Weird Science

Problemy z galaretką

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (3/2019):

Ilustracja

Ples M., Pro­blemy z gala­retką - o pro­te­a­zach, Bio­lo­gia w Szkole, 3 (2019), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 43-47

Któż nie lubi owo­co­wej gala­retki? Zapewne ist­nieją takie osoby, ale nigdy ich nie spot­ka­łem. Zde­cy­do­wana więk­szość ludzi nie ma nic prze­ciwko tym smacz­nym, a także - w wielu przy­pad­kach, cho­ciaż nie wszyst­kich - zdro­wym dese­rom. Dla bio­loga, czy w ogóle każd­ego nau­kowca, gala­retka poza przy­jem­no­ścią dla pod­nie­bie­nia może też zapew­nić mate­riał do prze­my­śleń na wiele tema­tów, a może nawet stać się impul­sem do nowych badań.

Gala­retką nazy­wamy zwy­kle swo­i­sty wyrób spo­żyw­czy o cha­rak­te­ry­stycz­nej - wła­śnie gala­re­to­wa­tej - kon­sy­sten­cji, pow­stały dzięki wła­ści­wo­ściom żelu­jącym pew­nych sub­stan­cji. Naj­czę­ściej wyko­rzy­stuje się żela­tynę lub agar. Gala­retki podaje się na zimno, ponie­waż w zbyt wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze (cha­rak­te­ry­stycz­nej dla danego środka żelu­jącego i jego stęże­nia) ule­gają one upłyn­nie­niu. Niek­tóre owoce zawie­rają znaczne ilo­ści pek­tyn, mogących pełnić rolę natu­ral­nego środka żelu­jącego – odpo­wied­nio zagęsz­czony sok takich owo­ców samo­ist­nie prze­ksz­tałca się w gala­retkę. Jest to możl­iwe np. w przy­padku niek­tórych odmian jabłek.

Nieco podob­nymi potra­wami są kisiele owo­cowe i mleczne (budy­nie). W ich przy­padku środ­kiem żelu­jącym jest jed­nak naj­czę­ściej skro­bia, przy­kła­dowo w postaci mąki ziem­nia­cza­nej [1].

Cho­ciaż w han­dlu są dostępne sprosz­ko­wane półp­ro­dukty, to sądzę, że wielu Czy­tel­ni­ków się zgo­dzi, iż dopiero samo­dzielne przy­go­to­wa­nie gala­retki upew­nia nas co do jej składu. Możemy w ten spo­sób w miarę potrzeby wye­li­mi­no­wać dodat­kowe (zwy­kle sztuczne) aro­maty, sub­stan­cje kon­ser­wu­jące, barw­niki itd. Oczy­wi­ście dal­sza część arty­kułu nie prze­ksz­tałci się w wyjątki z książki kuchar­skiej, ale posta­ramy się zba­dać i wyja­śnić pewien inte­re­su­jący aspekt przy­rządza­nia gala­retki.

Doświad­cze­nie

By móc zapo­znać się z pro­ce­sem, jaki zacho­dzi w cza­sie pow­sta­wa­nia gala­retki owo­co­wej musimy przy­go­to­wać mate­riał roślinny. W tym celu potrze­bu­jemy owo­ców ana­nasa jadal­nego Ana­nas como­sus z rodziny bro­me­lio­wa­tych Bro­me­lia­ceae, poma­rańczy chińs­kiej Citrus sinen­sis (ruto­wate Ruta­ceae) i akti­ni­dii sma­ko­wi­tej Acti­ni­dia deli­ciosa lub chińs­kiej Acti­ni­dia chi­nen­sis (akti­ni­dio­wate Acti­ni­dia­ceae), które są nazy­wane potocz­nie owo­cami kiwi lub agre­stem chińs­kim (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Owoce wyko­rzy­stane w doświad­cze­niu; od lewej: ana­nas jadalny, poma­rańcza chińska, akti­ni­dia sma­ko­wita

Z owo­ców (po obra­niu skórki) należy przy­go­to­wać dosyć gęste wyciągi wodne lub po pro­stu wyci­snąć z nich sok. Przy­datne jest zmik­so­wa­nie mate­riału z odro­biną wody, a następ­nie prze­sącze­nie przez gazę. Owoce ani przy­go­to­wane wyciągi (soki) nie mogą na żad­nym eta­pie być trak­to­wane pod­wyższoną tem­pe­ra­turą.

Jako, że potrze­bu­jemy jedy­nie kilka, kil­ka­na­ście mili­li­trów świe­żego wyciągu, to pozo­stałe owoce możemy po pro­stu zjeść, wzbo­ga­ca­jąc nasz orga­nizm w potrzebne makro- i mikro­e­le­menty, a także wita­miny.

Gotowe wyciągi owo­cowe mogą być natu­ral­nie mętne (Fot.2). W żaden spo­sób nie będzie to przesz­ka­dzało w prze­pro­wa­dze­niu doświad­cze­nia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Wyciągi z owo­ców; A – z ana­nasa, B – z poma­rańczy, C – z kiwi

Jako sub­stan­cję żelu­jącą wyko­rzy­stamy naj­pierw żela­tynę. W warun­kach nor­mal­nych jest ona lekko prze­świe­ca­jącym bez­barw­nym lub żółt­a­wym cia­łem sta­łym (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Żela­tyna spo­żyw­cza

Jesz­cze nie tak dawno w sztuce kuli­nar­nej pow­szech­nie wyko­rzy­sty­wano żela­tynę wołową. Sytu­a­cja zmie­niła się jed­nak w dru­giej poło­wie lat 90 XX wieku w wyniku reak­cji spo­łe­czeńs­twa na donie­sie­nia o występo­wa­niu gąb­cza­stej ence­fa­lo­pa­tii bydła (ang. Bovine Spon­gi­form Ence­pha­lo­pa­thy, BSE), potocz­nie nazy­wa­nej cho­robą sza­lo­nych krów i możl­i­wo­ści występo­wa­nia w żela­ty­nie związa­nych z nią bia­łek prio­no­wych [2]. Dziś naj­czę­ściej wyko­rzy­stuje się żela­tynę wie­przową, jako bar­dziej bez­pieczną.

Roz­twór żela­tyny trzeba przy­go­to­wać poprzez roz­pusz­cze­nie 10g tej sub­stan­cji w 100cm3 gorącej wody. Może być konieczne ener­giczne mie­sza­nie. Pow­staje wtedy żółt­awy, lepki płyn (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Roz­twór żela­tyny

Roz­twór żela­tyny połączmy następ­nie z wyciągami owo­co­wymi. Pro­por­cję pły­nów należy dobrać doświad­czal­nie: w moim przy­padku sto­su­nek objęto­ści roz­tworu żela­tyny do soku owo­co­wego wyniósł 3:1 (Fot.5). Ważne jest, aby płyny połączyć dopiero po och­ło­dze­niu roz­tworu żela­tyny do tem­pe­ra­tury poko­jo­wej, ale zanim roz­pocz­nie się pro­ces żelo­wa­nia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Roz­twory żela­tyny i soku owo­co­wego; A – ana­nas, B – poma­rańcza, C – kiwi

Pow­stałe roz­twory należy odsta­wić na kilka godzin w chłodne miej­sce (o tem­pe­ra­tu­rze wyższej niż 0°C). Zawie­rają one sto­sun­kowo dużo żela­tyny, więc pro­ces ich tęże­nia nie powi­nien trwać zbyt długo. Rze­czy­wi­ście, już po kilku godzi­nach pow­staje na tyle sztywny żel, że całe naczy­nie można odw­rócić do góry dnem bez ryzyka wyla­nia zawar­to­ści. Inte­re­su­jące jest jed­nak, że dzieje się tak jedy­nie w przy­padku gala­retki poma­rańczo­wej (Fot.6B), nato­miast ana­na­sowa i zawie­ra­jąca wyciąg z kiwi pozo­staje całk­o­wi­cie płynna (Fot.6A i C).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Roz­twory żela­tyny i soku owo­co­wego po kilku godzi­nach; A – ana­nas (roz­twór płynny), B – poma­rańcza (żel), C – kiwi (roz­twór płynny)

W spo­dzie­wany spo­sób zacho­wała się jedy­nie gala­retka poma­rańczowa. Dwie pozo­stałe, nawet umiesz­czone w chło­dzie przez dłuższy czas nie prze­ksz­tałcą się w żel. Dla­czego? Na to pyta­nie odpo­wiemy nieco późn­iej.

Jak w takim razie przy­go­to­wać gala­retkę o smaku ana­nasa lub kiwi? Poza żela­tyną ist­nieją też inne sub­stan­cje o wła­ści­wo­ściach żelu­jących, np. agar (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Agar w proszku

Agar nazy­wany też agar-aga­rem to sub­stan­cja żelu­jąca wytwa­rzana z kra­sno­ro­stów Rho­do­phyta, pozy­ski­wa­nych u wybrzeży Japo­nii. W dzi­siej­szych cza­sach sto­suje się często sys­temy pod­wod­nych upraw [3]. Obec­nie obser­wuje się wzrost pro­duk­cji agaru ze względu na rosnące zapo­trze­bo­wa­nie, m.in. jako zamien­nik żela­tyny dla wyklu­cza­jących ją z diety wege­ta­rian i wegan.

Roz­twór agaru przy­go­to­wu­jemy podob­nie jak żela­ty­nowy. Bio­rąc pod uwagę fakt, że sub­stan­cja ta roz­pusz­cza się w wodzie często jesz­cze bar­dziej opor­nie – wodę z aga­rem naj­le­piej zago­to­wać aż do jego roz­pusz­cze­nia. Foto­gra­fia 8 prze­ko­nuje nas, że gala­retka aga­rowa ścina się nawet z dodat­kiem dużych ilo­ści świeżo przy­go­to­wa­nego prze­cieru z kiwi, a więc zacho­wuje się wyraźnie odmien­nie niż żela­ty­nowa.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Żel aga­rowy z dodat­kiem kiwi

Jak więc widać, obie sub­stan­cje – żela­tyna i agar – wyka­zują wyraźne różn­ice w zdol­no­ści do wytwa­rza­nia żelu, w zależn­o­ści od dodatku wyciągów z owo­ców.

Wyja­śnie­nie

Istotne dla pro­cesu żelo­wa­nia jest to, że zarówno żela­tyna, jak i agar są natu­ral­nymi poli­me­rami, a ich cząsteczki mają postać dłu­gich łańc­u­chów. W gorącym roz­two­rze cząsteczki te wyko­nują inten­sywne, przy­pad­kowe ruchy ter­miczne. Ruchy te słabną w niższych tem­pe­ra­tu­rach i zaczy­nają się wtedy two­rzyć wiąza­nia wodo­rowe pomiędzy łańc­u­chami lub nawet w obrębie jed­nego łańc­u­cha. Mimo faktu, że poje­dyn­cze wiąza­nie tego typu jest bar­dzo słabe, to ich duża liczba pro­wa­dzi do pow­sta­nia prze­strzen­nej sieci, w której uwięzione zostają cząsteczki wody, co pro­wa­dzi do pow­sta­nia żelu [4].

Czym się w takim razie różni od sie­bie żela­tyna i agar, oraz jakie zna­cze­nie ma tutaj rodzaj owocu? W odpo­wie­dzi na to pyta­nie może pomóc wyko­rzy­sta­nie odczyn­nika biu­re­to­wego przy­go­to­wa­nego poprzez zmie­sza­nie 10cm3 wod­nego roz­tworu wodo­ro­tlenku sodu NaOH o stęże­niu 50% z 50cm3 roz­tworu pen­ta­hy­dratu siar­czanu(VI) mie­dzi(II) CuSO4·5H2O o stęże­niu 1,5%. Pow­staje przy tym duża ilość nie­bie­skiego osadu wodo­ro­tlenku mie­dzi(II) Cu(OH)2. Po doda­niu 2,5g winianu potasu-sodu KNaC4H4O6 i inten­syw­nym mie­sza­niu osad roz­twa­rza się i pow­staje kla­rowny roz­twór. Po dopełn­ie­niu wodą do objęto­ści 100cm3 otrzy­muje się odczyn­nik biu­re­towy o nie­bie­skiej bar­wie [5].

Należy pamiętać, że roz­twory wodo­ro­tlenku sodu są sil­nie żrące i mogą powo­do­wać usz­ko­dze­nia ciała. W szcze­gól­no­ści trzeba chro­nić oczy. Siar­czan(VI) mie­dzi(II) jest szko­dliwy. Ważne jest by sto­so­wać odpo­wied­nie środki och­rony oso­bi­stej, jak zaw­sze przy pracy z che­mi­ka­liami.

W trzech pro­bów­kach umiesz­czamy nie­wielką ilość odczyn­nika biu­re­to­wego. Do próby kon­trol­nej doda­jemy kilka kro­pli wody, do dru­giej taką samą ilość roz­tworu żela­tyny, zaś do ostat­niej roz­tworu agaru (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Wynik reak­cji biu­re­to­wej; a – próba kon­trolna, b – żela­tyna, c - agar

Możemy zaob­ser­wo­wać, że odczyn­nik biu­re­towy pod wpły­wem żela­tyny wyraźnie zmie­nił barwę na nie­bie­sko­fio­le­tową (Fot.9b), nato­miast agar nie wpły­nął na barwę roz­tworu, co stwier­dzamy dzięki porów­na­niu z próbką kon­trolną (Fot.9a i c).

Reak­cja z odczyn­ni­kiem biu­re­to­wym pozwala na wykry­wa­nie wiązań pep­ty­do­wych w różn­ego rodzaju związ­kach orga­nicz­nych, głów­nie białk­ach i pep­ty­dach. Pozy­tywny wynik próby jest warun­ko­wany występo­wa­niem w cząsteczce co najm­niej dwóch wiązań pep­ty­do­wych bez­po­śred­nio obok sie­bie lub oddzie­lo­nych nie więcej niż jed­nym ato­mem węgla w łańc­u­chu.

Wynik próby wska­zuje, że w cząstecz­kach two­rzących żela­tynę występują wiąza­nia pep­ty­dowe cha­rak­te­ry­styczne dla bia­łek, w aga­rze nato­miast nie.

Nie ma w tym nic dziw­nego, jeśli weźm­iemy pod uwagę, iż żela­tyna pow­staje na dro­dze czę­ścio­wej hydro­lizy kola­genu, białka cha­rak­te­ry­stycz­nego dla tkanki łącz­nej. Nato­miast głów­nym skład­ni­kiem agaru jest aga­roza, będąca poli­sa­cha­ry­dem. Jak więc widać, obie sub­stan­cje są natu­ral­nymi dłu­go­łańc­u­cho­wymi poli­me­rami. O ile jed­nak żela­tyna jest cia­łem białk­o­wym, tzn. zbu­do­wa­nym z różnej dłu­go­ści łańc­u­chów ami­no­kwa­sów, to merami aga­rozy są pochodne cukru pro­stego galak­tozy (jed­nej z aldo­hek­soz). Agar nie jest więc sub­stan­cją białk­ową i nie ulega reak­cji z odczyn­ni­kiem biu­re­to­wym, prze­ciw­nie do żela­tyny.

Niek­tóre rośliny w swo­ich owo­cach, a także innych tkan­kach wytwa­rzają duże ilo­ści enzy­mów pro­te­o­li­tycz­nych, czyli pro­teaz. Są to hydro­lazy kata­li­zu­jące reak­cję tzw. pro­te­o­lizy, czyli hydro­lizy wiązań pep­ty­do­wych pomiędzy ami­no­kwa­sami budu­jącymi białka. Nisz­czą one więc łańc­u­chy białk­owe.

W owo­cach ana­nasa i akti­ni­dii występuje tak dużo pro­teaz, że w krót­kim cza­sie roz­kła­dają one białka i oli­go­pep­tydy budu­jące żela­tynę. Pow­stała mie­sza­nina krót­k­ich łańc­u­chów białk­o­wych oraz ami­no­kwa­sów nie jest już zdolna do ufor­mo­wa­nia żelu. Także owoce papai, czyli melo­nowca wła­ści­wego Carica papaya zawie­rają enzymy o podob­nych wła­ści­wo­ściach. Nie da się więc z nich w opi­sany spo­sób przy­go­to­wać gala­re­tek opar­tych na żela­ty­nie.

Pro­te­azę występu­jącą u ana­na­so­wa­tych nazy­wamy bro­me­liną (bro­me­la­iną), w owo­cach kiwi akty­ni­dyną, nato­miast u melo­nowca papa­iną.

Rośliny wytwa­rzają tak agre­sywne enzymy pro­te­o­li­tyczne naj­praw­do­po­dob­niej w celach obron­nych – są one tok­syczne dla rośli­no­żer­nych larw owa­dów [6].

Wiele owo­ców (np. cytru­so­wych) nie zawiera pro­teaz lub występują one w tak małych ilo­ściach, że nie ma to wpływu na two­rze­nie się gala­retki żela­ty­no­wej.

Ist­nieją także spo­soby na wytwo­rze­nie gala­retki żela­ty­no­wej z dodat­kiem owo­ców zawie­ra­jących enzymy pro­te­o­li­tyczne. Możemy tutaj wyko­rzy­stać brak odpor­no­ści bia­łek (którymi są prze­cież także pro­te­azy) na pod­wyższoną tem­pe­ra­turę. Jeśli sok owo­cowy pod­grzeje się na krótko do tem­pe­ra­tury wrze­nia wody, to enzymy ule­gną dena­tu­ra­cji i stracą swoją aktyw­ność enzy­ma­tyczną. Oczy­wi­ście może mieć to wpływ na walory sma­kowe i inne, ale umożl­i­wia wytwo­rze­nie np. żela­ty­no­wej gala­retki o smaku owo­ców kiwi (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Żela­ty­nowa gala­retka z dodat­kiem wyciągu z kiwi (enzym deak­ty­wo­wany che­micz­nie)

Pro­te­azy nie kata­li­zują roz­kładu węglo­wo­da­nów, więc agar jest odporny na ich dzia­ła­nie – o czym mogli­śmy się prze­ko­nać naocz­nie (vide Fot.8). Enzymy te są cza­sem wyko­rzy­sty­wane do zmięk­cza­nia mięsa, zbu­do­wa­nego w dużej mie­rze z bia­łek.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa