Dla mnie uosobieniem kuchennej alchemii jest robienie karmelu z cukru stołowego. Zaczynasz z rafinowaną sacharozą, czystą krystaliczną słodyczą, wrzucasz ją na patelnię i włączasz ogień. Kiedy temperatura cukru wzrośnie powyżej 320°F/160°C, stałe kryształy zaczną się topić, tworząc bezbarwny syrop. Następnie, kolejne 10 lub 20 stopni powyżej, syrop zaczyna brązowieć, wydziela bogaty, smakowity aromat i dodaje cierpki, pikantny i gorzki smak do swojej pierwotnej słodyczy.
To jest magia gotowania: z jednej bezwonnej, bezbarwnej, po prostu słodkiej cząsteczki, ciepło tworzy setki różnych cząsteczek, niektóre aromatyczne, niektóre smaczne i niektóre kolorowe.
Jak ciepło zmienia cukier w karmel? Ciepło jest rodzajem energii, która sprawia, że atomy i molekuły poruszają się szybciej. W cukrze stołowym o temperaturze pokojowej, cząsteczki sacharozy są rozedrgane, ale stoją w miejscu, utrzymywane w miejscu przez siły przyciągania do swoich sąsiadów. W miarę podgrzewania cukru na patelni, jego cząsteczki stają się coraz bardziej rozedrgane, aż do momentu, w którym ich rozedrganie przezwycięża siły przyciągania i mogą przeskakiwać z jednego zestawu sąsiadów na drugi. Stałe kryształy stają się w ten sposób swobodnie płynącą cieczą. Następnie, gdy temperatura cząsteczek cukru nadal rośnie, siła ich drżenia i skakania staje się silniejsza niż siły utrzymujące ich własne atomy razem. Cząsteczki rozpadają się na fragmenty, a fragmenty uderzają o siebie wystarczająco mocno, aby utworzyć nowe cząsteczki.
Tak właśnie myślałem przez wiele lat, wraz z większością kucharzy, cukierników i chemików zajmujących się węglowodanami: ciepło topi cukier, a następnie zaczyna go rozbijać i tworzyć pyszną mieszankę, którą nazywamy karmelem.
I wszyscy się myliliśmy.
Okazuje się, że, ściśle mówiąc, cukier nie topi się. I może się skarmelizować, gdy jest jeszcze w stanie stałym. Tak udowodniła chemiczka Shelly Schmidt i jej koledzy z Uniwersytetu Illinois w badaniach opublikowanych w zeszłym roku.
To przerażające, że tak wielu mogło się tak długo mylić co do tak podstawowego składnika i procesu! Ale jest to również rzadka okazja do ponownego przemyślenia możliwości tego, co podstawowe. Oto garść możliwości; przewiń w dół po więcej.
Grupa profesora Schmidta dokonała odkrycia, gdy próbowała ustalić dokładną temperaturę topnienia sacharozy. Liczby podawane w literaturze technicznej różniły się znacznie i nie było jasne, dlaczego.
Punkt topnienia substancji to temperatura, w której zmienia się ona ze stanu stałego w ciecz, zachowując swoją tożsamość chemiczną. Kiedy stały lód zamienia się w ciekłą wodę, na przykład, cząsteczki H2O poruszają się wystarczająco szybko, aby uciec przed siłami przyciągającymi ich sąsiadów, ale nadal są H2O. I nie ma znaczenia, jak szybko substancja się nagrzewa: temperatura topnienia pozostaje taka sama. Lód topi się w temperaturze 32°F/0°C. Zawsze.
Po dokładnej analizie profesor Schmidt odkrył, że kiedy cukier rozgrzewa się na tyle, by zmienić się ze stanu stałego w ciecz, niektóre z jego cząsteczek również się rozpadają. Tak więc sacharoza nie ma prawdziwej temperatury topnienia. Zamiast tego posiada zakres temperatur, w których jej cząsteczki są wystarczająco energiczne, aby oddzielić się od swoich sąsiadów, oraz zakres, w którym cząsteczki rozdzielają się od siebie i tworzą nowe. I te dwa zakresy się pokrywają. Kiedy cukier staje się wystarczająco gorący, by się upłynnić, jednocześnie rozpada się i zamienia w karmel. Ale zaczyna się rozpadać jeszcze zanim zacznie się upłynniać. Im bardziej cukier się rozpada, gdy jest jeszcze w stanie stałym, tym niższa jest temperatura, w której się upłynnia.
Gdy robimy karmel stojąc przy piecu, używamy wysokiej temperatury do upłynnienia, a następnie zbrązowienia cukru w ciągu kilku minut, a temperatura upłynniania może wynosić nawet 380°F/190°C. Ale grupa profesora Schmidta odkryła, że kiedy podnosili temperaturę powoli, w ciągu godziny, tak aby nastąpił znaczący rozkład chemiczny, zanim stała struktura ustąpi, cukier upłynnił się w temperaturze 290°F/145°C.
Wykonałem karmelizowane cukry na tych zdjęciach, umieszczając kryształy i kostki w moim piekarniku gazowym w temperaturze około 250°F/125°C, osłaniając je folią powyżej i poniżej, aby uniknąć ekstremów temperatury z elementu grzejnego, i pozostawiając je tam na noc i dłużej. W dużych kryształach cukru, które dostałem na chińskim targu, widać wyraźnie, że rozpad i karmelizacja są najszybsze w środku. Może to wynikać z faktu, że w centrum koncentrują się zanieczyszczenia, a te z kolei rozpoczynają proces rozkładu.
Karmelarze od dawna wiedzą, że tak jak w przypadku większości rodzajów gotowania, kluczem do karmelizacji jest połączenie temperatury i czasu gotowania. Ale temperatury były zazwyczaj bardzo wysokie, a czas mierzony w minutach. Teraz wiemy, że można karmelizować w niskiej temperaturze i bardzo powoli, i uzyskać coś innego. Rozkład cukru następuje nawet w temperaturze przechowywania, choć potrzeba miesięcy, aby przebarwienia i zmiana smaku stały się zauważalne. Dla producenta jest to niepożądane pogorszenie jakości. Ale dla kucharza poszukującego interesujących składników, może to być pożądane starzenie się.
W uzupełnieniu do swoich wstępnych raportów naukowych, profesor Schmidt napisała w Manufacturing Confectioner, że
Z praktycznego punktu widzenia, karmelizacja może być postrzegana jako brązowienie sacharozy poprzez zastosowanie ciepła przez dłuższy czas. Tak więc możliwe jest lepsze kontrolowanie reakcji karmelizacji poprzez identyfikację warunków czasowo-temperaturowych, które optymalizują produkcję pożądanych karmelowych związków smakowych, minimalizując jednocześnie niepożądane. Producenci słodyczy i cukiernicy, uzbrojeni w tę nową wiedzę naukową, mogą być w stanie rozwijać swoje rzemiosło w nieprzewidywalnych kierunkach.
Na przykład: starzony cukier, cukier prażony, kryształy karmelowe. Niech zacznie się przepychanka!
Schmidt, S.J. Exploring the sucrose-water state diagram. Manufacturing Confectioner, January 2012, 79-89.
Lee, J. W. et al. Investigation of the heating rate dependency associated with the loss of crystalline structure in sucrose, glucose, and fructose using a thermal analysis approach (Part I). J Agric. Food Chemistry 2011, 59: 684-701.
Lee, J. W. et al. Investigation of thermal decomposition as the kinetic process that causes the loss of crystalline structure in sucrose using a chemical analysis approach (Part II). J. Agric. Food Chemistry 2011, 59: 702-12.