A karácsonyi ünnepek sokkal inkább szólnak a meghittségről, a harmóniáról és a szeretetről, mint a tudományról. Az ünnepi készülődés, a sütés-főzés, a karácsonyi fények és a csillogás szinte nélkülözhetetlen elemei az ünnep megélésének. A forró mézeskalács fölé hajolva többnyire eszünkbe sem jutnak a szaglóreceptoraink által érzékelt vegyületek, és azzal sem feltétlenül vagyunk tisztában, hogy miért nem szabad tojássárgájának csöppennie a felverésre váró tojásfehérjébe. Mindig érdekes tapasztalás, ha a hétköznapi jelenségek mögött megbúvó tudománnyal is megismerkedünk.
Ritkán gondolkodunk el azon, hogy milyen kémiai folyamatok zajlanak a karácsonyi hangulat hátterében: milyen vegyületek felelősek a fahéj- és fenyőillatért, hogyan ég a gyertya, mitől szikrázik a csillagszóró, mi történik főzés közben az ételeinkkel? Többek között ezekre a kérdésekre kerestük a választ Máriás Ildikó kémiatanár segítségével.
Mi történik a hússal pácoláskor?
– A hús pácolásában nagyon fontos szerepe van a sónak, ugyanakkor más anyagokat is használnak a pácolás során. Mivel a húsban fehérjék találhatóak, azok szerkezetének a megváltoztatására kerül sor a pácolás folyamán, vagyis denaturáljuk a fehérjéket, és ennek következményeként a hús megpuhul. A denaturálás végezhető savakkal, sókkal, alkohollal, sőt akár mechanikai hatással is. A fehérjéket alkotó aminosavak peptidkötéssel kapcsolódnak egymáshoz, és ha citromsavval, ecetsavval vagy tejsavval kezeljük a húst, akkor ezekre a kötésekre hatunk. Az alkohol szintén képes denaturálni a fehérjéket, és a hatásának az erőssége az alkohol töménységétől függ.
Mi történik a tojással, ha megsütjük, megfőzzük?
– A tojásban található fehérjék denaturálását végezzük akkor, amikor megfőzzük vagy megsütjük. Rántotta készítésénél a tojás fehérjéi elvesztik hidrátburkaikat, és ekkor a halmazállapotuk is megváltozik. A tojás sárgájában vas található, ami az egyik fehérjéhez kapcsolódik. A fehérjemolekulák pedig a tojásban összehajtogatott aminosavláncokat képeznek. Ha melegítjük a tojást, a fehérjék részben kihajtogatják magukat, és ezáltal keményedik meg a tojás sárgája és a fehérje. A zöld szín a kemény tojás sárgája körül egy reakció eredménye, mivel a tojás sárgájában található a vas, a fehérje pedig hidrogén-szulfidot tartalmaz (ez adja a záptojás kellemetlen szagát is). A főzés közben lejátszódó reakció eredménye a zöld vas(II)-szulfid, aminek a zöldes árnyalata az Fe(II)-ionoktól származik.
Mitől lesz a tojásfehérje kemény hab, illetve miért változtat az állagán, ha cukrot teszünk bele?
– A habverés során szétverjük a fehérjeláncokat, amelyek eredeti állapotukban gömbszerűek is lehetnek. A habverővel, ami mechanikai hatást gyakorol a tojásfehérjére, denaturáljuk a fehérjeláncokat, és ezáltal a láncok közötti kötések lazulnak vagy felbomlanak, a fehérjeláncok kisimulnak, más kötések azonban megmaradnak, így a láncok nem esnek teljesen szét. Első lépésben lefejtjük a fehérjeláncokat, ám a habverés folytatása során egyre több levegőt adunk hozzá, amivel segítjük a fehérjeláncok újrarendeződését. A tojáshab talán a leggyakrabban készített kolloid a konyhában, nagyon sokféle étel lazítására használjuk. Levegőt (gázt) oszlatunk el a tojásfehérjében (folyadékban), így az a habok közé tartozik. Sokféle módszert alkalmaznak a háziasszonyok, hogy elérjék a tartós, kemény állagot. Ezek közül a legismertebbek: egy csipet sóval, cukorral vagy ecettel felverni, ugyanis ezekkel stabilizáljuk a habot. A friss tojásokban a fehérjék erősebb szerkezetűek, így ezekből jobb minőségű habot készíthetünk. A tojáshab keménységét és tartósságát a felületi feszültség növelésével érhetjük el, ehhez kell a só, a cukor vagy az ecet. Ezeket a félig felvert tojáshabhoz érdemes hozzáadni, majd további keveréssel érhetünk el megfelelő keménységű és tartósságú habot. Ügyelni kell azonban arra, hogy ne maradjon mosogatószer, esetleg zsírcsepp az edényben, ne kerüljön bele a tojás sárgájából (a benne lévő lipidek miatt), mert az kihat a habképződésre, csökkenti azt.
Hogyan működik a sütőpor és a szódabikarbóna a süteményekben? Milyen kémiai reakciók játszódnak le?
– A sütőpor és a szódabikarbóna azonos hatással bír, sőt a sütőpor fő alkotóanyaga is a szódabikarbóna. Savas közeg (citrom, ecet, író stb.) vagy hő hatására lebomlik a szódabikarbóna (nátrium-hidrogénkarbonát, NaHCO3), szén-dioxid szabadul fel a vegyületből, és a keletkező gáz, miközben távozik, megemeli a tésztát. Ha viszont rövid idő alatt túl sok szén-dioxid szabadul fel, akkor túl nagy lyukak keletkezhetnek, ebben az esetben pedig nem érjük el a várt eredményt, mert a tészta összeesik. A folyamat nagyjából 70 ℃ fokon indul el, ám a 200-250 ℃ közötti hőmérséklet a legmegfelelőbb számára. A sütőpor annyiban tér el a szódabikarbónától, hogy azon kívül olyan segédanyagokat is tartalmaz, amelyek szabályozzák a szódabikarbóna működését. A sütőpor és a szódabikarbóna mellett szalalkálit (ammónium-bikarbonát, NH4CO3) is szoktak használni, ami szintén szén-dioxidot termel a bomlása során, ám használatakor ügyelni kell arra, hogy belőle sütés közben ammónia is felszabadul, ez a kellemetlen szag pedig a süteményekben is megmaradhat, ezért leginkább vékony süteményekhez, tésztalapokhoz ajánlatos a használata.
Milyen vegyületek teremtik meg a jellegzetes karácsonyi illatokat?
– Az illatok az illóolajoknak köszönhetőek, amelyek minden esetben több alkotóanyagból állnak. Különböző kémiai szerkezetű vegyületek keverékei, több mint ötszáz összetevőjük ismert, amelyekből egy-egy illóolajban legalább ötven fordul elő. Az alkotórészek 90 százaléka terpén és terpénszármazék. A citrusos illatot, mint amilyen a narancsé és a citromé, a limonén adja, ami a fenyőfa illatát is befolyásolja. A fenyőfa illatát azonban a legnagyobb mértékben a pinén határozza meg. A fahéj aromás-fűszeres illatú fűszer, amelyben 1–3,5 százalék illóolaj található. A fahéjolaj fő alkotórésze a fahéjaldehid, ugyanakkor eugenolt is tartalmaz. A szegfűszeg aromája is főként az eugenolnak köszönhető. Egyes aldehidek és ketonok szintén meghatározóak a jellegzetes aroma kialakításában. A gyömbér sajátságos illatát és kesernyés ízét is ilyen vegyületek határozzák meg, illetve a vanília legfontosabb aromaanyaga, a vanillin szintén ilyen vegyület. A gyümölcsök illat- és aromaanyagait sok esetben a gyümölcsészterek képezik.
Mi adja a friss hó illatát?
– A hó illata attól függ, hogy milyen anyagok kerültek a levegőből a hópelyhekbe, legfőképpen az illékony szerves vegyületek (VOC) hatnak ki rá. Ennek következtében előfordulhat az, hogy az illatot maga a helyszín is befolyásolja. Amikor leesik az első hó, akkor annak illata leginkább arra a közegére hasonlít, amire esik, így a mezőn kicsit fűillatú, a fákra eső frissebb, üdítőbb hatású. Mindez a növényekben lévő terpének, azaz az említett limonén, pinén miatt, illetve egyéb vegyületek miatt valósul meg. Ez elsősorban a falusi környezetre jellemző. Ezzel szemben a városi környezetben kicsit másmilyennek érezhetjük a hó illatát, különösen akkor, ha szennyezett a levegő, hiszen a levegőben lévő port és a szennyező vegyületeket is magába zárhatja. Ám ha hosszabb ideig esik a hó, akkor a levegő tisztul, így később már az ilyen környezetben is egyre frissebb hóillatot érzünk.
Mi kell ahhoz, hogy illatos legyen egy anyag?
– Az illóolajok általában kellemes, ám mindenképpen erős és jellegzetes illatú, olajszerű folyadékok, amelyek papírra cseppentve olajfolt visszahagyása nélkül elpárolognak, és vízgőzzel desztillálhatók. Levegő, fény és hő hatására sötétedhet a színük, sűrűbbekké válhatnak, valamint a kémiai összetételük is megváltozhat. Aromaanyagoknak vagy illatanyagoknak nevezzük azokat a vegyületeket, amelyek az élelmiszerek vagy élelmiszer-nyersanyagok szagérzetét keltik. Az aromaanyagok egy része nemcsak a szagérzet, hanem az ízérzet kialakításában is részt vesz. Az aromaanyagok is illékony vegyületek, amelyeknek azt a koncentrációját, ami még elegendő a szagérzet felismeréséhez, küszöbkoncentrációnak nevezzük. A küszöbkoncentráció függ a hőmérséklettől, a közegtől és egyéb tényezőktől is, illetve a különböző aromák esetében igen eltérő.
A frissen elkészült, még meleg sütemények illata miért erősebb, mint másnap?
– Ha azt a meghatározást vesszük alapul, hogy a szagérzet a gáz-halmazállapotú anyagoknak az agyközpontra gyakorolt hatása, akkor nem meglepő, hogy így érezzük, hiszen a meleg levegő felfelé száll, és viszi magával az illatokat, vagyis az értük felelős illatanyagokat is. A hőkezelések (pl. sütés) felgyorsítják a folyamatokat. Az élelmiszer felületének kiszáradása után a hőmérséklet gyorsan emelkedik, és a szénhidrátok, a fehérjék, a zsírok és az egyéb anyagok is elbomlanak. A répacukor (szacharóz) karamellizálódása során a szacharózmolekulák kisebb molekulákká alakulnak, amelyek között vannak azok is, amelyektől a karamell jellegzetes illata származik.
Milyen vegyületek adják a karácsony jellegzetes színeit?
– A természetben létező színek a fény különböző hullámhosszai, amelyeket környezetünk vagy elnyel, vagy visszaver. A levelek zöld pigmentje a klorofill. A klorofill vörös és kék fényt nyel el a növényre eső napfényből. A levelekről visszaverődő fényben kevesebb a vörös és a kék, így a leveleket zöldnek látjuk. Sok növény leveleiben van egy másik pigment is, a karotin. Ez a vegyület a zöldeskék és a kék fényt nyeli el, ezért a karotinról visszavert fény sárgának látszik. A levelekben az antocianinok is megtalálhatóak. Az antocianinok kék, kékeszöld és zöld fényt nyelnek el. Ezért az antocianinokat tartalmazó levelek vörösnek látszanak. Az érett alma piros és a szőlő lilás színe ugyancsak ezeknek a vegyületeknek tulajdonítható. Vannak ugyanakkor olyan színek is, amelyeket fémporokkal készítenek.
Mitől lesz egy vegyület színes?
– A színes vegyületek szerkezetében a molekulának van egy olyan része, amelyet kromofór csoportnak neveznek, és ez felelős az adott vegyület színéért. A molekulában ez olyan részt jelent, amelyben az atomok által alkotott csoportok kettes kötést tartalmaznak, azaz telítetlenek (például C=C), és ez az elektromágneses sugárzás egy bizonyos tartományában energiát tud elnyelni. Példaként említhetjük a sárgarépában lévő karotint, amely narancssárga, míg a hosszabb láncú likopin, ami a paradicsomban van, sötétebb, már vöröses színű.
Hogyan működik a csillagszóró?
– A csillagszóró több anyagból áll, a gyúlékony masszát vasdrótra viszik fel, amit megszárítanak a drót felületén. A vasdrót kevésbé tűzveszélyes, mint a fából készült pálcák. A csillagszóró használatánál mindenképpen vegyük figyelembe, hogy tűzveszélyes, így óvatosan bánjunk vele, kerüljük azt el, hogy a fa ágain gyújtjuk meg! A csillagok valójában felizzott fém- és széndarabok. A keverék különböző fémek porait (alumínium és magnézium) tartalmazza, ezek meggyújtásuk után fényes lánggal égnek, ezek a csillagok. A csillagszórónak fontos összetevőjét képezik az olyan anyagok is, amelyek oxigén-utánpótlást biztosítanak az égési folyamathoz. Ha meggyújtjuk a csillagszórót, akkor a reakció annyi hőt fejleszt, hogy a szomszédos anyagrészecskék is felforrósodnak, és reakcióba lépnek a környezet oxigénjével, ez vezet a látványos szikrázáshoz, azaz a csillagok szórásához.
Milyen kémiai reakciók játszódnak le a gyertya égése során?
– A gyertya fő összetevői két hasonló, ám szerkezetében különböző vegyületcsoport tagjai lehetnek. A drágább, jobb minőségű gyertyák jobbára viaszból, az olcsóbbak viszont paraffinból készülnek. A viasz elsősorban méhviasz. Az ebből készült gyertya sokáig ég. Nem folyik le a gyertya oldalán, hanem szinte tökéletesen elég. A paraffin a kőolajfeldolgozás egyik terméke. Könnyen lehet vele dolgozni, mert jól formálható. A paraffin anyagához sztearint (sztearinsavat) is szoktak keverni, mert az fehérebb, porcelánszerűbb megjelenést eredményez. A gyertya kanóca bórsavval, szalmiáksóval, foszfátokkal pácolt, fonott pamutszál. A pácolásra azért van szükség, mert a tiszta pamut nagyon gyorsan égne, ráadásul füstölne is. A kanócban lévő cellulóz reagál a pácoláshoz használt sókkal, és úgy bomlik el, hogy nem marad utána hamu, a gyertya lángja megolvasztja és elpárologtatja a viaszt, amelyet a kanóc felszív. A gyertya lángjának sötét magja alacsonyabb hőmérsékletű, míg a sárga tartomány közepe körülbelül 1200℃ fokos.
