются. Таким образом, каждую молекулу случайным образом толкают во все стороны. И действительно, в предыдущем эксперименте именно это движение заставляло шарики жира двигаться в молоке, пока уксус не развернул белки и не остановил перемещение молекул, создав рикотту.
Спустя какое-то время в результате этого подергивания молекула отходит на какое-то расстояние от своего первоначального места. Вам это кажется странным? Представьте себе, будто стоите в центре очень большой толпы. Люди вокруг случайно толкают вас в разные стороны. Со временем вы сдвинетесь на какое-то расстояние, даже не прилагая к этому усилий и не заметив этого. Нечто похожее наблюдается и с молекулами. Говоря научным языком, происходит «случайное блуждание» молекулы.
История случайного блуждания: Пирсон, Эйнштейн и Башелье Понятие случайного блуждания в научную литературу первым ввел знаменитый статистик Карл Пирсон. Он сформулировал его в письме в журнал Nature в 1905 году. Тогда, как и сейчас, Nature был одним из крупнейших научных журналов. В то время в публикуемых в нем статьях допускалось задавать вопросы, а не предлагать ответы, как это принято сейчас. Пирсон описал прогулку пьяницы (предположим, что человек подбрасывает монетку; если выпадает орел, человек делает шаг вправо, а если решка — то влево), назвав процесс непредсказуемого перемещения вправо или влево случайным блужданием, и попросит читателей журнала помочь ему с математическим описанием этого процесса.
Пирсон и не подозревал, что на этот вопрос уже ответили, и не один человек, а двое — и совершенно независимо друг от друга.
Первым ответившим был молодой человек, которого звали Альбертом Эйнштейном. Вероятно, вы уже о нем слышали — его обычно вспоминают как изобретателя какой-то непонятной физики, — но, пожалуй, самой важной его работой была статья о случайном блуждании. (И уж точно это его единственная статья, которая важна для кулинарии, по крайней мере пока людям не понадобится понять, как испечь шоколадный кекс внутри черной дыры!) В статье от 1904 года «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярной теорией теплоты» Эйнштейн предложил нечто очень близкое к процессу, который мы только что описали, говоря о приготовлении рикотты на предметном стекле микроскопа. Однако, вместо того чтобы добавлять уксус, Эйнштейн просто изучал молоко. Вспомните, как шарики молочного жира беспорядочно двигались под микроскопом до добавления уксуса. Эйнштейн отметил, что причина движения шариков жира в том, что на них налетают другие молекулы молока. И спросил себя, какими могут быть характеристики этого процесса.
Если задуматься, этот процесс очень похож на случайное блуждание, описанное Пирсоном. Действительно, представьте себе шарик жира, окруженный другими молекулами и шариками. Иногда молекулы справа оттолкнут этот шарик влево, а иногда молекулы слева оттолкнут его вправо. Шарик жира будут случайно толкать в обе стороны. В своей статье Эйнштейн дал математическое описание этого поведения, основную формулу которого мы вскоре введем.
О втором человеке, ответившем на вопрос Пирсона, вы, вероятно не слышали: это Луи Башелье, который в тот момент тоже был молод. Башелье, ученик великого математика Анри Пуанкаре, заинтересовался совершенно иным явлением, а именно движением курса акций. Он захотел создать модель, математическое описание того, как курсы акций изменяются со временем. Если вы выберете какие-либо акции и понаблюдаете за ними, то увидите, что в зависимости от различных случайных факторов иногда их курс поднимается, а иногда — опускается. На первый взгляд это тоже случайное блуждание, и, действительно, именно такой была гипотеза Башелье. Сейчас нам известно, что изменение курса акций несколько сложнее, но тем не менее выведенная им формула была математическим описанием, идентичным тому, которое предложил Эйнштейн.
Уравнение диффузии - В итоге Пирсон, Башелье и Эйнштейн создали математическое уравнение, которое описывает диффузию. До сих пор в этой книге мы воздерживались от демонстрации уравнений, однако оно настолько важно для кулинарии, что мы обязаны им поделиться. Возможно, нам даже удастся убедить вас им пользоваться. Это уравнение позволяет рассчитать расстояние, пройденное фронтом диффузии, как функцию времени. Короче, вот оно:L2 = 4Dt
Здесь L — это расстояние, пройденное фронтом диффузии, a t — время с момента начала его движения. D называется коэффициентом диффузии, и он разный для различных материалов. Коэффициент диффузии для воды отличается от коэффициента для тепла, а он, в свою очередь, не тот, что коэффициент диффузии для лимонного сока. На рисунке 2 приведены величины коэффициента диффузии тепла. Как видите, эти продукты имеют очень сходные коэффициенты диффузии, и все они очень близки к диффузии тепла в воде, которая имеет D = 0,0014 см2/сек. Дело в том, что, как вы, возможно, помните, большая часть продуктов состоит главным образом из воды. Таким образом, наше уравнение демонстрирует удивительный факт: существует всеобщий закон распространения тепла по пищевым продуктам, и он един для всех продуктов. Представьте себе.
Что это значит? Чтобы разобраться, давайте испытаем наше уравнение в эксперименте — приготовим шоколадный кекс с текучей серединкой. Рецепт говорит, что нужно сделать тесто, вылить его в формочку, а потом выпекать около 12 мину.
ШОКОЛАДНЫЙ КЕКС С ТЕКУЧЕЙ СЕРЕДИНКОЙ
130 г крошки темного шоколада
100 г сахара
120 г сливочного масла
60 г пшеничной муки
2 яйца плюс 2 желтка
Щепотка соли
1. Разогрейте духовку до 175 °С. Сбрызните восемь рамекинов антипригарным кулинарным спреем.
2. В маленьком сотейнике растопите масло и шоколад на слабом огне, постоянно помешивая.
3. В миске среднего размера слегка взбейте яйца, желтки и сахар.
4. В другой миске смешайте муку и соль.
5. Медленно добавляйте шоколадную смесь к яичной, непрерывно мешая венчиком.
6. Понемногу добавьте во влажные ингредиенты мучную смесь и тщательно перемешайте. Проследите, чтобы мука полностью разошлась.
7. Наполните подготовленные рамекины тестом чуть больше, чем наполовину (от 1,5 до 2 см до края).
8. Поставьте формочки в духовку на средний уровень и выпекайте 12 минут.
9. Подавайте кексы теплыми — вкуснее всего с шариком мороженого сверху!
Шоколадный кекс с текучей серединкой, лава-кейк, moelleux au chocolat... Как бы вы ни назвали это лакомство, сочетание нежного теста с сюрпризом в виде жидкой начинки нравится всем. Кекс с текучей серединкой на самом деле просто недопеченный кекс, внутри которого осталось полужидкое тесто. Именно по этой причине рецепт с самого начала используется в курсе «Наука и кулинария» для изучения диффузии. При выпекании тесто по краям нагревается до температуры, при которой оно твердеет и формирует «фронт корки», продвигающийся к центру. Если бы в процессе выпекания вы замеряли температуру, то смогли бы вычислить константу диффузии для теста. В лабораторной работе мы используем специальный термометр с несколькими зондами, помещенными на различном расстоянии от центра кекса.
Что наше уравнение скажет о том, насколько далеко тепло пройдет за 12 минут? Чтобы это выяснить, нам нужно подставить в уравнение значения для t и D. Время составило 720 секунд, а коэффициент диффузии тепла для воды равен 0,0014 см2/сек. Тогда наше уравнение говорит, что расстояние, которое тепло пройдет за это время, равно примерно 2 см, что даст вполне разумную толщину корки для кекса с текучей серединкой.
L = V4Dt = V4 х 0,0014 см2/сек х 720 сек = 2 см
А теперь вам стоит испечь этот кекс самостоятельно и проверить, работает ли уравнение!
Наше уравнение диффузии тепла удивительно тем, что точно так же можно рассчитать, сколько времени нужно готовить стейк средней прожарки или когда полностью промаринуется рыба в севиче. Обычно для средней прожарки рекомендуется жарить стейк примерно по 5 минут с каждой стороны. Согласно нашему уравнению, за это время тепло диффундирует на 1,3 см. Умножьте на два для каждой стороны — и получите величину, близкую к толщине обычного стейка.
В севиче диффундирующий элемент не тепло, а ионы водорода — те молекулы лимонного сока, которые в итоге обеспечивают приготовление рыбы. Скорость движения ионов водорода отличается от скорости тепла. Наше уравнение остается тем же, но значение коэффициента диффузии изменится. Для ионов водорода оно составляет D = 0,000005 см2/сек. Если мы воспользуемся нашим уравнением, то выясним, что ионы водорода за 12 часов проходят 0,9 см. Если вы когда-нибудь готовили севиче так, чтобы рыба полностью промариновалась, то знаете, что это достаточно точно. Часто мы мелко нарезаем рыбу перед тем, как положить в лимонный сок; это означает, что ионам нужно будет преодолеть меньшее расстояние, соответственно и времени им понадобится меньше.
Многие современные рецепты рекомендуют мариновать севиче гораздо меньше. Шеф Вирхилио Мартинес держит рыбу в маринаде меньше минуты, что, согласно нашему уравнению, позволяет ионам пройти всего 0,3 мм. Они едва успевают вообще попасть в рыбу, так что в результате получается очень тонкий приготовленный слой — такое севиче почти не отличается от рыбы в суши.
