Miért fizika és étel?

Peter Lillford leírja az élelmiszeripar előtt álló kihívásokat, amelyek fizikai megközelítést igényelnek, az ételek jellemzésétől kezdve a modellezésig és a szimulációig

A fizika és az étel furcsa kombinációnak tűnhet mindenki számára, aki még nem találkozott ezzel a kutatási területtel. Végül is az étel hosszabb ideig létezik, mint az emberek fizikát tanulnak, és hajlamosak vagyunk az ételeket mindennaposnak és kihívástalan témának tekinteni. De hogy megértsük ezt a párosítást, kezdjük a feltételek meghatározásával. A fizika az a tudomány, amely az anyag és az energia tulajdonságokkal, valamint azok kölcsönhatásával foglalkozik; az élelmiszer tápláló anyag, különösen szilárd formában, amelyet az élet és a növekedés fenntartása érdekében állatba vagy növénybe visznek be.

Az ételek fizikájának alapos tanulmányozásához nemcsak azt kell figyelembe vennünk, hogy mi áll a szilárd anyagban és hogyan keletkezett, hanem azt is, hogy mi történik a befogadásakor, és hogyan tartja fenn az életet és a növekedést. Nézzünk meg néhány példát a mindennapi életből.

A dizájn klasszikus leveles tésztának meg kell tartania a saját súlyát, de meg kell szakadnia a száj alacsony igénybevétele és megterhelése esetén. (iStock/antares71)

A legtöbb, amit az ételről és annak feldolgozásáról tudunk, a hentesek, szakácsok, pékek, cukrászok és más élelmiszeripari dolgozók empirikus képességeiből fakad, receptek útján vagy szájról szájra átadott módszerekkel. Az egyik legnépszerűbb és régóta létező étel alkotás a leveles tészta, amelyet egy ismeretlen - valószínűleg francia - cukrász talált ki. A leveles tészta kifinomult felépítésének meg kell tartania a saját súlyát, de meg kell szakadnia a száj alacsony igénybevétele és megterhelése esetén. Amikor Isambard Kingdom Brunel megtervezte az Egyesült Királyságban, Bristolban található Clifton függőhíd ugyanolyan kifinomult architektúráját, amelynek rögzített rést kellett átfednie és terhelést kellett megtörés nélkül cipelnie, a mechanikai fizika törvényeit, valamint a megmunkált és öntött kő mért tulajdonságait használta. Vas. Az ismeretlen cukrász eközben próbát és hibát alkalmazott.

Ha az empirizmus olyan jól szolgált nekünk, miért van szükség az élelem tanulmányozására egy fizikai keretrendszer segítségével?

A probléma az, hogy az élelmiszeriparnak most számos kihívással kell szembenéznie, és ezek megoldásához önmagában a próba és a hiba nem elegendő. Táplálnunk kell egy növekvő és egyre inkább urbanizálódó globális népességet, amely biztonságos, olcsó ételekre számít. Ahhoz, hogy erőforrásainkat jobban kihasználhassuk, ennélfogva kevesebb nyersanyag-, energia- és vízpazarlást kell előállítanunk. Ez viszont azt jelenti, hogy újítani kell azáltal, hogy különféle új anyagokból készítenek ételeket, és különböző folyamatokat alkalmaznak. Az egészségügyi problémákat - az alultápláltságtól az elhízásig - a kalóriák és a mikroelemek jobb egyensúlyával kell megoldani, ami azt jelenti, hogy az alapanyagainknak változniuk kell. Továbbá az ételallergiák és intoleranciák egyre növekvő diagnózisával meg kell terveznünk a mentes étkezési lehetőségeket.

A másik kihívás az, hogy a fogyasztók egyre kevésbé kérik a kevésbé láthatóan „feldolgozott” termékeket, ami a mérnököket arra vezeti, hogy új eljárásokat vezessenek be az élelmiszerek tartósítására, például nagy nyomású és impulzusos elektromos mezők alkalmazásával, amelyek az élelmiszereket „természetesebb” állapotban hagyják. Végül az élelmiszerfizikusok és mérnökök számítási modellezésének nagy témája a mikrohullámú fűtés. A mikrohullámú energia kifejezetten az ételekben lévő vizet célozza meg, így gyors és kényelmes főzési mód. Azonban a hő- és tömegátadás fizikája ezekben a mindennapi gépekben teljesen eltér a hagyományos sütőkétől, és az ételeket át kell tervezni, hogy ugyanolyan biztonságosan és egységesen főzhessék, mint más eszközökkel.

Nem folytathatjuk csak a hagyományos receptek felnagyításával. Brunelhez hasonlóan nekünk is meg kell terveznünk a funkciót. És mivel a fizika az a tudományág, amely adatokat gyűjt az anyagok tulajdonságairól, és lehetővé teszi azok modellezését és szimulálását, akik fizikusoknál és mérnököknél jobban megvizsgálják és újraértelmezik ezeket a recepteket. Kezdjük azzal, hogy visszatérünk a szerény leveles tésztához.

Komplex folyamat

A leveles tészta elkészítéséhez először búzalisztet, vizet és kevés sót keverünk össze, hogy tésztát kapjunk. A víznek és a fizikai keveredésnek köszönhetően a búza fehérjéi egyedülálló polimer hálózatot (glutént) alkotnak. Ez egy viszkoelasztikus, nyújtható tésztát eredményez, amely maga a glutén összetétele, körülvéve félkristályos keményítőszemcséket. Ez a búzaliszt fehérjék sajátos tulajdonsága, így a kukorica, a zab és más liszt nem fog működni. A tészta keveredése összefügg a fehérje polimerek kémiai kölcsönhatásával. A kész tészta kritikus tulajdonságai azonban - hogyan deformálódnak és folynak - a fizika területén vannak.

A recept következő lépése, hogy a tésztát vajjal rétegezzük úgy, hogy a kettőt ismételten tekerjük és összehajtjuk. Tudományos értelemben a vaj a félkristályos, részben telített triglicerid zsír keverhetetlen fázisa, bár hasonló, azonos kristálytartalmú zsírokat, például margarint vagy sertészsírt is használhatunk leveles tészta készítéséhez. A tészta és a vaj kiterjedt viszkozitásának meg kell egyeznie, különben a rétegek nem maradnak épek. (Ne feledje, hogy az olaj nem fog működni; viszkozitása túl alacsony, és ha leveles tészta elkészítéséhez próbálja használni, az olaj végigfut a tésztán. Ezért fontos a hőmérséklet-szabályozás is - a vaj vagy más zsír nem szabad megolvadni).

A tészta-zsír összetett anyagot ezután megfőzik. A zsír hamar megolvad, és körülbelül 70 ° C-on a lisztben lévő keményítő zselatinizálódik és megduzzad a víz felszívásával. 100 ° C-on a gőznyomás fújja szét a rétegeket, de a gőznek ki kell szivárognia, különben a szerkezet lehűlve összeomlik.

Eddig jó, de még mindig nincs megfelelő fizikai modellünk vagy numerikus szimulációnk a rétegelválasztási folyamatról. A probléma az, hogy az összes anyag fizikai paraméterei a hőmérséklet függvényében nem ismertek, ami bármely modellt vadul összetetté teszi. A fent említett változó fogyasztói igények mellett azonban hasonló struktúrákat kell előállítanunk, amelyek gluténmentesek, kevesebb sót és telített zsírokat nem tartalmaznak. Annak érdekében, hogy még bonyolultabbá tegyük a dolgokat, a liszt döntő tulajdonságai a őrléstől, a búzafajtától és a termesztési feltételektől is függenek (tehát az éghajlatváltozás számít). Mindezekhez a változókhoz képest a Brunel tervezési problémái könnyűek voltak.

Ropogós dolog A paradicsom-ketchupnak folynia kell, amikor öntik, de maradjon mozdulatlan, amikor az ételére kerül. (Shutterstock/MaraZe)

Darab étkezés

Ritka, hogy egyetlen ételt külön-külön fogyasztunk el. Ehelyett keverjük össze az étkezés összetevőit, és a világ egyik legszínesebb és leggyakrabban használt terméke a paradicsomszósz. Ahhoz, hogy megértsük a fizika jelentőségét a paradicsommártásban, gondoljunk csak arra, hogy mit csinálnak a fogyasztók vele. Fel akarják önteni és elterjeszteni a mártást - mondjuk chipsre vagy pizzalapra -, de arra számítanak, hogy ez aztán leáll, és nem fut végig az egész helyen. Ez egy összetett folyadék tulajdonsága, hozamfeszültséggel, amelyet az élelmiszeripar egy Bostwick-konzisztométer nevű készülékkel mér, amely meghatározza az áramlás előidézéséhez szükséges csúcsszöget, majd az áramlási sebességet. A paradicsompaszták és szószok lágy növényi sejtek aggregátumai, és részecske anyagoknak tekinthetők. Más szemcsés anyagokat is hasonlóan jellemeznek - a betonra vonatkozó „leesési” teszt például a frissen készített beton kúpjának süllyedését vagy még egyszerűbben azt méri, hogy milyen sebességgel csúszik le egy lapátról.

A beton és a paradicsomszósznak van egy másik, bosszantóbb jellemzője: néha beleragadnak abba a nyílásba, amelyen keresztül állítólag átfolyik - mégis, amikor a tartályt eltalálják, irányíthatatlanul áramlanak. Ez a jelenség nem újdonság azoknak a fizikusoknak, akik porokat és szemcsés anyagokat tanulmányoznak, és néhányan arra késztették őket, hogy egy új anyagosztályt képviseljenek, amelyet „törékeny anyagnak” vagy akár „az anyag negyedik állapotának” neveznek (mivel ezek nem egyszerűen gázok, folyadékok) vagy szilárd anyagok). Mindezek a rendszerek részecskékből, porokból vagy koncentrált szuszpenziókból állnak, és mindnyájan hajlamosak „beszorulni” az alkalmazott nyíróerő hatására. A kritikus paraméterek a részecskék mérete és alakja.

Az Egyesült Királyság Cambridge-i Egyetem Cavendish Laboratory néhai Sam Edwards-csoportjának szakértőivel együttműködve az Unilever tudósai a paradicsomszószban lévő paradicsomsejt-egységek méretét és alakját jellemezték. Ennek eredményeként elkészült a zavarás modellje (2000 Élelmiszertudomány és technológia ma 14 (2) 70), de amikor rámutattunk arra, hogy ez az eloszlás függhet a termés érettségétől és az aprítás előtti hőkezeléstől, Edwards bölcsen javasolta, hogy ragaszkodjunk egy fajtához „az egyszerűség kedvéért”. Úgy tűnik, a szerény paradicsomszósz még mindig jelentős kihívást jelent az elméleti fizika számára.

Edd meg

Egyetlen szerkezet sem tekinthető tápláléknak, hacsak nem tudjuk lebontani a szánkban és összegyűjteni egy lenyelhető „bolusszá”. De mik azok az ételek mechanikai tulajdonságai, amelyek megfelelnek a szánknak és a fogunknak? A fogaink viszonylag nagy nyomóerőt képesek produkálni, de a természetes húsevőkkel ellentétben nincsenek ollószerű fogaink, amelyek képesek rugalmas anyagokat, például nyers húst vágni. (Ez különösen igaz azokra a gyermekekre, akiknek a szája kisebb és a törzsük alacsonyabb.) Ehelyett úgy fejlődtünk, hogy megtörjük a diót, a ropogós gyümölcsöket és más anyagokat, alacsony törésű.

Ismét sikeres élelmiszertípusokat fejlesztettek ki empirikusan a szükséges tulajdonságok biztosítása érdekében. Mi a ropogós és ropogós textúrákat részesítjük előnyben, ezért az élelmiszeripari anyagok „üveges állapotainak” fogalma ma már számos gabonaalapú étel, például snack és keksz esetében a tervezési stratégia része. A víz azonban a legtöbb biopolimer mindenütt jelenlévő lágyítója, ezért ezeket a termékeket nehéz frissen tartani. Egyes rágcsálnivalók olyan gyorsan plasztikálódnak a szájban, hogy „olvadásnak” minősítik őket, de ez szerkezeti tulajdonságaikban egy másodrendű fázisátmenet következménye, vagyis gyorsan megpuhulnak és összeomlanak, amint érintkeznek a nyállal. Milyen fizikai modelljeink vannak ezeknek a szivacs- és habszerkezeteknek, ellopják a cambridge-i mérnökök, Michael Ashby és Lorna Gibson munkájából, akik kerámiából, polimerekből és még természetes habokból, például parafából készült sejtes szilárd anyagokat tanulmányoztak. Tehát tudunk valamit, de megint a legtöbb termék részletes fizikáját még nem modellezték.

Érdekes, hogy a szájban lévő struktúrák összeomlásának képessége a legfontosabb szerkezeti elemek felolvasztásával vagy feloldásával nagyon értékes. Ezek a szerkezetek mind cukorra, zsírokra és jégre épülnek, és tartalmaznak édességeket, csokoládét és fagylaltot. Sajnos ezek mind nagyon fűtőértékűek. Ugyanazok az érzések alacsonyabb kalóriatartalom mellett továbbra is kihívást jelentenek az összetett formatervezés terén, de legalább tudjuk, hogy a gyermekeket - akik nem tudnak nagy törést okozni a szájukban - miért vonzanak annyira az ételek és az édességek. Mindez a szájuk mechanikájához és hőátadásához kapcsolódik.

De ha az izomszövet annyira rugalmas, akkor egyáltalán hogyan eszik meg az emberek? Úgy tűnik, a válasz az, hogy a törési törzseket nagyrészt a kötőszövet határozza meg, ezért olyan halakat és a fiatal állatok jobb darabjait választjuk, amelyeket nem kell sokat főzni a kötőszövet zselatinizálásához. Van azonban egy másik megoldás is. Tegyük fel, hogy először feldaraboljuk a szövetet, és összegyűjtjük egy gyengébb izomfehérje gél mátrixszal vagy akár tojásfehérjével. Így van: ez egy hamburger! Bár kétséges, hogy sikere a megfontolt fizikai és mechanikai tervezésre épült-e.

Megérzés

Miután lenyeltünk egy adag ételt, és az továbbjut az emésztőrendszerünkön, releváns-e egyáltalán a fizika? Biztosan ez a kémia és a biológia területe? Természetesen csak néhány modell létezik az emésztőrendszerben, és többnyire feltételezik, hogy az étel viszkoelasztikus folyadék. Azonban érvényességüket mágneses rezonancia képalkotással lehet ellenőrizni - ez egy másik technika, amelyért köszönettel tartozunk a fizikusoknak.

Emlékeznünk kell arra is, hogy a táplálkozás nagy része a kalória fizikai fogalmán alapszik, az élelmiszer-összetevők értékét megkapják, ha az elégett energiával megegyezik. Ez a nézet azonban túlságosan leegyszerűsített és nem elég jó. Tudjuk, hogy a tápanyagok emésztése és felszabadulása az élelmiszer makroszkopikus és mikroszkópos szintű felépítésétől függ, aminek lehetővé kell tennie számunkra, hogy jobb ételeket állítsunk elő, amelyeket kifejezetten a gyomorban és a belekben bomlanak le, vagy elősegítik az egészséges táplálkozást. bélflóra.

Egyes táplálkozási szakemberek olyan vizsgálatokat is végeztek, amelyek azt sugallják, hogy a nyugati étrendhez szükséges összes hozzáadott rost a „rezisztens” keményítő növelésével érhető el. Tekintettel arra, hogy a fogyasztók egyre inkább ellenzik az élelmiszer-összetevők bármilyen kémiai módosítását, ezt fizikai, és nem kémiai úton kell megtenni. De ennyi hiányzó adat és a táplálkozás mérésének jobb fizikai módszerei iránti igény - nem is beszélve az élelmiszer-alkotóelemek újratervezésének szükségességéről - a fizika és a fizikusok még ezt a valószínűtlen területet is jelentősen befolyásolják a jövőben.