Het toppunt van stoof-alchemie is voor mij het maken van karamel van tafelsuiker. Je begint met geraffineerde sacharose, pure kristallijne zoetheid, doet die alleen in een pan en zet het vuur aan. Wanneer de suiker boven 320°F/160°C komt, beginnen de vaste kristallen samen te smelten tot een kleurloze siroop. Dan nog eens 10 of 20 graden daarboven, begint de stroop bruin te worden, geeft een rijk, verrukkelijk aroma af, en voegt wrang en hartig en bitter toe aan de oorspronkelijke zoetheid.
Dat is de magie van koken ten voeten uit: van één geurloze, kleurloze, eenvoudig zoete molecule, creëert hitte honderden verschillende moleculen, sommige aromatisch en sommige smakelijk en sommige gekleurd.
Hoe verandert hitte suiker in karamel? Warmte is een soort energie die atomen en moleculen sneller doet bewegen. In tafelsuiker op kamertemperatuur zijn de sucrose-moleculen nerveus, maar ze staan op hun plaats, stilgehouden door de aantrekkingskrachten van hun buren. Naarmate de suiker in de pan opwarmt, worden de moleculen steeds nerveuzer, tot het punt waarop hun kriebels de aantrekkingskrachten overwinnen en ze van de ene groep buren naar de andere kunnen springen. De vaste kristallen worden zo een vrij stromende vloeistof. Als de temperatuur van de suikermoleculen blijft stijgen, wordt de kracht van hun gekwetter en gespring sterker dan de krachten die hun eigen atomen bij elkaar houden. De moleculen vallen uiteen in fragmenten, en de fragmenten botsen hard genoeg tegen elkaar op om nieuwe moleculen te vormen.
Dat is wat ik jarenlang heb gedacht, samen met de meeste koks en banketbakkers en chemici op het gebied van koolhydraten: hitte doet suiker smelten, en dan begint het uiteen te vallen en ontstaat het heerlijke mengsel dat we karamel noemen.
En we hebben ons allemaal vergist.
Het blijkt dat, strikt genomen, suiker eigenlijk niet smelt. En het kan karamelliseren terwijl het nog vast is. Dat bewijzen scheikundige Shelly Schmidt en haar collega’s van de University of Illinois in een vorig jaar gepubliceerd onderzoek.
Het is ontstellend om te bedenken dat zovelen er zo lang naast hebben gezeten met zo’n basisingrediënt en -proces! Maar het is ook een zeldzame kans om de mogelijkheden van het basisingrediënt te heroverwegen. Hier volgt een hele reeks mogelijkheden; scroll naar beneden voor meer.
De groep van professor Schmidt deed hun ontdekking toen ze het precieze smeltpunt van sucrose probeerden vast te stellen.
Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij deze van een vaste stof overgaat in een vloeistof met behoud van zijn chemische identiteit. Wanneer vast ijs bijvoorbeeld overgaat in vloeibaar water, bewegen de moleculen van H2O snel genoeg om te ontsnappen aan de aantrekkingskrachten van hun buren, maar ze zijn nog steeds H2O. En het maakt niet uit hoe snel de stof opwarmt: het smeltpunt blijft hetzelfde. IJs smelt bij 32°F/0°C. Altijd.
Na zorgvuldige analyse ontdekte professor Schmidt dat wanneer suiker heet genoeg wordt om van een vaste stof in een vloeistof te veranderen, sommige van zijn moleculen ook uit elkaar vallen. Dus sucrose heeft geen echt smeltpunt. In plaats daarvan heeft het een temperatuurbereik waarin de moleculen energiek genoeg zijn om zich los te schudden van hun buren, en een bereik waarin de moleculen uit elkaar trillen en nieuwe moleculen vormen. En deze twee bereiken overlappen elkaar. Wanneer suiker heet genoeg wordt om vloeibaar te worden, breekt het ook af en verandert in karamel. Maar het begint al af te breken voordat het vloeibaar wordt. En hoe meer suiker afbreekt terwijl het nog vast is, hoe lager de temperatuur waarbij het vloeibaar wordt.
Wanneer we karamel maken terwijl we op het fornuis staan, gebruiken we een hoog vuur om de suiker in een paar minuten vloeibaar en bruin te maken, en de temperatuur waarbij het vloeibaar wordt kan oplopen tot 380°F/190°C. Maar de groep van professor Schmidt ontdekte dat wanneer zij de hitte langzaam opvoerden, in de loop van een uur, zodat er een aanzienlijke chemische afbraak plaatsvindt voordat de vaste structuur het begeeft, de suiker vloeibaar werd bij 290°F/145°C.
Ik heb de gekaramelliseerde suikers op deze foto’s gemaakt door kristallen en blokjes in mijn gasoven te zetten bij ongeveer 250°F/125°C, ze boven en onder af te schermen met folie om temperatuurextremen van het draaiende verwarmingselement te voorkomen, en ze daar een nacht en langer te laten staan. Bij de grote suikerkristallen, die ik op een Chinese markt heb gekocht, is het duidelijk dat de afbraak en de karamelisatie het snelst gaan in het centrum. Dat kan komen doordat de onzuiverheden in het centrum geconcentreerd raken als de kristallen worden gemaakt, en de onzuiverheden het afbraakproces dan op gang brengen.
Karamelbakkers weten al lang dat, zoals bij de meeste bereidingen, de combinatie van kooktemperatuur en kooktijd de sleutel tot karamelisatie is. Maar de temperaturen waren meestal erg hoog en de kooktijden werden gemeten in minuten. Nu weten we dat je laag en heel langzaam kunt karameliseren en toch iets anders krijgt. Suikerafbraak treedt zelfs op bij omgevingstemperaturen, maar het duurt maanden voordat de verkleuring en smaakverandering merkbaar worden. Voor een fabrikant is dit ongewenste achteruitgang. Maar voor een kok op zoek naar interessante ingrediënten kan het gewenste veroudering zijn.
In een vervolg op haar eerste wetenschappelijke rapporten schreef professor Schmidt in Manufacturing Confectioner dat
praktisch gezien kan karamelisatie worden gezien als het bruin worden van sucrose door gedurende langere tijd warmte toe te passen. Het kan dus mogelijk zijn de karamelliseringsreactie beter te beheersen door de tijd-temperatuurvoorwaarden te bepalen die de productie van gewenste karamelsmaakstoffen optimaliseren en ongewenste stoffen tot een minimum beperken. Met deze nieuwe wetenschappelijke kennis kunnen fabrikanten van zoetwaren en suikerbewerkers hun ambacht in onvoorspelbare richtingen sturen.
Bijvoorbeeld: gerijpte suiker, gebrande suiker, karamelkristallen. Laat het duwen beginnen!
Schmidt, S.J. Exploring the sucrose-water state diagram. Manufacturing Confectioner, januari 2012, 79-89.
Lee, J. W. et al. Onderzoek naar de afhankelijkheid van de verwarmingssnelheid in verband met het verlies van kristallijne structuur in sucrose, glucose en fructose met behulp van een thermische analyse-benadering (deel I). J Agric. Food Chemistry 2011, 59: 684-701.
Lee, J. W. et al. Onderzoek naar thermische ontleding als het kinetische proces dat het verlies van kristallijne structuur in sucrose veroorzaakt, met behulp van een chemische-analysebenadering (Deel II). J. Agric. Food Chemistry 2011, 59: 702-12.