Хімія на шампурі

Настало літо, а з ним і час походів на природу - за свіжим повітрям, теплою погодою і, звичайно ж, шашликами. Є десятки різних рецептів і порад, як правильно смажити шашлик, а також сотні їх комбінацій. Суперечки про те, яке м'ясо вибирати, з якими спеціями його маринувати і скільки тримати над вугіллям, ми залишимо спокушеним любителям і професіоналам, а замість цього спробуємо розібратися, які хімічні перетворення відбуваються з шашликом на всіх етапах його приготування.

Приготування шашлика, з точки зору хіміка, - складний процес, на кожному етапі якого відбувається велика кількість тонких і взаємопов'язаних реакцій. Якщо підійти до справи з розумом, рецепт хорошого шашлика буде порівнянний, а то й перевершить, окремі методики органічного синтезу. І, як у повноцінному науковому експерименті, в приготуванні шашлика є безліч деталей, від яких залежить оптимізація процесу - а значить, смак і аромат кінцевого продукту.

Отже, щоб приготувати шашлик, необхідно виконати дві основні дії: замаринувати м'ясо і обсмажити його на вугіллі. Але спершу давайте розберемося, що таке м'ясо - з точки зору хімії.

М'ясо

Те, що ми називаємо м'ясом і купуємо в магазині під виглядом свинини і яловичини, насправді є скелетною поперечно-смугастою мускулатурою тварин. Якщо, звичайно ж, ми не будемо розглядати субпродукти, наприклад серце, які не використовуються для шашлика. Крім власне м'язової тканини, до м'яса відносять ще жирову і сполучну тканину, яка до них прилягає.

М'язова тканина має цікаву будову. Ми звикли до того, що клітини нашого організму зазвичай дуже малі, не відмінні оком. Структурною одиницею м'яза є м'язове волокно - і це одна велика клітина довжиною кілька сантиметрів і діаметром сотні мікрометрів. Вона утворюється при злитті тисяч інших клітин, через що в м'язовому волокні може бути кілька тисяч ядер.

Головна властивість м'язових волокон - здатність скорочуватися. Саме так ми (й інші тварини) рухаємо кінцівками - і не тільки. Це забезпечують спеціальні білки - актин і міозин. Це витягнуті молекули, що формують довгі пучки всередині клітин. Під дією зовнішніх факторів (нервового імпульсу) ці пучки починають рухатися один відносно одного, стягуючись до центру. Все волокно розбите на окремі ланки - саркомери, скріплені між собою.

Крім того, м'ясо містить великі кількості білків еластину і колагену в сполучній тканині. Вони багато в чому відповідають за механічні характеристики м'яса (жорсткість і так далі). За колір м'яса відповідає білок міоглобін. Загалом, м'ясо - багато в чому білковий продукт, але, звичайно, і жирових прошарків в ньому вистачає.

Маринування

М'ясо маринують для того, щоб вирішити відразу кілька завдань: зробити його м'якшим, надати йому додатковий аромат і провести первинну антимікробну обробку.

Молекули колагену, що визначає твердість м'яса, в нормі утворюють міцні волокна, фібрили. Ця збірка відбувається під дією водневих зв'язків - тяжіння між частково зарядженими (поляризованими) фрагментами амінокислот. Такі ж зв'язки виникають між молекулами води - між атомом водню однієї молекули і киснем іншої.

Багато маринадів мають кислу реакцію через наявність у них кислот - найчастіше оцтової (наприклад, у вині, майонезі або оцті), лимонної і молочної. Кислим середовищем володіє і соєвий соус, а також соус терияки - вони містять велику кількість пироглутамінової кислоти, а також бурштинової, лимонної, мурашиної і оцтової. Це означає, що в маринадах є багато катіонів водню, які здатні зв'язуватися з молекулами білків, протонувати їх. Це змінює розподіл зарядів в молекулах і порушує тонку структуру водневих зв'язків, що призводить до зміни геометрії білкових молекул. В результаті відбувається денатурація білків: волокна колагену і актину розбухають, розм'якшуються, колаген поступово розчиняється.

Того ж ефекту можна досягти і без застосування кислот. Наприклад, деякі тропічні фрукти, такі як папайя і ананас, містять ферменти, що розкладають еластин і колаген до одиночних амінокислот, а протеази бактерій і грибів здатні аналогічним чином руйнувати білки м'язових волокон. Є й фізичні методи пом'якшення м'яса - витримування при тисках близько декількох тисяч атмосфер, яке теж призводить до денатурації білків.

Швидкість, з якою відбувається маринування м'яса, також залежить від складу маринада. Наприклад, було показано, що наявність спирту в маринаді прискорює процес маринування. Це пов'язано з тим, що ліпідна оболонка клітин краще розчиняється в спирті, ніж у воді. Також свою роль у пом'якшенні м'яса відіграють різні допоміжні речовини - такі як танніни у вині і пиві.

Варто зауважити, що маринування не завжди призводить до розм'якшення м'яса. У деяких ситуаціях при надмірному маринуванні (у присутності занадто великої кількості кислоти або спирту) тканини втрачають воду і стають занадто твердими. Такого ж ефекту можна досягти, якщо пережарити м'ясо - тоді велика частина води з нього просто «полетить».

Другий за важливістю ефект - антимікробний. Але за нього відповідальні не тільки кислоти, але й інші компоненти маринада, такі як цибуля. Різним способам знищення шкідливих організмів у м'ясі присвячено досить багато досліджень, в одному з найбільш цікавих автори пропонували додати до стандартної схеми маринування м'яса в пиві ще й обробку в ультразвуковій ванні.

Треба зауважити, що на другому етапі приготування шашлика запускається синтез деяких канцерогенів - шкідливих речовин, потенційно здатних викликати рак. Особливо це стосується продуктів обвуглювання жиру, що крапає на вугілля. Серед них є бензо [] пірен та інші поліароматичні вуглеводні. Інший клас канцерогенів, що виникає при обвуглюванні м'яса - гетероциклічні аміни. Ці речовини здатні утворювати комплекси з ДНК і впливати на життєдіяльність клітин. Одне з досліджень навіть виявило кореляцію між частим вживанням копченого або смаженого на грилі м'яса з деякими видами раку. Відповідно, рекомендується по можливості зменшити вживання таких речовин. Але і тут може допомогти маринування.

Є кілька досліджень, проведених португальськими та іспанськими хіміками, які вказують на те, що деякі види маринада зменшують ймовірність утворення цих канцерогенів. Наприклад, маринування в темному пиві частково інгібує утворення поліароматичних вуглеводнів, а щоб зменшити частку утворюваних гетероциклічних амінів, слід вибирати маринади на основі вина, пива або навіть містять чай. В цілому ж вплив маринадів на освіту поліароматичних вуглеводнів в цілому все ще не так добре вивчено. У число інших можливих інгібіторів входять цибуля, часник, спеції і маринади з лимонною кислотою.

Смаження

Маринування, за рахунок денатурації великої частини білків, значно прискорює процес готування м'яса. Це дозволяє уникнути тривалого впливу тепла і випаровування занадто великої кількості води. Разом з прискоренням денатурації білків, смаження на вугіллі ініціює в м'ясі багато інших хімічних процесів.

Перший з них - відома реакція Майяра. Саме вона відповідає за утворення сильно пахнущих органічних речовин, що надають особливий запах смаженому м'ясу. У цю реакцію вступають амінокислоти, що знаходяться в м'ясі, і цукру. У результаті утворюються складні гетероциклічні сполуки, похідні фурану, тіофена, алкілпірідіни і пиразини.

Конкретний профіль аромату у кожного виду м'яса свій, він визначається співвідношенням концентрацій тисяч запашних речовин, що утворюються при смаженні. У разі смажених курки і свинини важливу роль в ароматі відіграють продукти конденсації цистеїну з цукрами, наприклад, 2-метил-3-фурантіол і його дімір, а також 2-фурілметантіол. З цукрами, звичайно, реагують й інші амінокислоти. Метіонін, наприклад, взаємодіючи з цукрами, піддається деградації до метіоналю - ця речовина має запах смаженої картоплі.

Зрозуміло, що білки і цукру є не тільки в м'ясі. Тому реакція Майяра відіграє роль в ароматі та інших страв. Наприклад, запах випічки (і деяких сортів рису) обумовлений 2-ацетилпіроліном, продуктом реакції між пролином і цукрами. У невеликих кількостях ця речовина виникає і в смаженому м'ясі.

Другий хімічний процес - обвуглювання жирів. Жири - це складні ефіри гліцерину і жирних органічних кислот, таких як стеаринова, пальмітинова і так далі. При температурній обробці вони хімічно перетворюються на альдегіди, такі як гексадеканаль, гексаналь і так далі. Цікаво, що в смаженій яловичині міститься більше альдегідів, ніж у курці і свинині, що і відрізняє їх на смак. А характерний запах баранини виникає завдяки 4-метилоктановій і 4-метилнонановій кислотам.

Третій процес - реакції між продуктами обвуглювання жирів і продуктами реакції Майяра. Це всілякі алкантіоли, алкілпірідіни, алкільні похідні тіофенів, пірролів, тіопіранів, тіазолів і так далі. Алкільна частина в них виникає з жирової компоненти, а гетероциклічна - з майяровської.

Крім того, при обсмажуванні м'яса йдуть і інші реакції за участю амінокислот. Так, цистеїн і глутатіон утворюють при термообробці тритіолани і дитіазини, які також роблять істотний внесок у запах.

Смак і аромат шашликам надають не тільки продукти розкладання амінокислот, цукрів і жирів, а й продукти горіння вугілля. Серед них варто виділити сирінгол (його назва, до речі, походить від латинської назви бузку,) і гваякол - вони утворюються при розпаді лігнину, що зв'язує речовини для молекул целюлози в деревині. Ці речовини надають шашлику (або барбекю) характерний запах диму.

На співвідношення ароматних речовин у готовому шашлику впливають десятки технічних деталей процесу приготування: температура, тривалість обсмажування, вибір вугілля, м'яса, маринада, часу маринування. І це чудова можливість, щоб, озброївшись науковим методом, самому знайти свій оптимальний рецепт шашлику і, може, навіть написати про це наукову статтю - з особливо соковитим описом експериментальної частини.