Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Спосіб має значення!

Складниками нашого раціону переважно є продукти, оброблені кулінарно, консервовані, тривалого зберігання тощо, тобто з низьким умістом вітамінів та інших біологічно активних речовин. Як забезпечити необхідні організму нутрієнти? Тут у пригоді стануть знання з фізики й хімії. Ось кілька прикладів на підтвердження цього.

Нагрівання — операція, якій піддають більшість кулінарних творінь. У нашому розпорядженні мікрохвильова піч для нагрівання їжі, духовка з регульованою температурою, різноманітні сковорідки, герметичні каструлі для швидкого приготування, пароварки, мультиварки тощо. Термічним обробленням ви можете істотно поліпшити засвоюваність їжі, змінювати її мікроструктуру, запах і зовнішній вигляд.

Чому ж термічне оброблення поліпшує засвоюваність їжі? Річ у тім, що нагрівання приводить до зміни білків і крохмалю їжі, вони стають податливішими для подальшого розщеплення в нашому організмі. Ферментам травних соків легше проникати до «потрібних» їм молекул, коли оболонки й мембрани клітин тканин зруйновано. Структура продуктів харчування з високим умістом білків (наприклад, м’яса й риби) змінюється, передусім, за рахунок денатурації білків і, крім того, гідролізу (розщеплення в результаті реакції з водою) деяких з них.

Процес варіння впливає й на запах їжі. Наприклад, фрукти під час варіння втрачають леткі речовини, тож повітря навколо наповнюється ароматом. В інших випадках нагрівання за рахунок розпаду тих або інших компонентів харчового продукту може викликати появу нових запахів. Коли в карамельному виробництві варять цукрову патоку, з’являються запахи різних кетокислот й альдегідів — продуктів розпаду цукру й крохмалю. Альдегіди утворюються також унаслідок розщеплення деяких амінокислот. Часто нагрівання веде до часткового руйнування сульфуровмісних сполук, продуктами цих реакцій є меркаптани й навіть гідрогенсульфід — складник запаху вареної капусти.

Усі продукти — м’ясо, риба, овочі, борошняні вироби набувають коричневого кольору за температури понад 154 °С. Це є одним із зовнішніх ефектів реакції Майяра (Луї Каміль Майяр, 1878—1936, Франція). Унаслідок взаємодії між амінокислотами й цукрами утворюються речовини, які надають продуктам характерного кольору, смаку та запаху (мал. 4.8).

Мал. 4.8. Реакція Майяра в дії: 1 — Пітер Брейгель Старший1. Фрагмент картини «Фламандські прислів’я». Коли на рожні смажиться м’ясо, його треба крутити (тобто деякі речі, справи потребують безперервної уваги й участі; з ним не повернеш рожна — він не схильний до співпраці); 2 — Іов Адріансзон Беркхейде2 «Пекар»

1 Бл. 1525-1569, Нідерланди.

2 1630 - 1693, Голандія.

Процес гідролізу також є однією з причин зміни смаку. У деяких харчових продуктах гідроліз приводить до вивільнення амінокислот й осколків нуклеїнової кислоти, які самі по собі смаку не мають, але підсилюють, роблять гострішим той смак, який вже є в харчового продукту.

Нагрівання змінює й зовнішній вигляд їжі, що не завжди бажано. Правильно вибравши тривалість і температуру нагрівання, можна досягти бажаного результату.

Також кулінари й кулінарки вдаються до різних професійних хитрощів, щоб їжа була смачною, поживною та приваблювала око. Наприклад, підкислюють буряковий салат або червоний борщ лимонною кислотою, аби їхній колір був яскравішим (пригадайте, що таке природні індикатори, щоб науково обґрунтувати доцільність цього прийому). А ще додають у суп харчову соду, щоб запобігти небажаній зміні зеленого пігменту овочів. Як це працює? У сирих продуктах кислоти клітинного соку не мають доступу до хлорофілу, що міститься в протоплазмі, а внаслідок зсідання білків під час варіння стає можливою реакція хлорофілу із цими кислотами. Харчова ж сода (натрій гідрогенкарбонат) реагує з ними (складіть рівняння цієї реакції в скороченому йонному вигляді), тому хлорофіл не руйнується.

Ось які зміни (насправді їх набагато більше!) відбуваються під дією нагрівання в харчових продуктах. Та під час приготування їжі ви стикаєтеся й з іншими процесами, які належать до різних галузей науки. Як фізико-хіміки ви керуєте багатьма поверхневими явищами, особливо такими, що пов’язані з процесом денатурації білка. Часто на поверхні зварених супів і соусів утворюються плівка. Це результат денатурації білка, яка відбувається внаслідок абсорбції на межі повітря — рідина. Появи такої плівки можна уникнути, покривши поверхню розділу шаром розтопленого вершкового масла. З іншого боку, збиваючи яєчні білки для тістечка, ви навмисно інтенсифікує поверхневу денатурацію білка, тож жири перешкоджатимуть досягненню бажаного результату. Ось чому жовтки (уміст жирів у них становить близько 30 %) доводиться ретельно відокремлювати.

Також вам доводиться підпорювати емульсії — змішувати позмішуване. Наприклад, майонез — емульсія жиру у воді з високим умістом жиру. Тож під час приготування цього соусу, аби він не перетворився на емульсію води в жирі й не порушилася його структура, у суміш додають ретельно перемішаний яєчний жовток, який є хорошим емульгатором. Також його використовують як емульгатор для приготування іншої добре відомої емульсії жиру у воді — морозива. Аби стабілізувати емульсію під час заморожування, у неї додають молочні білки й желатин, який, зокрема, забезпечує однорідну, без зерен структуру морозива, діє як колоїдний агент, що запобігає зростанню великих крижаних кристалів.

Щодалі — більше! Якщо очищену від шкірки картоплю не залити водою, вона починає темніти. Це пояснюють тим, що феноли в ній окиснюються під дією ферментів і перетворюються на хінони, які полімеризуються з утворенням темних пігментів. Вода запобігає доступу кисню й окисненню фенолів картоплі. Підкислення розчину знижує активність ферментів, що сприяють окисненню, тож картопля ще ліпше збереже білий колір.

Кислоти застосовують у «кухонній хімії» і для інтенсифікування денатурації й гідролізу. Наприклад, м’ясо й рибу перед приготуванням маринують із застосуванням оцту, лимонного соку, кислого вина, кефіру тощо. Під дією кислот відбувається денатурація білків: їхні щільно упаковані волокна змінюють форму, розкручуються й стають пухкішими. Паралельно денатурації в кислому середовищі незначною мірою проходить гідроліз: довгі білкові нитки коротшають, що теж полегшує і перетирання м’яса щелепами, і його перетравлювання. Однак глибокий гідроліз може занадто сильно зруйнувати нитки білка, що призведе до втрати води з м’яса під час смаження на вогні. Тож унаслідок надто тривалого маринування смажене м’ясо буде надмірно жорстким.

Фізика на кухні

Добра то річ, що є в хаті піч!1 Основною частиною нагрівального електричного приладу (мал. 4.9) є нагрівальний елемент. Це провідника великим питомим опором, здатний не руйнуватися за нагрівання до високої температури (1000-1200 °С). Найчастіше для виготовлення нагрівальних елементів застосовують сплав нікелю, заліза, хрому та мангану, відомий як «ніхром». Великий опір, що його має ніхром, дає змогу виготовляти з нього дуже зручні, малі за розмірами нагрівальні елементи. У нагрівальному елементі провідник у вигляді дроту, стрічки чи спіралі намотують на каркас або прикріплюють до арматури з жаростійкого матеріалу — слюди чи кераміки. Цілком зрозуміло, що кожний, хто користується цими приладами, має знати їхню будову, правила користування та поточного ремонту.

Мікрохвильова піч також є знайомим для багатьох нагрівальним побутовим приладом, проте, на відміну від електричних плит і духових шаф, нагрівального елемента в ній немає. Не вдаючись до детального пояснення фізичних процесів, які відбуваються, принцип дії мікрохвильової печі можна пояснити так. Нагрівання їжі відбувається завдяки дії електромагнітних хвиль на молекули води, що містяться в продуктах. Електромагнітне поле, постійно змінюючи свій напрямок, змушує з високою частотою коливатися молекули, які вишиковуються вздовж силових ліній так, що всі позитивно заряджені частини молекул «дивляться» то в один, то в інший бік. Виникає молекулярне тертя, виділяється енергія, що й нагріває їжу.

Мал. 4.9. Нагрівальні прилади: 1 — електричний чайник; 2 — електроплита; 3 — мультиварка; 4 — пароварка; 5 — електросушарка

1 Українське прислів’я.

На кухні дедалі частіше використовують індукційні плити (мал. 4.10), в основі роботи яких закладено явище електромагнітної індукції, відкрите фізиком Майклом Фарадеєм1 ще в 1831 році. Він виявив, що в замкнутому контурі можливе виникнення електричного струму в разі зміни магнітного потоку, що проходить крізь цей контур. Є і зворотний процес, коли змінний струм створює змінне магнітне поле. За таким самим принципом працює й сучасна індукційна плита. Під склокерамічною нагрівальною панеллю (нейтральна до електромагнітних коливань) міститься індукційна котушка, якою тече електрострум із частотою 20-60 кГц. Цей струм створює змінне магнітне поле, яке також створює вихрові струми в тонкому шарі (скін-шарі) дна металевого посуду. Як і звичайний постійний струм, він викликає тепловий ефект. Ці струми не небезпечніші, ніж у звичайних електричних плитах. Та є певні вимоги до посуду. Він має бути сталевим або чавунним, оскільки ці матеріали мають феромагнітні2 властивості.

Мал. 4.10. Індукційна варильна поверхня: 1 — «наш піддячий любить борщ гарячий»3; 2 — «Чудеса? Ні, фізика!»

1. Уявіть, що ви збираєтеся придбати індукційну варильну поверхню, і запропонуйте: а) простий спосіб визначення того, чи підходять ваші сковорідки та каструлі для нагрівання на ній; б) спосіб усе ж використовувати «непридатний» посуд для нагрівання на електроіндукційній поверхні. 2. Проаналізуйте малюнок 4.10.2 та поясніть, чому шоколад плавиться на сковорідці й не плавиться на самій індукційній поверхні.

Де холодно, там не голодно! Дія побутового холодильника заснована на властивості рідин під час їхнього кипіння й випаровування поглинати тепло та віддавати його під час конденсування4 (мал. 4.11). Подібне явище можна спостерігати, протерши руки одеколоном. Рідина швидко випаровується, її внутрішня енергія зменшується — тож відчуватимемо прохолоду. У холодильнику є спеціальна замкнена вигнута трубка-змійовик, усередині якої за допомогою насоса (компресора) циркулює спеціальний зріджений газ (фреон), його називають холодоагентом. Заразу світі синтезовано понад чотири десятки різних фреонів, що відрізняються за властивостями й хімічним складом. Основні вимоги — це від’ємна температура кипіння за атмосферного тиску, конденсація за низького тиску, висока віддача холоду та безпечність для довкілля. Частина цієї трубки-змійовика розташована всередині холодильника, а частина — зовні.

1 1791-1867, Велика Британія.

2 Феромагнетики — речовини, що за температури, нижчої від певної критичної, здатні виявляти намагніченість без впливу зовнішнього магнітного поля.

3 3 українського прислів’я.

4 Перетворення пари на рідину.

Коли компресор прокачує рідкий фреон трубкою-змійовиком усередині холодильника (випарника), то холодоагент випаровується, перетворюється на газ і забирає тепло в стінки змійовика, тобто охолоджує їх і весь простір усередині холодильника. Коли той самий компресор подає той самий фреон у зовнішню частину трубки-змійовика (конденсатор), то холодоагент знову перетворюється на рідину (конденсується), віддає тепло, а потім знову надходить у випарник. За допомогою циркуляції холодоагенту в холодильнику постійно підтримується низька температура, — так працює холодильник (мал. 4.11).

Мал. 4.11. Холодильник. 1. Принцип дії. 2. Складники двокамерного холодильника: компресор (1), нагнітальна трубка (2), конденсатор (3), фільтр-осушувач (4), капілярна трубка (5), випарник морозильної камери (6), випарник холодильної камери (7), усмоктувальна трубка (8)

...Фільтруй! Виокремлюй! Учи!1 Що ми фільтруємо на кухні? Багато чого. Про це ви зможете розповісти самостійно, проаналізувавши малюнок 4.12 і, з огляду на повсякденний досвід, доповнивши візуальну інформацію, наведену на ньому, вербальною (зробіть це).

Мал. 4.12. Фільтруєте? Ну-ну... Свіжого сиру? Вівсяного киселю? Чаю? Кави?..

Та передовсім потрібно фільтрувати воду й повітря. Чому? Вашого повсякденного досвіду цілком достатньо, аби відповісти на це запитання (зробіть це, скориставшись інформацією, наведеною на малюнку 4.13).

1 Дуглас Кемпбел Коупленд, нар. 1961 — канадський письменник.

Мал. 4.13. Фільтруймо!

Ми знаємо, що харчування неабияк впливає на здоров’я, тривалість і якість життя людини, її працездатність, фізичний і розумовий розвиток, самопочуття й настрій. Та чи є повним це й перелік значення харчування? Як щодо зв’язку харчування з розвитком природничих наук, техніки й технологій, з економічними й соціальними чинниками? Щойно ви проаналізували інформацію про побутові прилади, які застосовують на кухні. Та чи уявляєте, які технології застосовують підприємства харчової промисловості? Над розробленням їх працюють науково-дослідні інститути! Для них інноваційний процес — це не просто частка щоденної роботи, а і єдина можливість подальшого розвитку. «Найбільша у світі компанія з виробництва продуктів харчування Unilever (близько 400 торговельних марок, серед яких Calve, Lipton, Hellman’s) з обігом 48 млрд доларів витрачає на наукові дослідження до 2,5 % від власного обсягу продажів.

Щодо технологічних інновацій, то до них на підприємствах харчової галузі доцільно віднести:

  • розроблення та впровадження технологій зберігання сировини, що є основою для виробництва харчових продуктів;
  • застосування ресурсозберігальних технологій, для яких характерні максимально корисний вихід готової продукції та мінімум відходів, на основі сучасних методів оброблення;
  • удосконалення технологічних процесів для скорочення часу виробничого циклу без втрати якості готової продукції;
  • розроблення та впровадження власних пакувальних ліній, що повністю відповідатимуть специфіці продуктів, які виготовляються;
  • удосконалення тари, упакування та способів перевезення.

Окрім підприємств харчової промисловості, розвиваються сільське господарство, тваринництво та рослинництво. Незабаром однорічні рослини можуть стати багаторічними. Ідеться про пшеницю, рис, кукурудзу, що забезпечують понад 70 % раціону людей. Якщо це вдасться, створення багаторічних зернових культур дасть змогу економити добрива, гербіциди й пальне. Зараз над виведенням багаторічних зернових працюють в Аргентині, Австралії, Китаї, Індії, Швеції та США.

Рис є основним продуктом харчування для половини населення планети. Тому щоб зробити страви з нього поживнішими, учені створили рис, збагачений білком. З нього також можна приготувати рисове молоко або борошно.

Ще одним напрямом удосконалення виробництва протеїновмісних продуктів є створення ферм комах. Саме так! Утримання ферми з худобою потребує багато землі для випасу та води, аби поїти тварин. Зі збільшенням населення планети утримувати худобу буде дедалі дорожче, на всіх м’яса не вистачить. До того ж скотарство негативно впливає на екологію.

Табл. 1. Ресурси, потрібні для виробництва протеїну масою 1 кг

Скільки живності потрібно, аби прогодувати людство протягом року (шт)?

З коровами пов’язана серйозна екологічна проблема. Ідеться про метан — парниковий газ, який виділяють жуйні тварини. У середньому корова виділяє метан масою 20 г у перерахунку на суху речовину масою кілограм у кормі. Півтора мільярди корів щорічно постачають в атмосферу кількість метану, еквівалентну вуглекислому газу масою 3—4 Гт, або 10 % від усієї антропогенної емісії, пов’язаної зі спалюванням викопного палива.

Одне з можливих рішень — перехід від скотарства до вирощування комах. Такі ферми вже активно розвиваються в Голландії та США: на них вирощують цвіркунів, ос, сарану, гусінь, коників, мурах тощо. Не обов’язково їсти комах у їх початковому вигляді. З них виготовляють протеїнову муку, з якої роблять стейки, бургери, протеїнові батончики тощо. Інша альтернатива стейку — штучно вирощена тканина (мал. 4.14).

Мал. 4.14: 1 — фітнес-батончики із цвіркунів; 2 — м’ясо з пробірки

Опишіть за малюнком 4.14.2 виробництво штучного м’яса, використавши такі словосполучення: «стовбурові клітини», «жива худоба», «поживне середовище», «м’язова тканина», «стовбурові клітини», «стимулює ріст», «смакові добавки й ароматизатори», «виготовляють фарш», «швидко діляться», «м’ясні вироби».

Загальні тенденції у сфері розвитку харчових технологій такі:

  • біоінформатика та дизайн харчових продуктів створюватимуть продукти, орієнтовані на індивідуальні потреби кожного споживача. Така персоналізація підвищить загальний добробут і допоможе в дотриманні персональної дієти;
  • генетика, синтетична біологія та дизайн їжі зменшать навантаження на традиційне сільське господарство за допомогою лабораторного виробництва їжі;
  • урбанізація стимулюватиме розвиток вертикальних ферм (мал. 4.15);

Мал. 4.15. Вертикаль

  • розроблення джерел енергії дасть змогу ефективніше використовувати сонячну й вітрову енергію, а також можливість добувати її з водоростей та біопалива.

Тенденції показують, що передовсім розвиватиметься функціональна їжа. На вигляд це будуть звичні продукти, проте вони міститимуть додаткові поживні елементи. Можливо, у майбутньому технології самі визначатимуть, що нам їсти на сніданок, обід або вечерю. Вони ж замовлятимуть і транспортуватимуть їжу із супермаркета до холодильника.

Учені вже розвивають нові способи виявлення сильних і слабких сторін організму людини й учаться визначати, які елементи, мінерали та вітаміни їй можуть бути необхідними, аби позбутися розвитку ймовірних хвороб.

Сучасний приклад функціональної їжі — дитяче харчування. Та згодом матимемо продукти з урахуванням кожного сегмента населення — оптимізовані для жінок, чоловіків і літніх людей або певної демографічної групи.

Їжу й надалі отримуватимемо з природних джерел. Однак спосіб її приготування може змінитися. Пригадайте, NASA від 2013 року розробляє для астронавтів технологію друкування їжі на 3D принтері. Така їжа, можливо, не найапетитніша, проте дуже функціональна, дає максимальне насичення й забезпечує підтримання здоров’я.

Своєчасне виявлення стійких небезпечних тенденцій і прогнозування у сфері харчування тепер є одним з найважливіших завдань науки про «правильну» їжу. Пам’ятаймо, що національна кухня, традиції харчування зумовлені тривалою адаптацією популяції до умов навколишнього середовища. Вони спираються на доступні ресурси й відповідають типу фізіологічної активності та необхідні для поповнення енергетичних затрат організму.

Укладіть список «Топ-10 українських страв» й аргументуйте свій вибір.