Посмотрите еще раз на формулу бета-каротина, которая ниже. Как и раньше, на ней я в явном виде изобразил каждый атом углерода и водорода, который в эту молекулу входит. Видите, насколько сложнее она выглядит? Поэтому химики всегда пользуются верхним вариантом, в котором подразумевается, что все связи («палочки») связывают атомы углерода, если не указано обратное, и все свободные «места» у каждого углерода заняты водородами.

В таком виде у бета-каротина сразу видна цепочка двойных связей, разделенных одинарными. Химики называют такие двойные связи «сопряженными». Они замечательны тем, что электроны, из которых эти связи состоят, как бы «размазаны» по всей цепочке, благодаря чему бета-каротин и подобные ему соединения борются с активными формами кислорода, то есть являются антиоксидантами. Такая цепочка двойных связей еще и придает соединениям насыщенный яркий цвет (мы еще встретимся с этим эффектом, когда я дойду до буквы Л и расскажу, почему помидоры красные).

Ярко оранжевый цвет бета-каротина знаком всем, ведь из-за него морковка оранжевая. Собственно, даже его название отсылает нас к carota («морковь» на латыни) или carrot (то же на английском). Именно из моркови бета-каротин впервые извлекли аж в 1831 году.

Забавно, что оранжевый цвет морковки – результат селекции, природные ее предшественники чаще были фиолетовыми или желтыми. Есть легенда, что оранжевую морковь вывели голландские фермеры в честь правящей королевской семьи Оранских-Нассау (в оригинале их фамилия пишется как Oranje-Nassau, то есть как бы намекает на оранжевый цвет). Но серьезных исторических подтверждений этой легенды, насколько я знаю, нет.

Другая история про бета-каротин и большую политику более свежая. Думаю, каждый хоть раз слышал, что для хорошего зрения нужно есть морковь. Эта история, судя по ряду архивных документов, была придумана пропагандистами британских военно-воздушных сил во время Второй мировой войны. В начале сороковых годов в Британии создали радар, который можно было поставить на самолет. Разумеется, никто не хотел, чтобы в Германии узнали, почему вдруг британские пилоты стали легко находить и сбивать нацистские самолеты даже в полной темноте. Для этого была запущена целая пропагандистская кампания, убеждавшая всех, что есть морковь – крайне полезно для зрения, особенно при плохом освещении. Как обычно, разные источники смотрят на эту ситуацию по-разному. Существует даже мнение, что так в военные голодные годы власти просто пытались убедить население активней есть морковь как недорогой продукт. Тем не менее, во влиянии моркови (и бета-каротина) на ночное зрение есть доля правды. Как известно, первый признак недостатка витамина А – «куриная слепота», резко ухудшение зрения в темноте, и поедание моркови отлично решает эту проблему. Но большинству людей поедание морковки в индустриальных количествах зрение не улучшит. После того, как организм получил необходимую ему порцию витамина А, ни к чем особенно полезному морковь не приведет.

Наоборот, с морковью можно переборщить! Существует вполне реальное медицинское состояние, называемое каротинемией, которое вызвано избыточным количеством каротина в пище. При нем кожа человека становится желто-оранжевого цвета. У одной моей знакомой, которая очень любит морковь, такое было. Пооранжевение в большинстве случаев не опасно, но оно еще раз подтверждает всем известную фразу о том, что все хорошо в меру.

​​Молекула недели: ванилин

Ванилин очень легко опознать по запаху, а вот по его химической формуле – уже не каждый справится, хотя сама молекула вроде и не большая. Правда, в ней много разных групп: и гидроксильная -OH, и метоксильная -O-CH3, и альдегидная -CH=O. Если не любите органическую химию, не обращайте внимания на эти страшные слова, они тут не главные. А главное – шестичленное (то есть образованное шестью атомами углерода) кольцо с чередующимися двойными связями -С=С-. На самом деле, молекула устроена чуть сложнее, потому что никакого чередования связей в таких кольцах нет. Двойные связи можно нарисовать и в другом порядке, как на формуле справа, где я, как обычно, обозначил все атомы углерода и водорода. Иногда в центре кольца просто рисуют кружок, чтобы подчеркнуть, что все связи в нем равноценны. Соединения с такими кольцами достаточно давно, когда химики еще не знали, как они устроены, назвали ароматическими из-за их сильного запаха (не всегда приятного). Со временем оказалось, что не все ароматические соединения чем-то пахнут, но название осталось.

Ванилин – одно из самых распространенных душистых веществ в промышленности. Помимо выпечки и самого популярного типа мороженного в мире (ванильного, конечно же) он входит в состав Кока-колы и других напитков, йогуртов, многих видов шоколада, сиропов и кукурузных хлопьев. А еще его добавляют в чистящие средства, порошки для стирки, шампуни, гели для душа, освежители воздуха и парфюмерные композиции. Даже у вин, которые выдерживали в деревянной бочке, есть небольшой аромат ванили, который приходит туда из дерева после ряда химических реакций, а, конечно, не добавляется виноделами в виде ванилина или, тем более, натуральной ванили.

Хотя многие слышали про «Мадагаскарскую ваниль» (Мадагаскар сейчас является главным мировым производителем ванили), родина растения Vanilla planifolia – Мексика. Еще ацтеки добавляли плоды этого растения в шоколад, потому что так было вкуснее. Любителям десертов наверняка приходилось иметь дело с ванилью в стручках, но не все знают, как она растет в природе.

У нас стручки чаще всего ассоциируются с бобовыми вроде гороха, но ваниль – совсем другое растение. Она – орхидея, которая прекрасно растет и плодносит в Мексике! Когда же ваниль привезли в Старый Свет, давать плоды она перестала, как потом оказалось, из-за проблем с опылением цветов. Ученые до сих пор спорят, кто опыляет ваниль в природе (в Википедии пишут, что это – местная пчела вида Melipona, но это не так), но ясно одно – этих опылителей в Европе, Азии и Африке нет.

В начале девятнадцатого века один бельгийский ботаник научился опылять цветы ванили вручную, но это была очень трудоемкая процедура из-за того, что пестик и тычинки в цветах разделены своего рода мембраной, препятствующей опылению. Ситуация изменилась, когда на острове Реуньон (тогда – Бурбон, отсюда название «Бурбонская ваниль») двенадцатилетний Эдмон Альбиус, рожденный в семье рабов, придумал легкий способ опыления, который принес острову огромные деньги. Бурбон даже обогнал Мексику по объему производимой ванили! Правда, сам Эдмон все равно умер в бедности.

Но даже его «легкий» способ опыления оказался совсем не из легких. В каждом соцветии – несколько десятков цветов, но в период цветения каждый день открывается лишь один, рано утром, еще до рассвета. И у работников плантаций есть где-то 8 часов, пока цветок восприимчив к опылению, после чего он закрывается и увядает. Но не только этим вызвана высокая стоимость натуральной ванили. До того, как выросшие плоды (а это занимает десять месяцев!) будут готовы к употреблению, они должны пройти длительную процедуру обработки.

Как и бананы, плоды ванили дозревают даже после их срезания с растения. Перезрелые стручки расщепляются и становятся визуально менее привлекательными для потребителя. Поэтому такое дозревание нужно прекратить, остановив биологические процессы в клетках, по сути, «убив» бобы ванили. Для этого их ненадолго окунают в горячую воду либо замораживают (иногда даже в жидком азоте!), сушат или месяц вымачивают в роме. Такие бобы, которые дозревать уже не могут, готовы к следующей процедуре – ферментации.

Дело в том, что свежие стручки ванили совсем не пахнут ванилью. Ванилин в них находится в молекулах глюкованилина («глюко-» означает, что он связан с глюкозой), нелетучего и поэтому не имеющего запаха соединения. Зато в стручках ванили еще есть фермент бета-глюкозидаза, которая умеет расщеплять глюкованилин на ванилин и глюкозу. Обычно этот фермент и глюкованилин обитают в разных частях стручка, но описаная выше обработка разрушает клетки, из-за чего две молекулы (фермент – тоже молекула, только большая) находят друг друга и стручки начинают пахнуть.

Конечно, ванилин – не единственное сильно пахнущее вещество в ванили. Понюхайте сначала обычную ваниль или натуральный экстракт ванили, а потом – упаковку ванильного сахара, в который добавили только ванилин. Натуральная ваниль имеет более сложный и интересный запах, однако это не связано с тем, что ванилин в ванильном сахаре «химический», а в стручках – «натуральный» Просто в натуральной ванили к одной яркой ноте ванилина добавляется целый аккорд других запахов.

К сожалению, во всем мире не производят столько натуральной ванили, чтобы добавить во все продукты с ее запахом (не хватит даже на Кока-колу или мороженное). Поэтому ванилин – недорогая альтернатива ванили, которая отлично подходит для большинства применений. Я сам, конечно, при выпечке с удовольствием использую ванильные стручки или хороший ванильный экстракт (попробуйте залить ромом пяток разрезанных стручков и оставить на месяц –шикарный продукт!). Но даже обычный ванильный сахар обеспечит 90% результата за крохотную часть цены.

Молекула недели: гем

Даже если вы ничего не знаете про гем, вам наверняка знаком содержащийся в крови гемоглобин. «Гемоглобин» - это белок семейства глобинов, в состав которого помимо четырех связанных вместе белковых молекул входят четыре сравнительно небольшие молекулы гема. Именно благодаря гему кровь имеет красный цвет, а гемоглобин хватает кислород в легких и переносит его к остальным органам.

На самом деле, гем — это не одно вещество, а целый набор похожих по строению молекул. На рисунке выше — так называемый гем B, который входит в состав белков, связывающих кислород, таких как гемоглобин и миоглобин. Находящийся в мышцах миоглобин придает красный цвет говядине и баранине, а также тунцу. Я уже много раз писал, что в «мясе с кровью» крови на самом деле нет, а розоватое оно как раз из-за наличия миоглобина.

Бывают и другие виды гема, но все они содержат железо, заключенное в красивую симметричную структуру, выделенную на рисунке более темным цветом. В предыдущей заметке про ванилин я писал о его важной структурной особенности – ароматическом шестичленном кольце. В молекулах гемов тоже есть кольцо, но гораздо большего размера, которое в общем случае называют макроциклом , а в конкретном случае гема – порфирином.

Гемы и похожие на них молекулы участвуют во многих биологических процессах в организме. Например, гем входит в состав не только гемоглобина, но и других белков, таких как цитохромы , которые играют важную роль в метаболизме потенциально опасных веществ и лекарств. Название «цитохром» («цито» — клетка, «хром» — цвет) намекает на то, что эти белки окрашены, как и сам гем. Цвет молекулы зависит от её строения. Если вместо железа взять магний и слегка изменить структуру макроцикла, получится хлорофилл , благодаря которому растения ярко-зеленые.

Вещества, содержащие органическую молекулу (в данном случае порфирин) и ион металла (в случае гема — железо), проявляют свойства, за которые отвечает как ион металла (например, связывание кислорода), так и макроцикл. В хлорофилле макроцикл отвечает за поглощение света, с которого начинается фотосинтез. Свет «возбуждает» молекулу, то есть повышает её энергию, а она передаёт эту энергию другим молекулам. В итоге растения используют энергию солнечного света, чтобы из воды и углекислого газа делать сахар.

Однако иногда способность порфирина и подобных соединений поглощать свет приводит к нежелательным последствиям. Моя любимая история про «сельдерея-убийцу» – яркий пример нежелательной фотоактивности веществ в обычных продуктах. У некоторых людей с порфирией (это семейство редких заболеваний) в организме производится слишком много порфиринов, которые не превращаются в гемоглобин. В одном из типов порфирии они накапливаются в коже и, поглощая свет, начинают генерировать активные формы кислорода  из обычного кислорода. Эти небольшие молекулы повреждают клетки кожи, приводя к появлению волдырей, из-за чего люди с таким заболеванием вынуждены избегать солнечного света, например, переносом своей активности на ночное время. У них также часто бывают проблемы с деснами, которые оголяются и визуально удлиняют зубы. А ещё есть мнение, что некоторые продукты, особенно чеснок, ухудшают их состояние из-за влияния на метаболизм гема (хотя убедительных научных доказательств этому я не нашел). Наконец, я читал, что таким пациентам может стать легче, если они будут получать гем, например, из крови, потому что это временно блокирует синтез порфиринов в организме.

Ничего не напоминает? Люди с удлиненными зубами, которые активны по ночам и покрываются волдырями на свету, избегают чеснока и нуждаются в крови для улучшения состояния? Да, есть мнение (хотя не все с ним согласны), что именно порфирия породила легенды о вампирах.

К счастью, такие случаи достаточно редкие. С другой стороны, от способности порфиринов и их аналогов поглощать свет и производить активные формы кислорода бывает и польза. Например, фотодинамическая терапия рака основана на том, что фотоактивные вещества (фотосенсибилизаторы, часто близкие по структуре к хлорофиллу и гему) накапливаются в раковых клетках. Затем ткани облучают лазером, и активные формы кислорода убивают раковые клетки, при этом здоровые клетки, в которых фотосенсибилизатора меньше, остаются неповрежденными.

Вот такие замечательные свойства есть у макроциклических соединений! Думаю, что мы с ними еще встретимся, когда я дойду до букв К (кобаламин – витамин B12), Ц (те самые цитохромы) и Х (конечно же хлорофилл).

Вчера записали очередной выпуск подкаста «Физики и Лирики» на радио «Маяк». В этот раз говорили про гормоны и антибиотики в мясе. Если вы считаете, что главная проблема использования антибиотиков в животноводстве — это шанс того, что остаточные микродозы попадут вам в тарелку, то настоящая опасность, связанная с их применением, может вас удивить.

Впрочем, хорошие новости тоже есть: хотя возможность появления антибиотикорезистентных бактерий в глобальном смысле гораздо страшней, можно по крайней мере не бояться того, что выбранная лично вами куриная грудка содержит в себе опасные дозы антибиотиков или гормонов.

​​Молекула недели: дитиоланкарбоновая кислота

Когда я только-только стал аспирантом, мне рассказали любопытную историю, за достоверность которой я, впрочем, не ручаюсь. В середине XX века один из крупнейших и самых известных химических институтов РАН прикупил для исследований этилмеркаптан. Это довольно простое соединение, своей формулой C₂H₅SH напроминающее этиловый спирт C₂H₅OH. Всего-навсего заменили кислород на серу, получив вместо спирта вещество другого класса — «меркаптан» или «тиол». Однако разница в их свойствах огромна.

Итак, заказанный заграничный этилмеркаптан привезли в красивой пятилитровой пластиковой канистре, оставив во внутреннем дворе института. Канистра сразу привлекла внимание сотрудника, который, по всей видимости, искал тару для дачи, например, огурцы поливать (точные причины история умалчивает). Химию этот сотрудник знал не очень хорошо, потому что он вылил содержимое на землю и ушел со столь желанной канистрой, даже не посмотрев на этикетку.

В этом месте рассказа химики обычно хватаются за голову, а затем говорят: «Брехня, быть того не может». Дело в том, что этилмеркаптан обладает крайне сильным запахом. Нет, СИЛЬНЫМ ЗАПАХОМ. Настолько сильным, что люди, работающие с меркаптанами, могут вызвать бурное желание отсесть подальше в метро, по возможности – в соседний вагон, а лучше – в другой поезд. Этот запах напоминает смесь гниющей капусты, лука, чеснока, тухлых яиц и гнилого мяса.

Микроскопическое количество меркаптана добавляют в не имеющий запаха природный газ. Считается, что эта идея возникла у работников американской нефтяной компании Union Oil Company, которые заметили, что грифы — падальщики — часто собираются в местах утечки газа, потому что в интересующем их с гастрономической точки зрения гниющем мясе содержатся те же самые меркаптаны, что и в нефти и природном газе. После этого меркаптан стали добавлять в газ специально, чтобы не только грифы могли оперативно заметить утечку газа.

В истории с канистрой и РАНовским институтом этилмеркаптан, который вылили на землю, быстро испарился и облако полетело в сторону находившихся неподалёку дипломатических организаций. В институте об этом узнали после звонка из МИД с вопросом, зачем ученые решили отравить консульство дружественной страны. По легенде сотрудника, прикарманившего канистру и чуть не вызвавшего дипломатический скандал, так и не поймали. Именно подтому я не очень верю в эту историю, ведь сотрудника можно было найти по запаху! Когда я доставал что-то из морозильника, в котором хранились меркаптаны (тщательно запакованные и обмотанные во много слоев пленки поверх уже вроде бы герметичной упаковки), я потом полдня не мог отделаться от преследующего меня запаха. В общем – мерзкие вещества.

Но какое отношение они имеют к еде? Атомы серы в молекулах часто придают им сильные запахи, хотя это не всегда так. В белках нашего организма сера встречается в виде аминокислот метионина и цистеина, которые сами по себе особо не пахнут. Однако, если мясо начинает гнить, из белков образуются другие серосодержащие соединения — в том числе те самые меркаптаны.

Яркий тому пример — дитиоланкарбоновая кислота, также известная как аспарагусовая или спаржевая кислота, поскольку она содержится в спарже. Посмотрите на её формулу. Два атома серы входят в состав цикла под названием «дитиолан» («тио» указывает на наличие атомов серы, а «ди» — на то, что их два). Само вещество запаха не имеет, но продукты его разрушения в организме хорошо так пованивают.

Любители спаржи знают об одном ее побочном эффекте, красочно упомянутом в романе Марселя Пруста «В поисках утраченного времени». Там есть несколько предложений слов по сто каждое (да, Пруст, мягко говоря, многословен) с описанием спаржи, которое заканчивается фразой "...превращали мой ночной горшок в сосуд, наполненный благоуханиями". Вероятно, у Пруста были какие-то свои представления о приятных ароматах, ведь спаржа меняет запах мочи не в лучшую сторону (не то, чтобы исходный запах был изначально привлекателен). В процессе переваривания спаржи дитиоланкарбоновая кислота превращается в летучие серосодержащие соединения, такие как метилмеркаптан — близкий родственник описанного выше этилмеркаптана. Сделать тут ничего нельзя, это нормальный физиологический процесс, который завершается за несколько часов.

Некоторые употребляющие спаржу утверждают, что они особенные и у них ничего не пахнет. У них и правда есть генетическая особенность, но только не та, о которой они думают. Они так же перерабатывают дитиоланкарбоновую кислоту в пахучие вещества, но не чувствуют их запаха из-за генетической мутации. Впрочем, до сих пор по этому вопросу достигнуть консенсуса не удалось в том числе потому, что достаточно сложно найти нужное количество желающих помочь науке тем, что нюхаешь мочу других людей.

Спаржа, несмотря на этот «ароматный эффект», на мой взгляд — один из самых вкусных овощей. Её можно отваривать, готовить на пару или в микроволновке. Зачистил стебли картофелечисткой, посолил, накрыл влажным бумажным полотенцем, подержал в микроволновке пять минут – и прекрасный гарнир что к мясу, что к рыбе (а с яйцом пашот — идеальный завтрак) готов! Для более насыщенного вкуса спаржу можно слегка обжарить на сливочном масле. А специфический запах в туалете? Ну, что же, это и так не самое привлекательное с точки зрения ароматов место, что бы ни писал Пруст.

Разыскивается молекула на Е!

Когда я решил писать заметки про «Молекулу недели» по алфавиту, я ожидал сложностей с буквами «Ь», «Ы», «Ъ», но не с такой популярной буквой, как «Е»! Оказалось, что все вещества, в английском названии которых на первом месте стоит “E”, в русском языке начинаются на «Э». Это эвгенол (eugenol), этанол (ethanol), эритритол (erythritol) и многие другие.

Когда я сегодня сел за заметку, то понял, что с выбором молекулы у меня проблемы. Я даже спросил у ChatGPT, который уверенно рассказал мне про «евгенол», «ерготамин» и «еритрит» (на самом деле все они на «Э»).

Конечно, можно было выбрать одобренную к применению пищевую добавку, имеющую код “Е”. Например, тот же эритритол – подсластитель Е968. Или вспомнить, что у некоторых химических веществ в начале формулы стоит буква “E” (правда, латинская), и заодно рассказать про важную особенность строения органических молекул, так называемую цис-транс-изомерию.

С другой стороны, я знаю, что меня читают химики, и иногда в комментариях даже делятся любопытнейшими фактами. Например, прелестной историей о выделении серосодержащих веществ буквально из-под хвоста американских норок. Помогает оценить важность проблем, надо которым работают химики по всему миру

Поэтому, коллеги, кто может подсказать интересное вещество на «Е»?

Вещество недели: Едкий натр, NaOH

На прошлой неделе я попросил «помощь зала» в выборе молекулы на букву «Е». Спасибо огромное коллегам, накидали много отличных вариантов. Из них я мне особенно понравился «едкий натр».
На самом деле едкий натр нельзя назвать «молекулой недели», потому что у него нет молекул! Как и поваренная соль, в твердом виде он – бесконечная кристаллическая решетка, в растворе – распадается на отдельные ионы. Но разве это повод – не обсуждать вещества немолекулярного строения, которых на кухне тоже много?

Итак, едкий натр – одно из названий гидроксида натрия, NaOH. Вещества такого рода называют основаниями (в общем случае) или щелочами (в случае самых сильных и едких оснований). Щелочи – антиподы кислот. В кислотах много протонов, которые они норовят куда-нибудь пристроить, а щелочи, наоборот, с большим удовольствием эти протоны принимают. Многие знают, что сильных кислот надо избегать, так как от концентрированных кислот типа серной или азотной бывают жуткие ожоги. Но при работе со щелочами осторожность нужна не меньше, ожоги от них – тоже не подарок. В фильме «Бойцовский клуб» есть яркая сцена, в которой главный герой получает химический ожог, вызванный как раз таки едким натром! Кто видел, шутить со щелочами не будет.

Про кислоты и щелочи я писал, когда обсуждал кислотную и щелочную еду. Тут только напомню, что кислоты в еде мы встречаем постоянно: уксус, лаймовый, лимонный и даже томатный сок, кофе. Они не только влияют на вкус, делая его ярче, но и могут буквально приготовить наше блюдо. Например, в севиче из сырой рыбы кислота из сока лайма реагирует с рыбными белками, те денатурируются и становятся похожими на термически обработанные.

Щелочи в еде используют гораздо реже. Одна из причин – неприятный мыльный вкус, который они придают еде. Собственно говоря, мыло готовят, обрабатывая жир щелочью. Но даже от щелочей бывает польза, если пользоваться ими аккуратно. Я уже рассказывал о реакции Майара, которая отвечает за вкус жаренного мяса, корочки хлеба и многих других вкусных продуктов. Обычно для нее требуется высокая температура, градусов 150 и выше. Но в щелочной среде она сильно ускоряется даже без такого сильного нагревания. На кухне это помогает, например, сделать взрывающий мозг морковный суп при помощи обычной пищевой соды. Кстати, это один из немногих рецептов у меня на канале, на который в комментариях есть обратная связь и она строго положительная. Ну и сам я много раз его готовил для друзей, которые каждый раз оказывались приятно шокированными тем, что из простой морковки можно сделать ТАКОЕ.

Но есть и другие применения щелочей в кулинарии. Например, техника вельветинга (velveting), заключающаяся в добавления соды к мясу, делает его более мягким и помогает лучше обжариваться. Для экстремалов есть знаменитое скандинавское блюдо лютефиск (рыба в щелочи) с прекрасными отзывами вроде «лютефиск – это не еда, а оружие массового поражения».

Где-то посередине между морковным супом и лютефиском (вкус обоих практически отправляет в нокаут, но один – от восхищения, а другой – от отвращения) лежат китайские столетние яйца. Для их приготовления обычные сырые куриные яица держат в щелочной среде несколько недель (а не сто лет, как можно предположить из названия 😊), из-за чего белок становится твердым, как у сваренного вкрутую яйца, но прозрачным и черно-коричневым. Желтки при этом зеленеют и приобретают довольно сильный запах, который нравится далеко не всем. Я такие яйца много раз пробовал и особого удовольствие не получил, но ничего страшного в них нет.

Как едкий натр (а это именно он, хотя можно брать и другую щелочь) изменяет яйцо до неузнаваемости? Начнем с цвета белка. Тут все просто, это та же реакция Майара, которой щелочь помогает протекать (пусть и достаточно вяло) при комнатной температуре. Это немного похоже на приготовление черного чеснока: там тоже пользуются тем, что реакция Майара идет уже при 60 градусах, просто нужно подождать несколько недель или месяцев. Тут же за счет щелочи процедура даже не требует нагрева.

Вторая особенность столетнего яйца – это, собственно, прозрачность и текстура белка. Мы привыкли к тому, что белок яйца становится твердым при варке, но прозрачность-то он свою теряет, превращаясь в белый упругий гель! Думаю, все знают, что происходит это из-за денатурации. Белки – весьма упорядоченные молекулы со сложной внутренней структурой. У так называемых глобулярных белков это своего рода плотный шарик (глобула) из свернутой определенным образом последовательности аминокислот, причем полярные (заряженные) группы аминокислот «торчат» в воду, а неполярные группы (их еще называют «гидрофобными», ведь воду они, как подсказывает название, не любят) прячутся внутрь глобулы. При нагревании глобула слегка расплетается, гидрофобные группы «выглядывают» наружу и цепляются за такие же группы соседних молекул. Из-за этого отдельные глобулы белков слипаются, образуя довольно большие агрегаты размером до нескольких микрон Такие агрегаты рассеивают свет, поэтому вареный белок – непрозрачный.

В щелочной среде процесс идет немного по-другому. Из-за щелочи, которая обожает отбирать протоны, некоторые аминокислоты лишаются своих протонов и становятся отрицательно заряженными. Они отталкивают друг друга, как и полагается одноименно заряженным частицам, и расплетают белковую глобулу. Опять вылазят «липкие» гидрофобные группы, которые могли бы склеить белки в большие агрегаты, но – не могут! Ведь теперь все молекулы белков слегка заряжены отрицательно. В результате противоборства гидрофобных групп, пытающихся склеить белки вместе, и электростатического отталкивания образуется гель, который состоит из слегка денатурированных, но все еще отдельных глобул, связанных друг с другом, как бусины на нитке. Раз нет больших агрегатов, то свет рассеивать некому, и такой гель остается прозрачным.

Если столетнее яйцо сварить, белок не потеряет прозрачности. Заряд на белковых глобулах все так же не позволит им слипнуться. Более того, в одной из статей исследователи смогли провести обратный процесс. Они сначала сварили яйцо, а потом уже поместили его в щелочь. Через 3 недели белок стал прозрачным!

В ходе медленного разложения («денатурации») белка под действием щелочи появляются два очень ароматных вещества – аммиак и сероводород. В концентрированном виде они оба ядовиты и пахнут очень резко. Вспомните запах нашатырного спирта и тухлых яиц. В столетнем яйце их совсем немного, поэтому они лишь придают ему экзотический привкус (на мой вкус, чересчур сильный). А еще сероводород реагирует с железом в желтке, образуя сульфид железа, который окрашивает желток в зеленоватый цвет.

Вот столько всего интересного происходит в простом яйце, если его положить в едкий натр! Если захотите повторить такой рецепт на кухне, будьте предельно осторожны. Обязательны защитные перчатки, плотная одежда и защитные очки. Но лучше оставьте работу с концентрированными растворами щелочей профессионалам. Едкий натр – он потому и едкий. Сделайте вместо этого морковный суп, пищевая сода – намного более слабое основание, да и результат, на мой вкус, куда вкусней.

Нет никакой ложки
 
В комментариях Владимир задал отличный вопрос. Правда ли, что чайная ложка, вставленная в горлышко открытой бутылки с игристым вином, поможет ему долго не терять свою шипучую природу?
 
Я лично встречал несколько человек, которые утверждали, что они так пробовали и газы сохранялись. Но это не более, чем легенда. А уверенность адептов такого подхода в том, что он работает, связана с непониманием базовых принципов проведения научных экспериментов.
 
Начнем с наиболее популярного объяснения этого удивительного эффекта. Цитирую пересылаемое сообщение: «В холодильнике металлическая ложка очень быстро остынет, охладит воздух внутри бутылки и создаст своего рода ледяную воздушную пробку, которая не позволит пузырькам улетучиваться (холодный воздух тяжелее теплого)».
 
Исходно температура ложки выше температуры бутылки и самого шампанского (я надеюсь, что вы пили его холодным!). Да, через некоторое время в холодильнике ложка остынет, но она не станет холоднее, чем температура внутри холодильника, то есть в итоге бутылка, шампанское и ложка будут одинаково холодными. Здесь я пренебрегаю тем, что в нижней части холодильной камеры обычно чуть холоднее, чем в верхней (хотя это зависит от модели холодильника и распределения потоков воздуха). Но если еще и это учесть, вывод точно будет не в пользу торчащей сверху ложки.
 
Может быть, холодная ложка в горлышке как-то препятствует прогреву воздуха в бутылке непосредственно над шампанским? Содержание растворенного в воде (или вине) углекислого газа зависит как от температуры (чем она ниже, тем больше газа может раствориться), так и от давления углекислого газа над раствором. Чем выше давление газа над раствором, тем больше газа может раствориться, так как ему становится энергетически невыгодно выходить в газовую фазу.
 
Пока бутылка закрыта, углекислый газ из нее уйти не может (разве что он разнесет ее вдрезбезги, как раньше часто случалось). Если мы откроем теплую бутылку, из-за резкого сброса давления газ, который до этого был растворен в вине, быстро выйдет наружу, вспенивая жидкость и заливая все вокруг. Но если бутылка будет холодной, перепад давления при открывании будет гораздо меньше, а растворимость газа – больше, и мы обойдемся без незапланированного душа из шампанского.
 
Даже охлажденная газированная жидкость теряет газ, но чем ниже температура, тем медленнее это происходит. И тут важна именно температура жидкости, размещение над ней ложки на нее не влияет.
 
Почему же так много людей уверены, что ложка работает? Они же лично в этом убедились, провели «эксперимент», взяв одну недопитую бутылку шипучки, сунув в горло ложку и поставив ее в холодильник. На следующей день они достали бутылку из холодильника, налили бокал и поразились тому, что напиток по-прежнему газированный. Только без сравнения с вариантом «без ложки» это – не эксперимент! Шампанское при низкой температуре теряет газы совсем не мгновенно, поэтому для него абсолютно нормально сохранить заметную карбонацию и на следующий день.
 
Чтобы утверждать о пользе именно ложки, нужно, как минимум, поставить в холодильник две недопитые бутылки, одну «закрыть» ложкой, а другую оставить открытой. Бутылки должны быть одинаковыми с одной и той же термической «историей» (если одну открыли, когда она была теплой, а другую – холодной, то их сравнивать уже нельзя), в них должно оставаться одинаковое количество игристого. Понятно, что мало найдется желающих пожертвовать двумя бутылками ради любопытства. Но даже и этого мало! Для достоверности такой эксперимент нужно повторить несколько раз, и только тогда обсуждать результаты.

Допустим, что такой любитель науки, но не шампанского нашелся и все сделал, как надо. А как он поймет, что ложка помогла? Совершенно точно нельзя просто попробовать один и второй напиток, зная, из какой бутылки его наливали. Мы очень хорошо умеем себя обманывать, и почувствовать больше газов в «правильной» бутылке сможет даже самый беспристрастный критик. Поэтому испытание должно быть слепым, например, как в «треугольном тесте». Наливаем четыре бокала, два – из открытой бутылки, два – из бутылки с ложкой. Потом проводящий эксперимент убирает один из них, а три оставшиеся дает попробовать дегустатору. Задача дегустатора – вслепую определить образец, который отличается от двух других. Процедуру повторяют многократно (чаще всего – на многих дегустаторах), результаты усредняют и проверяют, есть ли статистически значимая разница между одинаковыми и разными образцами. Без этого – вы провели не эксперимент, к которому можно серьезно относиться, а просто выпили в хорошей компании.
 
Второй вариант – измерить остаточное давление углекислого газа над раствором, концентрацию растворенного газа или просто потерю массы бутылкой. Дома это сделать сложновато (не у всех есть нужное оборудование), но в лаборатории – запросто. И, конечно же, такие эксперименты проводились. Один из них описывает Эрве Тис (Hervé This) в книге «Molecular gastronomy». Исследователи, связанные с Comité Interprofessionnel du Vin de Champagne (крупная организация, контролирующая производство, сбыт и продвижение шампанских вин), имели неограниченный доступ к шампанскому и могли позволить себе с ним поэкспериментировать. В своих экспериментах они оставляли в бутылке от одной до двух третей напитка (да, влияние остаточного объема тоже нужно было оценить!) и держали ее при 12 градусах после «закрывания» ложкой и в открытом виде. История умалчивает, куда девалось вино, которое они в бутылке не оставляли. Хотя, я не сомневаюсь, что ему нашлось применение на пользу науки. Проведенные же измерения показали, что ложка ни на что не влияет, как, в общем-то, и ожидалось.
 
Я подозреваю, что, как бы я не старался, мне вряд ли удастся убедить всех, что «эффект ложки» - просто прилипчивый миф. Всегда найдутся скептики, которые «сами пробовали, и она помогает». Таким я могу предложить самостоятельно провести эксперимент, но вместо небюджетного шампанского взять просто газированную воду или любой другой газированный напиток. Принципиальной разницы не будет. Главное – делайте это в компании (для увеличения статистической выборки), пробуйте вслепую и используйте «треугольный тест».
 
Раз ложка не работает, как же быть тем, кто не может допить все шампанское (если что, это не рекомендация)? Все решается элементарно. Чтобы снизить потерю газа, нужно снова закрыть герметично бутылку. В ней установится равновесие между газом в жидкости и над ее поверхностью, и пока бутылка останется закрытой, газ никуда не денется. Для этого есть специальные пробки, которые способны сдержать повышенное давление внутри. Я такими пользуюсь постоянно и доволен.
 
Если тема шампанского вам интересна, у меня есть заметка, в которой я разбираю и другие мифы про этот напиток. Например, правда ли, что его придумал Дом Периньон.

Записали сегодня очередной выпуск подкаста “Физики и лирики” на радио “Маяк”. Говорили про холодильники и морозилки. Обсудили сколько продукты могут лежать в холодильнике, а сколько - в морозилке, почему не стоит ставить в холодильник горячую еду, и какие процессы происходят при повторной заморозке продуктов.

Как всегда, в декабре времени на то, чтобы сесть и написать заметку не остается. Зато записали сегодня очередной выпуск подкаста «Физики и лирики» на радио «Маяк».
Говорили про чай и про не чай (матэ, каркаде, иван-чай и так далее). На самом деле – тема необъятная, и я в ней не то, чтобы эксперт. По крайней мере я не могу сходу назвать 20 своих любимых видов чая с индивидуальными особенностями и правильными параметрами заваривания для каждого (да, знаю я любителей чая, которые именно настолько серьезно к нему относятся). Тем не менее, эфир, на мой взгляд, получился довольно интересным.

Кстати, в комментариях к прошлому эфиру предложили отличное решение для тех, кому, как и мне, не нравится использовать неудобный сайт smotrim.ru, куда «Маяк» выкладывает свои выпуски. Тем, у кого Андроид, нужно просто поставить приложение “Радио «Маяк»”, которое позволяет потом сохранять выпуски просто аудиофайлами. У меня Андроида нет, но, судя по всему, этот подход действительно работает.

Уже неделю планирую собраться с силами и написать про очередную "Молекулу недели" (в соответствии с алфавитным порядком - на букву "Ж"). Уже почти дописал, скоро будет.

Тем временем, записали очередной выпуск подкаста "Физики и Лирики" на радио "Маяк". Говорили про кислородные коктейли.

Обсуждение как всегда ушло в сторону, и я не успел рассказать самую интересное. Про то, что несмотря на всю бесполезность кислородных коктейлей, исходная идея о возможности дыхания через пищеварительный тракт - вполне здравая. Более того, в прошлом году за демонстрацию того, что можно дышать при помощи специальных клизм (ага, дыхание получается именно через это место), Таканори Такебе получил Шнобелевскую премию (Ignobel Prize). Смех смехом, но уже было проведено первое испытание на людях, так что кто знает, может быть даже такое на первый взгляд странное открытие окажется полезным на практике!

Молекула недели - желатин

Кроме «едкого натра», в котором молекул как таковых нет, все остальные соединения, о которых я до сих пор писал, были органическими молекулами сравнительно небольшого размера. Их еще химики часто называют «малыми молекулами» (small molecules). Однако в пище встречаются и молекулы значительно более крупные – макромолекулы: белки, сложные углеводы (например, крахмал), ДНК и даже полиэтилен (если вдруг кто-то случайно съел часть упаковки).

Полиэтилен здесь упомянут не случайно. Это пластик или, в более общем смысле, полимер, то есть соединение, состоящее из множества повторяющихся одинаковых звеньев – мономеров. Белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды — тоже полимеры, только их мономеры имеют биологическую природу.

Синтезировать и изучать полимеры сложнее, чем малые молекулы. Во-первых, их молекулы могут быть действительно огромными. Если, например, вытянуть молекулу ДНК человека в линию, её длина составит почти два метра! Во-вторых, свойства полимера зависят не только от состава мономеров, но и от длины цепи, а также от того, насколько похожи макромолекулы по размеру. Два образца полиэтилена — один, состоящий из молекул ровно по 1000 мономеров, и другой, в котором встречаются молекулы с 500, 1500 мономерами и другими промежуточными значениями, — это два совершенно разных материала.

С биополимерами всё ещё сложнее. Возьмём, к примеру, белки. В отличие от полиэтилена, где повторяются мономеры одиного типа (да, этилен), белки образованы двумя десятками различных аминокислот, соединённых в произвольном порядке. Поэтому даже не очень крупный белок на 100 аминокислот может иметь непередаваемо огромное число различных аминокислотных последовательностей.

Но и это ещё не всё. Простая последовательность аминокислот — лишь первый уровень организации белка. Дальше оказавшиеся рядом аминокислоты связываются водородными связями, образуя элементы вторичной структуры – альфа-спирали и бета-листы, которые как-то располагаются в пространстве, что уже дает третичную структуру. А если белок состоит из нескольких цепей, то они могут соединяться еще и в четвертичную структуру.
К тому же белки обладают подвижностью. Благодаря этому свойству работают ферменты: их части могут двигаться друг относительно друга. Самое известное изменение белковой структуры — разрушение пространственной организации белка (денатурация). В прошлой заметке я уже упоминал, как при нагревании яичный белок сворачивается в плотный непрозрачный гель. Денатурация большинства белков необратима: если разорвать цепи, они начинают сцепляться друг с другом, образуя гель, и восстановить исходное состояние практически невозможно. Однако бывают исключения. Например, авторы одного исследования обнаружили, что сочетание центрифугирования и обработки мочевиной может помочь развернуть белки обратно и сделать белок сваренного вкрутую яйца опять жидким.

Но иногда денатурация бывает частичной и обратимой, и это как раз пример героя этой заметки – желатина. Он хорошо известен как загуститель для фруктовых желе, но постоянно встречается и в других блюдах, например, с тушёным мясом.

Технически желатин нельзя назвать природным веществом, потому что живых тканях его нет. Там есть его неденатурированный предшественник, белок коллаген, ключевой компонент соединительной ткани в составе хрящей, сухожилий, костей, кожи и мышц. Коллаген нерастворим в воде, так как его молекулы – это туго переплетённые в тройную спираль цепи и разорвать их непросто. При высокой температуре коллаген денатурируется, его нити сокращаются, выжимая из мяса сок. Но если аккуратно нагревать его в присутствии воды, тройная спираль расплетается, молекулы присоединяют воду (происходит гидролиз) и образуют растворимый в воде желатин. Именно поэтому жёсткие мясные отрубы, богатые коллагеном, становятся мягкими при длительном тушении: коллаген разрушается, а желатин придаёт блюду приятную текстуру.

Однако даже фрагменты желатина все еще остаются макромолекулами, способными увеличивать вязкость раствора и образовывать гели. Причём образование такого геля обратимо: он остаётся твёрдым в холодильнике, но плавится во рту. Это свойство желатина делает его ценным не только в кулинарии, но и в фармацевтике, где его используют для капсул лекарств, твердых при комнатной температуре, но растворяющихся в желудке. Еще одно не очень пищевое применение желатина – изготовление баллистического геля, который имитирует ткани человека при испытаниях огнестрельного оружия.

Промышленный желатин обычно получают из свиной кожи и шкуры крупного рогатого скота, так как в коже всегда много коллагена. В костях коллагена тоже немало, и французский химик Жан Дарсе ещё в XIX веке придумал метод извлечения желатина из костей, пытаясь создать дешёвый источник питания для бедных. Однако оказалось, что только на желатине прожить довольно сложно, его аминокислотный состав далек от идеального.

И даже если вы никогда не готовите желе, вы почти наверняка проводите гидролиз коллагена на своей кухне. Уже упомянутое тушение мяса – один пример, а второй – варка бульонов. Липнущий к губам хороший наваристый бульон – прямой результат высокого содержания к нем желатина. Ну и затвердевание насыщенного бульона в холодильнике вызвано тем же.

Я, кстати, многократно встречался с утверждением, что желатин в насыщенных супах очень помогает от похмелья. Сразу скажу, что по моему собственному опыту антипохмельный эффект у таких супов и правда есть, но ученый во мне протестует против того, чтобы приписывать его именно желатину. Я не нашел ни одной нормальной научной статьи, подтверждающий наличие у него такого эффекта. И мне очень сложно представить ситуацию, как кто-нибудь утром первого января налегает на клубничное желе. А вот «похмельных супчиков» по всему миру множество, и часто это действительно блюда с большим количеством желатина. В разных странах утверждают, что лучшее лекарство от похмелья – это хаш, рамен, кальдо-де-рес, хэджангук, харчо, солянка, фо-бо. Список можно продолжать и продолжать. Но я не думаю, что дело в желатине. Скорее, суп – это хороший способ решить сразу две проблемы, связанные c похмельем (дегидратацию и дисбаланс электролитов), при этом не слишком напрягая измученный организм едой. Хотя, конечно, лучше не доводить до необходимости такого «лечения»

От желатина мы логично подошли к теме бульонов. Меня уже просили написать отдельную заметку о варке бульона, в процессе которой переплетается много химии и физики. Но об этом – в следующий раз.

Сижу сегодня на работе, никого не трогаю, готовлю лекцию на завтра. Внезапно - звонок с радио “Маяк”. Оказалось, что произошла путаница с датами, и очередной эфир подкаста “Физики и лирики” будет не в четверг, а уже идет. Поэтому в этот раз я на вопросы отвечал не в уютной студии с хорошим микрофоном, а прямо по телефону на лестнице в университете. К счастью, мимо меня не слишком много громких студентов пробегало, поэтому звук вроде ничего получился.

Обсуждали упаковку для напитков - стекло, пластик, жесть, картон. Ведущие - Александр Пушной и Маргарита Митрофанова - в рамках обсуждения решили рассмотреть гипотетическую ситуацию, в которой меня позвали в гости, налили кипятка в пластиковый стаканчик, попробовали накормить вздувшимися консервами и выдали с собой на дорожку селедку под шубой в полиэтиленовом пакете. Теперь уже боюсь в следующий раз вживую студию ехать, мало ли что 🙂

UPD: Все-таки участвовать в эфире, одновременно пытаясь найти тихое место с нормальным мобильным интернетом в шумном университете - не самая лучшая идея. Уже постфактум вспомнил, что многие мои формулировки были недостаточно четкими. Сразу уточню:

1. Я сказал, что главный риск при питье кофе из пластикового стаканчика - это обжечься. Имелось в виду, что некоторые стаканчики, не предназначенные для горячих напитков, сделаны из очень тонкого пластика, который сильно размягчается при высокой температуре. Если на такой стаканчик слегка надавить, он может деформироваться, и жидкость прольется. Это не означает того, что нет других рисков: при высокой температуре также возрастает вероятность миграции компонентов пластика в напиток. Однако с химической точки зрения за один раз ничего критичного не произойдет, а вот ошпариться — вполне реально. Поэтому для горячих напитков лучше использовать специальные термостойкие стаканчики, они и прочней, и ничего страшного в ваш кофе из них не выйдет.

2. Я очень неудачно сформулировал часть про тетрапаки. Попытался уточнить на ходу, но все равно получилось не совсем точно. Конечно, ультрапастеризацию молока не проводят прямо в пакете — это было бы технически невероятно сложно. На самом деле молоко пропускают через узкие каналы, где оно на несколько секунд нагревается до очень высокой температуры, затем быстро охлаждается и уже в стерильных условиях разливается в асептическую упаковку.

Так что да, выступать на радио лучше из студии, где можно спокойно отвечать на вопросы, не отвлекаясь ни на что. Даже под угрозой селедки по шубой в полиэтиленовом пакете 🙂

Этот семестр - это нечто. Подготовить и прочитать два новых курса для магистратуры, починить прибор за полтора миллиона евро при помощи напильника и скотча, научиться пользоваться наносекундным лазером IV класса опасности в условиях, исключающих использование защитных очков, и не остаться при этом без глаз - в общем, жизнь бьет ключом. Поэтому в черновиках - десять заметок, и закончить их - времени нет. Но я обязательно вернусь к более регулярному написанию, свет в конце туннеля уже виден )

Иногда удается только сходить на запись очередного эфира на радио “Маяк”. Неделю назад меня позвали на серию эфиров “Незаметные пандемии XXI века”, чтобы обсудить “Искусственную еду”. Меня всегда передергивает от этого выражения, да и темы про рестораны быстрого питания, глутамат натрия и потенциальный вред колбасы уже несколько поднадоели, если честно, но судя по всему многих этот вопрос до сих пор волнует, поэтому мы будем обсуждать это снова и снова )

А если вам нравится аудиоформат, но больше заходят лекции, а не подкасты-интервью - напомню, что у меня есть серия из 18 лекций, который я прочитал несколько лет назад для радио “Звезда”. Мне кажется, что они получаются более информативными, поскольку там меня не так сильно уводит в сторону как при живой беседе, да и слушать их удобней, чем со smotrim.ru.