Сочен
Нежна
Топи се в устата ви
Фазово преминаване на липидна латентна топлина

Латичен топлинен липиден фазов преход? Какво общо има това с вкусна храна, перфектно приготвена и капеща с вкус?

Всъщност не много. Но това е случай, при който малко знания, смътно припомнени от часовете по природни науки в гимназията, са нещо опасно. И предметен урок, който ни напомня, че прости обяснения, основани на взаимна прилика, просто не винаги са правилни.

време

Нашата история има две части. През първата половина се разкрива загадката на „сергията“ - период по време на готвене на месо, при който температурата упорито отказва да се повиши, плато в продължение на минути или часове, все още на десетки градуси от готовото. Във втората половина на историята научаваме защо мазнината е хлъзгава дума.

Произходът на сергията очевидно е резултат от изпарително охлаждане - вижте тази статия за по-задълбочено обяснение как тази фазова промяна от течност в газ предотвратява затоплянето на месото - но са предложени и други хипотези. Най-вече фазовият преход от топене от твърдо към течно.

Фазовият преход е превръщането на една форма на материя в друга, често внезапно. Например, ледът, който се топи във вода, променя фазата от твърда в течна. Или пускането на горещо желязо (плюс малко въглерод) в студена вода превръща мекия метал в твърда стомана. Преобразуването на една фаза в друга обикновено поглъща (или освобождава) топлина, за да пренареди атомната си структура.

Тази съхранявана енергия се нарича "латентна топлина".

Една проста аналогия за латентна топлина е балон в кофа с вода. Представете си, че балонът може да бъде в една от двете „фази“. Първата фаза е "напомпана", а втората фаза е "издута", но това е специален вид балон, който бързо се срутва, когато се постави под критично налягане.

Сега си представете как добавяте вода към кофа, съдържаща балони (вързани за дъното, разбира се). Нивото на водата (заместител на температурата) се повишава, когато кранът е отворен (напр. Поставен във фурна с добавяне на топлина). Когато нивото на водата е на критичната височина Hc, съответстваща на критичното налягане, един от балоните се срутва. Което отваря малко пространство, като леко спада нивото на водата. Но тъй като водата продължава да тече, нивото отново се повишава до Hc, предизвиквайки нов колапс на балона.

Този процес продължава, докато последният балон се срути, но дотогава нивото на водата е основно в застой. След като всички балони са се срутили, фазата вече е напълно "издута" и нивото на водата непрекъснато се повишава. Разбира се, процесът се обръща сам, ако кранът е затворен и водата се оттича (напр. По аналогия кофата е „охладена“).

Сега месото съдържа колаген - твърда протеинова молекула, която обгражда и заключва заедно мускулните влакна. При високи температури - над 160F или така и в присъствието на вода, колагенът много бавно се превръща в желатин. Желатинът е гладък, необработен гел, който смазва мускулните влакна, вместо да ги заключва - превръщайки здравата матрица в нежна и лесно дъвчаща наслада.

Ами ако това превръщане на колаген в желатин - фазова промяна - абсорбира енергия от фурната, предотвратявайки повишаването на температурата на месото?

В гимназията може да сте виждали или дори да сте измервали фазовия преход във вода. По-долу е експеримент, който направих върху епруветка с лед с термодвойка, монтирана мъртва точка 1. След това ледената пръчка беше поставена във фурна 225F. Обърнете внимание как се задържа при 32 F, докато ледът преминава от твърд в течен. При този преход ледът поглъща топлина от фурната, за да разкъсва връзките, запазвайки кристалния си ред, точно както рушащите се балони „абсорбират“ обема на водата.

Когато водата достигна 140F, извадих тръбата от фурната и я поставих обратно във фризера. Температурата на водата спадна плавно, докато отново достигна 32F-застой, докато отделя топлина, докато водните молекули се заключват обратно в ледено подреждане.

Така че наистина, промяната на фазата прилича малко на сергия по време на готвене.

Но има два проблема с тази хипотеза. Първо, макар че е вярно, че кравата съдържа почти 30% тегловен колаген, почти целият този протеин се затваря в кожата, сухожилията и костите. Мускулното месо съдържа само процент или два колаген. Подобно на ноктите в сграда - само малко отива дълъг път към задържането на рамката заедно.

За съжаление на хипотезата, 1% от който и да е протеин е просто твърде малка маса, за да обясни тричасовия престой 2 .

Така че колагенът е изключен, но може би топенето на мазнини е само фазовият преход, от който се нуждаем. Една пържола може да съдържа 30% или повече мазнини, заедно с това е 1% колаген. Месната мазнина се състои от "липиди" като стеаринова киселина, която се топи при 160F, палмитинова киселина, която се топи при 145F, лауринова киселина при 110F и други. Понякога поотделно, понякога свързан с глицерин в групи от по три като триглицерид. Точната смес в зависимост от породата, диетата и възрастта.

Но при смесения химически състав потенциалният свеж плосък фазов преход обикновено се усреднява. Можем да видим това осредняване в тест върху свинска мас (пречистена свинска мазнина) при условия, подобни на експеримента с лед по-горе.

Докато се виждат няколко подутини в кривата на стопяване/замръзване, те вече не са много отчетливи. Усредняването е дори по-силен ефект в истинското месо, където различните секции се готвят при различни температури, липидите са в различни състояния на разплитане и т.н. И споменах ли, че има 19 различни форми на колаген? Така че фазовият преход в колекция от големи молекулни съединения, вградени в мускулната матрица, е малко вероятно обяснение за щанда.

Водата, чиста молекула дори в месото, е по-вероятният кандидат.

Вторият проблем с хипотезата е, че мазнините са повече от сумата от нейните части. Което води до последната половина на тази история. Ако мазнините започнат да се топят около 110F, защо остава мазнина, която да капе по бузата ми от изваден свински сандвич, който се пуши, докато достигне> 185F?

Оказва се, че това, което мислим за гладка бяла мазнина („мастна тъкан“), всъщност са клетки, съдържащи молекули мазнини, съхранявани за по-късна употреба като гориво. Не само има клетъчни стени, действащи като пикочни мехури, задържащи мастните липиди, но има колаген и капиляри, както и малко вода и други неща, твърде много и непознати, за да се изброят.

Когато леко загрявате мазнината във фурна, някои от молекулите се разтапят, разкъсват клетъчните си стени и капят. Но други молекули се топят и се съдържат в клетъчните мехури. Или изобщо не се топете, защото топенето се потиска от химическата му среда

Мастните клетки са оцветени за видимост

Бавното оформяне на мазнини във фурната е драматично - това нарязване на телесна мазнина от 4 lb достигна 185F след 9 часа при пушач, но 2/3 от него не се стопи. Добре, че също - в противен случай яденето на сандвич с телешки гърди би било като гризане на целулозна гъба.

Фазовите промени са нещата от живота. Но когато научите за този сложен феномен в часовете по природни науки, повечето книги опростяват обяснението, като използват пречистени примери, взети от лабораторията. Реалният свят е по-сложен и в този случай много по-интересен и вкусен.

Допълнителни статии за кухненската наука можете да намерите ТУК.
Или ме последвайте в Twitter за (много случайни) сигнали за нови публикации в науката за храните в @KitSci
В практиката на барбекю за всички неща, ние ценим подкрепата и разговорите с Meathead в AmazingRibs.com, стерлинги в BigPoppaSmokers, заедно с многобройни състезателни питмейстъри и готвачи в задния двор.

1 Измерването на фазовите преходи може да бъде трудно. При голяма проба материал вътрешната и външната температура на пробата могат да варират радиално поради топлинните градиенти от пещта до вътрешността на пробата. Така че това, което може да бъде остър преход, видим при една температура, всъщност е колекция от малки прецизни преходи, осреднени за много температури. За да се избегне този проблем, епруветката е с диаметър само 10 mm и поставена в 4 "изолация от фибростъкло, за да се осигури равномерно равновесие на водата. По този начин се обяснява защо са нужни часове за повторно замразяване.

Домашният хладилник не е баня с постоянна температура - докато компресорът работи, температурата се повишава и спада с няколко градуса. Хвърлете ефекта на примесите върху температурата на топене, супер-наситеността и други гремини и можете да разберете защо прецизните измервания вземат ръцете и оборудването на експерт.

2 Можем също така да изключим фазовия преход на топене на колаген чрез два други експеримента. Ако обвиете месото във фолио, така че охлаждането с изпарение е блокирано и измервате повишаването на температурата на месото, не се наблюдава застой. Но фазовият преход не трябва да бъде засегнат от фолиото (Натан Мирволд, наред с други през десетилетията, прави същото). Освен това, ако готвите месо в гореща фурна, сергията изчезва. Това отново изключва продаден фазов преход - помислете за тенджера с лед в готварска печка - той ще спре на 32F, независимо дали е в мека или ревяща фурна, докато последното кубче лед се разтопи. Само дължината на сергията ще варира.