Помоги проекту - поделись книгой:
Марти Джопсон
Всё о науке за 60 минут
First published in Great Britain in 2015 by Michael O'Mara Books Limited
Illustrations © Emma McGowan 2015
Copyright © Marty Jopson 2015
© Банкрашков А. В., пер. с англ., 2021
© ООО «Издательство ACT», 2021
Предисловие
Буквально повсюду нас окружают интереснейшие проявления науки. Но мы этого, как правило, не замечаем. Наука скрыта от нас на самом видном месте – в привычных явлениях повседневной жизни, которые мы принимаем как должное.
И все же, если остановиться на мгновение и копнуть глубже, можно почувствовать эту волнующую сладость научного познания. Например, подумайте о каком-нибудь остром блюде – что на самом деле вызывает ощущение жжения, когда мы едим его? Действие уже давно известной составляющей перца чили – капсаицина – было изучено на молекулярном уровне, но это лишь начало нашей пикантной истории. Есть также вещества, придающие пряный вкус: пиперин, гингерол, аллилизотиоцианат. Давно открыт и гидрокси-α-саншул, с которым связывают чувство онемения языка и вяжущий вкус. Молекулы этих веществ сильно отличаются по структуре, но каждая из них воздействует на наши рецепторы, вызывая неприятные ощущения.
Даже самые привычные устройства, которыми мы пользуемся ежедневно и на которые уже почти не обращаем внимания, могут оказаться невероятно увлекательными. Когда вы в последний раз задумывались над тем, что происходит внутри кварцевых часов? Так знайте: эта электрическая система обратной связи, используемая для генерации колебаний внутри кварцевого кристалла, дьявольски сложна, а кварц присутствует не только в часах, но и в каждом мобильном телефоне, компьютере и планшете. Есть он и в инфракрасных датчиках движения, которые являются частью сигнализаций, молчаливо наблюдающих за всеми нами, когда мы их даже не замечаем. То, что делает их такими блестящими охранниками, скрыто глубоко внутри. Хитрая схема из двух крошечных кристаллов позволяет датчику не только видеть ту часть спектра, которую мы увидеть не можем, но и реагировать на движущиеся источники инфракрасного излучения лишь определенного размера.
Увы, слишком часто, преодолевая барьер первоначального понимания, мы внезапно оказываемся на сугубо научной территории, где окончательный ответ заключается в том, что мы по-прежнему не знаем ответа. От возможности добычи драгоценной платины из «хвостов» (отходов технологических процессов при добыче других металлов) до постижения того, почему мотылек летит на свет, – в нашей повседневной жизни наука может проявляться в самых разных ее аспектах, но мы не понимаем еще слишком многого.
Однако так ли важно глубокое понимание этой «повседневной» науки? На первый взгляд – нет. И правда, зачем нам знать, как работает тостер или почему пребывание под деревом в жаркий день так восхитительно охлаждает тело? Ведь все эти вещи будут иметь место и без нашей осведомленности. И все же знание принципов помогает нам влиять на то, что происходит вокруг нас.
Прежде всего, во все более технологически управляемом мире понимание тех или иных явлений ведет к принятию более обоснованных решений. И порой это жизненно важные решения. Например, какой предмет нужно засунуть в тостер, чтобы протолкнуть застрявший кусок хлеба. Зная, что через голые нихромовые провода в тостере проходит ток, вы воспользуетесь деревянной ложкой или китайской палочкой для еды, но никак не металлическим ножом. Понимая принцип работы тостера, можно также сделать его более полезным и функциональным. То же самое и с деревом: оценка охлаждающего эффекта его листвы позволяет нам делать выбор в пользу увеличения зеленых насаждений в городах и поселках.
Речь идет о применении науки не только с целью коллекционирования лайфхаков в любой сфере вплоть до городского планирования. Существует и более абстрактная, но при этом более фундаментальная причина, по которой «повседневная» наука так важна: она делает нашу жизнь более захватывающей. Знание контекста любого явления и умение объяснить его заставляет воспринимать это явление совершенно иначе. Никто не будет отрицать, что это верно для шедевров изобразительного искусства и литературы. Но это верно и для науки. Стоит понять, почему кожа на пальцах покрывается морщинками в горячей ванне, и вы никогда больше не сможете смотреть на свои пальцы с прежним отношением. А значит, купаться вам станет гораздо интереснее.
В этой книге я расскажу о ряде удивительных и интригующих научных фактах, с которыми мы сталкиваемся постоянно. Но мое изложение совсем не похоже на то, что свойственно научным трудам. Так что вам не придется лететь к границам нашей Вселенной почти со скоростью света или сталкиваться с субатомными частицами. Все, что нужно сделать, это оглядеться вокруг и погрузиться в тонкости науки, которая присутствует в вашей жизни каждый день.
01 Наука о питье и пище
Самая сладкая вещь
Сахар, сочная клубника, теплый пирог только что из духовки и мой любимый мед прямо из сот… Большинству из нас так нравится сладкое, что потребность искать его, похоже, прочно запрограммирована в нашем мозге. Однако наша способность ощущать сладкий вкус удивительно неспецифична, и ее легко обмануть с помощью множества химических веществ, мало похожих на сахар. Более того, когда дело доходит до количественного измерения сладости, обычный сахар, или сахароза, оказывается совсем не сладким.
Самое сладкое из числа открытых химических веществ называют «лугдунам». По уровню сладости оно примерно в 250–300 тысяч раз слаще, чем сахароза. Однако химиков озадачивает то, что лугдунам не имеет никакого структурного сходства с другими сахарами. Это создает определенную проблему для научного понимания, поскольку, как правило, принцип работы наших рецепторов заключается в том, что они распознают молекулу лишь частично. То есть определяют схему расположения полудюжины (или около того) атомов. При этом расположение остальных атомов в молекуле не имеет значения, если эти полдюжины находятся в нужных местах. Это известно как модель «ключ – замок»: пока у химического вещества есть нужный ключ, он будет открывать замок рецептора. Но у сахарозы и лугдунама, похоже, нет ничего общего. Соответственно, вычислить ключ последнего пока не удается.
Под термином «сахара» скрывается целая группа химических веществ, в структуре которых имеются цепочки атомов углерода и иногда кислорода разной длины. Часто эти цепочки соединены в кольца. Простейшие сахара (например, глюкоза) могут иметь только одно такое кольцо или не иметь их совсем, как фруктоза. Две цепочки простых сахаров (моносахаридов) могут стыковаться, образуя такие соединения, как сахароза, которая на самом деле представляет собой закольцованную цепочку фруктозы, склеенную с изначальным кольцом глюкозы (по факту сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы). Все эти химические вещества имеют общую структуру и легко распознаются вкусовыми рецепторами как сладкие, поскольку обладают нужным ключом.
Однако все меняется, если посмотреть на заменители сахара. Наверняка вам знаком такой подсластитель, как аспартам, содержащийся во многих пищевых продуктах, включая диетические газированные напитки. Распространено мнение, что сахарозаменители – это полностью синтетические соединения, которые производятся в лабораториях. Но оказывается, в природе они существовали задолго до появления диетической индустрии, так что мы можем найти заменители сахара в самых неожиданных местах.
Моего любимца – он очень удивил меня, когда я впервые столкнулся с ним на экскурсии, – можно найти на берегу моря. В следующий раз, прогуливаясь вдоль скалистого берега, внимательно ищите
Вместо охоты за ламинарией можно обратиться к глицирризиновой кислоте, которая содержится в корнях
И, наконец, мой последний пример натурального подсластителя – стевия. Точнее, стевиолгликозидная группа химических веществ. Стевиолгликозиды – это гликозиды, входящие в состав листьев растений рода стевия. А их природный источник – «медовая трава»
Общим для всех этих сахарозаменителей является некоторое структурное сходство с самой сахарозой. Поэтому неудивительно, что наши вкусовые рецепторы распознают их как сладкие, ведь они обладают нужным ключом к замку сладости. Но как же тогда «работает» суперсладкий лугдунам? Существует целый ряд теорий о нашей способности чувствовать сладкий вкус, и одна из последних называется «теория многоточечной привязанности». Она разработана биологами из Лионского университета во Франции. Согласно этой теории, вкусовой рецептор сладкого на языке образует не одну большую структурную область, а несколько – вплоть до восьми – более мелких и пространственно разнесенных областей. Похоже, что молекуле не нужно содержать все восемь «подключей», чтобы ее распознали как сладкую. Так что это уже модель не столько замка и ключа, сколько мешка с замками и ключницы, набитой крошечными ключами. Эта теория также дает нам элегантное объяснение того, почему суперсладкий лугдунам совсем не похож на сахарозу. Хотя молекулы отличаются друг от друга, каждая должна открывать некоторое количество из восьми замков, чтобы организм распознавал ее как сладкую. Возможно, набор этих замков индивидуален, однако нет сомнений, что наш язык намного менее разборчив, чем мы представляли себе ранее, – но все же не все сахара для него равнозначны.
Легкий и воздушный пирог
Едва ли есть вещи более приятные, чем свежий воздушный пирог с чашкой горячего чая. При этом создать столь аппетитный образец пекарского искусства совсем несложно. Вам потребуется лишь что-то, производящее много пузырьков газа, и способ запереть эти пузырьки внутри вкусного теста. Вторая часть задачи почти всегда решается добавлением яйца в тесто, а вот создать пузырьки можно разными способами.
Конечно, кто-то предпочитает взбивать яйца до образования пены, но гораздо проще и надежнее воспользоваться умной химией. Большинство хозяек полагается на пекарский порошок, или разрыхлитель: он добавляется в муку для быстрого подъема теста из расчета 5 г порошка на каждые 100 г муки. Как же он действует?
В пекарском порошке есть два ключевых ингредиента. Первый – это гидрокарбонат натрия, более знакомый нам как пищевая сода. Слово «сода» указывает на латинское
Кстати сказать, гидрокарбонат натрия разрушается с образованием углекислого газа при нагревании свыше 50 °C. Некоторые разрыхлители имеют маркировку «двойного действия», и обеспечивается оно кислой реакцией при замешивании теста и тепловым распадом гидрокарбоната при выпекании теста в печке.
И все же действительно эффективен пекарский порошок благодаря второму ингредиенту, входящему в его состав, – гидрофосфату натрия. Звучит сложно, но это всего лишь сухая порошкообразная кислота. Если добавить ее в воду, получится кисловатый раствор, похожий на тот, что образуется при добавлении в воду лимонного сока или уксуса, но совсем без запаха.
Эти два ингредиента разрыхлителя теста совершенно инертны, если хранить их в виде сухой смеси в шкафу, но стоит вам растворить их в воде или в чем-либо, содержащем воду, например в молоке или яйцах, как тут же начинается химическая реакция. Сначала гидрофосфат натрия делает тесто немного кислым, но потом начинает образовываться углекислый газ. Вот почему, как только вы добавите жидкость в тесто с разрыхлителем, вам следует срочно ставить его в духовку: чтобы не терять зря пузырьки углекислого газа. Если же оно простоит на кухонном столе слишком долго, пирог уже не получится таким легким и воздушным, хотя, возможно, останется столь же вкусным.
Секрет яичного белка
Подумайте вот о чем. Когда вы готовите яйцо, будь оно куриным, утиным или перепелиным, яичный белок превращается из совершенно прозрачной жидкости в твердую матовую массу белого цвета. Желток же остается того же цвета, хотя и меняет свою консистенцию. Почему прозрачность одного меняется, а другого нет?
Яйцо любой птицы содержит белки, жиры и минералы, необходимые для рождения птенца. Желток в яйце заключает в себе бóльшую часть калорий и является основным источником питания для развивающегося эмбриона. Это тот кусочек, в котором содержится весь жир. Белок же яйца представляет собой чистый белок, смешанный с водой. Он нужен для того, чтобы поддерживать и защищать желток, хотя в конечном счете он тоже участвует в процессе формирования птенца. Белки в составе сырого яичного белка называются альбуминами, и состоят они из сотен длинных цепочек аминокислот. По всей длине этих цепочек располагаются заряженные радикалы, обладающие свойством прилипать к другим радикалам вдоль тех же цепочек. Соответственно, в процессе соединения их зарядов линейные белки сворачиваются в крошечные шарики. Так что белок яйца – это по сути белковые молекулы альбумина, плавающие в воде.
Теперь давайте разбираться в том, что делает что-либо прозрачным или непрозрачным. На молекулярном уровне сырой яичный белок образует комплексы с молекулами воды, и вода как бы окружает толстым слоем коллоидные частицы белка. И на этом уровне кажется маловероятным, чтобы свет мог проникнуть глубоко в белок, не говоря уже о том, чтобы пройти насквозь. Однако если переместиться на уровень субатомных частиц, все меняется. В атоме есть ядро, окруженное облаком вращающихся электронов, и это ядро занимает лишь крошечную часть пространства внутри атома. Существует множество популярных аналогий, иллюстрирующих это, включая спортивные стадионы и горох[2], но основная концепция заключается в том, что внутри атома очень, очень мало чего есть. В ряде допущений это просто пустое пространство с редкими включениями электронов.
Когда луч видимого света попадает в атом, то едва ли упирается в ядро. Скорее, он проходит сквозь облако электронов. А электроны могут существовать только на определенных энергетических уровнях. Если не вдаваться в слишком головоломные квантовые подробности, причина в том, что атомы, аналогично электронам, обладают несколькими резонансными частотами. Возможные уровни энергии атома зависят от его типа и от того, к какому атому он сам присоединен.
Луч света имеет определенное количество энергии, которое зависит от длины волны, или цвета, луча. Когда свет проходит через облако электронов, они способны поглощать его энергию и переходить на более высокий энергетический уровень. Но это возможно, только если энергия кванта света в точности соответствует нужному количеству энергии: ее должно быть ровно столько, сколько требуется для прыжка – электрон не может перепрыгнуть уровень или лишь немного превысить свой. Оказывается, в яичном белке, полном воды и белков, энергетические уровни электронов слишком далеко разнесены друг от друга. Так что когда видимый свет попадает на яичный белок, он никогда не обладает тем количеством энергии, которое нужно электронам. А поскольку свет не поглощается, он проходит прямо через жидкий яичный белок, и тот кажется нам прозрачным. Стоит отметить, что вода и сырой яичный белок непрозрачны, к примеру, для ультрафиолета. Этот вид светового излучения обладает достаточным количеством энергии, чтобы электроны могли перескочить на новый уровень. Следовательно, излучение поглощается.
Но все меняется, когда мы нагреваем яичный белок. Примерно при 60 °C некоторые альбумины начинают менять структуру. А при 80 °C происходит уже массовое нарушение внутренней структуры яичного белка. Свернувшиеся клубки аминокислот, из которых состоят альбумины, так сильно вибрируют от жара, что химические связи, удерживающие сложную структуру белка, постепенно распадаются. Отдельные узлы белков распутываются, и яичный белок становится бульоном из длинных цепочек аминокислот, которые запутываются и прилипают друг к другу. На прозрачность яичного белка разрушение природной структуры белков (это называют денатурацией белка) влияет двояким образом. Во-первых, поскольку измененные белковые молекулы спутаны друг с другом, они не могут свободно перемещаться, и яичный белок превращается в желеобразное твердое вещество. Во-вторых, в рамках этого процесса изменение энергетических уровней электронов в яичном белке уже возможно, а значит, последние становятся способными поглощать видимый свет. Теперь при попадании луча света на яичный белок свет не проходит сквозь него, так что белок кажется непрозрачным.
Стоит задаться вопросом, что же происходит со всей этой поглощенной энергией. Ответ таков: она высвобождается в виде света электронами, когда они возвращаются обратно на более низкие энергетические уровни. Однако свет высвобождается во всех направлениях, а не обязательно в том, в котором двигался тот, первый луч. Часть света уходит вглубь яичного белка, а другая – по крайней мере ее половина – отражается обратно в сторону первоначального источника света. Все это делает яйцо непрозрачным и белым.
Теперь, когда природа прозрачности яичного белка прояснилась, осталось понять, что такое яичный желток и почему он непрозрачный. В этом случае объяснение немного сложнее, чем большие интервалы между энергетическими уровнями электронов. Яичный желток – это не просто вода с растворенным в ней белком. Он содержит также множество крошечных капель жира. Когда свет попадает на них, то отражается от их поверхности и рассеивается.
Учитывая, как много моментов должно совпасть, чтобы вещество было прозрачным, это просто чудо, что прозрачные вещества вообще есть. Однако даже не пытайтесь убедить меня рассказать, как такое твердое тело, как стекло, ухитряется сохранять свою прозрачность!
Копченый – (не) значит готовый
Недавно один очень молодой человек спросил меня, можно ли есть копченого лосося. Готов ли он? Этот вопрос вызвал у родителей, к числу которых я причисляю и себя, вспышку беспокойства, а мой ответ был примерно таким: «Не беспокойся об этом, просто ешь его и не задавай глупых вопросов». Несомненно, тот молодой человек принадлежал к числу людей, которым с младых ногтей внушали мысль никогда не есть не до конца приготовленные продукты – как и не довольствоваться плохо продуманными ответами. Так что мне пришлось поразмышлять усерднее и дать более удовлетворительное объяснение.
В конечном счете ответ на этот вопрос зависит от того, что вы подразумеваете под готовностью блюда, каковы ваши критерии. В словаре упоминается, что приготовление пищи связано с использованием тепла. Но, что действительно важно, там не указано, сколько тепла требуется и каким, собственно, должен быть результат. Более научное определение должно содержать сведения о специальной обработке пищевых продуктов с целью их хранения, то есть о консервации, и распутывании белков в приготовленной пище.
Если вы хотите приготовить что-то и распутать белки в тех или иных продуктах, то тепло – самый простой путь этого добиться. Известно, что для уничтожения бактерий необходима температура выше 70 °C, и это неслучайно. Именно при такой температуре белковые молекулы начинают распадаться. При более высокой температуре клубки длинных белковых цепочек раскручиваются – происходит денатурация. Обычно это приводит к явному изменению внешнего вида белка, а в случае с лососем характеризуется изменением его цвета от темного и пропускающего свет до гораздо более светлого и непрозрачного розовато-персикового.
Поскольку при копчении лосося подобного не происходит, теоретически это должно означать, что рыба все еще не пригодна к употреблению. Так ведь? Ну, вроде того. Ошибка рассуждений в том, что тепло – не единственный способ приготовить пищу. Копченый лосось в Англии традиционно производится в рамках двухступенчатого процесса. Сначала сырую рыбу засыпают солью и оставляют на 24 часа. Это высасывает из рыбы основную массу воды, высушивая ее примерно на 10 % от первоначального веса. Однако соль не только высасывает воду, но и убивает большинство бактерий, которые могут жить в рыбе. После этого тушки лосося подвешивают в курильне (задымленном помещении) примерно на 12 часов при температуре не более 30 °C. Сам дым мало на что влияет, разве что обеспечивает особый вкус, хотя и есть доказательства того, что некоторые химические вещества в дыме обладают антибактериальными свойствами. Но вот что точно делает дым, так это высушивает рыбу еще на 10 %. Таким образом, она становится решительно негостеприимной для бактерий и может храниться длительное время, пройдя лишь незначительную термическую обработку.
Так какой же ответ нужно было дать молодому человеку? При копчении лосося используется мягкое тепло, и белки в рыбе не денатурируются, однако она консервируется. То есть, согласно словарю, рыбу можно считать приготовленной, но в соответствии с более строгим научным определением она не готова. Итак, копченый лосось – это блюдо, приготовленное наполовину.
Холодный каравай – черствый каравай
Холодильники изменили наш подход к питанию и ведению хозяйства. Помещая продукты в ящик, где температура на несколько градусов выше точки замерзания воды, мы можем замедлить рост бактерий и плесени и увеличить срок хранения десятков видов продуктов – от йогурта до тушек цыплят. Низкая температура также помогает сохранить пищу влажной, уменьшая испарение. А в случае с фруктами она еще и активно препятствует их созреванию. Холодильники на кухне и рефрижераторы позволили нам наслаждаться любимыми продуктами в любое время года, где бы мы ни находились, ведь теперь они всегда есть в наших супермаркетах. И все же кое-что охлаждать в холодильнике не следует. Например, хлеб. Замораживание – прекрасная идея для длительного хранения хлеба, но никогда, повторяю, никогда не храните его в холодильнике.
Хлеб может включать в себя всевозможные ингредиенты, но в его основе лежит всего три компонента: мука, вода и дрожжи. Дрожжи представлены живыми микроорганизмами, которые растут и производят пузырьки углекислого газа, обеспечивая тем самым легкую «пушистость» выпеченному хлебу. Но ключевую роль в моем совете «не охлаждать хлеб» играют мука и вода.
Я надеюсь, все вы знаете, что муку изготавливают, перемалывая семена пшеницы. Они состоят из трех частей. Наружная оболочка семян (после обдирки отрубей) богата волокнами, но на этом ее ценность заканчивается. Под наружной оболочкой находится зародыш, который при посеве семени становится новым ростком пшеницы. Наконец, бóльшую часть внутреннего пространства семени заполняет крупный сгусток крахмала, смешанный с небольшим количеством белка. Для получения цельной пшеничной или ржаной муки используются все три части семени, а знакомая нам белая хлебопекарная мука (высшего или первого сорта) – это просто размолотый крахмалистый шарик с белком. Если смешать белую муку с водой и немного помесить ее, получится пружинистое тесто, а не клейкое месиво. Упругость этому тесту придает белок, называемый клейковиной или глютеном. Однако этот факт не имеет никакого отношения к теме охлаждения хлеба, поэтому я заканчиваю свое отступление, и мы продолжаем.
Что в данном случае действительно важно, так это форма, которую молекула крахмала принимает в семенах пшеницы, прежде чем их размелют для получения муки. Крахмал в растениях образуется путем соединения глюкозы в длинные цепочки, а затем «сшивания» этих цепочек друг с другом. Растение формирует крошечные гранулы крахмала в семени как запас питания, и, именно из-за того, что крахмал «упаковывается» в гранулы, его описывают как кристаллическую структуру. При смешивании гранул крахмала, составляющих основную массу муки, с водой, вода проникает между длинными цепочками глюкозы, расщепляя тем самым аккуратную кристаллическую структуру, и крахмальные гранулы набухают и становятся более мягкими и студенистыми. Можно увидеть это, если залить кипятком кукурузный крахмал – он сразу же превратится в липкую слизь. Да, звучит не очень-то аппетитно, но именно это крахмалистое вещество делает хлеб мягким и влажным.
Если оставить хлеб на столе, он начнет черстветь. В значительной степени потому, что вода в нем постепенно испаряется, но причина также и в том, что крахмал очень медленно возвращается к своей кристаллической структуре. Этот второй процесс называется ретроградацией. В ходе него вода выжимается из студенистого крахмала, и, хотя какое-то ее количество все еще может оставаться в хлебе, тот становится более сухим и черствым. Решающим моментом здесь является то, что ретроградация резко ускоряется при температуре от –8 до 8 °C. Таким образом, в холодильнике, при температуре около 5 °C, крахмал быстрее ретроградирует и хлеб становится черствым. Даже если его плотно завернуть в пластиковый пакет, чтобы предотвратить высыхание из-за испарения воды, хлеб в холодильнике все равно будет черстветь быстрее, чем при комнатной температуре. Он также покажется сухим на вкус, хотя содержание воды в нем почти не изменится.
Однако все не так уж и плохо, поскольку при температуре намного ниже –8 °C крахмал не ретроградирует. Так что вполне разумно, если вы хотите продлить жизнь хлеба, просто заморозить его (при температуре около –20 °C). Вы также можете восстановить хлеб, который зачерствел в холодильнике, осторожно нагревая его: поместите буханку в духовку на пять минут, и хлеб не только станет хрустящим, но и по вкусу будет напоминать свежеиспеченный. Конечно, хлеб, хранящийся при комнатной температуре, заплесневеет гораздо быстрее, чем охлажденный, поэтому тут уже кому что больше нравится – заплесневевший или черствый.
Острее острого
В обычной коллекции кухонных специй может скрываться немало природных сильнодействующих средств. Для фармацевта некоторые из них полезны тем, что обладают очень специфическим биохимическим действием, тогда как для всех остальных – лишь приятной пикантностью, которую они придают различным блюдам. Самое известное из этих средств – капсаицин, и содержится он в перцах чили всех форм и размеров. Относительная острота перца чили зависит от того, сколько в нем капсаицина. Эту остроту можно измерить с помощью разработанной в 1912 году американским химиком Уилбуром Сковиллом системы для сравнительной оценки степени жгучести перцев капсикум – так называемой шкалы Сковилла. По ней болгарский перец имеет 0 ЕШС (единиц шкалы Сковилла), перец «халапеньо» – около 2 500 ЕШС, а карибский красный перец (известен также как «шотландская шляпа») – от 100 000 до 350 000 ЕШС. Тем не менее эти перцы – «дети» по сравнению с суперострыми сортами. Нынешний рекордсмен мира – перец сорта «каролинский жнец». Этот уродливый ярко-красный сморщенный перчик чили набрал более 2 000 000 ЕШС.
К сожалению, шкала Сковилла довольно ненадежна, поскольку жгучесть оценивается группой из пяти дегустаторов, пробующих разбавленные экстракты тестируемого перца. Когда трое из пяти дегустаторов соглашаются, что ощущают лишь тепло во рту, определяется степень разбавления экстракта и, собственно, величина остроты перца по шкале Сковилла. В зависимости от выбранных дегустаторов результаты могут сильно отличаться. Есть мнение, основанное на результатах другого теста, что чистый капсаицин наберет 16 000 000 ЕШС, что, безусловно, умопомрачительно остро даже для самого ярого поклонника перчиков чили.
Далеко не просто так в английском языке вкус перца чили и капсаицина, который он содержит, описывается словом
Однако перец чили – не единственная острая на вкус специя. Черный перец, имбирь, горчица и даже сычуаньский перец тоже вызывают жар во рту, хотя и за счет разных химических веществ. А связывает все эти вкусовые ощущения то, что в основе защитного механизма лежит уже знакомый нам белок
Последний в моем «горячем» списке – сычуаньский перец. Оказалось, что он не так уж и прост. Эта специя встречается в азиатской кулинарии и является одним из компонентов знаменитой китайской приправы из пяти трав[4]. Его выделяют из кожицы крошечных ягод дальнего родственника семейства цитрусовых[5]. Активное химическое соединение гидрокси-α-саншул имеет знакомый нам острый вкус капсаицина, а также создает во рту ощущение странного онемения или покалывания. За тепло, которое мы чувствуем, ответственен наш старый знакомый – белок
По иронии судьбы все растения, которые «производят» перечисленные мной специи, обзавелись жгучими веществами в ходе эволюции, чтобы с их помощью отпугивать животных. Но так случилось, что многим людям очень даже понравилось испытывать ощущения, похожие на боль от ожога, и теперь они щедро добавляют эти пряности в различные блюда.
Слезливая тема лука
Лук – один из тех овощей, что человечество культивирует с давних времен. О нем писали римляне и древние греки, а египтяне 5 000 лет назад использовали семена лука в своих ритуалах мумификации и рисовали изображения лука на стенах гробниц. Его история началась даже раньше бронзового века: лук обнаружили в останках 7 000-летней давности в Палестине. Казалось бы, за несколько тысячелетий люди уже должны были бы справиться с его основной проблемой – тем, что он заставляет нас плакать.
Возьмите нож и начните резать мякоть лука. Делая это, вы вскрываете множество необычно больших его клеток. Внутри клеток есть два химических вещества, которые обычно не вступают во взаимодействие, поскольку содержатся в разных клеточных отсеках. Разрезая клетки, вы разрушаете целостность отсеков, так что химические вещества смешиваются. Первое из этих веществ – группа аминокислот, белковых строительных блоков, имеющих в своем составе атомы серы и кислорода. Когда эти аминокислоты соединяются с ферментом аллииназа, они производят высокоактивные сульфокислоты. Кстати, английское слово
Образование сульфокислот еще не конец химической цепочки. Далее в дело вступает второй фермент. Величественно названный «синтаза слезного фактора», он начинает взаимодействовать с сульфокислотами и производит, как вы уже наверняка догадались, этот самый «слезный фактор». Учитывая, что по-научному его именуют
Возможно, вы удивитесь, но передняя прозрачная часть наружной оболочки вашего глаза, роговица, заполнена сенсорными, или чувствительными, нервными окончаниями. Они нужны, чтобы выявлять все, что касается нежной роговицы. Когда происходит контакт чего-либо с роговицей, мы бессознательно моргаем и у нас появляются слезы, чтобы смыть раздражитель. Слезный фактор же прилипает к нервным окончаниям, заставляя их поверить, будто роговицы коснулось что-то горячее. Мы чувствуем это как жгучую боль, хотя никакого тепла на самом деле нет, и наши глаза начинают слезиться. Есть много химических веществ, способных вызывать такую же реакцию, например капсаицин, но лишь лук и родственные ему растения являются источниками летучих слезоточивых веществ, или лакриматоров.
С химией разобрались. Однако пока совершенно неясно, почему в луке эволюционировала столь запутанная цепь химических событий, ожидающих своего часа. Для этого нам нужно обратиться к ботанике, а также к пониманию природы травоядности животных. Лук – растение двулетнее. В первый год он вырастает из семени в веер толстых, но полых зеленых листьев и попутно создает себе запас пищи в основании этих листьев, поскольку, набухая, именно листья формируют под землей луковицу. Она перезимовывает и весной пускает побег, затем еще больше листьев и, наконец, цветонос. Цветы в свою очередь дают семена, и весь цикл начинается снова. Очевидно, что с точки зрения выживания растения крайне важно, чтобы луковица, переполненная накопленной энергией, оставалась в земле невредимой в течение всей зимы. С этой целью в ходе эволюции у лука выработалась способность последовательно выделять неприятные химические вещества. Если какое-либо животное начинает жевать луковицу, из нее высвобождаются слезоточивые летучие соединения, и глаза травоядного начинают гореть. В итоге оно благоразумно оставляет растение в покое.
Но к несчастью для лука, после разрушения слезоточивых соединений проявляется восхитительный вкус и аромат. Так что ради этого мы готовы терпеть боль и дискомфорт.
Людям так нравится лук, что они то и дело пытаются придумать, как избежать слез. Эти методы варьируются от причудливых и бесполезных, таких как покусывание деревянной ложки во время измельчения лука, до чрезвычайно неудобных, например резки лука под проточной водой. Однако есть и несколько вполне научных методов. Поскольку слезный фактор воздействует на слизистую оболочку глаз, обычные очки для плавания полностью избавят вас от слез. Выглядеть вы будете довольно глупо, так что, если вам это не подходит, попробуйте открыть окно или включить вентилятор, чтобы создать ветерок и сдуть слезный фактор.
Решение проблемы, популярное среди профессиональных поваров, еще проще – быстро измельчать лук. Проходит около 30 секунд, прежде чем в ходе химической реакции начнет выделяться слезный фактор. Владея очень острым ножом и отточенной техникой, опытный шеф-повар способен нарезать луковицу даже быстрее. Добавлю также, что крайне важно сразу же выложить нарезанный лук на сковородку, залить его маслом и начать готовить. Если же вы оставите лук на доске, все ваши усилия окажутся напрасными.
Существует и еще один научный подход. В 2008 году в Новой Зеландии Колин Иди и его команда биологов нашли способ генетически модифицировать лук так, чтобы остановить производство синтазы слезного фактора. Нет фермента – нет слез. Кроме того, ученые утверждают, что все остальные вкусовые и ароматические вещества в луке останутся, он будет даже более вкусным. Поскольку пока получены лишь первые результаты, пройдет еще много лет, прежде чем на полках супермаркетов появится по-настоящему бесслезный лук. Ну а до тех пор носите очки и учитесь резать его быстрее на ветру.
02 Что в сердце кухонных наук
Изобретение, изменившее нашу кулинарию
Охлаждение не просто помогает сохранить напитки и продукты холодными. Этот процесс – краеугольный камень западной культуры питания. Возьмите что-то существенное, скажем пакетики с листьями салата. Я, например, никогда не ел ничего более потрясающего, чем мягкий салат латук в его естественном виде. Если оставить пакет с салатом не в холодильнике, уже через несколько дней он превратится в отвратительную черную слизь. С точки зрения биологии это увлекательная и совершенно волшебная метаморфоза, тогда как для нас – скорее проблема. Охлаждая смешанные листья японской листовой капусты мизуна (салат мицуна) и ароматную зелень салата рокет, мы замедляем процесс клеточного распада и роста бактерий. Без охлаждения было бы невозможно собрать, вымыть, упаковать и довезти салат до потребителя.
Конечно, в охлаждении нуждается не только пакетированный салат. Без него половина полок супермаркетов была бы пуста. Одни из самых популярных фруктов в мире – бананы. Однако без охлаждения до 13 °C при перевозке они превратились бы в перезрелую черную кашицу еще до того, как доберутся до потребителей.
Идея использования низких температур для продления срока хранения пищевых продуктов известна на протяжении многих веков. Великому Фрэнсису Бэкону, эрудиту начала XVII века, а не художнику XX века, обычно приписывают изобретение замороженной курицы. Конечно, это не все, что он сделал, но единственное в его творческой биографии, что имело отношение к охлаждению продуктов питания. Ранней весной 1626 года, направляясь в деревеньку Хайгейт на севере Лондона, Бэкон по неизвестным нам причинам решил купить выпотрошенного цыпленка и набить его снегом. Тем самым он продемонстрировал, что охлаждение – это замечательный способ дольше сохранять пищу свежей. К несчастью, этот эксперимент стал одним из последних, проведенных Бэконом. Должно быть, он был одет неподобающе легко для сильного снегопада и подхватил простуду, которая переросла в пневмонию. Вскоре, все еще находясь в Хайгейте, ученый умер. Так что, к сожалению, история не донесла до нас записи о первом в мире приготовлении в печи замороженного цыпленка.
Холод, который производят холодильники, – результат довольно простого процесса, а именно испарительного охлаждения. В следующий раз, когда выйдете из душа, остановитесь на мгновение, ощутите холод и подумайте, почему вам холодно. В конце концов, когда вы раздевались, чтобы пойти в душ, вам же не было так холодно. Так почему же, когда вы выходите из душа, вам становится холоднее? Это не температура в комнате падает, а вода, которая испаряется с кожи, охлаждает вас.
Впервые данный эффект продемонстрировал хитрый шотландец по имени Уильям Каллен – в 1756 году на публичной лекции о том, как охлаждать различные вещи. Это произошло в Эдинбурге, в Шотландии, так что слушателям наверняка была очень близка тема холода. На лекции Каллен продемонстрировал интересный факт. Если позволить жидкости, которую мы сегодня называем диэтиловым эфиром, испариться, она остынет настолько, что ее можно будет использовать для замораживания воды. То есть ученый делал лед прямо на лекции. Причина, по которой он использовал именно диэтиловый эфир, заключается в том, что у него очень низкая температура кипения – 35 °C, даже ниже нормальной температуры тела человека. Выступление Каллена прошло отлично по всем статьям. Но, увы, лед, который он получил на глазах у собравшейся публики, не смог зажечь ни одной изобретательской искры, так что потребовалось целых 150 лет, чтобы этот принцип воплотился в механизме.
Таким образом, действие наших домашних холодильников основано на принципе, представленном Калленом и реализованном в практичной, удобной для всех нас форме. Специальная жидкость, называемая хладагентом, в ряде трубок попеременно испаряется и охлаждается, а затем конденсируется и нагревается. Хладагент по сути делает то же самое, что и диэтиловый эфир. Испарение происходит в вертикальной пластине внутри холодильника. Хладагент превращается в газ в трубках этой пластины, забирая тепло из внутренней части холодильника. И именно так в нем рождается холод. Далее газообразный хладагент направляется к металлической решетке, расположенной сзади. Я уверен, вы знаете, о чем идет речь. Это такая проволочная решетка, которая вечно покрыта толстым слоем пыли. В ней еще иногда застревают мелкие предметы, которые падают за холодильник. Но самое главное – она всегда теплая на ощупь. Внутри ее трубок происходит обратный процесс. Хладагент конденсируется из газа обратно в жидкость и высвобождает запасенную последним энергию. Эта энергия высвобождается в виде тепла, которое рассеивается в воздухе за нашими холодильниками. Чтобы заставить эту систему работать, нужно всего лишь прокачивать хладагент по трубкам. При соединении трубок разных диаметров внутри герметичной системы создаются зоны высокого и низкого давления, и хладагент можно заставить испаряться и конденсироваться в конкретных местах. Со временем расположение трубок и используемые хладагенты, конечно, изменились, но принцип, лежащий в основе холодильных установок, не поменялся.
Итак, можно ли создать более эффективный холодильник? Сейчас есть и другие технологии, которые позволяют охлаждать, – например, основанные на эффекте Пельтье, с прямым преобразованием электричества в разницу температур. Но конкретно эти технологии подходят лишь для изготовления очень маленьких холодильных установок (скажем, процессоров в компьютерах). Если же вы хотите сделать свой холодильник более эффективным, есть несколько доступных идей. Во-первых, не открывайте его. Конечно, это не самый практичный совет, но все же помните: каждый раз, когда вы открываете холодильник, холодный воздух буквально вырывается из него и заменяется теплым. Во-вторых – и это уже гораздо более реально, – постарайтесь держать холодильник полным. Тогда при его открывании внутри будет меньше воздуха, который вырвется наружу. И наконец, совет для действительно увлеченных: вы можете повысить теплоизоляционные свойства холодильника с помощью полистирольных листов. Это поможет оградить холодильник от просачивания в него тепла и почти вдвое снизит энергопотребление устройства. Но имейте в виду: если решите последовать этому совету, убедитесь, что не закрываете теплую решетку в задней части холодильника. Иначе она не сможет выполнять свою работу по рассеиванию тепла.
Возможно, холодильник и его сверхмощный брат – морозильник – и не самые блестящие и впечатляющие из многочисленных изобретений человечества, но то, что они оказали и продолжают оказывать невероятно значительное влияние на наш рацион питания, не вызывает ни малейших сомнений.
Великая путаница единиц измерения энергии
По левую руку от меня лежит нераспечатанная пачка печенья с джемом и кремом. Информация о пищевой ценности, напечатанная на упаковке, говорит мне, что энергия, содержащаяся в одном печенье[6], составляет 75 ккал, что я интерпретирую как 75 килокалорий или 75 000 калорий. Однако тут же сообщается, что энергетическая ценность каждого печенья 312 кДж, или 312 килоджоулей. А в довершение всего – что в одном печенье 75 калорий. Как же все это понимать?
На самом деле все три единицы измерения, килокалории, килоджоули и калории, измеряют одно и то же – энергию. Официальной научной единицей измерения энергии является джоуль, как это определено Международной системой единиц. Эту единицу измерения назвали в честь очень образованного и умного человека – Джеймса Прескотта Джоуля. Беда в том, что энергия приходит к нам в самых разных формах, каждая из которых имеет свою единицу измерения. Например, единица электрической энергии – киловатт-час, а тепловой, содержащейся в газе, – терм. Единица механической энергии – лошадиные силы в час – и британская тепловая единица используются для определения энергетического потенциала автомобилей и систем отопления соответственно, но моя любимая единица энергии – восхитительный эрг. Эрг входил в систему «сантиметр-грамм-секунда», ныне уже ставшую историей. Эту систему в 1873 году ввела Британская ассоциация развития науки. К сожалению, когда ее заменили на гораздо более разумную систему «метр-килограмм-секунда», место эрга занял джоуль.
Поделиться книгой: