Поиск по блогу:

суббота, 13 апреля 2013 г.

Физические основы тандырной кулинарии

Уже после принятия мной судьбоносного решения о возведении на подворье, в более или менее отдалённой перспективе, стационарного тандыра, один из уважаемых виртуальных клубов почитателей керамических печей опубликовал интересное сообщение — цитату без роду–племени, то есть неизвестного происхождения:
Все дело в волнах, излучаемыми металлом, из которого сделаны стандартные печи. Эти волны длиной в несколько сот микрометров, но низкой плотности. А глина, или, говоря по другому, керамика, из которой сделаны тандыры, где пекутся лепешки, наоборот, излучает волны длиной в десятки раз меньше, зато очень высокой плотности. Именно эта плотность и способствует тому, что пропекается каждый микрометр лепешки. А короткая длина волны не позволяет сжигать питательные вещества. Вот и получается лепешка такой вкусной и ароматной, что ее можно съесть за обедом в качестве основного блюда.
«Вкусившие от тандыра» единодушны в своём вердикте: его продукция гораздо вкуснее, чем еда, приготовленная на плите, да и многими другими способами. Можно, конечно, объяснять этот эффект особой аурой глины, особенностью продуктов горения некогда живых поленьев, влияниями прочих тонких материй, однако, должны быть и вполне материальные, рационально объясняемые факторы воздействия теплового (то есть, инфракрасного) излучения на пищевые продукты (то есть, белки, жиры и углеводы) в замкнутом пространстве (то есть, равномерно со всех сторон прогреваемой паро–газовой среде стабильного состава).

Читать дальше...
До описываемого момента я имел весьма общее (читай «смутное») представление об инфракрасном излучении, но изложенная точка зрения «зацепила» — показалась интересной и продуктивной — и назойливо требовала разобраться в проблеме самостоятельно по причине неведения относительно авторитетности и компетентности автора этого заявления.

Как принято в приличных домах, изучение вопроса началось с Википедии, хотя бы потому, что какой–то из американских штатов даже разрешил использовать сведения из этого ресурса в качестве доказательства в суде (я с них просто улыбаюсь!).

Если рассматривать эту диаграммку в лучах видимого света, то отчётливо просматривается, что наибольшая длина волны ИК–излучения (примерно, 2000 мкм = 2×10–3 м = 2 мм ) граничит с микроволновым излучением (СВЧ), широко известным в быту благодаря микроволновым печам.

На случай, если мой любезный читатель в своём босоногом детстве пренебрегал малоинтересными для пытливого, но неокрепшего ума уроками физики, напомню, что мкм (микрометр, он же микрон) — одна миллионная часть метра, то есть, одна тысячная доля миллиметра, то есть, 1 мкм = 10-6 м = 10-4 см = 10-3 мм = 104 Å (а́нгстрем).

Наверное, будет уместно также напомнить, что длина волны навечно и неразрывно, как хлеб с маслом в бутерброде, связана с частотой волны. Для исследуемых нами электромагнитных волн (да–да, инфракрасное излучение является электромагнитным!), частота в герцах (Гц) вычисляется делением скорости света (3×108 м/сек) на длину волны в метрах. Если получается слишком большая величина, то её можно выразить в килогерцах (1 кГц = 1000 Гц = 103 Гц) или мегагерцах (1 МГц = 106 Гц).

Нам ещё понадобится энергия кванта: так вот, она вычисляется умножением постоянной величины (4×10-15) на частоту в герцах, результат получается в электрон-вольтах (эВ).


Справедливости ради, необходимо заметить, что бытовые СВЧ–печи работают на частоте 2450 Мгц (2,45×109 Гц), что соответствует длине волны 12,24 см (122,4 мм), то есть в 60 раз большей, чем максимальное ИК–излучение. А ради ещё одной справедливости, следует уточнить, что длинноволновая часть ИК–диапазона, вместе с примыкающим куском СВЧ–диапазона иногда выделяются в отдельное, самостоятельное терагерцовое излучение. Впрочем, как на мой взгляд (тоже, кстати, функционирующий в лучах видимого света), это попахивает вульгарной схоластикой.

Противополжная граница ИК–диапазона — там, где инфракрасный жар перетекает в видимый алый багрянец пурпурного кумача, — отмечена длиной волны 0,74 микрон (0,74 мкм = 7,4×10–7 м = 0,000074 мм), то есть длина волны ИК–излучения от одного до другого предельного значения изменяется в 2700 раз. Широкое, надо сказать, поле для тепловой деятельности…

Вот, в чём уж точно не обманул неизвестный автор приведенного в начале статьи высказывания, так это в том, что широкий ИК–диапазон содержит и короткие, и длинные волны (относительно короткие и относительно длинные) — условно делится на три поддиапазона и более длинным волнам присуща меньшая энергия квантов:
названиедлина волны, мкмчастота, 1013 Гцэнергия, эВ
коротковолновый
(ближний, NIR)
0,74–5401,7
средневолновой
(IR)
5–30
(иногда до 50)
60,25
длинноволновой
(дальний, термальный, FIR)
30–200010,04

На интересные неспешные размышления наводят кривые Планка, известного исследователя абсолютно чёрного тела (АЧТ). Графики распределения спектральной излучательной способности АЧТ на красивой, но довольно общей картинке, расположенной слева, показывают, что максимальная мощность излучения (по вертикальной оси) при температуре 500 К (оранжевая кривая), то есть 227°C, приходится на длину волны 5–6 мкм (по горизонтальной оси).

Выбеленная полоса на графике в районе длины волны 0,5 мкм обозначает область видимой части спектра, следующая полоса (2,5–5 мкм) выделяет область ближнего (коротковолнового) ИК–излучения, а третья (7–14 мкм) почему–то отнесена бостонским Центром подготовки специалистов по ИК–излучению (именно оттуда я стырил эту картинку) к длинноволновой области ИК–излучения (что тут скажешь — это не первая и не единственная странность американцев).

Менее красочный, но гораздо более информативный график кривых Планка изображён справа. Из него следует, что для основной рабочей температуры тандыра (200–250°C), наиболее мощное излучение АЧТ приходится на длину волны в районе 5–6 мкм (горизонтальная шкала — логарифмическая, поэтому цена деления переменная). Собственно, в приближённых оценках нет никакой необходимости: вычислить длину волны, которой соответствует максимальная энергия для интересующей нас температуры, можно разделив 2,9 на температуру в градусах Кельвина (0° C = 273 K), результат получается в миллиметрах. Таким образом, при температуре АЧТ 200° C максимальная энергия приходится на излучение с длиной волны 6 мкм (0,006 мм), а при 250° C — 5,5 мкм.

Самое время задать совершенно логичный двуединый вопрос: где АЧТ, а где тандыр? Дело в том, что при длинах волн 8–14 мкм керамика имеет степень «черноты» 91–95%, то есть очень похожа на АЧТ, в то время как у чугуна, меди, алюминия она составляет не более 4%. Зато у стали этот показатель находится в диапазоне 0,5–0,7: вообще–то, тоже неблизко к АЧТ, но уже кое–что.

Интересно, есть ли какой–нибудь скрытый смысл в том, что оптимальный для тепловой кулинарной обработки диапазон находится между окнами инфракрасной прозрачности земной атмосферы? Или это простая случайность… Как бы там ни было, но вряд ли этот факт прольёт свет на тайну неземного вкуса тандыр–нона.

Инфракрасное излучение, проходя через атмосферу Земли, частично рассеивается молекулами азота и кислорода, а также различными твёрдыми частицами, содержащимися в воздухе. А вот молекулы воды и углекислого газа охотно поглощают ИК–излучение. Как бы там ни было, но атмосфера существенно ослабляет это излучение.

Вместе с тем, в приземных слоях атмосферы существует несколько «окон прозрачности», которые пропускают ИК–излучение определённых длин волн.

В ближнем диапазоне выделяют два окна прозрачности: 2–2,5 мкм и 3,5–4,2 мкм хотя на графике явно просматривается ещё и окно в диапазоне 1,5–1,7 мкм. Это, наверное, какое–то секретное окно или «только для своих».

Есть окошко прозрачности в среднем диапазоне (8–14 мкм) — достаточно широкое, но с немного худшими показателями пропускания.

А дальше — окна прозрачности для радиоволн с длиной волны от 1–3 мм, но это уже другая история.


Теперь настало время более пристально присмотреться к энергии квантов ИК–излучения. В целом, от энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией — если у квантов этой энергии недостаточно, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс.

Если что и сможет сделать СВЧ–квант с энергией 0,00001 эВ в домашней микроволновке, так только «возбудить вращательные уровни основного электронно–колебательного состояния некоторых молекул, например воды», в то время, как ИК–кванта, с его 0,25 эВ вполне хватает «для возбуждения колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах». Для сравнения, кванты видимого света (2-3 эВ) способны нарушать химические связи и провоцировать химические реакции (не храните продуты и лекарства на свету!), а энергии ультрафиолета (3,3–6 эВ) уже достаточно для ионизации атомов, и это уже опасно для жизни.

Если перевести малопонятные цитаты о «возбуждении вращательных и колебательных уровней» на человеческий язык, то речь, скорее всего, идёт о способности СВЧ–печей своим электромагнитным полем вращать только молекулы воды, содержащиеся в продуктах, тем самым нагревая их (что–то вроде внутренней варки). ИК–излучение тоже вращает молекулы, но уже не только воды, а и белков, жиров, углеводов. В дополнение к этому, ИК–излучение заставляет эти молекулы и даже составляющие их атомы колебаться друг относительно друга — более высокий и качественно иной уровень энергетического взаимодействия — белки, жиры и углеводы напрямую меняют свою структуру, без всяких посредников.
Так где же, всё–таки, «der Hund begraben»? Получается, что максимальная интенсивность (то есть, плотность) ИК–излучения для стальной духовки при температуре 200°C действительно меньше плотности излучения глиняного тандыра и разница эта может составлять 20% и больше. Не исключено, что максимумы интенсивности тоже сдвинутся в сторону увеличения длины волны, однако не столь значительно, чтобы длина волны излучения стали заползла в зону длинноволнового излучения.

В общем, возвращаясь к приведенному в начале статьи физическому обоснованию причин удивительного вкуса тандырной продукции, можно с уверенностью констатировать: «так–то оно так, но трошечки не так». Действительно, и интенсивность (плотность) излучения у глиняного тандыра больше, и длина волны короче, но различия эти не такие уж кардинальные. Впрочем, человеческое восприятие полно загадок и непредсказуемостей: наш глаз способен различать при благоприятных условиях около 100 оттенков по цветовому фону (в диапазоне длин волн от 0,38 до 0,74 мкм, то есть от фиолетового, через всю радугу, до красного), наше ухо в диапазоне от 20 до 20000 Гц воспринимает два звука (простых тона) как различные, если они отличаются по частоте на 0.3% в районе 3 кГц и на 4% в районе 100 Гц при том, что частоты нот с полутонами (две соседние клавиши фортепьяно, чёрненькая и беленькая) различаются примерно на 6%.

Можно смело предположить, что результаты воздействия на пищевые продукты ИК–излучений, различающихся на 20 и более процентов, позволят почувствовать разницу не только вкусовым рецепторам выдающегося гурмана–дегустатора (такого, как, например, князь Л.С.Голицын ), но и рядовому любителю вкусно поесть.

Ходят байки, что одним из популярных развлечений на великосветских тусовках конца XIX века в Крыму была дегустация Львом Сергеевичем винной смеси: участники мероприятия смешивали в бокале до 16 сортов вина, а князь на вкус определял все компоненты.

А ещё, в Массандре любят рассказывать историю о том, как князь, хвастаясь своим детищем перед заезжей знаменитостью, известнейшим греческим виноделом–дегустатором, заметил, что в одном из образцов вина, поданных на дегустацию, присутствуют посторонние привкусы железа и кожи. Грек подтвердил наличие в вине железной темы, но возразил против кожаной. Когда всё вино из тысячелитровой бочки было вычерпано, на дне обнаружился железный ключ на кожаной тесёмке, вероятно оброненный каким–то нерадивым работником.


В завершение, позволю себе тоже выдвинуть версию причин, приводящих к образованию тандырной вкуснятины (хотя совершенно не факт, что именно здесь «собака зарыта»).

Итак, тандыр и русская печь (рисунок внизу слева) работает исключительно на инфракрасном излучении (закрашено красноватым цветом) после длительного и основательного прогрева. ИК–лучи проникают в продукт на всю глубину и все процессы, связанные с тепловой обработкой — сворачивание (коагуляция) белка, расщепление жиров, клейстеризация углеводов — происходят сразу и везде: нет акцентированного источника тепла, нет движения парогазовой среды в замкнутом пространстве.

В случае мангала и помпейской печи (печи для пиццы), в процессе приготовления пищи участвуют не только ИК–излучение от стенок устройства (на среднем рисунке окрашено в розовый цвет), но и дополнительные источники тепла — угли и, даже иногда, открытый огонь (красные пятна). Разность температур вызывает конвекционные потоки, то есть движение воздуха в зоне приготовления (обозначены сиреневым цветом), поэтому создаётся неравномерность нагрева отдельных частей продукта: и пиццу, и шашлык, и барбекю нужно постоянно поворачивать разными боками к источнику тепла.

Приготовление пищи на плите (правая картинка) сочетает в себе и инфракрасную, и конвекционную компоненты, но существенную роль в теплопередаче здесь играет теплопроводность (отмечена жёлтым цветом в зелёной кастрюле) — передача энергии от молекулы к молекуле по цепочке.

Таким образом, коренное отличие приготовления пищи в тандыре заключается в том, что тепловое воздействие на продукты происходит одновременно по всему объёму, в отличие от прочих, где процесс идёт от поверхности вглубь постепенно. Приходит на ум стейк «rare», с кровью, обжаренный только снаружи и сырой внутри. Кстати, для получения стейков готовности от «medium» и выше, их рекомендуется после быстрой сильной обжарки «доводить до кондиции» в хорошо прогретой духовке, то есть в инфракрасном устройстве.


Ну, а если к этому ещё добавить разницу в длинах волн и плотностях энергии…


4 комментария:

  1. Отличная статья. Спасибо!

    ОтветитьУдалить
  2. Анонимный25 июля, 2023 18:50

    Очень понравилась статья. Хочу проект зоны приготовления пищи разными способами, используя данные знания. Люблю удивлять гостей на даче. Мой тел 89172017637 Михаил, врач

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. К сожалению, я никогда не занимался проектированием зон приготовления пищи. Свайные фундаменты рассчитывал, было дело, грешен, но с мангалами-печами дел иметь не приходилось. Пробовал сваять тандыр - потерпел сокрушительное поражение и никак не соберусь сделать вторую попытку.

      Удалить