XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Химия на кухне. Приготовление карамели в домашних условиях.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С раннего детства мне не разрешают сладости, особенно шоколад, карамельные конфеты и леденцы. Родители считают, что для их производства используются вредные для моего организма вещества, которые могут спровоцировать аллергию. А я так люблю карамельные конфеты и «Чупа-чупсы»! А если попробовать их сделать самой? Возможно ли это в домашних условиях с использованием только натуральных продуктов?
Как известно, карамель как и многие конфеты изготавливают из сахара и воды. В своей работе, мы рассмотрим, что представляет собой каждый ингредиент с химической точки зрения.
Цель работы: изучить, что представляет собой карамель с химической точки зрения, и какие химические процессы происходят при ее приготовлении. Чтобы достичь цели исследования, нами были поставлены следующие задачи:
Подобрать и изучить материалы по данному вопросу (что представляет собой вода и сахар с химической точки зрения, их основные химические свойства).
Изучить технологию производства карамели.
Изготовить в домашних условиях карамель, проанализировать химические процессы, которые происходят при её приготовлении и сравнить технологию приготовления карамели в домашних условиях и на кондитерской фабрике.
Объект исследования: вода и углеводы, в том числе сахароза.
Предмет исследования: карамелизация.
Гипотеза исследования: карамель можно приготовить на домашней кухне.
Методы исследования: теоретические (анализ источников по данной теме), практические (наблюдение и эксперимент, сравнение и анализ).
Актуальность:
Изучение химических процессов, происходящих при приготовлении пищи, химического состава продуктов питания, «превращение» кухни в лабораторию может стать первым шагом в формировании интереса у детей к кулинарии и «правильным» продуктам питания.
Основная часть
Углеводы (понятие, классификация)
Как известно, все вещества состоят из молекул и атомов, а вся пища, которую мы употребляем, содержит три основные группы молекул:
- углеводы;
- белки;
- жиры (Приложение 1).
В своей работе я бы хотела остановиться на углеводах, так как именно к ним относится сахар, из которого изготавливают сладости.
Углеводы широко распространены, с ними мы сталкиваемся повсеместно: сахар, мёд, ягоды, фрукты, крахмал, целлюлоза и многие другие.
Углеводы – это органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода (С), водорода (Н) и кислорода (О), имеют общую химическую формулу Cn(H2O)m, где nи т могут иметь разные значения. Само название «углеводы» отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же соотношении, что и в молекуле воды (H2 O).
Углеводы классифицируют в зависимости от их химических свойств, а именно их реакции в процессе гидролиза.
Гидролиз – процесс взаимодействия вещества с водой, в результате которого происходит его разложение на «составные части».
Углеводы можно разделить на три основные группы:
- моносахариды,
- дисахариды,
- полисахариды (Приложение 2).
Моносахариды – это углеводы, которые не гидролизуются. Моносахариды с водой не взаимодействуют и не соединяются с ее молекулами.
Наиболее известные моносахариды – глюкоза и фруктоза. Это твердые бесцветные кристаллические вещества.
Глюкоза содержится в виноградном соке, фруктоза содержится в некоторых фруктах, например, в винограде, яблоках, бананах, грушах. Максимальное содержание глюкозы и фруктозы находится в мёде – до 78%.
Дисахариды — это углеводы, которые гидролизуются, и в процессе гидролизации которых образуется две молекулы моносахаридов.
Дисахариды - твердые кристаллические вещества. Их кристаллы могут быть окрашены в цвета от белого до коричневого. Они хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус.
К дисахаридам относятся:
- сахароза,
- лактоза,
-мальтоза.
Сахароза (обычный пищевой сахар).
Так как основной ингредиент карамели – это сахароза, рассмотрим её подробнее.
При гидролизе сахароза образует одну молекулу глюкозы и одну молекулу фруктозы. Именно сахарозу мы знаем как обычный пищевой сахар (сахар-рафинад и сахарный песок). Сахароза имеет огромное значение в питании человека. Сахароза используется как источник энергии, расщепляясь в кишечнике и быстро всасываясь в кровь.
Физические свойства сахарозы.
Сахароза – кристаллическое вещество белого цвета. Сахароза более сладкая, чем глюкоза, и она хорошо растворяется в воде, плавится при температуре 160°C.
Полезные свойства сахарозы:
- служит источником энергии для человеческого организма, насыщает кровь глюкозой и фруктозой;
- обеспечивает нормальное функционирование головного мозга;
- является источником энергии для мышц;
- принимает участие в углеводном обмене;
- повышает роботоспособность организма и способствует улучшению настроения.
Но польза от сахара будет только, если употреблять его в очень ограниченных количествах (до 50 г в день).
Содержание сахарозы в сахаре почти 100%. Поэтому сахар содержит «пустые калории» и не содержит другие питательные вещества, такие как, витамины и минералы, и чрезмерное употребление сахарозы может привести к негативным последствия для организма: сахарному диабету, ожирению, кариесу, нарушению работы сердца и желудочно-кишечного тракта и др.
Сахароза встречается во многих фруктах и ягодах, но особенно много (до 20%) её содержится в сахарной свёкле и сахарном тростнике, из них и изготавливают пищевой сахар.
Люди давно заметили, что некоторые растения дают сладкий сок. Если сок выпарить на огне, то получается густой сироп, который застывает крупными кусками. Несколько столетий назад сахар могли позволить себе только очень богатые люди, и лишь вначале XIX века он стал доступным для большинства людей.
Как же делают сахар? Это довольно сложный процесс, в начале которого сахарную свеклу или сахарный тростник измельчают, отжимают сок, потом этот сок процеживают и варят в специальных котлах. При варке происходит испарение воды и образование очень густого сладкого сиропа. В этом сиропе так много сахара, что он готов в любой момент принять свою любимую форму кристалла. Началом к процессу кристаллизации служит малейший кристалл – например, частичка сахарной пудры, которая становится центром кристаллизации. В котел с сиропом добавляют немного сахарной пудры или кусочек сахара и через несколько секунд сироп засахаривается или кристаллизуется, и получается сахарный песок. Остаток, который не кристаллизуется, называется патокой. Патоку от сахарного песка отделяют с помощью центрифуги.
Благодаря широкому распространению в природе и своим свойствам (высокой сладости, приятному вкусу и текстуре) сахароза широко используется в пищевой промышленности и кулинарии, в частности, для приготовления конфет.
Лактоза – это молочный сахар, содержится в больших количествах в молочных продуктах. Состоит из молекул двух моносахаридов – глюкозы и галактозы.
Лактоза играет большую роль в питании человека особенно в раннем детстве, когда молоко – это основной пищевой продукт. Лактоза также широко применяется в фармацевтической промышленности, в частности при изготовлении пенициллина.
В организме гидролиз дисахаридов, а в частности, молочного сахара происходит при участии ферментов, и, если их не хватает, возникает заболевание – гиполактация.
Лактоза имеет менее сладкий вкус, чем свекольный сахар, и поэтому широко используется в пищевой промышленности и кулинарии для производства детского и диетического питания.
Мальтоза – солодовый сахар. Состоит из двух остатков глюкозы. Содержится в проросших зернах (солоде) хлебных злаков, мёде, патоке. Мальтоза легко усваивается организмом человека.
Полисахариды содержат большое количество молекул сахара. Подразделяются на две основные группы:
– Волокна. Основные составляющие стенок клеток. Наиболее распространенное волокно – целлюлоза.
– Крахмал. Находится внутри клеток, синтезируются растениями и находятся в растительных источниках.
Крахмал и целлюлоза построены из остатков одного моносахарида глюкозы, имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное пространственное строение.
Крахмал - белый порошок, не растворяется в холодной воде, в горячей воде образует клейстер. Крахмал содержится почти во всех овощах, максимальное его содержание в семенах риса и кукурузы, картофеле.
Целлюлоза входит в состав древесины. Целлюлоза в отличие от крахмала не является продуктом питания человека и большинства животных, так как в их организмах нет ферментов, расщепляющих прочные связи между моносахаридными звеньями.
Вода. Понятие растворимости.
Вода содержится в любых органических веществах, которые мы используем в пищу, и играет огромное значение в приготовлении кулинарных блюд.
С химической точки зрения, вода представляет собой молекулу, состоящую из двух атомов водорода и одного атома кислорода, скрепленных в V-образной форме (Приложение 3). Молекулы воды могут образовывать цепочки.
Вода может быть в трех состояниях:
-твердом (лёд),
-жидком,
- газообразном (пар) (Приложение 4).
Что происходит с водой, когда она нагревается? Молекулы воды находятся в постоянном движении, а при нагревании они двигаются все быстрее и быстрее, отдельные молекулы воды отделяются из цепочки, отрываются от поверхности. При температуре 100 °C (температура кипения) все связи между молекулами разрушаются и вода из жидкой становится газообразной, образуется пар.
Наоборот, при охлаждении молекулы воды двигаются все медленнее и медленнее, создают новые связи и постепенно, со снижением температуры до 0 °C , переходят из жидкого состояния в твердое. Так получается лёд.
Растворимость.
Одно из основных свойств воды – это растворимость
Молекулы разных видов подразделяют в зависимости от активности взаимодействия с водой. Молекулы, которые хорошо взаимодействуют с водой, называют «гидрофильные». Такие молекулы в ходе взаимодействия с водой образуют связи с ее молекулами. Процесс образования таких связей и есть процесс растворимости. Хорошо растворимы соль и сахар.
Растворимость сахаров можно наблюдать в стакане с водой, опустив в неё кубик сахара и медленно перемешав. Происходит многократное деление крупных кристаллов сахара на более мелкие кристаллы, которые притягиваются к молекулам воды и постепенно становятся невидимыми (Приложение 5).
В определенном объеме воды всегда можно растворить лишь определенное количество сахара. Каждая молекула сахара окружена молекулами воды со всех сторон. В определенный момент все молекулы воды становятся «заняты» и раствор превращается в «насыщенный». То есть после определенного момента сахар перестает растворяться в уже сладком растворе и остается в кристаллической форме. В таком растворе «заканчиваются» молекулы воды, доступные для связи с новыми молекулами досыпаемого в емкость сахара.
Кристаллизация и карамелизация сахаров.
Кристаллизация.
Кристаллы сахара бывают различных размеров: от минимальных (сахарная пудра) до довольно крупных (сахарный песок).
Кристаллизация сахара связана с организацией молекул. Кристаллизация преобразует неорганизованные молекулы сахаров в равномерные ряды, которые составляют совершенный кристалл. Каждый из типов сахаров кристаллизуется отдельно. Если в сахаре есть примеси, например, к сахарозе добавлена фруктоза, то она мешает молекулам сахарозы формировать ровные ряды, и кристалл не получается. Это свойство активно используют кондитеры в приготовлении сладостей, чтобы сохранить ровную, гладкую поверхность конфет, карамели, ирисок. Для изготовления карамели необходимо нагреть сахар с водой до густого сиропа. Вода испаряется, её остается мало для растворения сахара, и возникает идеальная среда для роста кристаллов. Если же в сироп добавить кроме сахарозы глюкозу или фруктозу, то они мешают процессу кристаллизации, и конфеты сохраняют гладкую структуру (Приложение 7).
Карамелизация.
Как ведет себя сахарный раствор (сироп) при нагревании? Смесь сахара и воды нагревается до температуры кипения 100 °C без изменения структуры сахара. Как только сироп закипает, т.е. достигает 100 °C, молекулы воды начинают равномерно испаряться из раствора, и он становится все более и более концентрированным. Когда вода совсем испарится, остается только расплавленный сахар, это и есть карамель.
Температура плавления сахара 140-160 °C. После этой температуры сахар начинает темнеть и приобретать приятный карамельный вкус. Атомы из молекул вырываются наружу, и происходит образование новых молекул с совершенно другой структурой атомов, образуются большие твердые кристаллы (Приложение 6).
Для уменьшения кристаллизации, получения гладкой карамели, кроме добавления другого вида сахара, используют кислоту, например, лимонный сок. При нагревании сиропа в присутствии лимонного сока или кислоты сахароза распадается на молекулы глюкозы и фруктозы, которые мешают объединению сахарозы и образованию кристаллов.
Производство леденцовой карамели на кондитерской фабрике
Для производства карамельной массы на фабрике используют сахар-песок, патоку, пищевые кислоты, красители, ароматические вещества (эссенции).
Стадии технологического процесса:
– подготовка сырья к производству;
– приготовление карамельного сиропа: дозирование сахара-песка, патоки и питьевой воды, растворение сахара, смешивание с патокой и уваривание смеси;
– приготовление карамельной массы путем уваривания карамельного сиропа под вакуумом;
охлаждение карамельной массы, добавление кислот, ароматизаторов и красителей;
– формование карамели;
– охлаждение отформованной карамели: предварительное охлаждение на узком конвейере, окончательное охлаждение в охлаждающем агрегате;
– завертка карамели, фасование завернутой карамели в пакеты. (Приложение 8).
Технология изготовления карамельной массы сводится к переводу кристаллического сахара-песка в аморфное состояние с помощью антикристаллизатора, которым является патока. Превращение кристаллического вещества в аморфное на производстве осуществляется путем приготовления раствора из сахара и патоки и его уваривания в условиях, устраняющих кристаллизацию сахарозы. Карамельная масса является неустойчивой системой: сахар (сахароза) стремится принять свойственное ему кристаллическое состояние. Кроме того, при нагревании смеси происходит химическое изменение сахарозы. Карамельная масса может впитывать воду, что ухудшает внешний вид изделий и сокращают срок хранения карамели. Поэтому на всех стадиях технологического процесса требуется создание условий, обеспечивающих высокую стойкость карамельной массы. В частности, для снижения температуры и сокращения продолжительности удаления влаги из рецептурной смеси ее уваривают под вакуумом.
На следующем этапе добавляют пищевые красители и ароматизаторы. Через некоторое время полученную массу остужают до 85 градусов, после чего начинается процесс придания конфете заданной формы. На последнем этапе готовые леденцы охлаждаются до комнатной температуры, упаковываются и отправляются на склад.
Аморфные вещества – это вещества, у которых нет строгого порядка в расположении частиц. При низких температурах такие вещества застывают, при высоких - плавятся.
К сожалению, из-за применения в ходе технологического процесса токсичных кислот получить в домашних условиях патоку нам не удастся. Но мы можем приготовить ее заменитель инвертный сироп. Это раствор из сахара, воды и кислоты, который нагревают до расщепления сахарозы на фруктозу и глюкозу.
Карамельная масса при температуре выше 100 °С представляет собой вязкую жидкость. Вязкость массы при охлаждении увеличивается в десятки раз, а при температуре 65-75 °С она переходит в пластичное состояние, т. е. обретает способность принимать под давлением любую форму и сохранять ее. При дальнейшем охлаждении ниже 35-40 °С масса переходит в стекловидное состояние. Она становится твердой и хрупкой.
Производство карамели осуществляется на механизированных поточных линиях. Механизированное производство карамели отличается высокой производительностью – до 2000 изделий в минуту.
В состав механизированных поточных линий входят:
- дозаторы карамельного сиропа, вкусовых добавок и красителей,
- вакуум-аппараты,
- охлаждающие машины,
- формующие машины,
- фасовочные и упаковочные машины. (Приложение 9).
Практическая часть
Моя основная задача - приготовить карамель в домашних условиях и сравнить чем отличается, изготовление карамели дома, от промышленного производства.
Изучив теорию, в ходе практического эксперимента мы должны:
- провести наблюдение и проанализировать, что происходит с сахарным сиропом при нагревании до различных температур;
- провести наблюдение, что произойдет, если использовать разные виды сахара;
- провести наблюдение, что произойдет, если в сахарный сироп добавить лимонную кислоту;
- сравнить технологию домашнего приготовления карамели от промышленного.
Для достижения поставленных задач нам понадобятся:
- сахароза или обыкновенный сахар-песок,
- фруктоза,
- вода.
- лимон,
- пирометр (Приложение 8).
Пироме́тр (от древнегреческого «огонь», «жар» + «измеряю») — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Прибор, улавливающий отражения тепла.
Эксперимент №1 (Приложение 9).
Смешали 4 столовых ложки сахара-песка с 1 столовой ложки воды и поставили на плиту.
Будем наблюдать, что происходит с сиропом при нагревании до различных температур. При температуре близкой к 100 °C раствор закипает.
119 °C. Мы взяли небольшую часть сиропа и остудили. Получился мягкий и прозрачный шарик.
131 °C. При остывании получился твердый и непрозрачный шарик.
146 °C. Появляются кристаллы сахара. При остывании получается твердая масса, состоящая из кристаллов.
161 °C. Появляется приятный карамельный запах, раствор темнеет и становится светло-коричневым. При застывании получается твердый леденец со множеством больших и малых кристаллов (Приложение 10).
Эксперимент №2.
Смешали 3 столовых ложки сахара-песка и 1 столовую ложку фруктозы с 1 столовой ложкой воды и поставили на плиту. При температуре близкой к 100 °C раствор закипает.
116 °C, мы взяли небольшую часть сиропа и остудили. Получилась мягкая прозрачная масса.
135 °C. При остывании получилась твердая и прозрачная, однородная масса.
146 °C. Сироп остается однородным. При остывании получается твердая, однородная, прозрачная масса.
166 °C. Появляется приятный карамельный запах, раствор темнеет и становится светло-коричневым. При застывании получается самая настоящая карамель!
Эксперимент №3
Смешали 4 столовых ложки сахара-песка с 1 столовой ложки воды, добавили пол чайной ложки лимонного сока и поставили на плиту. При температуре близкой к 100 °C раствор закипает.
119 °C. Мы взяли небольшую часть сиропа и остудили. Получилась мягкая непрозрачная в центре масса.
133 °C. При остывании получилась твердая и прозрачная, однородная масса.
148 °C. Сироп остается однородным. При остывании получается твердая, однородная, прозрачная масса.
175 °C. Мы немного дольше подержали сироп на плите, чем в предыдущих экспериментах, и он стал темно-коричневым. При застывании получается карамель, которая имеет более темный цвет по сравнению с предыдущим экземпляром.
Далее сравним технологию приготовления карамели на кондитерской фабрике и в домашних условиях. Результаты зафиксируем в таблице.
Сравнение технологии приготовления карамели на фабрике и дома
|
Признаки |
Карамель на фабрике |
Карамель дома |
|
Ингредиенты |
Сахар-песок, патока, вода, красители, ароматизаторы |
Сахар-песок, вода, лимонный сок, либо фруктоза |
|
Технология приготовления |
Использование механизированных поточных линий |
Использование кухонной посуды, плиты, ручного труда |
|
Тягучесть |
Зависит от температуры приготовления и скорости застывания, что контролируется специальным оборудованием |
Зависит от температуры приготовления и скорости застывания |
|
Цвет |
Светло-желтый, либо зависит от добавленных красителей |
От светло-желтого до коричневого. Зависит от температуры приготовления. |
|
Запах |
Зависит от добавленных ароматизаторов |
Легкий запах жженого сахара |
Делаем выводы:
При температуре ниже 130 °C при остывании получается мягкая масса, при температуре выше 130 °C – твердая масса.
Можем предположить, что прозрачность раствора при температурах близких к 100 °C зависит от концентрации сахара и от того насколько хорошо он растворился в воде. При более высоких температурах, когда вода интенсивно испаряется, раствор становится непрозрачным, так как происходит процесс кристаллизации. Добавление фруктозы и лимонной кислоты мешает процессу кристаллизации, и сироп остается однородным и прозрачным (Приложение 11).
Таким образом, в ходе экспериментов мы наблюдали процесс карамелизации и смогли приготовить леденцы в домашних условиях. Мы подтвердили, что для исключения кристаллизации сахара и получения карамели стоит использовать несколько видов сахара, например, сахарозу и фруктозу, или добавить кислоту, например, лимонный сок.
Для производства карамели на кондитерских фабриках используются механизированные поточные линии, которые позволяют производить карамельные конфеты в большом количестве и контролировать процесс производства заданного качества карамели.
В домашних условиях мы используем только натуральные продукты, не добавляем красители и ароматизаторы, но не всегда можем добиться гарантированного результата, исключающего кристаллизацию карамельной массы и получения леденцов единого цвета, формы, консистенции.
Заключение
В начале исследования нами была поставлена цель – изучить из чего состоит карамель с химической точки зрения, и какие химические процессы происходят при ее приготовлении, а также сформулирована гипотеза - карамель можно приготовить на домашней кухне.
В результате этого исследования мы выполнили поставленные задачи:
1. Изучили литературу, узнали из чего состоят сладости, что такое углеводы, и как они подразделяются.
Изучили технологию производства карамели.
Провели эксперимент - приготовили на домашней кухне карамель и проанализировали химические процессы, которые происходили при её приготовлении.
Наша гипотеза подтвердилась. Действительно, можно приготовить карамель в домашних условиях.
Понимая из каких химических элементов состоит тот или иной ингредиент, и зная принципы взаимодействия этих элементов, мы можем понять, что происходит на микроскопическом уровне и скрывается за вкусом, структурой и внешним видом различных блюд. В отличие от кулинарных книг, где приведены рецепты приготовления, которые отвечают на вопросы «Как приготовить те или иные блюда?», мы отвечаем на вопрос «Почему те или иные блюда готовятся тем или иным способом?».
На наш взгляд, тема может быть интересна как взрослым, так и детям, и она достаточно актуальна для дальнейшего исследования, так как способствует развитию интереса у детей к химической науке, а также к стремлению к самостоятельному приготовлению различных блюд и осознанному выбору продуктов питания. Для взрослых же она открывает возможности нового направления в кулинарии, получившего название «молекулярная гастрономия».
Список литературы
1. Качур, Елена. Увлекательная химия [Текст] / Елена Качур. – Изд.: Ман, Иванов и Фербер, 2017. – 80 с.
2.Вайткене, Л.Д. Химия. Энциклопедия занимательных наук для детей [Текст] / Л.Д. Вайткене. – Изд.: «АСТ», 2017. – 160 с.
3. Лазерсон, И.И., Сокирянский, Ф. Л. Кулинарная наука, или Научная кулинария [Текст] / И.И. Лазерсон, Ф.Л. Сокирянский. – М.: Изд.: Центрполиграф, 2012. – 288 с.
4. Бузари, Али. Ингредиенты: Химия и алхимия гастрономического творчества [Текст] / Али Бузари. – М.: Изд.: Альпина Паблишер, 2017. – 198 с.
5. Чадеева, И.В., Пироговедение для детей [Текст] / И.В. Чадеева. – М.: Изд.: «Э», 2018. -176 с.
6. Углеводы. Химия онлайн. [Электронный ресурс].
http://himija-online.ru/category/organicheskaya-ximiya/uglevody
7. Мария Кравец. Химические свойства дисахаридов и полисахаридов [Электронный ресурс]. http://fb.ru/article/375590/himicheskie-svoystva-disaharidov-i-polisaharidov
8. Технологическая линия производства карамели [Электронный ресурс]. https://food-mechanics.ru/?p=187
Приложение 1
Белки, жиры и углеводы
Приложение 2
Классификация углеводов
Приложение 3
Формула воды
Приложение 4
Три состояния воды
твердое, жидкое, газообразное
Приложение 5
Растворимость
Приложение 6
Карамелизация
Приложение 7
Приготовление леденцов и карамели
Приложение 8
Технологическая схема производства леденцовой карамели
|
Сахар-песок |
Вода |
Патока |
Приготовление карамельного сиропа
Приготовление карамельной массы
Кислота
Краситель, Ароматизатор
Охлаждение
Формирование карамели
Упаковка
Приложение 9
Машинно-аппаратурная схема линии производства карамели
Приложение 10
Продукты и инструмент, необходимые для проведения экспериментов
Приложение 11
Приготовление карамели
|
|
||
Приложение 12
Эксперимент 1
Приложение 13
Результаты эксперимента