Problemy z galaretką
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (3/2019):
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).
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.
Jako substancję żelującą wykorzystamy najpierw żelatynę. W warunkach normalnych jest ona lekko przeświecającym bezbarwnym lub żółtawym ciałem stałym (Fot.3).
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).
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.
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).
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).
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.
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).
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).
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:
- [1] Szczepańska A., Desery zagęszczane rozklejoną skrobią: kisiele, w: Szczygłowa M. (red.), Dobra kuchnia: żywienie w rodzinie, Wydawnictwo Watra, Warszawa, 1976, str. 411-414 powrót
- [2] Gliński Z., Kostro K., Choroby zakaźne zwierząt z zarysem epidemiologii weterynaryjnej i zoonoz, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa, 2003 powrót
- [3] Kohlmünzer S., Farmakognozja: podręcznik dla studentów farmacji, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 2003 powrót
- [4] Ples M., Enzymy - biologiczne katalizatory, Chemia w Szkole, 3 (2016), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 6-11 powrót
- [5] Ples M., Białko - budulec życia, Biologia w Szkole, 2 (2017), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 54-60 powrót
- [6] Hattori M. i inni, Papain protects papaya trees from herbivorous insects: role of cysteine proteases in latex, The Plant Journal, 3, 37, 2004, str. 370 - 378 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Marek Ples