Август 2013. Обзор

Август 2013. Обзор

Несмотря на попытку охватить самые разные проявления химии в еде, у меня стойкое ощущение, что планировал рассказать я значительно больше, чем рассказал. Посмотрим.

Еда – это вкусно. Ароматы, вкусы и набор сенсорных ощущений, называемых иногда английским термином chemesthesis.

Ароматы:

• с фенольной функциональной группой. Ванилин (vanilla.html), анетол с эстаголом (anethole.html), малиновый кетон (berries.html) и 2 альдегида – бензальдегид и коричный альдегид  (aldehydesaromatic.html) удостоились собственных текстов. Но в этой группе много кто ещё ожидает – кумарин с ароматом сена, эвгенол с ароматом гвоздики и сафраналь с ароматом шафрана. Я уж не говорю про сам фенол с его родственником гваяколом – дымные ароматы с острова Айла
• терпены (terpenes.html). Важнейшая группа, которая будет постоянно встречаться. Благодаря карвону (carvone.html) мы встретились с энантиомерами.  Благодаря розоксиду и неролоксиду мы увидели как связаны между собой цветы, фрукты и вино (roseandwine.html). А также познакомились, возможно, с самой моей любимой группой ароматов – цитрусовыми (citral.html)
• сложные эфиры. Ягоды (strawberry.html) и фрукты (bananas.html). Каждое дальнейшее описание фруктов не обойдется без сложных эфиров (разнообразие позволяет)
• альдегиды. Кинза (coriander.html) и огурцы (cucumber.html). Интересно будет рассмотреть путь катаболизма линоленовой кислоты, который даст нам еще альдегидов с ароматами травы, арбуза и томатов
• иононы, дамасконы и дамасценоны. Пока только раз встречались (roseandwine.html), но группа готовит сюрпризы (засахаренные фиалки, например)
• лактоны (lactones.html). В том числе, сотолон – потрясающий аромат хереса (jerez-x-e-r-e-s-sherry.html)
• серосодержащие ароматы. Познакомились, рассматривая дуриан (fruitwithonionsmell.html), молоко (milkaroma.html) и грейпфрут (grapefruit.html). И нас еще ждут самые главные представители – ароматы лука и чеснока
• встречали мы и более спорные ароматы – геосмин (geosmin.html), масляная кислота (parmigiano.html) и TMA (tma.html). А уж какие спорные ожидают в будущем (индол и скатол, например)
• фураны, циклопентены и прочие ароматы продуктов реакций карамелизации и Майяра (brown.html), которые, как мы видели, встречаются и в природе во фруктах (strawberry.html) и злаках (ricearoma.html). Можно сказать, что даже и не начинали рассказ.

Вкусы рассмотрели частично. Горький (bitter.html) и кислый (acids.html). Сладкий, умами и соленый – еще ждут. А может и жирный.

А с другими ощущениями во рту, можно сказать, только начали знакомство – посредством капсаицина (capsaicin.html) и хрена (horseradish.html). Нас еще ждут ментол, сычуанский перец и черный перец горошком.

Еда – это питательно. Из троицы «белки-жиры-углеводы» только про углеводы (starch.html) и аминокислоты (aminoacids.html) мы начали рассказ. Здесь предстоит еще выяснить: что за магические вещества – эти омега-3-жирные кислоты и рассказать про каждую из 20 протеиногенных аминокислот.

Еда – это красиво. Здесь мы прошли полный спектр. От сине-фиолетового (blue.html), через зеленый (green.html), к желто-оранжевому (yellow.html) и, наконец, к красному (red.html). А еще затронули коричневый (brown.html). Но и здесь рассказ не закончен – еда имеет свойства менять свой цвет в процессе приготовления, будет интересно посмотреть почему синеет чеснок и краснеет айва.

Еда – это часть природы. Практически неисчерпаемая тема на стыке медицины (alkaloids.html), физиологии (ethylene.html)  и биохимии растений (bromelain.html),  и пищевой промышленности (lecithin.html). Ждет нас масса всего – от действия алкоголя и биогенных аминов до репертуара молекулярной гастрономии. 

Еда – это кулинария. Самая сложная часть, так что здесь у меня самые большие пробелы :) Но начало положено (brown.html). И когда-нибудь мы действительно сможем описать что происходит с химической точки зрения с луком, когда мы его жарим на сливочном масле, а потом добавляем в картофельное пюре. 

не еда, у блога каникулы

Цвет. 565-625 нм

Цвет. 565-625 нм

В этом диапазоне правят бал каротиноиды. Какой продукт ярко-желтого или ярко-оранжевого цвета не возьми – с большой долей вероятности это будет пигмент из этой группы. Некоторые молекулы на слуху у всех – это оранжевые пигменты моркови, батата и абрикоса - каротины (самый распространенный из которых – бета-каротин). На слуху они по причине своей физиологической роли: каротины являются прекурсорами зрительного пигмента ретиналя.

Менее на слуху другая молекула – кроцин. Но зато пряность, которую часто больше используют как краситель, чем ароматизатор, известна широко – это шафран. Вспомните байки про художника, который использовал шафран и в красках, и в ризотто. Кроцин – это тоже каротиноид, красного цвета в кристаллическом виде и оранжевого в растворах. Причем он растворим как в воде, так и в масле за счёт особенностей своего строения (каротиноидная группа кроцетин гидрофобна, концевые гентобиозы гидрофильны).

кроцин

Яичный желток также желто-оранжевого цвета из-за каротиноидов (подгруппа ксантофиллов), получаемых из рациона питания курицы. Наиболее распространены ксантофиллы лютеин и зеаксантин (изомеры, отличающиеся положением одной двойной связи). Лютеин, будучи желтым пигментом, часто не проявляется явно в окраске растений, т.к. скрыт хлорофиллом (в шпинате и другой зелени). Зеаксантин также содержится в зеленых листьях, а также определяет желтый цвет кукурузы.

Аннато – желто-оранжевый краситель, получаемый из семян Bixa orellana, это тоже каротиноиды (биксин и норбиксин).

Желтые и оранжевые цвета цитрусовых – тоже каротиноиды. А также желтый цвет  грибов лисичек.

Среди этой доминанты каротиноидов есть и исключения. Одним из важных и стойких растительных красителей является куркума (несколько видов рода Cúrcuma) и химическое вещество куркумин. Куркумин – это полифенол. В широком смысле каротиноиды и куркумины являются родственниками и относятся к полиенам.

куркумин

И, конечно, как и для других цветов, синтезировано много искусственных желтых и оранжевых красителей, используемых в пищевой промышленности и безалкогольных напитках (тартразин, «солнечный закат» и пр.).

оранжевая еда - лисички

Реакции образования коричневых продуктов

Реакции образования коричневых продуктов

Как известно, кулинария – это химическая лаборатория в быту, только обычно «на глаз». Особенно это хорошо проявляется при проведении комплекса реакций, носящих общее название реакции образования коричневых продуктов. Это только кажется, что мы жарим мясо или делаем карамель. На самом деле мы запускаем и отчасти контролируем целую цепочку химических превращений.

Существует три большие группы реакций образования коричневых продуктов. Одна из них ферментативная, где природа обходится без нашего участия, за исключением первичного запуска. Это реакция ферментативного взаимодействия фенольных компонентов с кислородом, катализируемая внутренними ферментами растений – полифенолоксидазами. Проявляется в виде потемнения на срезе яблок, бананов, авокадо.

Две другие реакции – не ферментативные, для их прохождения, кроме субстратов, нужно создать условия протекания реакций, чаще всего – это повышенная температура, но иногда и pH среды, время или давление. Это реакция карамелизации и реакция Майяра. Иногда еще реакцию Штреккера выделяют отдельно, но в общем случае – это один из возможных этапов реакции Майяра.

Приводить детальное описание было бы слишком скучно. Во-первых, хотя промежуточные этапы и важны с точки зрения описания реакций (этапы перегруппировки Амадори и Хaйнса и т.д.), но не наблюдаются в быту. Во-вторых, степень контроля за каждой реакцией невелика. На каждом этапе продукты реакций взаимодействуют между собой и с продуктами предыдущих стадий, в итоге номенклатура их огромна.

На самом общем уровне описания карамелизация – это цепочка превращений  моносахаридов и более сложных сахаров, а реакция Майяра – это цепочка реакций между сахарами и аминными соединениями (аминокислоты, пептиды, белки). Пример реакции карамелизации – это жженый сахар. Пример реакции Майяра – это корочка стейка или корочка выпеченного хлеба, а также жареный кофе. Реакция Штреккера – это распад аминокислот и один из путей реакции Майяра. Описание осложняется тем, что часто все эти реакции идут одновременно. Например, при карамелизации лука происходит далеко не только карамелизация, но и реакция Майяра. А еще в реакциях участвуют не только сахара и белки, но и другие соединения, например, в луке – это серосодержащие компоненты, придающие луку его запах в сыром виде. А еще часто эти реакции совмещены с реакциями распада липидов, что наблюдается, например, при жарке на гриле.

Интересно посмотреть на сложность образуемых продуктов, сгруппировав их по феноменологическим свойствам.

Во-первых, это образование желто-коричнево окрашенных продуктов. Самый известный пример – это вещества в карамели, которые используют как пигменты для алкогольных и безалкогольных напитков (виски, кока-кола). При карамелизации из продуктов распадов сахаров образуются полимеры с коричневой окраской (сахарный колер). При реакции Майяра образуется целая группа окрашенных веществ – меланоидиновые пигменты.

Особенная ценность этих реакций для кулинарии – это образование уникальных ароматических веществ. При карамелизации – это преимущественно продукты распада и дегидратации сахаров – фураны, фурфуралы, циклопентены. Из примеров: фуранеол нам уже встречался (strawberry.html), мальтол имеет запах свежевыпеченного хлеба. 

мальтол

Разнообразие ароматов реакции Майяра зависит от условий протекания и от исходных продуктов. Некоторые аминокислоты имеют атом серы в своем составе, что еще больше увеличивает число возможных продуктов реакций. Вот эти группы соединений образуются в процессе реакций Майяра – пирролы, пиридины, пиразины, имидазолы, оксазолы, фурантиолы, альдегиды Штреккера, алкилпиразины и т.д. Из конкретных примеров: 2-фуранилметантиол с ароматом свежеобжаренного кофе, 2-ацетил-1-пирролин – про него уже был рассказ (ricearoma.html), 2-ацетил-2-тиазолин в аромате запеченного мяса.

2-фуранилметантиол

Третья группа веществ вызывает особенные беспокойства у людей – это мутагены. Иногда их называют канцерогенами, хотя канцерогенные свойства не очень доказаны у людей, только в некоторых лабораторных опытах на мышах.  Примеры: имидазолхинолин и акриламид.

акриламид

Четвертая группа – это вкусовые вещества, среди которых молекулы как со сладким вкусом, так и с горьким (фурфурал, дикетопиперазин)

фурфурал

Обычным условием протекания реакций образования коричневых продуктов является повышенная температура - выше температуры кипения воды. Однако не обязательным. Есть еще две возможности – щелочная среда и повышенная концентрация субстратов, совмещенная с фактором времени. Например при варке сусла для пива или варке мясного бульона реакции Майяра происходят при температуре кипения воды. А в бальзамическом уксусе при комнатной температуре.

Я бы рад дать вам какой-нибудь пример с концентрациями, температурами, pH и списком всех образуемых компонент какой-нибудь конкретной реакции Майяра или реакции карамелизации (для жареного лука в сливочном масле, например), но боюсь, что такой точности в описании мы не достигнем никогда. Теоретические исследования продолжаются до сих пор.

Горький вкус

Горький вкус

Сколько существует горьких вкусов? Этот вопрос до сих пор не имеет ответа, несмотря на прогресс молекулярной биологии. Что уже известно? Рецепторы, регистрирующие горький вкус, образуют целое семейство под названием TAS2R, принадлежащее к более широкой группе рецепторов GPCR (Рецепторы, сопряжённые с G-белком). У человека обнаружено около 25 генов, кодирующих разные рецепторы горького вкуса в рамках этого семейства. Молекул же, вызывающих горький вкус почти неограниченно много, по крайней мере, десятки тысяч. Понятно, что каждый конкретный рецептор реагирует не избирательно, а на широкую группу веществ. А одно вещество может вызывать ответ у разных рецепторов. Но более интересно другое – каждая конкретная молекула активирует далеко не все вкусовые рецепторы, а некоторые молекулы активируют только один рецептор. Это теоретически позволяет построить рецепторную карту языка, отличающуюся для разных горьких молекул, хотя и проходящих под одним понятием горького вкуса. Или же уже надо говорить о нескольких горьких вкусах? Да и характер горького вкуса различается – некоторые сильные, но короткие, некоторые слабые, но долго длящиеся. Некоторые вещества взывают горький вкус у одних людей и безвкусны для других. Фенилтиокарбамид (PTC) – одно из таких веществ, используемое иногда для определения так называемых «супер-дегустаторов», части популяции людей с повышенной концентрацией вкусовых рецепторов и повышенной вкусовой чувствительностью, к горькому вкусу в особенности. Вполне возможно, что горький вкус – это совокупное понятие целой матрицы вкусов, внутри которой вкусы, которые в теории можно различать и давать им названия. Это, кстати, относится не только в горькому вкусу, но и к сладкому, и умами – всем вкусам из семейства GPCR.

Во многих популярных текстах подразумевают эквивалентность понятий «горький вкус – алкалоиды». Интересно будет увидеть ниже, насколько это является упрощением, и насколько много существует других групп химических веществ, вызывающих ощущение горечи.

Горький вкус пива вызывается содержащимися в хмеле альфа-кислотами и их производными. За простым названием кроется странная группа соединений, до сих пор не обнаруженная больше нигде кроме хмеля. Альфа и бета-кислоты это производные флороглюцина с тремя изопреноидными боковыми группами. Каждая конкретная молекула имеет очень разную горечь и разные пути химических превращений при варке пива, поэтому исследованы они хорошо и для разных сортов хмеля установлены удельные концентрации разных альфа- и бета-кислоты и изомеров альфа-кислот. Для практических применений используют международную шкалу горечи (IBU), показывающую общую ощущаемую горечь пива.

одна из альфа-кислот - гумулон

Горький вкус необработанных оливок и горькая нота в некоторых сортах оливкового масла определяется фенольными компонентами, в частности, олеуропеином. Известно, что сырые оливки практически несъедобны из-за горечи, и нужна специальная обработка, разрушающая или удаляющая фенольные вещества, чтобы сделать оливки не такими горькими.

Любимый горький вкус Азии – это горькая тыква (Momordica charantia) или gourd.  Горечь этого овоща, невыносимая в сыром виде, значительно смягчается при тепловой обработке, но не уходит совсем. Горечь этой тыквы обусловлена не одним классом соединений. Есть там как алкалоиды (момордицин), так и другой класс соединений, называемых кукурбитацины. Кукурбитацины с химической точки зрения стероиды, причем в растениях они могут содержаться в виде гликозидов, также с горьким вкусом. Кукурбитацины также являются причиной горечи, иногда возникающей в огурцах как ответ на стрессовые условия роста.

Очень широко распространены горькие виды баклажанов. Это в западном мире современные сорта баклажанов уже практически потеряли свою горечь, так же как и потеряла смысл технология избавления от горечи. А в юго-восточной Азии по-прежнему ценятся разные виды, в том числе довольно горькие. В баклажане горечь – это опять смесь кукурбитацинов и алкалоидов (соланин).

один из кукурбитацинов - кукурбитацин E

Горькими часто бывают салатные травы. Человек достиг мастерства в составлении салатных букетов из сладких, горьких, перечных и ароматных трав. Химия горечи в травах очень разная. Например, в салате радичио (разновидность Cichorium intybus) – это группа сесквитерпеновых лактонов, в частности, лактуцина. В других травах могут быть гликозиды или феноло-содержащие компоненты.

А ещё очень часто горькие вещества образуются в результате реакций Майярда и реакций карамелизации.

Список химических групп, содержащих горькие вещества, можно продолжать и продолжать – это и аминокислоты, и амины, и флавоноиды и так далее.

Что же касается ощущения горького вкуса, то, вполне возможно, что искать его определение нужно не на молекулярном уровне, а на более высоких уровнях обработки сенсорной информации в мозге. Но здесь мы понимаем ещё меньше.