PROJEKT EDUKACYJNY Z CHEMII

Czy chemia, kojarząca się większości
osób z nauką, w której aż roi się od
niezrozumiałych wzorów i regułek może
mieć coś wspólnego z codziennym
życiem?
W czasie realizacji tego projektu
staraliśmy
się
udowodnić,
że
doświadczenia chemiczne niekoniecznie
muszą być wykonywane w naukowym
laboratorium, gdyż każdy z nas, często
nieświadomie, jest ich wykonawcą…
… laboratorium, w którym przeprowadzamy
różnorodne procesy fizyczne i chemiczne,
"syntezując"
nasze
codzienne
posiłki.
Jednakże, z niewielkimi wyjątkami, procesy
przebiegające podczas przygotowywania
posiłków są bardzo złożone, głównie ze
względu na „niejednorodność chemiczną”
produktów żywnościowych.
Zrozumienie tych procesów wymaga z
kolei znajomości niełatwych zagadnień,
takich
jak:
formy
oddziaływań
międzycząsteczkowych,
fizykochemia
koloidów, czy też ciśnienie osmotyczne.
Aby skutecznie wykorzystać bogactwo
przykładów
zawartych
w
pozornie
pospolitych i rutynowych zjawiskach
zachodzących w kuchni, trzeba najpierw
dobrze poznać ich przebieg.
gotowanie, pieczenie,
duszenie, smażenie …
Podwyższona
temperatura sprzyja
zachodzeniu
różnorodnych
reakcji
chemicznych,
których efektem jest
powstanie
nowych
związków smakowozapachowych
oraz
mięknięcie warzyw
lub mięsa.
Już sam proces
ogrzewania zwraca
uwagę na różnorodność
form przekazywania
ciepła. Podczas
pieczenia mięsa w
piekarniku mamy do
czynienia przede
wszystkim z
przewodzeniem ciepła,
kiedy to drgające
cząsteczki na
powierzchni pieczeni
przekazują energię
drgań cząsteczkom
leżącym w głębi.
Gotowanie zupy to z
kolei przykład
rozchodzenia się
ciepła w wyniku
konwekcji, czyli
unoszenia się cieczy
o wyższej
temperaturze i
niższej gęstości oraz
jednoczesnego
opadania cieczy o
niższej
temperaturze i
wyższej gęstości.
Z ogrzewaniem, w wyniku
działania promieniowania
cieplnego (podczerwień)
mamy do czynienia podczas
pieczenia mięsa obok ognia.
W nowoczesnych kuchenkach
mikrofalowych ciepło jest
generowane wewnątrz
ogrzewanych produktów jako
rezultat szybkich ruchów
polarnych cząsteczek wody
(i związanego z nimi tarcia)
wywołanych zmiennym polem
elektromagnetycznym
promieniowania
mikrofalowego.
Dlaczego warzywa miękną
wskutek gotowania?
Warzywa, owoce oraz inne składniki pokarmowe
pochodzenia roślinnego, są zbudowane z
komórek otoczonych ścianą komórkową, sztywną
i mocną warstwą leżącą na zewnątrz błony
komórkowej. Ściana komórkowa zawdzięcza
swoje właściwości mechanicznie strukturze
przeplatających
się
wzajemnie
długich
łańcuchów celulozy (7000 - 14000 fragmentów
glukozy) oraz znacznie krótszych łańcuchów
hemicelulozy (heteropolimer różnych cukrów
prostych, ok. 200 fragmentów) i pektyn
(heteropolimer kwasu D-galakturonowego i
różnych cukrów prostych). Ogrzewanie w wodzie
powoduje stopniową hydrolizę hemicelulozy i
pektyn, co prowadzi do rozluźnienia struktury
wewnętrznej ściany komórkowej i utraty jej
pierwotnej sztywności. Ugotowane warzywa czy
owoce stają się miękkie.
Nie zawsze jednak gotowanie prowadzi do
mięknięcia warzyw…
Na przykład, jeżeli wrzucimy do wrzątku suchą
fasolę (lub ziarna innych roślin strączkowych),
to nawet po długim gotowaniu pozostanie ona
twarda. Aby ugotować ją do miękkości, trzeba
ją najpierw namoczyć w zimnej wodzie.
Wówczas następuje odtworzenie struktury
półprzepuszczalnej
błony
komórkowej
i
wnikanie wody do wnętrza komórek wskutek
zjawiska osmozy. Dalsze ogrzewanie powoduje
mięknięcie
ziaren
wskutek
hydrolizy
polisacharydów. Natomiast podziałanie na
suchą
fasolę
gorącą
wodą
powoduje
denaturację
białek
błony
komórkowej
zewnętrznej warstwy komórek. Transport wody
w głąb nasiona zostaje zahamowany i mimo
gotowania pozostaje ono twarde i niejadalne.
Podczas gotowania jarzyn zielonych: kapusty,
szpinaku,
porów,
możemy
zaobserwować
charakterystyczne zmiany koloru. W kilka sekund
po kontakcie z gorącą wodą liście nabierają
bardzo intensywnej zielonej barwy, wkrótce
potem jednak stopniowo ją tracą i brunatnieją.
Początkowy wzrost intensywności barwy należy
przypisać ulatnianiu się powietrza z przestrzeni
pomiędzy komórkami, które w żywym liściu
powoduje rozproszenie światła i jaśniejszą
barwę. Natomiast dalsza zmiana koloru związana
jest z rozpadem komórek i uwalnianiem
zawartych w nich kwasów organicznych. Jony
wodorowe, powstałe z dysocjacji kwasów,
zastępują jony magnezu w strukturze chlorofilu,
co prowadzi do stopniowego zaniku zielonego
pigmentu.
Działanie wysokiej temperatury na mięso
powoduje przede wszystkim denaturację
białek zawartych w wydłużonych komórkach
mięśniowych: aktyny i miozyny. Towarzyszy
temu zmiana barwy mięsa z czerwonej na
brunatną.
Początkowo
jednak
mięso
pozostaje
twarde,
wskutek
obecności
mocnych włókien kolagenu, przerastających
włókna mięśniowe. Dopiero dłuższa obróbka
cieplna powoduje stopniową hydrolizę
kolagenu i przekształcenie go w żelatynę,
dzięki czemu mięso staje się coraz bardziej
miękkie. Nawet dobrze upieczone czy też
ugotowane mięso zachowuje strukturę
włóknistą złożoną z wiązek zdenaturowanych
komórek mięśniowych.
W powszechnej opinii, walory smakowe
pieczonego czy też smażonego mięsa
przewyższają mdły i mało wyrazisty smak
mięsa gotowanego. Przyczyną tego jest tak
zwana reakcja Maillarda, zachodząca dopiero
powyżej temperatury wrzenia wody 100 °C.
Podczas pieczenia (lub smażenia), w wysokiej
temperaturze zachodzi reakcja kondensacji
pomiędzy grupami karbonylowymi zawartymi w
cukrach
a
pierwszorzędowymi
grupami
aminowymi zawartymi w aminokwasach białek.
Dotyczy to nie tylko mięsa, ale w zasadzie
wszystkich
produktów
żywnościowych.
Powstające produkty, iminy (lub tzw. zasada
Schiffa), ulegają samorzutnemu przegrupowaniu
do tzw. związków Amadoriego, które z kolei
polimeryzują do brunatnych produktów o
charakterystycznym zapachu i smaku, jak dotąd
słabo scharakteryzowanych. To właśnie reakcja
Maillarda zachodzi podczas smażenia i pieczenia
mięsa, przypiekania tostów, karmelizowania
słodzonego zagęszczonego mleka, czy też
rumienienia na patelni cebuli.
Podstawowymi surowcami do wypieku chleba
są mąka, woda, drożdże i sól. W toku
powstawania chleba, substancje zawarte w
tych
surowcach
ulegają
złożonym
przemianom fizycznym i chemicznym.
Pozornie, rola drożdży w procesie pieczenia chleba lub
ciasta jest powszechnie znana. Uważa się, że drożdże,
używając cukrów do swoich procesów życiowych,
powodują ich przekształcenie w etanol i tlenek
węgla(IV), który z kolei spulchnia ciasto.
C6H12O6 (aq) → 2 CO2(g) + 2 C2H5OH(aq)
I tutaj pojawia się pierwsza trudność. Drożdże nie potrafią
przetwarzać polisacharydów amylozy i amylpektyny zawartych w
skrobi, natomiast innych cukrów w mące po prostu nie ma.
Skąd więc bierze się pokarm dla drożdży?
W ziarnach zbóż znajduje się pewna ilość amylaz, enzymów które
katalizują hydrolizę amylozy i amylopektyny do glukozy, maltozy i
dekstryn przyswajalnych dla drożdży. W suchej mące (zmielonym
ziarnie), enzymy te są nieczynne. Natomiast podczas mieszania i
wyrabiania ciasta, amylazy przechodzą do roztworu wodnego i
zaczynają rozkładać skrobię. Im dłużej ciasto jest wyrabiane, tym
więcej amylaz zostaje uwolnionych, tym więcej powstanie cukrów
przyswajalnych dla drożdży i w konsekwencji tym bardziej
pulchny chleb. Wyrabianie ciasta nie służy więc jedynie
mechanicznemu wymieszaniu składników, lecz umożliwia
zachodzenie ważnych procesów biochemicznych.
…pełni również inną ważną rolę: nadaje mu
odpowiednią elastyczność pozwalającą na właściwe
ukształtowanie się bochenka chleba. Oprócz skrobi,
ziarna zbóż zawierają 10-15% białek: rozpuszczalnych
w wodzie albumin i globulin oraz nierozpuszczalnych
w wodzie gliadyny i gluteiny, łącznie zwanych
glutenem. W mące, cząsteczki nierozpuszczalnych
białek przyjmują formę zwiniętych kłębków, głównie
wskutek
oddziaływań
wewnątrzcząsteczkowych.
Wyrabianie ciasta powoduje stopniowe rozwijanie
tych
kłębków
i
powstawanie
oddziaływań
międzycząsteczkowych. Rozwinięte łańcuchy białek
glutenu
nadają
ciastu
pewną
wytrzymałość
mechaniczną. Jednocześnie, wciąż występujące na
nich zagięcia i pętle nadają ciastu elastyczność,
pozwalając na jego ekspansję podczas spulchniania
tlenkiem węgla(IV).
Podczas
pieczenia
wyrobionego
ciasta,
początkowy wzrost temperatury powoduje dalszy
wzrost
objętości
bochenka:
wytworzone
pęcherzyki tlenku węgla(IV) powiększają się,
wzrasta również aktywność drożdży, które
produkują dalsze ilości tego gazu. Aktywność
drożdży zostaje zatrzymana powyżej 60°C, a w
temperaturze 100°C para wodna przenikająca
całe ciasto powoduje przekształcenie skrobi w
bezpostaciowy koloid. Powstaje miąższ, którego
struktura
zostaje
utrwalona
poprzez
zdenaturowane
cząsteczki
glutenu.
Na
powierzchni bochenka formuje się twarda
skórka, która następnie rumieni się i nabiera
przyjemnego zapachu i smaku wskutek reakcji
Maillarda zachodzącej w wysokiej temperaturze.
… to zmiana w strukturze cząsteczki
białka, w wyniku której białko traci
swoje biologiczne właściwości. Podczas
denaturacji niszczone są wiązania
wodorowe, a w obecności odczynników
redukujących zerwaniu ulegają mostki
dwusiarczkowe.
Denaturacja jest procesem
nieodwracalnym!
PRZYKŁADEM TAKIEJ PRZEMIANY
CHEMICZNEJ JEST SMAŻENIE JAJECZNICY…
…to proces polegający na łączeniu się
cząstek fazy rozproszonej koloidu w
większe agregaty tworzące fazę ciągłą
o nieregularnej strukturze. W wyniku
koagulacji może następować zjawisko
żelowania…
Dostępne w sprzedaży
półprodukty
o
nazwie
to zazwyczaj
mieszanka
żelatyny
(najczęściej wieprzowej),
barwników, aromatów oraz
cukru. Aby przygotować
taką
galaretkę
należy
rozpuścić
proszek
w
podanej na opakowaniu
ilości gorącej wody, całość
dokładnie wymieszać i
ostudzić.
…przebiega na ogół dwustopniowo. Najpierw
dysocjują struktury czwartorzędowe i rozfałdowują
się łańcuchy polipeptydowe wskutek denaturacji
lub
częściowej
hydrolizy
polimerów.
Zdenaturowane
cząsteczki
w
łańcuchach
polipeptydowych
oddziałując
między
sobą
wiązaniami wodorowymi, tworzą trójwymiarową
strukturę. Oziębienie układu zazwyczaj ją
stabilizuje. Jeśli szybkość tworzenia struktury jest
mniejsza niż szybkość denaturacji, to powstaje
uporządkowana sieć przezroczystego żelu.
Proces ten jest odwracalny – po ogrzaniu żel
przechodzi w zol.
Kiszenie to proces wywoływany przez
bakterie mlekowe, które wytwarzając kwas
mlekowy, zakwaszają ogórki.
Sami wiemy, że im dłużej przetrzymujemy
słoiki z ogórkami na półkach, tym bardziej
stają się one kwaśne. Jest to spowodowane
namnażaniem
się
bakterii
mlekowych.
Podobnie jest w przypadku otrzymywania
zsiadłego mleka.
Do słoika ogórków dodaje się zwykle chrzanu,
kopru, czosnku i niewielką ilość soli.
Po co? Przede wszystkim dla smaku, ale nie
tylko. Dodanie do zakiszanych ogórków tych
składników ułatwia dodatkowo prawidłowy
przebieg fermentacji. Czosnek czy też chrzan
są naturalnymi antybiotykami, czyli zawierają
substancje
zabijające
lub
inaktywujące
bakterie.
Dlaczego więc w takich warunkach bakterie
mlekowe w słoiku przeżyją a te, które
odpowiadają za gnicie i psucie się żywności
giną? Prawdopodobnie bakterie mlekowe są
bardziej odporne na te czynniki, dzięki temu
uzyskują przewagę nad tymi, których obecność
psułaby nam ogórki.
Przedstawione przykłady ilustrują, że zjawiska
zachodzące
podczas
przygotowywania
posiłków w kuchni są bardzo złożone i
niełatwe do zrozumienia. Tym niemniej dobre
poznanie tych procesów stanowi klucz do
ogromnego bogactwa przykładów wziętych z
życia codziennego …
ma na celu usunięcie brudu, który
gromadzi się na odzieży czy bieliźnie w czasie ich
użytkowania. Jako środków piorących używa się
mydeł wybarwianych z tłuszczów zwierzęcych i
roślinnych oraz syntetycznych środków piorących.
Wewnątrz cieczy, na przykład wody, siły
przyciągające wiążą cząsteczki ze sobą. Na
powierzchni cieczy działają dzięki temu siły
napięcia powierzchniowego, tworzące stosunkowo
niełatwą do przebicia błonkę powierzchniową. Siły
te zakrzywiają powierzchnię swobodną cieczy, co
dobrze widać na przykładzie kropli wody, która ma
prawie sferyczny kształt. To właśnie siły napięcia
powierzchniowego nie pozwalają wodzie samej w
sobie być efektywnym środkiem czyszczącym. Gdy
woda wchodzi w kontakt z cząstkami brudu na
tkaninie, to jej cząsteczki mają tendencję do
łączenia się ze sobą zamiast z brudem. Innymi
słowy - czysta woda nie zwilża brudu.
Dzięki swoim specyficznym właściwościom
detergenty umożliwiają zwilżanie tłuszczu
i wytworzenie emulsji tłuszcz-woda.
Tworząca się piana utrzymuje cząsteczki
tłuszczu z dala od tkaniny zapobiegając ich
ponownemu osadzaniu się.
Cząsteczki
mydła
mają
budowę
przypominającą długi "ogon" z dużą "głową"
na jednym z końców. "Ogon" tworzy
łańcuch węglowodorowy, "głowę" natomiast
grupa -COONa. Ponieważ węglowodory nie
rozpuszczają
się
w
wodzie
"ogon"
nazywamy hydrofobowym (nie lubiącym
wody), natomiast grupę -COONa, która w
wodzie ulega dysocjacji jonowej nazywamy
hydrofilową (lubiącą wodę). Cząsteczki
mydła otaczają cząstki brudu kierując
"ogonki" w stronę brudu i "główki" w stronę
wody. W ten sposób cząstki brudu wraz ze
swoją mydlaną "otoczką" mogą być przez
wodę skutecznie wymywane z podłoża.
Podobnie jak mydła, detergenty to też
związki powierzchniowo czynne. W ich
składzie obecne są substancje, które są
w stanie polepszyć ich działanie. Są to
substancje wybielające, zapachowe,
enzymatyczne oraz różnego rodzaju
wypełniacze.
Aby
zwiększyć
siłę
działania detergentów dodawane są do
nich wypełniacze aktywne, takie jak na
przykład trójpolifosforan.
Gdy pierzemy tkaniny białe, to bardzo
ważnym składnikiem są
rozjaśniacze
optyczne, czyli substancje, które są
absorbowane z piorącej kąpieli na
powierzchnię włókien oraz są w stanie
sprawić, aby widmo światła odbijanego od
tkanin było inne niż światła, które pada. W
ten sposób uzyskiwane jest zjawisko
pogłębionej bieli.
Substancje odpowiedzialne za proces
usuwania barwnych plam po różnych
owocach, kawie, winie, herbacie to tzw.
wybielacze
chemiczne.
Związki
te
uwalniają w wysokiej temperaturze tlen
aktywny (tlen atomowy), którego zadaniem
jest niszczenie substancji barwnikowych
zawartych w plamach. Podchloryn sodu to
znany wybielacz, ale także substancja
używana do celów dezynfekcyjnych.
Roztwór podchlorynu sodu wchodzi w skład
wielu produktów wybielających, takich
jak: ACE, Clorox, Domestos.
Wraz z substancją wybielającą współdziała
aktywator, substancja charakteryzująca się
skomplikowaną
budową
o
nazwie
tetraacetyloetylodiamina TAED. Substancja
ta powoduje efektywne działanie substancji
wybielającej już w niskich temperaturach.
Nie jest zatem konieczne stosowanie
wysokich temperatur (900C). Konsekwencją
prania tkanin barwnych w proszku wraz z
wybielaczem może spowodować także ich
blaknięcie. Sytuacja taka występuje, gdy
proszek w swoim składzie zawiera aktywator
(TAED).
– ilościowa skala kwasowości
i zasadowości
roztworów wodnych
związków chemicznych. Skala ta oparta
jest na stężeniu jonów wodorowych
[H+] w roztworach wodnych.
Tradycyjnie pH definiuje się jako:
czyli ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia
jonów wodorowych (wyrażonego w molach
na decymetr sześcienny).
pH =7
pH =7
pH =7
pH =2
pH =2
pH=10
pH =6
pH=6,5
pH =3
pH =8
pH =6
pH=11
pH =1
pH =8
pH=14
Dymitr Mendelejew
Literatura:






This H., Kuchnia i nauka, Prószyński i S-ka,
Warszawa, 1998.
„Towaroznawstwo wybranych artykułów
spożywczych i nieżywnościowych”, Grażyna
Mataczyńska, Aniela Malarz.
„Słownik szkolny. Chemia”, Krzysztof M. Pazdro,
Jadwiga Sobczak, Zofia Sobkowska.
„Towaroznawstwo wyborów nieżywnościowych”
Piotr Miller, Halina Rawdanowicz.
„Chemia dla szkół średnich część 2”, Elżbieta I.
Matusewicz, Anna Bogdańska Zarembina, Janusz
Matusewicz.
„Chemia ogólna organiczna”, Maria Trenkner.