Питър Лилфорд описва предизвикателствата пред хранителната индустрия, които изискват физически подход, от характеризирането на храните до тяхното моделиране и симулация

Физиката и храната може да изглеждат странна комбинация за всеки, който все още не е попадал в тази област на изследване. В крайна сметка храната съществува по-дълго, отколкото хората изучават физика, и ние сме склонни да разглеждаме храната като обикновена и неоспорима тема. Но за да разберем това сдвояване, нека започнем с дефиниране на термините. Физиката е науката, занимаваща се със свойствата на материята и енергията и с това как те взаимодействат; храната е хранителна субстанция, особено твърда по форма, приета в животно или растение за поддържане на живота и растежа.

За да проучим задълбочено физиката на храната, трябва да обмислим не само от какво се състои твърдото вещество и как е възникнало, но и какво се случва, когато се приема и как поддържа живота и растежа. Нека разгледаме някои примери от ежедневието.

храна
Класическият дизайн на бутер тесто трябва да държи собственото си тегло, но да се чупи при ниски напрежения и натоварвания в устата. (iStock/antares71)

Повечето от това, което знаем за храната и как да я обработваме, идва от емпиричните умения на месари, готвачи, пекари, сладкари и други работници в храните, с методи, предадени чрез рецепти или от уста на уста. Едно популярно и дългогодишно създаване на храна е бутер тестото, което е измислено от неизвестен сладкар - вероятно френски. Изисканата архитектура на бутер тестото трябва да държи собственото си тегло, но да се счупи при ниски напрежения и натоварвания в устата. Когато Isambard Kingdom Brunel проектира също толкова усъвършенстваната архитектура на окачения мост на Клифтън в Бристол, Великобритания, която трябваше да обхваща фиксирана междина и да носи товар, без да се счупи, той използва законите на механичната физика и измерените свойства на камъка, кован и отливан желязо. Междувременно неизвестният сладкар е използвал проби и грешки.

Ако емпиризмът ни е служил толкова добре, защо има нужда да изучаваме храната, използвайки физическа рамка?

Проблемът е, че хранителната индустрия сега е изправена пред много предизвикателства и само пробите и грешките не са достатъчни, за да ги разрешат. Трябва да нахраним процъфтяващото и все по-урбанизирано световно население, което очаква безопасна, евтина храна. За да направим повече от нашите ресурси, трябва да произвеждаме храни с по-малко отпадъци от суровини, енергия и вода. Това от своя страна означава иновации чрез създаване на храна от различни нови материали и използване на различни процеси. Здравните проблеми - от недохранване до затлъстяване - трябва да се справят с по-добър баланс на калории и микроелементи, което означава, че нашите суровини ще трябва да се променят. Освен това, с нарастващите диагнози на хранителни алергии и непоносимост, ние трябва да проектираме опции за храна без.

Друго предизвикателство е, че потребителите все повече искат по-видимо „преработени“ продукти, водещи инженери да въведат нови процеси за консервиране на храни, като например използват високо налягане и импулсни електрически полета, които оставят храните в по-„естествено“ състояние. И накрая, голяма тема в изчислителното моделиране за физиците и инженерите на храните е отоплението с микровълни. Микровълновата енергия е насочена специално към водата в храната, така че е бърз и удобен начин за готвене. Въпреки това, физиката на преноса на топлина и маса в тези обикновени машини е напълно различна от тази в конвенционалната фурна и храната трябва да бъде преработена, за да може да се готви толкова безопасно и равномерно, колкото с други устройства.

Не можем да продължим, просто увеличавайки традиционните рецепти. Подобно на Brunel, ние трябва да проектираме за функция. И като се има предвид, че физиката е на дисциплина, която събира данни за свойствата на материалите и позволява да бъдат моделирани и симулирани, които по-добре от физиците и инженерите да изследват и преосмислят тези рецепти. Нека започнем с връщане към скромното бутер тесто.

Сложен процес

За да направите бутер тесто, първо смесвате пшенично брашно, вода и малко сол, за да създадете тесто. Благодарение на водата и физическото смесване, протеините от пшеница образуват уникална полимерна мрежа (глутен). По този начин се получава вискоеластично, разтегливо тесто, което само по себе си е композит от глутен, заобикалящ полукристални гранули на нишесте. Това е особено свойство на протеините от пшенично брашно, така че царевицата, овесът и другите брашна няма да работят. Начинът на смесване на тестото е свързан с химичното взаимодействие на протеиновите полимери. Въпреки това, критичните свойства на готовото тесто - как то се деформира и тече - са в сферата на физиката.

Следващата стъпка от рецептата е да сложите тестото с масло, като многократно разточвате и сгъвате двете заедно. От научна гледна точка маслото е несмесваща се фаза на полукристална, частично наситена триглицеридна мазнина, въпреки че подобни мазнини със същото кристално съдържание като маргарин или свинска мас също могат да се използват за приготвяне на бутер тесто. Удължителният вискозитет на тестото и маслото трябва да съвпада или слоевете няма да останат непокътнати. (Обърнете внимание, че маслото няма да работи; вискозитетът му е твърде нисък и ако се опитате да го използвате за приготвяне на бутер тесто, маслото ще тече по цялото тесто. Следователно контролът на температурата също е важен - маслото или друга мазнина не трябва да се топят).

След това тестото-масленият композит се приготвя. Мазнината скоро се топи и при около 70 ° C нишестето в брашното желатинизира и набъбва, като абсорбира вода. При 100 ° C налягането на парата раздува слоевете, но парата трябва да изтече, или конструкцията ще се срути, когато се охлади.

Засега е добре, но все още нямаме адекватен физически модел или числена симулация на процеса на разделяне на слоя. Проблемът е, че физическите параметри на всички материали като функция от температурата не са известни, което прави всички модели свирепо сложни. И все пак с променящите се изисквания на потребителите, споменати по-горе, ще трябва да произведем подобни структури, които не съдържат глутен, съдържат по-малко сол и без наситени мазнини. Само за да направим нещата още по-сложни, решаващите свойства на брашното също зависят от смилането, сорта на пшеницата и условията на отглеждане (така че климатичните промени имат значение). В сравнение с всички тези променливи, дизайнерските проблеми на Brunel бяха лесни.

Пикантно нещо Доматеният кетчуп трябва да тече, когато се налива, но да стои неподвижно, когато попадне върху храната ви. (Shutterstock/MaraZe)

Парче брашно

Рядко се яде отделен хранителен продукт изолирано. Вместо това смесваме компонентите на храненето и един от най-цветните и често използвани продукти в света е доматен сос. За да разберете значението на физиката за доматения сос, просто помислете какво правят потребителите с него. Те искат да излеят и разпръснат соса - да речем върху чипс или основа за пица - но очакват той да спре и да не тече навсякъде. Това е свойството на сложен флуид със стрес на добив, който хранителната промишленост измерва с устройство, наречено Bostwick Consistometer, което определя ъгъла на върха, необходим за предизвикване на поток, и дебита след това. Доматените пасти и сосове са агрегат от меки растителни клетки и могат да се разглеждат като частици. Други частици се характеризират по подобен начин - тестът за „упадък“ за бетон, например, измерва размера на слягане на конус от прясно направен бетон или дори по-просто, скоростта, с която той се плъзга от лопата.

Бетонът и доматеният сос имат още една, по-досадна обща черта: те понякога се придържат към отвора, през който трябва да текат - но когато съдът е ударен, те текат неконтролируемо. Това явление не е ново за физиците, които изучават прахове и гранулирани материали и е накарало някои да предполагат, че представляват нов клас материали, наречени „крехка материя“ или дори „четвърто състояние на материята“ (тъй като те не са просто газове, течности или твърди вещества). Всички тези системи се състоят от частици, прахове или концентрирани суспензии и всички са склонни да се „задръстват“ при приложено срязване. Критични параметри са размерът и разпределението на формата на частиците.

Работейки с експерти от групата на покойния Сам Едуардс от лабораторията Cavendish в университета в Кеймбридж, Великобритания, учени от Unilever характеризираха размера и формата на сглобките от доматени клетки в доматен сос. Това доведе до модел за заглушаване (2000 Хранителна наука и технологии днес 14. (2) 70), но когато посочихме, че това разпределение може да зависи от зрялостта на културата и термичната обработка преди смилането, Едуардс разумно предложи да се придържаме към един сорт, „за да бъде по-лесно“. Изглежда, че смиреният доматен сос все още е значително предизвикателство за теоретичната физика.

Изяждам

Никоя структура не може да се разглежда като храна, освен ако не можем да я разградим в устата си и да я сглобим отново в поглъщащ се „болус“. Но какви са механичните свойства на храните, които отговарят на нашите уста и зъби? Нашите зъби могат да произведат относително високи компресионни сили, но за разлика от естествените месоядни животни, ние нямаме ножицеподобни зъби, които могат да режат гъвкави материали като сурово месо. (Това важи особено за деца, чиито уста са по-малки и щамовете са по-ниски.) Вместо това, ние сме се превърнали в разбиване на ядки, хрупкави плодове и други материали с ниско натоварване.

Отново успешните видове храни са разработени емпирично, за да осигурят необходимите свойства. Предпочитаме хрупкави и хрупкави текстури, така че понятието „стъклени състояния“ на хранителните материали вече е част от стратегията на дизайна в много храни на зърнена основа, като закуски и бисквити. Водата обаче е вездесъщият пластификатор на повечето биополимери, поради което тези продукти трудно се поддържат свежи. Някои закуски се пластифицират толкова бързо в устата, че се описват като „топящи се“, но това е резултат от фазов преход от втори ред в техните структурни свойства, т.е. те бързо омекват и се срутват веднага щом влязат в контакт със слюнката. Какви физически модели имаме на тези гъба и пяна структури са откраднати от работата на инженерите от Кеймбридж Майкъл Ашби и Лорна Гибсън, които са изследвали клетъчни твърди вещества, изработени от керамика, полимери и дори естествени пяни като корк. Така че знаем нещо, но отново подробната физика на повечето продукти все още не е моделирана.

Интересното е, че способността да се срутват структури в устата чрез топене или разтваряне на ключови структурни компоненти е високо ценена. Всички тези структури се основават на захар, мазнини и лед и включват сладкиши, шоколад и сладолед. За съжаление, всички те са силно калорични. Осигуряването на едни и същи усещания при по-ниско съдържание на калории остава предизвикателство за композитния дизайн, но поне знаем защо децата - които не могат да предизвикат силни разкъсвания в устата си - са толкова привлечени от закуски и сладкарски изделия. Всичко е свързано с механиката и топлообмена в устата им.

Но ако мускулната тъкан е толкова податлива, как хората я ядат изобщо? Отговорът изглежда е, че разкъсващите се щамове се определят до голяма степен от съединителната тъкан, така че ние избираме риба и по-добрите разфасовки на млади животни, които не трябва да се готвят много, за да желатинизират съединителната тъкан. Има обаче и друго решение. Да предположим, че първо разрязваме тъканта и я сглобяваме отново с по-слаба матрица от мускулни протеинови гелове или дори яйчен белтък. Точно така: това е бургер! Въпреки че е съмнително дали успехът му е изграден върху обмислен дизайн на физиката и механиката.

Вътрешно чувство

След като сме погълнали болус храна и той преминава в храносмилателната ни система, физиката изобщо има ли значение? Със сигурност това е областта на химията и биологията? Със сигурност има само няколко модела на транспорт в храносмилателния тракт и те най-вече приемат, че храната е вискоеластична течност. Валидността им обаче може да бъде проверена чрез ядрено-магнитен резонанс - друга техника, за която дължим благодарение на физиците.

Трябва също да помним, че голяма част от храненето се основава на физическата концепция за калориите, като на хранителните компоненти се дава стойност, еквивалентна на енергията, получена, ако те са били изгорени. Този възглед обаче е прекалено опростен и не е достатъчно добър. Знаем, че храносмилането и освобождаването на хранителни вещества зависят от първоначалната архитектура на храната на макроскопично и микроскопично ниво, което трябва да ни даде начини за производство на по-добра храна, която е специално създадена за разграждане в стомаха и червата или за насърчаване на здравословното състояние чревна флора.

Някои диетолози също са провели проучвания, които предполагат, че всички добавени фибри, необходими за западната диета, могат да бъдат постигнати чрез увеличаване на „устойчиво“ нишесте. Като се има предвид, че потребителите все повече се противопоставят на всяка химическа модификация на хранителните съставки, трябва да направим това по физически, а не по химически начин. Но с толкова много липсващи данни и толкова голяма нужда от по-добри физически методи за измерване на храненето - да не говорим за необходимостта от препроектиране на хранителни компоненти - дори тази малко вероятна област ще бъде силно повлияна от физиката и физиците в бъдеще.