Наука и кулинария. Физика еды. От повседневной до высокой кухни - Дэвид Вейтц

кулинарии, что проявляется в самых разнообразных рецептах. Управление этим процессом – ключ к успешной реализации рецепта, и умелый повар умело им распоряжается. Без полного контроля над ним паста расползается, стейк оказывается пережаренным, а растопленный шоколад внутри кекса застывает.

Так что же это за таинственный процесс?

Диффузия невооруженным глазом

Научное название этого важнейшего процесса – диффузия. Когда что-то диффундирует, невооруженным глазом можно наблюдать только результаты, но не сам процесс. Вы увидите изменения текстуры и цвета, вызванные нагревом или лимонным соком, а со временем сможете наблюдать, что эти изменения проникают все глубже и глубже внутрь продукта.

Вот пример того, как это может выглядеть. Вспомните рецепт рикотты, который мы рассмотрели в главе 3. В этом рецепте мы выяснили, что добавление уксуса или лимонного сока и нагрев до 93 °C заставляет молоко створожиться, то есть белки молока коагулируют. Что, если бы мы могли включить зум и посмотреть, что происходит? На рисунке 1 именно это и показано. Помещая на предметном стекле рядом каплю молока и каплю уксуса и наблюдая за их смешиванием, мы, по сути, готовим крошечную порцию рикотты.

Если бы вы могли посмотреть в микроскоп до того, как капли смешались, то увидели бы, что в молоке содержится множество крошечных капель, которые непредсказуемо перемещаются во все стороны. Это шарики жира. На самом деле тот факт, что они двигаются, – само по себе удивительное открытие: кто бы мог подумать, что составные части молока вот так дергаются? На самом деле все частицы в растворе двигаются. Это называется броуновским движением – и, как мы увидим, это явление невероятно важно для данной главы.

На следующем этапе молоко и уксус смешиваются. Представьте, что продолжаете смотреть в микроскоп на дергающиеся шарики жира в молоке. Когда капли начнут смешиваться, вы увидите, как уксус врывается в поле зрения с одной стороны, а когда он продолжит распространяться внутрь, движение внезапно прекратится! Когда уксус добирается до молока, оно становится совершенно неподвижным. По мере того как по молоку будет распространяться все больше уксуса, все более обширная область под микроскопом станет прекращать движение. То, что вы только что «видели», и есть понятие диффузии. По мере своего продвижения уксус заставляет белки молока разворачиваться и формировать новые связи. Двигавшиеся шарики жира были пойманы этой белковой сетью, которая их остановила. Мы создали гель – и вы наблюдали за процессом.

Когда вы думаете о приготовлении шоколадного кекса с текучей серединкой, стейка, пасты или сферифицированного горохового сока, вам следует воображать сходный процесс диффузии. Диффундирующий элемент поступает в продукт, и по мере его проникновения вглубь подвергшаяся воздействию область растет. В шоколадном кексе, стейке и сферифицированном гороховом соке диффузия оставляет за собой более твердое вещество; для пасты основной принцип тот же, но материал, наоборот, становится мягче, поскольку в него диффундирует сама вода.

РИСУНОК 1

Процесс смешивания уксуса с молоком на предметном стекле под микроскопом. (А) Слева: Одно только молоко; все капельки жира двигаются. Центр: Уксусный фронт начал подступать снизу, оставляя после себя область, которая выглядит неподвижной. Двигается только верхняя область с молоком. Справа: Уксус прошел почти всюду, и вся нижняя часть неподвижна.

(B) Слева: движение одной капельки жира в (A) до загустения смеси. Линия отслеживает центр капельки жира, показывая, что она перемещается по большой площади произвольным образом. Справа: Движение капельки жира после загустения смеси. Капелька по-прежнему перемещается произвольно, но в гораздо более ограниченном пространстве.

Верхние изображения Даниэля Розенберга, нижние – Хелен Ву

Диффузия и случайное блуждание

Давайте посмотрим на все при еще большем увеличении. Как процесс диффузии выглядит на молекулярном уровне? Как именно лимонный сок, тепло или другие диффундирующие элементы двигаются сквозь продукты?

При большом увеличении вы увидите, что суть диффузии – случайное движение молекул. Все молекулы обладают внутренней энергией, которая заставляет их слегка подергиваться. Когда температура повышается, молекулы дергаются сильнее, а когда падает – слабее. При этом каждую молекулу пихают окружающие молекулы, которые также двигаются. Таким образом, каждую молекулу случайным образом толкают во все стороны. И действительно, в предыдущем эксперименте именно это движение заставляло шарики жира двигаться в молоке, пока уксус не развернул белки и не остановил перемещение молекул, создав рикотту.

Спустя какое-то время в результате этого подергивания молекула отходит на какое-то расстояние от своего первоначального места. Вам это кажется странным? Представьте себе, будто стоите в центре очень большой толпы. Люди вокруг случайно толкают вас в разные стороны. Со временем вы сдвинетесь на какое-то расстояние, даже не прилагая к этому усилий и не заметив этого. Нечто похожее наблюдается и с молекулами. Говоря научным языком, происходит «случайное блуждание» молекулы.

История случайного блуждания: Пирсон, Эйнштейн и Башелье

Понятие случайного блуждания в научную литературу первым ввел знаменитый статистик Карл Пирсон. Он сформулировал его в письме в журнал Nature в 1905 году. Тогда, как и сейчас, Nature был одним из крупнейших научных журналов. В то время в публикуемых в нем статьях допускалось задавать вопросы, а не предлагать ответы, как это принято сейчас. Пирсон описал прогулку пьяницы (предположим, что человек подбрасывает монетку; если выпадает орел, человек делает шаг вправо, а если решка – то влево), назвав процесс непредсказуемого перемещения вправо или влево случайным блужданием, и попросил читателей журнала помочь ему с математическим описанием этого процесса.

Пирсон и не подозревал, что на этот вопрос уже ответили, и не один человек, а двое – и совершенно независимо друг от друга.

Первым ответившим был молодой человек, которого звали Альбертом Эйнштейном. Вероятно, вы уже о нем слышали – его обычно вспоминают как изобретателя какой-то непонятной физики, – но, пожалуй, самой важной его работой была статья о случайном блуждании. (И уж точно это его единственная статья, которая важна для кулинарии, по крайней мере пока людям не понадобится понять, как испечь шоколадный кекс внутри черной дыры!) В статье от 1904 года «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярной теорией теплоты» Эйнштейн предложил нечто очень близкое к процессу, который мы только что описали, говоря о приготовлении рикотты на предметном стекле микроскопа. Однако, вместо того чтобы добавлять уксус, Эйнштейн просто изучал молоко. Вспомните, как шарики молочного жира беспорядочно двигались под микроскопом до добавления уксуса. Эйнштейн отметил, что причина движения шариков жира в том, что на них налетают другие молекулы молока. И спросил себя, какими могут быть характеристики этого процесса.

Если задуматься, этот процесс очень