Марти Джопсон
Всё о науке за 60 минут
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.
Если речь идет о продуктах питания, в настоящее время мы используем две единицы: калории и джоули. Первоначально количество энергии, содержащейся в пище, определялось примитивно: путем ее полного сжигания в закрытом контейнере и измерения сопутствующего повышения температуры в небольшом объеме воды. Вот откуда взялось понятие «калория». В 1824 году калорию утвердили в качестве единицы измерения тепла и установили величину одной калории: 1 калория эквивалентна тепловой энергии, необходимой для повышения температуры 1 грамма воды ровно на 1 °C. Таким образом, 1 килокалория может нагреть 1 000 граммов или 1 литр воды на 1 °C.
Однако в наши дни измерение пищевой энергии, или энергетической ценности, как правило, производится совсем не так. Если раньше сжигали саму пищу, то теперь в лабораториях сжигают результат экстракции отдельных компонентов (белков, жиров и углеводов) из продуктов питания. Это так называемая система Этуотера[7]. В соответствии с ней ученые сначала определяют по отдельности количество белков, жиров и углеводов в тестируемой пище. Затем рассчитывается энергия, содержащаяся в пище, с использованием средних значений энергии в белках, жирах и углеводах. Итак, мое печенье содержит 10 г углеводов по 4 ккал/г, что дает 40 ккал на одни лишь углеводы; 1 г белка с калорийностью 4 ккал/г и 3,4 г жира с калорийностью 9 ккал/г. Сложите все это, и у вас получится 74,6 ккал в одном печенье.
Тем не менее калория – довольно маленькая единица энергии. В большинстве порций пищи, которую мы едим, много тысяч калорий. Только в моем печенье 75 000. Получается, что проще измерять энергетическую ценность в килокалориях и просто заменять термин «килокалория» понятием «калория». Однако делается это без какого-либо последовательного подхода, и в результате возникает путаница. Вот почему на упаковке моего печенья указано одновременно и 75 калорий, и 75 ккал. Ну а еще больший сумбур вносит то, что приводится также энергетическая ценность в джоулях.
Само собой, было бы намного проще, если бы все пользовались одной единицей измерения. Но я не знаю, какую из них предпочел бы. Сидящий во мне ученый настаивает на джоулях. Но калория – гораздо более понятная всем нам единица измерения. Как бы то ни было, мы совершенно точно должны прекратить писать «калорий», когда имеем в виду «килокалорий». Учет калорий дает нам возможность узнать энергетическое содержание всей пищи, которую мы кладем в рот. И отсутствие такого учета порой очень плохо сказывается на нашем здоровье.
И все же я избегаю вопроса, который беспокоит меня больше всего. Пока я пишу эти строки, я глубоко взволнован осознанием того, что с помощью энергии, содержащейся всего в двух только что съеденных мной печеньях, можно довести два литра воды комнатной температуры почти до кипения. Пожалуй, лучше я уберу эту пачку, прежде чем еще одно печенье отправится ко мне в рот.
Капающий чайник
Для истинных британцев, к которым я себя причисляю, употребление чая – часть культурного наследия. Поэтому, казалось бы, разобраться с проблемой капающего чайника должны именно мы. Однако окончательный вердикт по этому вопросу вынесла четверка ученых из Лионского университета. Именно они обнаружили, что некоторые особенности чайника все же нельзя предсказать с помощью гидродинамики. (Следует отметить, что открытие было сделано исключительно потому, что до этих французов никто не удосуживался рассмотреть проблему капающего чайника с точки зрения физики.)
Считается, что еще до появления чайников людям удалось установить интересный факт. Когда через трубку (такую как носик чайника) протекает большое количество жидкости, природа поверхности трубки (ее гидрофильность или гидрофобность) не должна иметь значения. Однако сегодня мы точно знаем, что она важна. Традиционное лекарство от капающего чайника – просто смазать маслом край его носика. Но этот давно известный способ всегда казался мне глупой затеей: лучше я пролью половину своего чая на скатерть, чем буду пить его с маслом.
Французская команда ученых обнаружила, что роль играют три фактора. Во-первых, скорость потока жидкости: чем быстрее поток – тем меньше капель. Во-вторых, радиус кривизны края носика: чем он тоньше и острее – тем лучше. Ну и, наконец, природа поверхности: как вы уже наверняка догадались по примеру с маслом, гидрофобный, то есть водоотталкивающий, материал носика гарантирует, что вода не будет стекать по стенке, а соберется в крупную каплю.
Как же формируются капли на носике чайника? Струя чая сбегает с носика, и немного жидкости всегда прилипает к его самому краю. Если поверхность носика не водоотталкивающая, чай прилипает к ней лучше и тянет струю жидкости назад к нижней части носика. Величина, на которую струя чая оттягивается назад, зависит также от угла ее соприкосновения с поверхностью, а он, в свою очередь, определяется кривизной и толщиной стенки носика. Поток чая может оттянуться достаточно далеко назад, цепляться за нижнюю сторону носика и стекать каплями. Но чем выше будет скорость потока жидкости, тем незначительнее окажется это расстояние, а значит, и капель мимо чашки прольется меньше.
Какими бы ни были гидродинамические причины появления этих раздражающих капель из чайника, едва ли вам послужит утешением их понимание, если таким «недугом» страдает ваш собственный чайник. Конечно, вы можете попробовать наливать чай быстрее, но обычно это заканчивается тем, что на столе остается еще больше чая, поскольку в итоге он переливается через край. И все же есть еще один трюк – я подглядел его в китайских ресторанах. Это искусственное изменение носика чайника. Если натянуть на него короткий отрезок прозрачной пластиковой трубки и срезать ее под углом, получится тонкий, острый и, главное, водоотталкивающий носик. Такой трюк действительно решает проблему. Но все же имейте в виду: выглядит это ужасно – независимо от внешнего вида чайника.
Если ни одно из этих решений вам не подходит, все, что вы можете сделать, это нанести на нижний край носика слой гидрофобного материала – только не масла, раз уж мы выяснили, что оно вам не по душе. Современная наука располагает множеством сверхгидрофобных материалов, но, к сожалению, они очень дороги и их трудно достать. Однако есть исключение – самая обычная сажа. Слой сажи, скажем от свечи, обеспечит вам поверхность, которая никогда не будет мокрой: вода просто соберется на ней в каплю и упадет вниз. Подержите носик чайника над пламенем свечи, пока он не почернеет, и вытрите сажу с его верхней части и внутренней стороны. Если все сделать правильно, отныне чайник не будет раздражать вас надоедливыми каплями. Возможно, на нем останутся частички сажи, но, как по мне, это все же лучше, чем масляные разводы в чае.
Кухонные весы и килограмм
На мой взгляд, цифровые кухонные весы – один из величайших даров цивилизации XXI века. Они занимают мало места, невероятно просты в использовании и умеют переключаться между различными единицами измерения. Можно даже поставить сверху чашу и обнулить показания. И все же эти весы почти наверняка будут нам врать.
Скажем, я положу на весы кусок сыра, и они покажут 153 г. Могу ли я быть уверен, что сыр действительно весит 153 г? Если вы внимательно посмотрите на весы и заглянете в инструкцию, то увидите, что у таких устройств всегда есть погрешность – например, у моих весов она ±5 г. Таким образом, на самом деле мой кусок сыра может весить от 148 до 158 г. Конечно, это не имеет большого значения для моих рецептов, но важно понять, могу ли я утверждать, что хотя бы этот диапазон правильный. Возможно ли это в принципе – точно, со стопроцентной уверенностью определить вес чего-либо? Ответ – да, но только если речь идет об одном маленьком объекте во Вселенной.
Скорее всего, мои весы сделаны где-то в Юго-Восточной Азии, и внутри у них есть так называемый тензометрический датчик, который преобразует силу давления груза, положенного на весы, в электрический сигнал. Тензометрические датчики состоят из множества параллельных и невероятно тонких полосок металлической фольги. Когда на весах лежит груз, эти полоски растягиваются и становятся еще тоньше. В результате меняется их электрическое сопротивление, и микропроцессор весов, обнаруживая это изменение, преобразует его в величины на дисплее. В процессе изготовления весов микропроцессоры калибруют таким образом, чтобы они распознавали показания тензометрического датчика для двух реперных точек[8] – 0 граммов и 1 килограмм. Так микропроцессор вычисляет вес всего, что кладется на весы. В ходе калибровки используется тестовый груз, вес которого составляет ровно 1 кг. Работники завода уверены в этом потому, что тестовые гири взвешиваются на еще более точных весах, изготовленных на другом заводе, с применением еще более точных гирь, и так далее. Поскольку любой набор весов опирается на образцовый, а сам образцовый имеет свой образец, каждый последующий стандартный килограмм все больше приближается к идеалу. Но где же заканчивается эта цепочка? Если вы решите проследить ее до самого конца – или, скорее, начала, – она приведет вас в пригород Парижа.
В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам объявили об учреждении Международной системы единиц, или СИ, как ее теперь принято называть. Этот стандарт определил семь основных единиц измерения и способы их воспроизведения. Конечно, с тех пор система была обновлена, и для всех единиц, кроме одной, стало возможным воспроизведение в эксперименте, хотя и не без трудностей. Например, метр теперь соответствует расстоянию, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Секунда – это время, затрачиваемое на 9 192 631 770 циклов излучения, исходящего от атома цезия-133. Единственная нерегулярная единица измерения – килограмм[9]. Он определяется лишь в абсолютном выражении, безотносительно к другим единицам. Это вес куска цилиндрической формы из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), изготовленного в 1889 году и в настоящее время находящегося в хранилище в Севре – коммуне в предместьях Парижа. Однако называть его куском платины и иридия – значит все же несколько занижать его ценность. Этот международный прототип килограмма, как его именуют, представляет собой идеальный, безупречный цилиндр высотой 39,17 мм с таким же диаметром. Точные копии прототипа были разосланы по всему миру, в страны, где национальные институты мер и весов используют эти копии первого поколения, чтобы изготавливать неизбежно менее точные копии второго поколения и так далее, вплоть до гирь, которыми поверяли мои кухонные весы. С каждым шагом в сторону от эталона прототипы становятся все менее точными. Именно поэтому, когда мои весы уверенно говорят мне, что кусок сыра весит 153 г, вероятность того, что это действительно так, все же довольно мала.
