Наука о теплоте и температуре

Это эксклюзивный отрывок из моей книги «Лаборатория еды: Лучшая домашняя кулинария через науку» — грандиозное исследование мира науки о продуктах питания и того, как она может сделать повседневную домашнюю кулинарию проще и вкуснее. Она уже в продаже везде, где продаются книги, или в Интернете.

Что такое кулинария?

Я знаю, что вам не терпится приступить к приготовлению пищи, но сначала ответьте на следующий вопрос: Что такое кулинария?

Если вы моя жена, то ваш ответ будет: «Это то, что вы делаете, когда в ваших глазах появляется безумный взгляд». Великий шеф-повар может сказать вам, что кулинария — это жизнь. Моя мама, вероятно, сказала бы, что это рутина, а тетя моей жены сказала бы вам, что кулинария — это культура, семья, традиции и любовь. И да, кулинария — это все перечисленное, но вот более технический способ подумать об этом: Кулинария — это передача энергии. Это применение тепла для изменения структуры молекул. Это стимулирование химических реакций для изменения вкуса и текстуры. Это наука о том, как сделать вкусные вещи вкусными. И прежде чем мы начнем понимать, что происходит, когда мы жарим гамбургер на гриле, или даже каким оборудованием нам следует оснастить свою кухню, мы должны сначала вбить в голову одну очень важную концепцию, поскольку она повлияет на все, что мы делаем на кухне, начиная с того, какие кастрюли и сковородки мы используем. Это: Тепло и температура — это не одно и то же.

В самом простом смысле приготовление пищи — это передача энергии от источника тепла к продуктам. Эта энергия вызывает физические изменения в форме белков, жиров и углеводов, а также ускоряет скорость протекания химических реакций. Интересно то, что в большинстве случаев эти физические и химические изменения являются необратимыми. После того, как форма белка была изменена путем добавления к нему энергии, вы не можете изменить ее обратно, удалив эту энергию. Другими словами, стейк нельзя отварить.

Различие между теплом и температурой может быть одной из самых запутанных вещей на кухне, но понимание этой концепции необходимо для того, чтобы стать более рациональным поваром. На собственном опыте мы знаем, что температура — это странная мера. Ведь почти каждый из нас ходил в шортах в 60-градусную погоду и ощущал нелепый холод, прыгая в 60-градусное озеро, верно? Почему в одном случае нам холодно, а в другом нет, хотя температура одинаковая? Позвольте мне попытаться объяснить.

Тепло — это энергия. Физика третьего класса говорит нам, что все — от воздуха вокруг нас до металла на боках духовки — состоит из молекул: крошечных штучек, которые быстро вибрируют или, в случае жидкостей и газов, беспорядочно прыгают. Чем больше энергии добавляется к определенной системе молекул, тем быстрее они вибрируют или подпрыгивают, и тем быстрее они передают это движение всему, к чему прикасаются — будь то вибрирующие молекулы на металлической сковороде, передающие энергию сочному стейку с ребрышками, шипящему вдали, или прыгающие молекулы воздуха внутри духовки, передающие энергию выпекаемой буханке хлеба с корочкой.

Тепло может передаваться от одной системы к другой, обычно от более энергичной (более горячей) системы к менее энергичной (более холодной). Поэтому, когда вы кладете стейк на горячую сковороду, чтобы приготовить его, на самом деле вы передаете энергию от системы конфорки сковороды к системе стейка. Часть этой энергии идет на повышение температуры стейка, но большая ее часть используется для других реакций: Для испарения влаги требуется энергия, для химических реакций, вызывающих подрумянивание, требуется энергия, и так далее.

Температура — это система измерения, которая позволяет нам количественно определить, сколько энергии находится в конкретной системе. Температура системы зависит не только от общего количества энергии в этом теле, но и от пары других характеристик: плотности и удельной теплоемкости.

Плотность — это мера того, сколько молекул вещества содержится в данном объеме пространства. Чем плотнее среда, тем больше энергии она содержит при данной температуре. Как правило, металлы плотнее жидкостей,* которые, в свою очередь, плотнее воздуха. Поэтому металлы при температуре, скажем, 60°F будут содержать больше энергии, чем жидкости при 60°F, которые будут содержать больше энергии, чем воздух при 60°F.

*Хорошо, мистер Умник. Да, при достаточно высоких температурах металлы плавятся в очень плотные жидкости, и да, мистер Умник, ртуть — это очень плотный металл, который является жидкостью даже при комнатной температуре. Выяснили это? Хорошо, давайте продолжим.

Удельная теплоемкость — это количество энергии, необходимое для того, чтобы поднять данное количество материала до определенной температуры. Например, чтобы поднять один грамм воды на один градус Цельсия, требуется ровно одна калория энергии (да, калории — это энергия!). Поскольку удельная теплоемкость воды выше, чем, скажем, железа, и ниже, чем воздуха, одно и то же количество энергии повысит температуру грамма железа почти в 10 раз, а грамма воздуха — лишь наполовину. Чем выше удельная теплоемкость данного материала, тем больше энергии требуется для повышения температуры этого материала на то же количество градусов.

И наоборот, это означает, что при одинаковой массе и температуре вода будет содержать примерно в 10 раз больше энергии, чем железо, и примерно в два раза меньше, чем воздух. Не только это, но помните, что воздух имеет гораздо меньшую плотность, чем вода, что означает, что количество тепловой энергии, содержащейся в данном объеме воздуха при данной температуре, будет составлять лишь малую часть количества энергии, содержащейся в том же объеме воды при той же температуре. Именно по этой причине вы получите сильный ожог, сунув руку в кастрюлю с кипящей водой температурой 212°F, но можете без раздумий сунуть руку в духовку температурой 212°F (см. ниже раздел «Эксперимент: температура против энергии в действии»).

Запутались? Давайте попробуем провести аналогию.

Представьте, что нагреваемый объект — это курятник, в котором содержится дюжина потенциально непослушных кур. Температуру в этой системе можно определить, наблюдая за тем, как быстро бегает каждая отдельная курица. В обычный день куры могут непринужденно прогуливаться вокруг, клевать, чесать, гадить и вообще делать все то, что делают куры. Теперь давайте добавим в это уравнение немного энергии, подмешав в корм пару банок Red Bull. Как следует взбодрившись, куры начинают бегать в два раза быстрее. Поскольку каждая отдельная курица бегает быстрее, температура системы повысилась, как и общее количество энергии в ней.

Теперь предположим, что у нас есть еще один курятник такого же размера, но с удвоенным количеством цыплят, что дает удвоенную плотность. Поскольку цыплят вдвое больше, потребуется вдвое большее количество Red Bull, чтобы заставить их всех бежать в ускоренном темпе. Однако, несмотря на то, что конечная температура будет одинаковой (каждая отдельная курица бежит с той же конечной скоростью, что и первые), общее количество энергии во втором курятнике в два раза больше, чем в первом. Таким образом, энергия и температура — это не одно и то же.

А что если мы установим третий курятник, на этот раз с дюжиной индеек вместо кур? Индейки гораздо крупнее кур, и чтобы заставить их бегать с той же скоростью, что и курицы, потребуется в два раза больше Red Bull. Поэтому удельная теплоемкость индюшатника в два раза больше, чем удельная теплоемкость первого курятника. Это означает, что если взять дюжину кур, бегущих с определенной скоростью, и дюжину индюков, бегущих с той же скоростью, то в индюках будет в два раза больше энергии, чем в курах.

Подведем итог:

• При определенной температуре более плотные материалы обычно содержат больше энергии, поэтому в более тяжелых кастрюлях пища готовится быстрее. (И наоборот, чтобы поднять более плотные материалы до определенной температуры, требуется больше энергии).
• При заданной температуре материалы с более высокой удельной теплоемкостью содержат больше энергии. (И наоборот, чем выше удельная теплоемкость материала, тем больше энергии требуется, чтобы довести его до определенной температуры).

В этой книге большинство рецептов призывают готовить продукты до определенных температур. Это связано с тем, что для большинства продуктов температура, до которой они были доведены, является основным фактором, определяющим их конечную структуру и текстуру. Некоторые ключевые температуры, которые встречаются снова и снова, включают:

• 32°F (0°C): Точка замерзания воды (или точка плавления льда).
• 130°F (52°C): Стейк средней прожарки. Также это температура, при которой большинство бактерий начинают погибать, хотя для безопасной стерилизации продуктов при такой температуре может потребоваться до 2 часов.
• 150°F (64°C): Стейк средней прожарки. Яичные желтки начинают твердеть, яичные белки становятся непрозрачными, но все еще желеобразными. Белки рыбы уплотняются до такой степени, что белый альбумин вытесняется, придавая такой рыбе, как лосось, непривлекательный слой застывших белков. Примерно через 3 минуты при этой температуре количество бактерий уменьшается на 7 log — это означает, что на каждый миллион бактерий, которые были вначале, останется только 1.
• 160-180°F (71-82°C): Хорошо прожаренный стейк. Яичные белки полностью свертываются (это температура, до которой готовят большинство заварных кремов или тестов на основе яиц для их полного схватывания). Бактерии уменьшаются на 7 log в течение 1 секунды.
• 212°F (100°C): Точка кипения воды (или точка конденсации пара).
• 300°F (153°C) и выше: Температура, при которой реакции подрумянивания по Майяру — реакции, в результате которых на стейках или буханках хлеба образуется темно-коричневая аппетитная корочка — начинают протекать очень быстро. Чем выше температура, тем быстрее протекают эти реакции. Поскольку эти диапазоны намного выше точки кипения воды, корочки будут хрустящими и обезвоженными.

Источники энергии и теплопередача

Теперь, когда мы точно знаем, что такое энергия, необходимо рассмотреть второй слой информации: способы, с помощью которых эта энергия передается пище.

Стейки, жарящиеся на огне, нагреваются за счет проводимости.

Наука о теплоте и температуре

Проводимость — это прямая передача энергии от одного твердого тела к другому. Это то, что происходит, когда вы обжигаете руку, схватившись за горячую сковороду (совет: не делайте этого). Вибрирующие молекулы одной поверхности ударяются об относительно неподвижные молекулы на другой поверхности, передавая таким образом свою энергию. Это, безусловно, самый эффективный метод передачи тепла. Вот несколько примеров передачи тепла посредством теплопроводности:

• Жарка стейка
• поджаривание нижней части пиццы
• Приготовление яичницы
• Создание следов гриля на гамбургере
• обжаривание лука

Пельмени варятся с помощью конвекции.

Наука о теплоте и температуре

Конвекция — это передача энергии от одного твердого тела к другому через посредничество жидкости, то есть жидкости или газа. Это умеренно эффективный метод передачи тепла, хотя в кулинарии его эффективность сильно зависит от того, как жидкость обтекает продукты. Движение жидкости называется конвекцией.

Как правило, чем быстрее воздух движется по данной поверхности, тем больше энергии он может передать. Неподвижный воздух быстро отдает свою энергию, но в движущемся воздухе запас энергии постоянно пополняется за счет нового воздуха, проходящего над таким веществом, как пища. В конвекционных печах, например, есть вентиляторы, которые предназначены для поддержания воздуха внутри печи в хорошем движении, что способствует более быстрому и равномерному приготовлению пищи. Аналогичным образом, перемешивание масла при жарке во фритюре может привести к тому, что продукты будут хрустящими и подрумяненными более эффективно.

Вот несколько примеров передачи тепла с помощью конвекции:

• Приготовление стеблей спаржи на пару
• варка пельменей в бульоне
• Жарка луковых колец во фритюре
• Жарка свиной лопатки на гриле
• Верхняя часть пиццы, выпекаемой в духовке

Верхняя часть пиццы готовится за счет конвекции и излучения.

Наука о теплоте и температуре

Излучение — это передача энергии через пространство с помощью электромагнитных волн. Не волнуйтесь, это не так страшно, как кажется. Для ее передачи не требуется никакой среды. Это тепло, которое вы ощущаете, когда сидите близко к огню или держите руку над разогретой сковородой. Солнечная энергия доходит до Земли через вакуум космоса. Без излучения наша планета (да и вся Вселенная) была бы в большой беде!

Важно помнить, что лучистая энергия затухает (то есть становится слабее) по закону обратного квадрата — энергия, которая достигает объекта от источника лучистой энергии, пропорциональна обратной величине квадрата расстояния до него. Например, попробуйте держать руку на расстоянии 1 фута от огня, а затем отодвиньте ее на 2 фута. Несмотря на то, что вы увеличили расстояние всего в два раза, огонь будет казаться горячим лишь на четверть.

Вот несколько примеров лучистой теплопередачи:

• Жарка поросенка на вертеле рядом с горячими углями
• Поджаривание чесночного хлеба под бройлером
• Получение загара от солнца
• Поджаривание маринованного лосося

В большинстве случаев при приготовлении пищи в той или иной степени используются все три способа передачи тепла. Возьмем, к примеру, гамбургер на гриле. Решетка гриля нагревает котлету непосредственно в местах соприкосновения с ней посредством теплопроводности, быстро подрумянивая ее в этих местах. Остальная часть нижней стороны котлеты готовится за счет излучения от углей под ней. Положите на гамбургер кусочек сыра и ненадолго опустите крышку, и возникнут конвекционные потоки, которые понесут горячий воздух от углей вверх и над верхом гамбургера, расплавляя сыр.

Бургеры на гриле готовятся с помощью всех трех форм передачи энергии.

Наука о теплоте и температуре

Вы можете заметить, что эти три вида передачи тепла передают тепло только на поверхность продуктов. Для того чтобы пища прожарилась до центра, внешний слой должен передать свое тепло следующему слою, и так далее, пока не начнет нагреваться самый центр пищи. Поэтому внешняя сторона большинства готовых блюд почти всегда будет более прожаренной, чем центр (есть приемы, позволяющие минимизировать этот градиент, к которым мы еще вернемся).

Микроволны — единственный другой стандартный метод передачи энергии, который мы обычно используем на кухне, и они обладают уникальной способностью проникать через внешнюю поверхность пищи при ее нагревании. Так же как свет или тепло, микроволны представляют собой форму электромагнитного излучения. Когда микроволны направлены на объект с магнитно заряженными частицами (как, например, вода в продукте), эти частицы быстро вращаются вперед и назад, создавая трение, которое, в свою очередь, приводит к нагреву. Микроволны могут проходить через большинство твердых предметов на глубину не менее нескольких сантиметров. Именно поэтому микроволны являются особенно быстрым способом разогрева пищи — вам не нужно ждать относительно медленной передачи энергии от внешней части к центру.

Фух! Достаточно уже научного урока, верно? Потерпите. Сейчас все станет намного интереснее!

Эксперимент: Температура против энергии в действии

Разница между определением температуры и определением энергии очень тонкая, но чрезвычайно важная. Этот эксперимент продемонстрирует, как понимание этой разницы может помочь вам в приготовлении пищи.

Материалы

• 1 правильно откалиброванная духовка
• 1 дееспособный субъект с полностью исправным внешним сенсорным аппаратом
• Одно 3-квартальное сотейник или кастрюля, наполненная водой
• 1 точный термометр мгновенного считывания

Процедура

Включите духовку на 200°F и дайте ей разогреться. Теперь откройте дверцу духовки, просуньте руку внутрь и держите руку в духовке, пока она не станет слишком горячей, чтобы выдержать. Такой крепкий парень, как вы, вероятно, сможет оставить ее там хотя бы на 15 секунд, верно? 30 секунд? Бесконечно?

Теперь поставьте на плиту кастрюлю с холодной водой и опустите в нее руку. Включите конфорку на средне-высокий огонь и дайте воде нагреться. Помешивайте ее рукой по мере нагревания, но будьте осторожны, не касайтесь дна кастрюли (дно кастрюли нагревается гораздо быстрее, чем вода). Держите руку там, пока вода не станет слишком горячей, уберите руку и измерьте температуру.
Результаты

Большинство людей могут держать руку в духовке с температурой 200°F не менее 30 секунд, прежде чем она станет некомфортно горячей. Но если температура будет намного выше 135°F, то к кастрюле с водой будет больно прикоснуться. Вода при температуре 180°F достаточно горячая, чтобы ошпарить вас, а вода при температуре 212°F (кипяток) вызовет волдыри и шрамы, если вы погрузите в нее руку. Почему так происходит?

Вода намного плотнее воздуха — в чашке воды во много раз больше молекул, чем в чашке воздуха. Поэтому, несмотря на то, что вода имеет более низкую температуру, чем воздух в духовке, горячая вода содержит гораздо больше энергии, чем горячий воздух, и, следовательно, нагревает руку гораздо быстрее. Фактически, кипящая вода обладает большей энергией, чем воздух в духовке при обычной температуре жарки, скажем, 350-400°F. На практике это означает, что вареные продукты готовятся быстрее, чем запеченные или жареные. Аналогично, продукты, запеченные во влажной среде, готовятся быстрее, чем в сухой среде, поскольку влажный воздух плотнее сухого.