Закон Гей-Люссака, коллоидные растворы и сопромат для идеальных профитролей26.12.2017 15:26

Внесем легкую нотку научного безумия в традиционную кулинарию. Сегодня мы поговорим о некоторых следствиях из уравнения Менделеева-Клайперона и коллапсе газовых пузырей при изменении температуры. А еще затронем особенности молекулярных цепей крахмала и те коллоидные растворы, которые он образует. Просто ковыряться в уравнениях скучно, поэтому совместим приятное с полезным. Создадим идеальный профитроль. Сегодня у нас два основных объекта для изучения — заварное тесто и заварной крем со взбитыми сливками. Естественно, все это безобразие мы будем творить исключительно во славу науки. Ну и заодно разберемся в тех процессах, которые не описываются в кулинарных книгах.

В конце концов, зря я что ли потратил 28 яиц и пару недель на эксперименты?

Закон Гей-Люссака и при чем тут профитроли?

Иллюстрация линейной зависимости между объемом газа и его температурой.

Закон Гей-Люссака является прямым следствием из уравнений Менделеева-Клайперона и может быть сформулирован одной простой формулой: V = constant * T. Обратите внимание, что он справедлив для ситуаций с постоянным давлением. При неизменной массе газа и постоянном давлении объём газа прямо пропорционален абсолютной температуре. Соответственно, для разница в объеме газа при неизменном давлении описывается следующим уравнением:

$\frac{V_t-V_0}{V_0}=\alpha(t-t_0)$

или

$\frac{\Delta V}{V_0}=\alpha(\Delta t)$

, где $V_t$ — объем газа при заданной температуре $t$ в градусах цельсия и $\alpha$ коэффициент объёмного расширения:

$\alpha=\frac{1}{273}K^{-1}$

Почему это важно в контексте заварного теста и профитролей? Основная проблема, с которой сталкиваются все начинающие кондитеры — опадание высокопористой выпечки. При этом, процесс «поднятия» теста достаточно хорошо описывается упомянутым законом. В процессе нагрева вода превращается в газ и начинает растягивать стенки из теста. Пузырек достигает некоторых размеров, но при резком падении температуры его объем пропорционально и профитроль «сдувается», превращаясь в плоский кривой блин. Fail. Я долго экспериментировал с разными вариантами температурных профилей и попытался чуть более строго сформулировать оптимальные параметры выпечки. Типичная температура начала выпечки — 220°C. Критическая температура, после которой происходил коллапс профитроля составила приблизительно 150°C. Если все это безобразие перевести в Кельвины и посчитать по уравнению Гей-Люссака для изобарических процессов, то получится, что предельное уменьшение объема, которое могут выдержать стенки полусырого профитроля 14–15%.

Резюмируя: не допускайте падения температуры более 70 градусов от стартовой до окончательного отвердения теста.

Полости, температурные профили и вискозиметрия

Рождение и коллапс газового пузыря

Процесс образования полости внутри профитроля происходит в несколько этапов.

Первый этап традиционный для теста — закипающая вода образует множество мелких пузырьков, которые и формируют пенистый рисунок обычного хлеба. Но у нас есть масло. Много масла. Оно не дает отдельным слоям удерживаться воедино и пузырьки начинают сливаться.
Второй этап — слияние газовых пузырей. Именно в этот момент решается судьба человечества форма профитроля. Пузыри достаточно крупные и отделены друг от друга тонкими мягкими стенками. От вязкости теста и температуры зависит размер этих полостей. Крайне желательно иметь высокую температуру от старта до этого момента. Шоковый нагрев позволяет быстро «надуть» пузырь пока тесто не отвердело. Если нагревать медленно, то верхний слой успеет подсохнуть и ограничит размер растущей полости жестким каркасом.
Третий этап — слияние. Перегородки обычно остаются, но полости пузырей объединяются и начинают сообщаться через разрывы в мембранах. К этому моменту рост и формирование уже завершены, остается лишь зафиксировать форму. На этом этапе температуру снижаем и позволяем нашей конструкции потерять воду.

Рост пузыря ограничен эластичностью стенок и гравитацией. Как мы увидим позднее, критичным фактором здесь является вязкость полученного теста. За счет веса свода профитроля пузырь расплющивается и перераспределяет свое давление на боковые стенки. В этот момент образуются те самые слабые истонченные участки, которые будут причиной коллапса на финальном этапе. Пока тесто не успело зафиксировать свою форму именно они становятся слабым звеном, которое не может удержать нужную форму. Обычно эти участки хорошо видны за счет своей прозрачности и более светлого оттенка. После долгих и мучительных тестов с различными температурными профилями выпекания, контроля влажности в камере и вдумчивого разглядывания срезов, я пришел к оптимальному варианту.

Старт на 220 °C. Это необходимо для шокового разогрева и максимального объема пузыря. Очень похожие варианты есть в классической арабской кухне, когда готовят питу с полостью внутри. С такой температурой дожидаемся окончания роста. Это примерно 12 минут.
Снижаем температуру до 180 °C. Теперь основной фактор для нас — содержание воды в воздухе духовки. Сами профитроли испаряют много воды, вплоть до насыщенного пара. Это как раз тот момент, который почти не описан. А для того, чтобы стенки нормально зафиксировали форму, особенно в тонких участках, нам необходимо их хорошо высушить. Открываем духовку на пару сантиметров и быстро сбрасываем пар, не допуская падения температуры. Секунд 15. Ключевой маркер — когда очки запотевать перестанут) Закрываем и смотрим, как сухой воздух высасывает всю воду из выпечки. Обычно эту процедуру нужно повторить раза 2–3. Общее время — 30–35 минут.

После такой фиксации вам уже пофиг на традиционные советы «не открывать, не трясти, не дышать и лучше не смотреть на них». Из скрытых подлостей, которые могут появиться особенно достает «всасывание дна». Каркас твердый, а дно еще влажное. Решается переворачиванием лопаткой на пару минут. Или выкладыванием на решетку в той же духовке. Еще один хинт для аварийной ситуации, когда вы увидели начинающийся коллапс профитроля — резко захлопываете дверцу и включаете обдув вентилятором на высокой температуре. У меня получалось при моделировании расправить стенки обратно до полного объема. Если коллапс перешел критическую точку, результатом будут уже лепешечки. Вкусные. Но печальные.

Занимательная вискозиметрия на кухне

Форма итоговой выпечки в зависимости от вязкости

Нет, мы не будем настолько упарываться и монтировать на кухне вискозиметр, измеряя свойства теста в пуазах и паскаль-секундах. Хотя было бы интересно, наверное. Давайте просто посмотрим внимательно на этот важный параметр. Вязкость исходного материала критична для финального результата. С одной стороны, чем более жидкое тесто, тем легче сформироваться газовому пузырю, так как сопротивление стенок сильно снижается. Плюс на второй фазе полости легче сливаются в одну большую. С другой стороны, небольшая вязкость приводит к растеканию по поверхности и формированию гладких блинчиков. Беда в том, что стенки не в состоянии удерживать полость большого объема на такой площади. Вы себе просто представьте купол собора у которого опоры разнесены метров на 300. Здесь та же проблема, только выражается в том, что форма профитроля будет скорее линзовидной. Идеальная же форма, к которой мы стремимся, имеет максимальный объем при минимальной площади поверхности. Шар. К сожалению, его вы сможете получить разве что при выпекании где-нибудь на орбитальной станции. Для того, чтобы получить стенки с углами близкими к 90° нам нужно придерживаться оптимального баланса. Так, что весы и хороший глазомер обязательны.

Есть, кстати, идея как предотвратить растекание жидкого, но легко растяжимого теста. К сожалению, под рукой не было материалов, чтобы проверить на практике. Можно попробовать более жидкое тесто наливать в силиконовые/алюминиевые цилиндры с внутренним диаметром порядка 50 мм и высотой около 25 мм. В теории, должны получиться грибовидные профитрольчики с большим объемом.

К черту физику, давайте экспериментировать на практике

Для первого эксперимента вам понадобятся следующие материалы:

вода — 250 г
сливочное масло — 150 г
соль — 5 г
сахар — 5 г
мука — 160 г
яйца С2 — 5 шт/250 г (средняя масса 50 г на яйцо)

Из лабораторного оборудования вам понадобятся:

кухонные весы
миска для смешивания
ручной венчик/миксер/комбайн/блендер
небольшая кастрюля
электрическая духовка с точным поддержанием температуры
кондитерский шприц (опционально)

Вы можете взять, конечно, и свекловичный сахар, но если вам свойственен перфекционизм — советую все же взять тростниковый. Забейте на безумных маркетологов, которые рассказывают про особые антиоксидантные свойства тростника, витамины и минералы. Все проще — он тупо вкусный. Помимо сахарозы там много чего вкусного в самом тростнике.

Свекловичная меласса (кормовая патока)
А вот свеклу наоборот, нужно максимально очистить от всех сопутствующих ароматических веществ. Исходная патока так восхитительна, что от нее даже свиней тошнит. Да, именно из этой черной жижи делают сахар-рафинад.

Сбрасываем в кастрюльку хорошее сливочное масло, соль, сахар и заливаем водой. Нагреваем до полного расплавления масла.

Высыпаем муку и быстро перемешиваем. Масса получается блестящая и очень пластичная.

Яйца. Ключевой компонент. Очень легко промахнуться по массе. Обратите внимание, что в рецептуре стоит второй сорт (С2). У него по ГОСТ средняя масса около 50 грамм на яйцо, что сильно облегчает дозирование. Наша задача — придать тесту оптимальную консистенцию. В зависимости от муки, которая очень отличается по свойствам, нам нужно от 220 до 250 грамм яиц. Добавляем по одному и начинаем оценивать консистенцию после четвертого.

Должно получиться что-то вроде этого.

При выкладывании масса должна растекаться, но очень умеренно. Я выкладывал столовой ложкой. Перфекционисты могут использовать кондитерский шприц. Обратите внимание на большое расстояние между ними и шахматную укладку. Для нас важно, чтобы большой объем теста не выделял слишком много воды в воздух камеры, иначе будут проблемы с высушиванием наших профитролей.

Далее выпекаем по разработанной схеме:

220°C — 10–12 минут. Критерий перехода на следующий режим — прекращение кипения масла на поверхности и неизменный размер.
180°C — 20 минут. В процессе 2–3 раза осторожно стравливаем излишки пара до полностью сухой камеры
В финале перевернуть или выложить на решетку для подсушивания дна

Если все прошло хорошо и на срезе ровные крупные пузыри — первый этап эксперимента завершен удачно. Можно переходить от физики к химии.

Коллоидные растворы и их стабильность

Особенности полимерных цепей крахмала

Амилопектин

Амилоза

Крахмал представляет собой смесь линейных и разветвлённых макромолекул амилозы и амилопектина. При набухании в горячей воде формируют коллоидный раствор, свойства которого во многом зависят от пропорций содержания макромолекул с разной длиной цепей. Что самое интересное, свойства крахмалов могут сильно отличаться в зависимости от исходного вида растений из которого он получен. Наиболее частые варианты крахмала, которые можно купить, если отбросить экзотику типа тапиоки — это картофельный и кукурузный. Не берите картофельный, он хуже для наших целей. Особенность кукурузного в очень высокой стабильности получаемых коллоидов даже в небольших дозах. Для наших целей стабильность полученного коллоида является наиболее критичной.

Правила смешивания коллоидных растворов

Если говорить о кремах со сложным составом, то наиболее неприятным последствием смешивания основы с маслом или сливками является его расслоение. Характерный симптом — капельки воды на поверхности. Наверняка вы видели подобное на не очень качественном масле. Ключевое правило для смешивания — разнородные кремы должны быть одной температуры. Ледяные сливки нельзя смешивать с горячим заварным кремом, например. Для этого заварной крем нужно предварительно охладить. А для масляных — наоборот. Теплое масло смешивается с теплым заварным кремом.

Второй пункт — смешивание должно быть медленным. Либо руками, либо миксером на очень небольших оборотах. Нежненько так.

Давайте мешать наш коллоид!

Практикум по коллоидной химии на сегодня — создание правильного заварного крема со взбитыми сливками. Высокая стабильность при перепадах температуры и хранении больше суток является критерием успешного выполнения задачи. Итак нам понадобятся:

молоко — 500 г
яйца С2 — 2 шт/100 г
сахар — 85 г
кукурузный крахмал — 35 г
ваниль натуральная в стручке или в сахаре
сливочное масло — 50 г
сливки 33% — 200 г
горький шоколад >85% или какао-масса — 80 г (опционально)

Из лабораторного оборудования вам понадобятся:

кухонные весы
миска для смешивания
ручной венчик/миксер/комбайн/блендер
небольшая кастрюля
кондитерский шприц (опционально)

Обратите внимание на то, что ваниль должна быть натуральной. В пекло ванилин. Нет, никакой химиофобии, синтетический ванилин ничем не отличается от того же ванилина внутри стручка. Но вся фигня в промышленной флейвористике — экономия во всем. Если ванилин составляет условные 85% аромата натуральной ванили, то никто не будет тратить деньги на синтез еще полусотни веществ, которые дают оставшиеся 15% результата. А в нежном креме — это критично. Аромат настоящего стручка сильно отличается тонкими нюансами, он куда богаче и многогранней. В качестве компромисса могу посоветовать взять ванильный сахар. Обратите внимание, что в составе должен быть сахар, натуральная ваниль и, возможно, экстракт натуральной ванили. Тогда все будет хорошо.

Сложите яйца, сахар, крахмал и ваниль в емкость миксера или миску, где вы все это смешаете. Перемешать до однородной массы, взбивать смысла нет.

Нагрейте в кастрюльке молоко почти до кипения. Только без спецэффектов и заливания всего пригорающей пеной. Следите за процессом) Ставьте нагрев на минимум и выливайте струйно яичную смесь с крахмалом. В процессе быстро перемешиванием и смотрим, как густеет смесь. Даем прогреться еще минуты 3, затем добавляем масло. В шоколадном варианте — после масла еще и натертый/дробленый шоколад.

Выливаем в емкость с крышкой, плотно закрываем и ставим охлаждаться часа на 3 в холодильник.

Через 3 часа начинаем взбивать сливки. Обратите внимание — сливки должны быть ледяными! В идеале еще и стальную чашу в холодильнике охладите. У сливок свои сложности в плане стабильности пены. Крайне рекомендую Петмол 33%, там еще дополнительно каррагинан в качестве стабилизатора. Критерий взбитости — острые пики, которые сохраняют свою форму и не капают.

Теперь добавляем из холодильника охлажденный заварной крем и смешиваем на небольшой скорости. На выходе получается очень воздушная начинка.

Завершение практикума

На этом наши тестовые задания завершены. Можете соединить результаты обеих задач и ввести крем в профитроли шприцом или через осторожные надрезы ложкой. Можете в конце концов, напихать в профитроли оливье, а крем съесть ночью из тазика ложкой. В любом случае, всех с наступающим новым годом. Радуйте друг друга)