Что такое пицца? Как утверждает гастрономическая энциклопедия LaRusse “Пицца (pizza) — одно из самых популярных блюд итальянской кухни, родиной которого считается Неаполь. Согласно простейшему рецепту пиццу готовят так: на лепешку из пресного дрожжевого теста выкладывают рубленные помидоры, иногда моццареллу, приправляют пряными травами (чаще душицей), чесноком и запекают.” Хотя в гастроэнциклопедии приведен достаточно простой рецепт пиццы, на самом деле приготовить настоящую пиццу далеко не так просто. Перед тем, как я покажу вам какие научные процессы стоят за её приготовлением, я хочу рассказать вам небольшую историю пиццы.
История
Говорят, что если бы неаполитанцы запатентовали пиццу, сегодня Неаполь был бы одним из самых богатых городов Италии. История пиццы похожа на сказку о Колобке. Первой неаполитанской хозяйке, приготовившей пиццу, пришлось поскрести по сусекам, слепить из воды и муки лепешку, выложить на неё остатки вчерашнего ужина, приправить и испечь в печи.
Неудивительно, что пиццу считали едой бедняков. В неё клали всё что можно было легко найти дома. Кусок пиццы с дешёвым сыром можно было даже купить или взять в долг у уличных мальчишек, таскавших свой товар на медных подносах.
Но как и морепродукты, которые раньше ели только бедняки, пицца также становилась всё более и более распространенной и сейчас пиццу едят все: от бедных до самых богатых людей, из-за её неповторимого вкуса и той самой воздушной, хрустящей корочки.
Так как в каждой стране свои особенности, пицца из традиционной лепешки с томатами и сыром, распространившись по миру, обросла всевозможными вариациями. На родине пиццы в Италии предпочитают более изысканную пиццу, с тонким, хрустящим тестом, воздушной корочкой и с небольшим количеством начинки (обычно томатный соус и сыр), не перебивающих вкус друг друга. В США же напротив, любят мясную и пышную пиццу, с большим количеством теста, например пицца в сковороде, в которой довольно большое количество теста, и начинки (обычно мясной). А еще есть например чикагская пицца (deep-dish pizza), больше похожая на пирог.
Наука
Замес теста
Замес выполняет три важные функции: дисперсия, увлажнение и образование пузырьков в тесте. Дисперсия - это равномерное распределение воды по муке. Увлажнение происходит, когда мука перемешивается. И функция о которой практически никто не упоминает, но она имеет огромное значение — это образование огромного количества пузырьков воздуха в тесте (подробнее далее). Чтобы получить правильное тесто вам нужно выполнить замес, в результате которого пройдут все три описанных процесса, поэтому все виды замеса так или иначе опираются на эти операции, но с незначительными различиями.
Для того, чтобы продолжить, я должен рассказать вам о глютене. Глютен — это белок, образующийся в муке при замесе, который образует «сети» (клейковину), что делает тесто эластичным. Чтобы глютен начал образовываться ему нужно дать «начальный толчок», которым служит замес теста, а конкретнее он образуется во время процесса увлажнения. Именно увлажнение (а не само перемешивание) позволяет глютену образоваться и в последствии сделать тесто эластичным. При увлажнении белки в муке — глютенин и глиадин почти сразу же связываются и образуют глютен. Длинные белки глютенина соединяются друг с другом посредством дисульфидных связей (связи, которые участвуют в формировании белков), образуют прочные, эластичные молекулы. Эти взаимосвязанные нити являются одними из самых больших изученных белков. Более компактные белки глиадина позволяют тесту течь, как жидкость, тогда как глютенины придают ему прочность.
На образование клейковины влияет множество факторов, один из которых — компоненты теста.
- Мука — в разных ее видах содержится разное количество белка, поэтому способности к образованию клейковины отличаются. Некоторые виды «муки» вообще не содержат нужные белки и не могут дать эластичного теста, поэтому обычно их смешивают с пшеничной или другой мукой.
- Вода — количество воды также влияет на образование клейковины. Слишком малое ее количество недостаточно увлажнит муку и клейковина будет образовываться плохо, поэтому тесто будет легко рваться. Слишком большое количество также не очень хорошо, тесто будет больше похоже на кляр - клейковина, конечно, сформируется, но она не сможет образовать прочную сеть.
- Соль — усиливает связи сети глютена, что способствует эластичности теста.
- Жир — замедляет процесс образования клейковины, так как «смазывает» нити глютена, препятствуя образования связей между ними. Иногда жир могут добавлять после образования клейковины, чтобы предотвратить это.
Увлажнение может быть как медленным, например смешивая ингредиенты и позволив муке впитывать воду в течении длительного времени, так и быстрым, замешивая тесто руками или машиной. Чем быстрее проходит замес теста, тем быстрее произойдет увлажнение и образуется клейковина.
Есть множество методов замеса теста, но обычно они основываются на личных предпочтениях. Например машинный замес позволяет быстрее образовать клейковину за счет быстрого увлажнения. Ручной же замес хоть и дает хороший результат, но происходит медленнее и не всегда является практичным, особенно при больших объемах.
Упрощенно формулу замеса можно выразить так: замес = механическая сила × время. Чем сильнее вы месите, тем меньше времени потребуется, чем дольше вы месите, тем меньше усилий понадобится.
При интенсивном замесе стоит учитывать побочный эффект, который может быть как желательным, так и не желательным, в зависимости от ситуации: из-за большого трения тесто становится теплее, что ускоряет активность дрожжей и тесто быстрее всходит.
Существует способ для проверки того, насколько хорошо образовалась клейковина, он называется «оконный тест». Для этого отрывают кусок теста и аккуратно растягивают его руками. Существует три стадии образования клейковины:
- Слабо-сформированная клейковина — при оконном тесте тесто практически сразу рвется. Обычно включает долгую предварительную расстойку (о предварительной расстойке далее), до полного образования клейковины. Основное различие между стадией слабо сформированной клейковины и просто смешанным до однородности теста в том, что оно получается более гладким и однородным;
- Средне-сформированная клейковина — при оконном тесте, тесто немного растягивается, но рвется через 3 — 5 секунд. При этой стадии обычно предварительно расстаивается 2 — 2,5 часа. Так получают большинство видов теста для пиццы;
- Полностью сформированная клейковина — при оконном тесте тесто может растянуться до полупрозрачности без разрывов, после этого оно обычно отдыхает в теплом месте 15-20 минут.
Роль пузырьков воздуха в тесте.
В 1940 годах исследователи провели эксперимент: они замесили тесто в вакууме, не дав образоваться пузырькам воздуха в тесте и оставили расстаиваться на некоторое время, чтобы дрожжи выделили газ. Получившийся выпеченный хлеб удивил их, вместо тысяч маленьких полых ячеек разбросанных по всему тесту, все ячейки были огромными и их было гораздо меньше. Вывод исследователей состоял в том, что пузырьки воздуха необходимы для формирования правильной структуры теста.
Но почему сами дрожжи не сформируют небольшие пузырьки? Ответ прост: они не могут. Более подробный ответ связан с явлением, известным как давление Лапласа. Давление Лапласа — это поверхностное натяжение, которое сжимает пузырьки воздуха, находящиеся в жидкости (или в полужидкой среде, как тесто). Чем меньше газовый пузырь, тем больше давление Лапласа, и тем больше энергии потребуется, чтобы раздуть пузырь, поэтому для образования пузырька нулевого радиуса потребовалась бы бесконечная энергия. При отсутствии места зарождения пузырьки могут образоваться только если углекислый газ соберется в одну точку и создаст концентрацию достаточную для преодоления давления Лапласа.
Но если в тесте присутствуют миллионы маленьких пузырьков воздуха, то даже при размере около 0,01мм они достаточно велики, чтобы снизить давление Лапласа до такой степени, чтобы начать раздувание.
Также хочу уточнить, что описать идеальный рецепт теста для всех невозможно! У разных производителей муки есть небольшие различия, поэтому у кого-то тесто может получиться жидким, а у кого-то слишком плотным. Мне также пришлось поэкспериментировать с рецептом, чтобы добиться приемлемого для себя результата.
Предварительная (первичная) расстойка
Предварительная расстойка (bulk fermentation) – это этап, который обычно идет после замеса теста, когда тесту позволяют расстояться перед разделением и формовкой. Обычно, предварительная расстойка нужна для того, чтобы глютен полностью сформировал свои сети и тесто стало эластичным. Отличный пример первичной расстойки — это когда после замеса тесто ставится в теплое место, например в духовку на час.
Предварительная расстойка распространена в хлебопечении, но не очень распространена среди пиццайоло. Однако авторы «Modernist pizza» экспериментировали с первичной расстойкой теста для пиццы и пришли к выводу, что с ней тесто получается лучше.
Что происходит с тестом при предварительной расстойке?
Во время предварительной расстойки сети глютена постепенно развиваются, по мере того как все больше и больше молекул белка склеиваются вместе. Предварительная расстойка также способствует развитию молочнокислых бактерий, которые присутствуют в муке или окружающей среде в небольших количествах и размножаются в определённых условиях. В результате их жизнедеятельности вырабатывается множество продуктов, главным образом: молочная и уксусная кислоты.
При первичной расстойке дрожжи начинают бродить, сначала используя аэробное брожение, то есть поглощая пузырьки воздуха из теста и выделяя много энергии, воду и углекислый газ, а лишь после того как воздух в тесте закончился, дрожжи переходят в анаэробный режим и начинают производить этилен, углекислый газ, ароматические компоненты и немного энергии. Подробнее это выглядит так, дрожжи - это живой организм и для жизнедеятельности им также, как и нам нужна энергия. Сначала, когда в тесте есть воздух, им энергетически выгоднее "дышать", так как при этом вырабатывается много энергии для жизнедеятельности и размножения, но когда воздух заканчивается, они не перестают нуждаться в энергии, поэтому переходят в анаэробный режим, при котором также выделяется энергия, но намного меньше.
При предварительной расстойке, протеазы (ферменты «поедающие» белки) режут сети глютена на более мелкие части, разрушая пептидные связи между аминокислотами, более мелкие части также склеиваются в сеть, что еще сильнее укрепляет клейковину. Протеазы содержатся в муке в очень небольших количествах, их избыток приведет к обратному эффекту. Кислота также разрушает нити глютена и укрепляет клейковину, её избыток по этой же причине приведет к обратному эффекту.
В то время как протеазы и кислота работают с глютеном, другие ферменты работают с крахмалом. Мука обычно содержит 1-2% простых сахаров (моносахаридов), которыми питаются дрожжи. Так как этого количества немного недостаточно для жизнедеятельности дрожжей и выработки ими энергии (и других продуктов, таких как этанол и углекислый газ), сами дрожжи начинают выделять специальные ферменты, которые расщепляют крахмал до его составляющих. Крахмал является полисахаридом — огромной цепочкой моносахаридов, а в случае крахмала — глюкозы, он представляет из себя гранулы, внутри которых находятся 2 молекулы — амилоза и амилопектин.
Многоступенчатый ферментативный процесс, расщепляющий крахмал, начинается с фермента амилазы, которая воздействует на компоненты поврежденного крахмала: амилозу и амилопектин (до 12% гранул крахмала повреждается во время дробления в муку, что является важным этапом: фермент не может проникнуть в неповрежденную гранулу крахмала). Люди также научились расщеплять крахмал с помощью ферментов, таких как α- и β-амилаза, глюкоамилаза и изоамилаза, в конечном итоге получается мальтодекстрин, патока и сироп.
При первичной ферментации улучшается вкус теста, из-за того, что дрожжи выделяют ароматические компоненты, а ферменты расщепляют крахмал на простые сахара, большинство которых метаболизируется дрожжами, но остатки дают сладкий привкус, а также эти свободные сахара в тесте, помогают протеканию реакции Майяра и карамелизации. Поэтому тесто которое расстаивалось долго, имеет тёмно-коричневую корочку, в отличии от недолго расстаиваемого теста с золотистой корочкой.
Не все виды теста для пицц подвергаются первичной расстойке, иногда тесто замешивается до полного образования клейковины и подвергается «выдерживанию в духовке» 15-20 минут, для того чтобы тесто отдохнуло перед разделением и формовкой. Но есть одно исключение - тесто для неаполитанской пиццы (как у меня), которое замешивается до полного образования сетей глютена и первично расстаивается 24 часа.
Продолжительность предварительной расстойки имеет значение, потому что это дает время ферментативной активности и гидратации укрепить сети глютена, что также происходит в результате подкисления, которое происходит за счет деятельности молочнокислых бактерий при длительном брожении. Кислотность способствует укреплению сетей глютена, будь то образованная длительным брожением естественным путем или добавленная самостоятельно (например в виде аскорбиновой кислоты).
Довольно много факторов влияет на то, сколько времени нужно потратить на первичную расстойку, вот самые важные из них:
- Чем больше гидратация (% жидкости по отношению к муке) теста, тем больше времени потребуется, чтобы глютен смог сформировать прочные сети в «вялом» тесте;
- Количество времени потраченного на замес теста, обратно пропорционально времени первичного брожения: чем дольше вы месили ваше тесто (тем лучше образуется клейковина), тем меньше длится предварительная расстойка;
- Чем выше температура, тем быстрее работают дрожжи. Обычно предварительную расстойку проводят при комнатной температуре или в теплом месте. Иногда тесто кладут в холодильник предварительно расстояться, чтобы замедлить работу дрожжей, что увеличит время брожения и даст молочнокислым бактериям выработать кислоту, которая еще сильнее укрепит сети глютена;
Количество и тип дрожжей также влияют на время. Закваска работает медленнее живых дрожжей, а живые — медленнее сухих. Стоит учитывать, что в зависимости от того, какой тип дрожжей используется, меняется их количество и время первичной расстойки.
Пекари иногда делают «складки» во время предварительной расстойки, чтобы выровнять нити глютена в более ровную, организованную структуру, которая придаёт тесту целостность, необходимую для расширения пузырьков. Тесто складывают от одной стороны к другой. Складки - важная часть при предварительной расстойке, они усиливают клейковину, разрушая слабые сети глютена и позволяя образоваться более сильным, при этом нити глютена также упорядочиваются, что делает тесто более эластичным.
Чем больше складок, тем больше образуется пузырьков и тем пышнее получается корочка. Складки разрушают крупные пузырьки и вместо них образуется множество более мелких, поэтому там где нужны именно крупные пузыри (например в фокачче) стоит быть осторожным со складками. Также они помогают "перезапустить" брожение, что лучше скажется на вкусовых качествах и клейковине. В дополнение скажу, что складки помогают выровнять температуру, ведь обычно в центре тесто теплее, чем снаружи, а также за счет складок распределяются сахара и дрожжи, что увеличивает время брожения.
Финальная расстойка
После того как тесто предварительно расстоялось, обычно следует этап финальной расстойки, когда разделенное на части и сформированное тесто стоит в теплом месте или при комнатной температуре, чтобы появились пузырьки углекислого газа, которые дадут воздушность тесту. Например в моем рецепте это этап, когда тесто после холодильника стоит при комнатной температуре.
Тесто обычно финально расстаивают в теплом месте из-за того, что дрожжи в тепле работают быстрее. Но не переборщите с теплом, ведь дрожжи погибают примерно при 50 градусах и если вы будете расстаивать ваше тесто в не полностью остывшей духовке, дрожжи могут просто погибнуть.
Формовка
После финальной расстойки следует формовка теста. Для того, чтобы сформировать тесто для пиццы необходимо понимать, для чего это делается. Смысл формовки теста для пиццы не просто в формировании круга, а в том, чтобы «отодвинуть» пузырьки воздуха к бортикам, чтобы при выпекании они расширились и сделали корочку воздушной.
При формовке, аккуратно, руками выдавливается центр. Далее руками воздух отодвигается к бортикам, формируя при этом основу пиццы, а когда основа сформирована есть множество способов, как сделать диаметр пиццы больше.
Выпекание
Высокая температура является важнейшим элементом для превращения теста в пиццу, при высокой температуре в тесте происходит множество изменений.
Во-первых при этом дрожжи начинают очень активно бродить и выделять CO₂, но при достижении 50 — 60 градусов они погибают. Ферменты прекращают свою активность примерно при такой же температуре.
Во-вторых, из-за повышения температуры вода начинает превращаться в пар, а газ, произведенный дрожжами начинает расширяться, поэтому тесто поднимается. Чем больше температура, тем сильнее расширяется газ и тем сильнее поднимается тесто.
В-третьих, белки коагулируют. Из-за высокой температуры, связи удерживающие белок в форме шарика разрушаются и белки «развязываются», а после этого связываются друг с другом в очень прочные сети, что делает тесто твердым.
В-четвертых, крахмал превращается в гель. При повышении температуры неповрежденные гранулы крахмала трескаются, начинают впитывать воду и вытесняют молекулы внутри гранулы (амилоза и амилопектин). При 60 — 80 градусах вытесненные молекулы образуют гель.
И в-пятых, проходит реакция Майяра. При высоких температурах аминокислоты и сахара реагируют друг с другом, происходит множество химических реакций и в итоге получаются ароматические вещества, а также группа молекул называемых «меланоидины», которые придают коричневый цвет. Также параллельно реакции Майяра происходит и карамелизация.
Возможно вы замечали, что после выпечки пиццы под соусом есть липкий слой теста — это гелевый слой. Он появляется из-за того, что соус препятствует нормальному пропеканию теста под ним. Соус (и в меньшей степени начинка) создают влагозащитный барьер, между горячим воздухом и поверхностью теста, из-за чего тесто становится липким. Особенно это заметно в пицце с большим количеством теста и начинки. Эту проблему можно решить, если заранее пропечь тесто и после этого добавить соус и начинку, либо же можно сначала посыпать пиццу сыром, а на него нанести соус.
Про печь
Как вы думаете, почему бортики у неаполитанской пиццы такие воздушные? Почему когда мы выпекаем пиццу дома, таких бортиков у нас нет? Весь секрет в печи, в которой выпекают пиццу. Обычно для этого используется каменная печь, которую топят дровами, поэтому температура в ней достигает практически 500 градусов. Каменная печь нагревается и инерционно удерживает температуру, тем самым служит передавая много тепла пицце снизу, поэтому пицца прогревается еще и снизу. Из-за такой высокой температуры газ в бортиках пиццы очень сильно расширяется, а полностью сформированная клейковина не дает ему выйти наружу до застывания теста.
Но проблема в том, что бытовая духовка не может достичь температуры в 500 градусов, как в дровяной печи, поэтому спустя некоторое время и множество экспериментов я нашел два метода запекания в духовке, максимально имитирующих дровяную печь:
- Запекание на камне — для этого метода вам понадобится так называемый «печной камень». Это небольшая каменная плита, 30-40 сантиметров в диаметре и толщиной около 2-3 сантиметров, сейчас такие камни можно либо купить в специализированных магазинах, либо заказать на маркетплейсах. Дополнительно вам потребуется лопата для пиццы, которую так же можно найти на маркетплейсах, либо использовать вместо неё обратную сторону противня. При этом способе камень сначала ставится в холодную духовку (это важно, ведь если его поставить в сразу разогретую духовку он может лопнуть из-за перепада температур) и разогревается до максимальной температуры духовки (ставить лучше ближе к верхнему грилю духовки). Далее раскатанная пицца перекладывается на лопату, выкладывается соус с начинкой и пицца с лопаты выкладывается на разогретый камень в духовке, а далее выпекается до красивой золотисто-коричневой корочки. Из-за того, что камень сильно разогревается в духовке и обладает большой тепловой инерцией - он прекрасно передает пицце тепло снизу, что имитирует условия приготовления похожие на дровяную печь. При этом методе бортики довольно сильно расширяются и становятся воздушными. Камень можно заменить противнем, но я не очень это советую, ведь противень довольно тонкий и остывает гораздо быстрее камня, соответственно эффект запекания пиццы будет слабее.
- Плюсы: пицца получается почти как в настоящей печи; сам камень можно использовать для приготовления не только пиццы, а еще и других блюд.
- Минусы: довольно дорогой метод - необходимо приобрести печной камень и лопату для пиццы.
- Второй метод мне нравится намного больше. Для него вам понадобится только толстостенная сковорода большого диаметра, которую можно ставить в духовку (лучше чугунная или стальная). Для этого метода необходимо на плите разогреть сковороду до максимально возможной температуры (при дымлении сковороды у меня получилось около 300°), далее нужно аккуратно выложить тесто на сковороду, добавить соус, начинку и поставить сковороду в предварительно максимально разогретую духовку ближе к верхнему грилю, далее выпекать до золотисто-коричневого цвета корочки. При этом методе сковорода также служит дополнительным источником нагрева и отдает тепло тесту, но из-за более высокой чем у духовки температуры, бортики пиццы надуваются сильнее.
- Плюсы: бортики раздуваются довольно сильно, что очень похоже по результату на эффект в настоящей печи, а также не требуется какой-либо дополнительной утвари.
- Минусы: Если у сковороды высокие бортики очень неудобно выкладывать в неё тесто.
Что происходит c компонентами теста на каждом из этапов?
Крахмал
- Подготовка — в муке содержатся гранулы крахмала, в которых находятся молекулы амилозы и амилопектина, во время измельчения повреждается до 12% гранул крахмала, что приводит к образованию трещин на их поверхности. Также в муке присутствует фермент амилаза.
- Замес — вода и амилаза проникают через трещины в зерна крахмала, гранулы становятся увлажненными.
- Предварительная расстойка — амилаза расщепляет молекулы крахмала на простые сахара, которыми питаются дрожжи. Неповрежденные гранулы крахмала также расщепляются, но гораздо медленнее.
- Финальная расстойка — молекулы амилазы дальше продолжают расщеплять крахмал на простые сахара.
- Выпекание — при выпекании поверхность бортика высыхает (вода испаряется), что позволяет температуре превысить 100 градусов, в результате чего протекает реакция Майяра. Также при нагревании теста, неповрежденные молекулы крахмала трескаются, они начинают впитывать воду и вытеснять молекулы крахмала (амилозу и амилопектин), остается как бы оболочка, заполненная молекулами воды. Между 60 и 80 градусами вытесненные молекулы крахмала образуют гель (поэтому любой крахмал сначала нужно нагреть, чтобы он загустел).
- Хранение — вода выходит из гранул крахмала, поэтому они перестраиваются в более организованные цепи, этот процесс зовется ретроградацией. Черствение происходит в результате ретроградации и дегидратации (потери влаги).
Дрожжи
- Подготовка — обычно пекари разводят сухие дрожжи в теплой воде, чтобы активировать их (как в моём рецепте).
- Замес — распределяет дрожжи и пузырьки воздуха по всему тесту.
- Предварительная расстойка — Используя доступный воздух дрожжи начинают метаболизировать сахара, дрожжи «дышат», при этом производят воду и большое количество углекислого газа CO₂ (аэробное брожение). В аэробных условиях дрожжи набухают и создают больше дрожжевых клеток. Дрожжи продолжают дышать, но когда воздух в тесте кончается дрожжи переходят в анаэробный режим, при этом они также метаболизируют сахара, но производят этанол, CO₂, ароматические соединения и немного энергии.
- Формовка — дрожжи перераспределяются по тесту, что дает новые запасы сахаров для брожения.
- Финальная расстойка — Дрожжи продолжают анаэробно бродить, но пекари могут регулировать температуру, ускоряя или замедляя брожение.
- Выпекание — дрожжи продолжают выделять CO₂ все быстрее по мере повышения температуры, но при 50 градусах они начинают погибать, а после выпекания живых дрожжей не остается, так как температура сильно превышала 50 градусов.
- Хранение — ароматические соединения придают выпеченному тесту тот самый аромат выпечки, но со временем они рассеиваются, вкус и аромат изменяются.
Глютен
- Подготовка — мука содержит в себе белки, называющиеся глютенин и глиадин, которые при увлажнении формируют глютен.
- Замес — вода диспергируется и увлажняет глютенин и глиадин, что активирует множество химических реакций. Белки склеиваются и получается глютен, который образует сети, которые разрываются и восстанавливаются по мере продолжения замеса, что усиливает клейковину.
- Предварительная расстойка — сети глютена становятся длиннее и прочнее по мере того, как все больше молекул «склеиваются». Длинные цепочки образуют гибкую, похожую на паутину матрицу, которые улавливает пузырьки CO₂.
- Финальная расстойка — растет размер и количество пузырьков CO₂, а сети глютена их сдерживают.
- Выпекание — сильное расширения газа и испарение воды из-за тепла растягивает сети глютена, которые сдерживают их. Белки коагулируют, а крахмал превращается в гель, что формирует структуру корочки.
- Хранение — вода мигрирует обратно в сети глютена и/или выходит из них. Корка высыхает по мере потери большего количества влаги.
Денатурация и коагуляция белка
В разделе про выпекание я вскользь упомянул о том, что белки становятся твердыми при повышении температуры, но сейчас я хочу подробно объяснить, почему это происходит. Но для того, чтобы это понять, сначала я должен рассказать, как вообще устроен белок и почему он свернут в шарик.
Любой белок — это длинная цепочка из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. В аминокислотах присутствуют атомы, а точнее, группы атомов, которые торчат в сторону, их называют боковыми радикалами. У каждой аминокислоты они свои, например у многих аминокислот в боковом радикале есть атомы азота, кислорода или серы, притягивающие электроны и приобретающие таким образом частично отрицательный заряд. Поскольку на них теперь больше отрицательный заряд, с ними легко образуют связь молекулы с положительным зарядом, например молекулы воды.
Такие молекулы или их фрагменты, в которых можно выделить условный «плюс» или «минус», еще называют полярными. Аминокислоты с полярным боковым радикалом носят названия «гидрофильные», а связи с водой они образуют как раз боковыми радикалами, «плюс» притягивается к «минусу», а «минус» к «плюсу». А есть аминокислоты у которых нет такого разделения на заряды — они «гидрофобные». Они «боятся» молекул воды и не хотят образовывать с ними связи.
Для воды и гидрофильных молекул очень неудобно, когда среди них возникает нечто, с чем они не могут взаимодействовать. Можно провести аналогию со скалой выросшей посреди улицы, которую приходится обходить каждый раз, когда вам надо в магазин или куда-либо еще. У большой молекулы белка и у молекул воды есть такие взаимные расположения или состояния, энергетически выгодные (удобные) и невыгодные (неудобные) для них.
Для положительно заряженной молекулы и отрицательно заряженной выгодно сблизиться и образовать связь, пусть и непрочную, чем быть поодиночке, а молекулам с одинаковым зарядом удобнее сидеть подальше друг от друга. Поэтому разнозаряженные гидрофильные аминокислоты в белке будут тянуться друг к другу, а одинаково заряженные — отталкиваться. А что с гидрофобными аминокислотами? Их надо куда-то спрятать, чтобы они не контактировали не с водой не с гидрофильными аминокислотами, поэтому белок сворачивается в «клубок», причем так, чтобы наружу смотрели гидрофильные аминокислоты, а внутри находились гидрофобные, поскольку они вполне хорошо переносят тесное соседство. В этом случае у белка образуется энергетически выгодное ему состояние. Так в упрощенной форме я описал, как белок переходит от первичной до вторичной и третичной структуры. Вот коротко о каждой структуре:
- Первичная — это небольшая последовательность аминокислот, уникальная для каждого белка;
- Вторичная — выглядят как спирали, листы и их комбинации. Возникают из-за энергетически выгодного состояния.
- Третичная — возникает когда белки вторичной структуры взаимодействуют между собой. Это тот самый клубок с гидрофильной поверхностью и гидрофобным ядром.
- Четвертичная — это несколько белков третичной структуры, которые «склеились» в один еще больший белок.
Первичная структура определяет третичную структуру, а от третичной зависит то, какую функцию будет выполнять белок. То есть, чтобы белок стал функциональном он должен свернуться. Специалисты так и говорят, что происходит фолдинг белка (fold — сворачиваться).
Способность образовывать и держать связи зависит от температуры, кислотности и других факторов. Тут мы наконец подходим к тому, что происходит с белком при нагревании. Когда мы нагреваем наш «клубок», он разворачивается. Если обойтись без сложных терминов, то происходит следующее: мы добавляем дополнительную энергию белку и воде, в которой он плавает. Молекулы воды начинают активно двигаться, дергаться, аминокислоты в белке из-за энергии также стремятся активно двигаться. Связи удерживающие белок свернутым разрушаются, а силы, которые заставляют гидрофобные аминокислоты сидеть внутри клубка, становятся нестабильными. В итоге белок разворачивается под действием температуры в очень длинную нить — это зовется денатурацией, то есть разворачивание белка.
Но ведь молекула белка не одна, а огромное множество, все они разворачиваются и показывают наружу гидрофобные аминокислоты, которые для воды по-прежнему неудобны. Вода и гидрофильные аминокислоты свернуть белок обратно уже не могут, однако все равно стараются избегать гидрофобных аминокислот. Поэтому гидрофобным аминокислотам не остается ничего, кроме как искать себе подобных. Они слипаются, друг между другом, образуют прочные сети и выпадают в осадок (твердеют) — это зовется коагуляцией. У осадка другие оптические свойства, поэтому он становится непрозрачным, лучше всего это заметно при жарке яичницы. Коагуляция происходит в яичном белке и желтке. Практически все, что становится твердым при высокой температуре — это результат денатурации и коагуляции белков!
Вода при этом никуда не девается, она просто прячется в промежутках между слипшимися молекулами. Вода и гидрофильные аминокислоты обратно свернуть белок не могут, ведь у них нет достаточной энергии для этого, поэтому им энергетически выгоднее находится в состоянии осадка.
Есть и другие способы денатурировать и коагулировать белок, например, если сильно повысится или понизится кислотность, белок потеряет третичную структуру. Он ее потеряет и от механического воздействия. Механизм везде одинаковый: в зависимости от внешних условий для молекул белка энергетически выгодно пребывать либо в свернутом, либо в развернутом состоянии.
Реакция Майяра
Когда мы запекаем тесто оно становится золотистым и начинает выделять приятный аромат свежевыпеченного хлеба. Но почему оно это делает? Это результат реакции Майяра!
Реакция Майяра (или реакция меланоидинообразования) — одна из основополагающих химических реакций в кулинарии, на которой так или иначе основаны почти все основные блюда, известна образованием окрашенных продуктов со специфическим вкусом и ароматом.
Эта химическая реакция происходит между аминокислотами и сахарами, которые так или иначе содержатся в продукте. Примером реакции Майяра является корочка у пиццы, жареное мясо, обжаренное кофе или же всем известная вареная сгущенка. Процесс протекает без участия ферментов, поэтому зовется неферментативным потемнением. Вызывает химическое превращение тепловая энергия, особенно с кислотностью в интервале pH от 4 до 7, что характерно для большинства продуктов.
У реакции Майяра есть 3 необходимых условия:
- Наличие NH₂ групп или аминогрупп (аминокислот, особенно Арг и Лиз аминокислот).
- Наличие С=O или карбонильных групп (сахаров)
- Высокие температуры (реакция Майяра протекает практически при любых температурах, но именно высокие температуры очень сильно ускоряют её протекание!)
На начальном этапе под действием температуры аминогруппа белка реагирует с карбонильной группой продукта. Иными словами, аминокислоты реагируют с сахарами при нагревании. В результате этого взаимодействия образуется промежуточное нестабильное вещество, называемое основание Шиффа, которое сразу подвергается дальнейшим преобразованиям, таким как перегруппировка Амадори с образованием раннего «продукта Амадори». Именно продукты Амадори на более поздних стадиях реакции Майяра претерпевают множественные изменения с образованием более 3500 характерных летучих ароматических соединений, а также из продукта Амадори образуется ряд окрашенных веществ под общим названием "меланоидины", которые и придают продукту коричневый цвет.
Если кратко то: аминогруппа + карбонильная группа → основание Шиффа → продукт Амадори → меланоидины + ароматические вещества. Эта схема очень кратко описывает реакцию Майяра, поскольку на самом деле происходит огромное множество химических превращений, но в ней показаны базовые этапы реакции Майяра.
Обычно, когда мы выпекаем тесто, мы смазываем его яйцом или молоком и корочка от этого становится только лучше. Задумывались ли вы почему? Это также относится к реакции Майяра. Как я и говорил, реакция Майяра происходит между аминокислотами и сахарами, в яйце же как раз находится много белков и соответственно аминокислот, поэтому смазывая яйцом вы даете дополнительные аминокислоты для реакции Майяра, а сахаров в тесте и так достаточно. Также и с молоком, оно содержит молочные белки — казеины, а также молочный сахар — лактозу.
Также после связывания сахаров с аминокислотами Арг и Лиз, их пептидные связи становятся недоступными действию пищеварительных ферментов, в результате чего они не всасываются организмом. Поскольку Лиз — незаменимая аминокислота (то есть она не вырабатывается в организме и нужна ему для жизнедеятельности), считается, что пищевая ценность продуктов с реакцией Майяра падает. В обычных жареных или выпекаемых продуктах потери лизина и аргинина составляют 15 — 40%. Этот факт часто приводится для убеждения отказаться от термообработанных продуктов.
Многие также утверждают, что реакция Майяра не может протекать при влажной термообработке (варка, тушение), но на самом деле это некорректно. Реакция Майяра начинает протекать более-менее активно от 120°, температура кипения воды же равна 100°. Проблема в том, что если в продукте есть вода или если он в находится в ней, то его температура не сможет подняться выше 100 градусов, что не дает протекать реакции Майяра. Но если повысить температуру кипения воды, тогда реакция Майяра будет возможной.
Например в книге "Наука и кулинария" описан рецепт супа с карамелизированной морковью (на самом деле морковью с реакцией Майяра :). В нем температуру кипения воды повысили с помощью скороварки, в которой было повышенное давление, что подняло температуру кипения до 120 градусов. В результате, получилась морковь в которой буквально насквозь протекла реакция Майяра, так как в центре моркови температура также была 120 градусов, а суп из нее получился намного богаче вкусом, чем обычный.
Влага угрожает разрушению реакции - присутствие воды на поверхности продукта продлевает время приготовления и снижает температуру, поскольку для испарения жидкости требуется больше времени. В результате возникает риск не достичь быстрого повышения температуры до желаемого показателя температуры.
Также не стоит путать реакцию Майяра и карамелизацию — это две совершенно разные реакции. Если не сильно углубляться, то различие между реакцией Майяра и карамелизацией в том, что при карамелизации, реакции проходят только между сахарами, в отличии от реакции Майяра, при которой реакции протекают между сахарами и аминокислотами.