Tajemnice karmelu
Doświadczenie 1
Przygotuj 6 silikonowych foremek na muffiny. Każda będzie zawierać łyżeczkę czegoś innego: glukozę, fruktozę, sacharozę (biały cukier), mleko w proszku, sacharozę zmieszaną z węglanem amonu, czyli spulchniaczem do ciastek amoniaczków (w stosunku 1:1, całość zwilż odrobiną wody), sacharozę skropioną odrobiną roztworu NaOH (łyżka udrażniacza do rur w granulkach na 50 ml wody; płyn powinien podsiąknąć całą objętość sacharozy, ale cukier nie może w nim tonąć, bo celem jest jedynie lepsze zmieszanie składników). Foremki wstaw do piekarnika nagrzanego do 120–130°C na 2 godz. Sprawdzaj stan próbek w odstępach 10-minutowych. Co pół godziny przy użyciu wykałaczki pobieraj próbki i oceń ich barwę na tle białej kartki papieru. Po ostudzeniu próbek przesyp je do szklanych naczyń i rozpuść w 25 ml wody. Powąchaj roztwory i oceń ich barwę.
Wyjaśnienie: Cukry redukujące (np. glukoza, fruktoza) karmelizują łatwiej. Fruktoza topi się w 103°C, upłynnia się, zatem tuż po rozpoczęciu ogrzewania i w ciągu pierwszych 30 minut można zauważyć zmianę barwy na miodową. Glukoza nie topi się w tych warunkach (temp. topnienia to 146°C), jednak po upływie godziny barwa proszku zmienia się na cielistą – karmelizacja następuje niezależnie od stanu skupienia. Co więcej, barwa roztworu tego karmelu jest najintensywniejsza. Barwa i faktura sacharozy pozostają bez zmian – topi się ona w 186°C, a jako dwucukier nieredukujący wymaga wyższej temperatury do zainicjowania karmelizacji lub zastosowania katalizatora – zmiana barwy następuje w obecności NaOH oraz przy zastosowaniu amoniaku (w warunkach eksperymentu zmiana będzie zauważalna, ale barwa nie będzie tak intensywna jak w pozostałych przypadkach), wydzielającego się w wyniku termicznego rozkładu soli. Dodatkowo NaOH sprzyja powstawaniu związków o silnym aromacie, stąd najintensywniejszy aromat tego karmelu. W warunkach przemysłowych karmelizację prowadzi się najczęściej w 120–160°C przez 2–7 godz. – im dłużej, tym ciemniejsza barwa produkowanego proszku. Karmelizacja jest też niechcianym procesem przy produkcji soków lub mleka w proszku – podwyższona temperatura może prowadzić do zmiany koloru, smaku i zapachu, tak jak w przypadku ogrzanej próbki (po rozpuszczeniu na dnie zbiorą się zdenaturowane białka, na wierzch roztworu wypłynie odrobina tłuszczu, zabarwiony karmelem roztwór będzie żółty).
Doświadczenie 2
Do szklanego naczynia z karmelem glukozowym z doświadczenia 1 dodaj 1–3 kropli środka do dezynfekcji toalet (wybielacz zawierający do 5% podchlorynu sodu) i rozmieszaj wykałaczką. Oceń barwę.
Wyjaśnienie: Utleniacze (tu silne) powodują odbarwienie karmelu. Dodawanie do żywności odpowiednio dobranych typów karmelu pozwala spowolnić niepożądany proces utleniania.
Doświadczenie 3
Do dwóch pojemników na mocz wlej po 40 ml wody i dodaj (ostrożnie) po łyżeczce środka do udrożniania rur zawierającego NaOH. Zakręć i powoli rozpuszczaj, uważając, by całość nie nagrzewała się zbyt gwałtownie (można schłodzić pojemniki w misce z zimną wodą). Potem dodaj do jednego pojemnika 3 łyżeczki fruktozy, a do drugiego – 3 łyżeczki glukozy. Zakręć, pozostaw w temperaturze pokojowej i obserwuj co pół godziny przez 10 godz.
Wyjaśnienie: Katalizatorami karmelizacji mogą być silne kwasy lub zasady, gdyż reakcja ta zachodzi najszybciej przy pH niższym niż 3 i wyższym niż 8. W tych warunkach nie jest nawet konieczne ogrzanie roztworu. Użycie stężonej zasady pozwala zaobserwować zmianę barwy fruktozy już po kilku minutach. Po upływie 10 godz. barwa karmelu z glukozy będzie miodowa, fruktozowego – ciemnobrązowa. Po upływie kilku dni po odkręceniu pojemnika można także poczuć charakterystyczny zapach karmelu. Przy produkcji karmelu wystarczy jednoprocentowy dodatek NaOH. W piekarnictwie krótka kąpiel w roztworze NaOH lub sodzie oczyszczonej jest stosowana np. do tworzenia charakterystycznej brązowej skórki choćby na obwarzankach.
Doświadczenie 4
Do niewielkiego garnka wrzuć 5 tabletek witaminy C (60 mg) i zalej ok. 25 ml wody. Doprowadź do wrzenia i gotuj 2–3 minuty. Ostudzony roztwór znad osadu rozlej równo do dwóch kieliszków. Do jednego dodaj strzykawką 5 ml wody, a do drugiego – 5 ml roztworu NaOH, przygotowanego jak w doświadczeniu 3. Pozostaw w temperaturze pokojowej i obserwuj przez 10 godz.
Wyjaśnienie: Nieenzymatyczne reakcje brązowienia zapoczątkowują nie tylko cukry (które mogą być dodane do tabletek jako wypełniacz), ale także ich pochodne. Za brązowienie zbyt długo sterylizowanych soków owocowych w dużej mierze może odpowiadać np. kwas askorbinowy (witamina C). Wiele z produktów takiego brązowienia (jak furfural) pojawia się także w trakcie karmelizacji cukrów. Askorbinian może również reagować z aminokwasami (reakcje Maillarda).
dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH
dr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ
***
Zestaw przyrządów i materiałów
glukoza, fruktoza, cukier spożywczy (sacharoza), mleko w proszku, środek do udrożniania rur, węglan amonu, witamina C (60 mg), foremki na muffiny, wykałaczki, wybielacz do czyszczenia toalet, pojemniki na mocz, strzykawka, kartka papieru
Niewliczone w cenę: kieliszki, piekarnik, garnek, miska
Czas przygotowania: 3 godz. plus czas obserwacji
Koszt: 65 zł
***
Uwaga!
Zachowaj ostrożność, pracując z NaOH, unikaj kontaktu ze skórą i oczami. Nie zjadaj karmelu uzyskanego w trakcie doświadczeń.
***
Wiedza w pigułce
Podobno już tysiąc lat temu Arabki stosowały kurat al milh do depilacji. Brązowienie ogrzewanych cukrów wykorzystywano także do wywoływania napisanych cukrem lub mlekiem tajnych wiadomości. Dziś karmel kojarzy się z pysznymi karmelkami, krówkami i toffi, lecz powstaje także w innych zawierających cukry produktach, nadając im barwę i aromat – w chrupiącej brązowej skórce chleba, obwarzankach, ale także ziarnach kawy czy prażonych orzeszkach ziemnych. W przemyśle spożywczym karmelowy proszek jest wykorzystywany jako barwnik, który w zależności od stężenia pozwala uzyskiwać barwę od miodowej do ciemnobrązowej, charakterystycznej dla napojów typu cola. Barwi się nim także wyroby spirytusowe, piwa, chleby (by przypominały wypieki razowe), dżemy z czerwonych owoców, pasty rybne, kiełbasy oraz brązowy cukier (który wbrew obiegowej opinii nie musi być cukrem trzcinowym, jedynie barwionym białym), a nawet tytoń.
Istotą powstawania karmelu są nieenzymatyczne reakcje brązowienia. Dochodzi do nich w temperaturze powyżej 110°C, kiedy m.in. następują dehydratacja cukrów (rozkład z wydzieleniem wody), a następnie utlenienie, rozpad i kondensacja powstałych produktów. By przyspieszyć karmelizację, stosuje się katalizatory – silne kwasy lub NaOH, od którego zwykły karmel (typ I) nazywany bywa kaustycznym. Dodatek związków siarki (typ II), amonu (typ III) lub ich obu (typ IV) podczas karmelizacji powoduje wbudowanie naładowanych dodatnio lub ujemnie reszt, które znacznie poprawiają rozpuszczalność karmelu, dzięki czemu staje się lepszą domieszką do wypieków lub napojów. Losowość tych procesów czyni karmel jedną z najbardziej skomplikowanych mieszanin chemicznych, zawierającą wg niektórych szacunków nawet tysiąc związków chemicznych, w tym stosunkowo duże cząsteczki barwnych karmelanów, karmelenów i karmelin, a także drobnocząsteczkowe związki, jak furfural czy diacetyl, nadający charakterystyczny maślany aromat.
Mnogość składników budzi jednak pytania, czy karmel na pewno jest zdrowy, zwłaszcza typ III i IV, w którym powstają też produkty reakcji Maillarda cukrów ze związkami azotowymi (jak podczas grillowania), takie jak metyloimidazole, mogące mieć działanie rakotwórcze. Stężenie tych substancji w karmelu jest jednak bardzo niskie – nawet stukrotnie niższe niż najniższe uznawane za bezpieczne dla zdrowia – stąd przyzwolenie na stosowanie wszystkich typów karmelu w Unii Europejskiej i nadanie im numerów E150a-d przez European Food Safety Authority, czyli Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności. Dodatkowo w karmelu znajdują się także antyoksydanty i antymutageny, które chronią DNA komórek przed uszkodzeniami.
***
Uwaga!
Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.