Химия поверхности приготовления пищи - Surface chemistry of cooking - Wikipedia

При приготовлении пищи несколько факторов, включая материалы, методы и температура, могут влиять на химию поверхности химических реакций и взаимодействий, которые создают пищу. Все эти факторы зависят от химических свойств поверхностей используемых материалов. Свойства материала посуды, такие как гидрофобность, шероховатость поверхности и проводимость, могут сильно повлиять на вкус блюда. Техника приготовления пищи принципиально изменяет пищу, создавая уникальную консистенцию и вкус. При выборе правильных ингредиентов необходимо учитывать температуру приготовления пищи.

Материалы в кулинарии

Взаимодействие между едой и сковородой очень зависит от материала, из которого она сделана. Независимо от того, является ли сковорода гидрофильной или гидрофобной, теплопроводность и емкость, шероховатость поверхности и многое другое определяют способ приготовления пищи.

Нержавеющая сталь

Самовосстанавливающиеся свойства нержавеющей стали таковы, что когда часть защитного оксидного слоя царапается, большая часть стали вступает в реакцию, снова оставляя поверхность защищенной.

Нержавеющая сталь считается нержавеющим, потому что содержит не менее 11% хрома по массе. Хром является относительно инертным металлом, не ржавеет и не реагирует так же легко, как обычная углеродистая сталь. Это делает его исключительным материалом для приготовления пищи. Он также довольно недорогой, но не обладает очень высокой теплопроводностью. С точки зрения поверхности, это происходит из-за тонкого слоя оксида хрома, который образуется на поверхности. Этот тонкий слой защищает металл от ржавчины и коррозии. Оксидный слой является защитным, но не очень проводящим, что делает приготовление пищи менее эффективным, чем могло бы быть. Для большинства способов приготовления пищи желательна высокая теплопроводность, чтобы создать равномерно нагретую поверхность для приготовления пищи. Таким образом, нержавеющая сталь обычно не считается высококачественной посудой.

С точки зрения поверхностного взаимодействия оксид хрома полярен. Атомы кислорода на поверхности обладают постоянным дипольным моментом и, следовательно, гидрофильны. Это означает, что вода смачивает его, а масла или другие липиды - нет.

Чугун

Шероховатая поверхность чугунной сковороды с полимеризованным масляным слоем, который означает, что сковорода приправлена.

Чугун посуда заправлена ​​маслом. Поверхность чугуна не очень гладкая; у него есть ямки и выступы, не способствующие варке. Обычно посуду заправляют маслом. В результате этого процесса остается тонкий слой масла в углублениях и поверх выступов на поверхности сковороды. Это тонкое покрытие действительно полимеризуется, делая его прочным и стойким. Это также предотвращает ржавчину чугуна, к чему он склонен. Масло, которое используется в приправленная сковорода сочетается с любой жидкостью, которая используется в процессе приготовления, и создает хороший контакт между сковородой и пищей. Несмотря на то, что чугун сам по себе плохо проводит тепло, масло делает сковородку эффективной, когда она находится при высокой температуре.

Другой эффект, который оказывает приправляющее масло, заключается в том, что поверхность чугунной сковороды становится гидрофобной. Это делает сковороду антипригарной во время приготовления, так как еда будет смешиваться с маслом, а не со сковородой. Это также облегчает очистку сковороды, но, в конечном итоге, слой полимеризованного масла, который сезонно сходит с него, и его необходимо повторно заправить.^[1]

Керамика

Керамика посуда (как сковороды, а не формы для запекания) не сделана из твердой керамики, а скорее представляет собой металлическую сковороду, обычно алюминиевую, с керамическим покрытием из наночастиц. Это делает поверхность мелкой шероховатой и приводит к тому, что раствор больше рассыпается и не прилипает к поверхности.

Обратной стороной является то, что увеличенная площадь поверхности означает меньший контакт поверхности с пищей, которая должна быть приготовлена, и, следовательно, имеет меньшую теплопередачу. К сожалению, поскольку поверхность в порядке, со временем ее можно поцарапать, и в первую очередь теряется польза от ее наличия.^[2]

Политетрафторэтилен (тефлон)

Политетрафторэтилен (обычно называемый DuPont торговая марка Teflon) представляет собой полимер, который используется в качестве покрытия для посуды с антипригарным покрытием. Полимер представляет собой полиэтилен цепочка с атомами фтора, заменяющими атомы водорода. Благодаря прочности углеродно-фторных связей он не реагирует на большинство вещей. Кроме того, фтор, связанный с углеродом, не образует водородных связей,^[3] и это вместе с относительно слабым Лондонские силы рассеивания В результате тефлон плохо прилипает к другим веществам. Тефлон имеет третий по величине коэффициент трения среди всех известных твердых тел.^{[нужна цитата ]} Это также относительно дешево и очень распространено.

К недостаткам тефлона можно отнести то, что его можно поцарапать и попасть в пищу в процессе приготовления. Другая проблема заключается в том, что тефлон начинает разрушаться при температуре около 350 ° C и может выделять ядовитые газы фторуглерода. Последняя проблема заключается в том, что для приклеивания тефлона к сковороде используется поверхностно-активное вещество называется перфтороктановая кислота (ПФОК), которые также могут разрушаться при высоких температурах и отравлять пищу.

Силиконовый

Силиконовый это термостойкая резина, инертная и нетоксичная. Это полимеры, которые обычно имеют кремний-кислородный каркас с метильными лигандами. Довольно инертные метильные группы не очень реакционноспособны, поэтому силикон имеет довольно низкий коэффициент трения. Как и тефлон, это делает их антипригарными и легко чистится. Они также устойчивы к очень высоким температурам из-за прочных связей между всеми атомами. Это означает, что их можно запекать или использовать вместе с горячим маслом.

Силикон имеет очень специфическое применение в качестве кухонной посуды, поскольку он не является жестким. Большая часть силикона, используемого в кулинарии, имеет форму шпателей или форм, и поэтому они служат другой цели, чем ранее обсуждавшиеся материалы.

Взаимодействие техник приготовления

Методы приготовления можно разделить на две основные категории: методы приготовления на масляной и водной основе. Технологии на масляной и водной основе основаны на испарении воды для приготовления пищи. Технологии приготовления на масляной основе имеют значительные поверхностные взаимодействия, которые сильно влияют на качество продуктов, которые они производят. Эти взаимодействия происходят из-за того, что полярные молекулы масла взаимодействуют с поверхностью пищи. Методы, основанные на воде, имеют гораздо меньше взаимодействий с поверхностью, влияющих на качество пищи.

Сковорода

Сковорода это метод приготовления на масляной основе, который обычно используется для обжаривания больших кусков мяса или для полного приготовления более тонких кусков. В этой технике для покрытия сковороды используется тонкий слой нагретого масла. Масляный слой - это способ передачи тепла между горелкой и пищей.

Водяной пар является важным компонентом жарки на сковороде. Сырые мясные продукты содержат до 73% воды.^[4] Мясо готовится путем испарения этой воды. Когда вода испаряется, она покидает мясо через поры на поверхности мяса. Еще один источник водяного пара - это Реакция Майяра. Эта реакция является причиной того, почему мясо и многие другие пищевые продукты становятся коричневыми при приготовлении. Эта реакция происходит только при высоких температурах. Водяной пар является побочным продуктом реакции Майяра.

Молекулы воды создают физический барьер между белками на поверхности мяса и молекулами триглицеридов в масле.

При жарке на сковороде вода, выходящая из мяса, образует барьер между мясом и маслом или поверхностью сковороды. Этот барьер имеет решающее значение для успешной жарки мяса на сковороде. Когда мясо готовится, белки на поверхности мяса денатурируются из-за тепла. Это означает, что многие вторичные связи, которые придают белкам их форму, разорваны. Белковые молекулы хотят реформировать эти взаимодействия, чтобы вернуться в их наиболее термодинамически стабильное состояние. Два подходящих места для связывания поверхностных белков - это масло и поверхность сковороды. Прилипание мяса к дну сковороды вызвано взаимодействием белков на поверхности мяса с молекулами на поверхности сковороды. Денатурированный белок также может связываться с маслом на сковороде. Это нежелательно по многим причинам, связанным со здоровьем и вкусом. Поскольку белки, молекулы масла и, в некоторых случаях, поверхность сковороды обладают значительной полярностью, сила их взаимодействия может быть высокой.

Сила взаимодействия между белком и маслом или поверхностью сковороды моделируется уравнением кулоновской силы:

${\displaystyle {F}={\frac {Q_{1}Q_{2}}{4\pi \mathrm {D} ^{2}\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}}}}$^[5]

Где ${\displaystyle {Q}}$ представляет собой заряд в кулонах на каждом объекте, ${\displaystyle {D}}$ представляет собой расстояние между двумя объектами в метрах, ${\displaystyle {\varepsilon _{0}}}$ представляет собой постоянную диэлектрической проницаемости вакуума, которая составляет 8,85 ... x 10⁻¹² фарады на метр и ${\displaystyle {\varepsilon _{r}}}$ представляет собой относительную диэлектрическую проницаемость окружающего материала в фарадах на метр.

Ценность каждого отдельного взаимодействия может быть небольшой, но когда есть миллионы взаимодействий, общая сила может быть заметна. Присутствие воды снижает силу этих аттракционов тремя способами. Вода устанавливает физическое расстояние между маслом или сковородой и белками на поверхности мяса. Это увеличивает ${\displaystyle D^{2}}$ значение в уравнении. Вода также имеет высокое значение диэлектрической проницаемости (${\displaystyle \varepsilon _{r}}$). Оба они увеличивают значение знаменателя и уменьшают значение возможной силы. Вода также является полярной молекулой, что означает, что в некоторых случаях она может связываться с денатурированными белками. Связывание воды с белками на поверхности мяса не влияет на процесс приготовления мяса.

Фритюр

Фритюр это еще одна техника приготовления на масляной основе, похожая на жарку на сковороде. Однако при жарке во фритюре весь продукт погружается в масло. Таким образом, между пищей и емкостью с маслом не должно быть взаимодействия. Все взаимодействия будут происходить между пищей и маслом.

Часто перед жаркой пищу покрывают жидким тестом. Это исключает взаимодействие денатурированных белков мяса и масла. При жарке во фритюре взаимодействие происходит главным образом на границе раздела жидкого теста и масла. Для правильного жарения температура масла должна превышать 163 ° C.^[6] Когда жидкое тесто, которое обычно на водной основе, вступает в контакт с высокотемпературным маслом, вода в нем мгновенно испаряется. Это испарение обезвоживает жидкое тесто и вызывает хрустящую корочку, характерную для жареных во фритюре продуктов. Как и при жарке на сковороде, водяной пар, покидающий тесто, создает пограничный слой между маслом и пищей. Из-за большой площади поверхности пищи, контактирующей с маслом, и ограниченного количества воды, хранящейся в жидком тесте, этот пограничный слой не сохраняется так долго, как при жарке на сковороде.

Пограничный слой водяного пара снова служит цели предотвращения взаимодействия между маслом и поверхностью пищи. Даже когда пограничный слой воды разрушается, первоначальное взаимодействие между маслом и жидким тестом будет минимальным. Масло переместится в пустоты, оставшиеся в жидком тесте в результате испарения воды. На этом этапе связь между жирными кислотами в масле и неполярными углеводородами, составляющими большую часть жидкого теста, очень слабая. Однако полярная часть молекулы триглицерида действительно начинает индуцировать диполи в углеводородных цепях, составляющих тесто.

При длительном нагревании триглицериды в масле начинают разрушаться. Это означает, что молекулы глицерина и цепи жирных кислот начинают разрушаться. При этом масло становится более полярным. Когда масло становится более полярным, Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия между глицерином и углеводородами начинают усиливаться. В этом случае диполь на глицерине индуцирует диполь в углеводородной цепи. Сила дипольных дипольных взаимодействий может быть смоделирована комбинацией взаимодействий Дебая, Кизома и Лондона посредством сложения.

Дебай:^[5]

${\displaystyle {V}={\frac {M_{1}^{2}\alpha _{2}+M_{2}^{2}\alpha _{1}}{-\left(4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\right)^{2}\mathrm {r} ^{6}}}}$

Кисом:^[5]

${\displaystyle {V}={\frac {-2\left(M_{1}M_{2}\right)^{2}}{3\left(4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\right)\mathrm {r} ^{6}\mathrm {k} _{b}\mathrm {T} }}}$

Лондон:^[5]

${\displaystyle {V}={\frac {-3\left(\alpha _{1}\alpha _{2}\right)^{2}}{2\left(4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\right)^{2}\mathrm {r} ^{6}}}\left({\frac {\mathrm {h} \mathrm {V} _{1}\mathrm {V} _{2}}{\mathrm {V} _{1}+\mathrm {V} _{2}}}\right)}$

Где ${\displaystyle M_{1}}$ и ${\displaystyle M_{2}}$ - заряды на длину в кулоновских метрах, ${\displaystyle \alpha _{1}}$ и ${\displaystyle \alpha _{2}}$ - поляризуемость в единицах См · м²· V⁻¹, ${\displaystyle {\varepsilon _{0}}}$ представляет собой постоянную диэлектрической проницаемости вакуума, которая составляет 8,85 ... x 10⁻¹² фарады на метр, ${\displaystyle {\varepsilon _{r}}}$ представляет собой относительную диэлектрическую проницаемость окружающего материала в фарадах на метр, ${\displaystyle \mathrm {k} _{b}}$ постоянная Больцмана, ${\displaystyle T}$ - температура в единицах Кельвина, ${\displaystyle r}$ расстояние между молекулами в метрах, а ${\displaystyle hV}$ термины относятся к энергиям ионизации молекул.

При наличии водного пограничного слоя значение εr очень велико. Присутствие воды также увеличивает значение ${\displaystyle r}$. С ${\displaystyle r}$ возводится в шестую степень, любое увеличение значительно увеличивается. Оба они служат для значительного уменьшения взаимодействия между маслом и жидким тестом. По мере разложения масла его поляризуемость увеличивается. Это значительно увеличивает силу лондонского и дебаевского взаимодействия и, следовательно, их комбинации. По мере того, как сила взаимодействия увеличивается, увеличивается количество масла, которое невозможно удалить из пищи. Это приводит к жирной, жирной и нездоровой пище.

Приемы приготовления на водной основе

Существует множество техник приготовления, в которых масло не используется в процессе приготовления, например пропаривание или же кипячение. Технологии на водной основе обычно используются для приготовления овощей или других растений, которые можно употреблять в пищу. Когда масло отсутствует, метод передачи тепла к пище обычно представляет собой водяной пар. Молекулы водяного пара не имеют каких-либо существенных поверхностных взаимодействий с поверхностью пищи. Поскольку пища, в том числе овощи, готовится путем испарения воды внутри пищевого продукта, использование водяного пара в качестве режима теплопередачи не влияет на химические взаимодействия на поверхности пищи.

Важность температуры приготовления на интерфейсах

Понимание роли температуры в приготовлении пищи является важной частью создания изысканной кухни. Температура играет жизненно важную роль при приготовлении почти каждой еды. Многие аспекты приготовления пищи зависят от правильного обращения с коллоидами. Такие вещи, как соусы, супы, кремы и сливочное масло, создаются путем создания или разрушения коллоида. Тепло играет жизненно важную роль в жизни коллоида, поскольку баланс между тепловым возбуждением и молекулярным взаимодействием может склонить чашу весов в пользу суспендирования или коагуляции и, в конечном итоге, коалесценции. В некоторых случаях, например, в соусах, содержащих сыры, нагревание соуса до слишком высокой температуры приведет к слипанию и испорчению соуса.

Дымовые точки масел

В точка дыма любого масла определяется температурой, при которой голубой дым поднимается с поверхности. Дым, содержащий акролеин, вызывает раздражение глаз и удушает. Температура дымления масел сильно различается. В зависимости от происхождения, степени очистки, возраста и условий роста источника температура дыма для любого данного типа нефти может упасть почти на 20 ° C. Например, температура дымления оливкового масла может варьироваться от подходящего для жарки при высокой температуре до безопасного использования только для жарки с перемешиванием. По мере очистки растительного масла температура его дымности увеличивается. Это потому, что многие примеси, содержащиеся в натуральных маслах, способствуют их разложению. Как правило, чем легче масло, тем выше его температура дымления. Важно выбрать подходящее масло для каждого метода приготовления и температуры, поскольку кулинарные масла быстро разлагаются при нагревании до температуры дымления. Не рекомендуется употреблять масла, нагретые до температуры выше точки дымления, поскольку образующиеся химические вещества являются канцерогенами.

Растительное масло	Температура дыма (° C / ° F)
Масло сливочное	175 / 347[7]
Сало	190 / 374[7]
Кунжут	210 / 410[8]
Семя винограда	252 / 486[8]
ладонь	232 / 450[9]
Соя	257 / 495[9]

Рекомендации

1. Кантер, Шерил. Химия приправы для чугуна: научное руководство. http://sherylcanter.com/wordpress/2010/01/a-science-based-technique-for-seasoning-cast-iron/ . 28 января 2010 г.
2. Вейль, Эндрю, доктор медицины, Q и А. http://www.drweil.com/drw/u/QAA400862/Are-Nonstick-Ceramic-Pans-Better.html . 18 января 2011 г.
3. Дуниц, Джек Д .; Тейлор, Робин (1997). «Органический фтор почти никогда не допускает водородных связей». Химия - европейский журнал. Wiley-VCH. 3 (1): 89–98. Дои:10.1002 / chem.19970030115. Получено 13 июн 2020.
4. «Вода в мясе». Служба безопасности пищевых продуктов и инспекции. Министерство сельского хозяйства США, 23 мая 2011 г. Web. 29 мая 2012 года. <«Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2012-06-09. Получено 2012-06-07.>.
5. Батт, Ханс, Х. Граф и Майкл Каппл. Физика и химия интерфейсов. 2nd., Rev. и энл. изд. Weinheim: Wiley-VCH, 2006. Печать.
6. Альфаро, Данило. «Фритюрница: как жарить во фритюре продукты». Кулинарное искусство. About.com, n.d. Интернет. 29 мая 2012 года. <http://culinaryarts.about.com/od/dryheatcooking/a/deepfrying.htm >.
7. Альфаро, Данило. «Дымовые точки жиров». Кулинарное искусство. About.com, n.d. Интернет. 29 мая 2012 года. <http://culinaryarts.about.com/od/culinaryreference/a/smokepoints.htm >.
8. Дин, Джон. "Нагревание оливкового масла". Источник оливкового масла. About.com, 20.09.2007. Интернет. 29 мая 2012 года. <http://culinaryarts.about.com/od/culinaryreference/a/smokepoints.htm >.
9. Чу, Майкл. «Дымовые точки различных масел». Готовим для инженеров. About.com, 10.06.2004. Интернет. 29 мая 2012 года. <http://www.cookingforengineers.com/article/50/Smoke-Points-of-Various-Fats >.