Химия на шампуре: хорошо ли учёные разбираются в приготовлении шашлыка

Приготовление шашлыка, с точки зрения химика, — сложный процесс, на каждом этапе которого происходит большое количество тонких и взаимосвязанных реакций. Если подойти к делу с умом, рецепт хорошего шашлыка будет сопоставим с отдельными методиками органического синтеза — а то и превзойдёт их. И, как в полноценном научном эксперименте, в приготовлении шашлыка есть множество деталей, от которых зависит оптимизация процесса — а значит, вкус и аромат конечного продукта.

Итак, чтобы приготовить шашлык, необходимо выполнить два основных действия: замариновать мясо и обжарить его на углях. Но сперва давайте разберёмся, что такое мясо — с точки зрения химии.

Мясо

То, что мы называем мясом и покупаем в магазине под видом свинины и говядины, на самом деле является скелетной поперечно-полосатой мускулатурой животных. Если, конечно же, мы не будем рассматривать субпродукты, например сердце, которые не используются для шашлыка. Кроме собственно мышечной ткани, к мясу относят ещё жировую и соединительную ткань, которая к ним прилегает.

Мышечная ткань имеет любопытное строение. Мы привыкли к тому, что клетки нашего организма обычно очень малы, не различимы глазом. Структурной единицей мышцы является мышечное волокно — и это одна большая клетка длиной несколько сантиметров и диаметром сотни микрометров. Она образуется при слиянии тысяч других клеток, из-за чего в мышечном волокне может быть несколько тысяч ядер.

Главное свойство мышечных волокон — способность сокращаться. Именно так мы (и другие животные) двигаем конечностями — и не только. Это обеспечивают специальные белки — актин и миозин. Это вытянутые молекулы, формирующие длинные пучки внутри клеток. Под действием внешних факторов (нервного импульса) эти пучки начинают двигаться друг относительно друга, стягиваясь к центру. Всё волокно разбито на отдельные звенья — саркомеры, скреплённые между собой.

Кроме того, мясо содержит большие количества белков эластина и коллагена в соединительной ткани. Они во многом отвечают за механические характеристики мяса (жёсткость и так далее). За цвет мяса отвечает белок миоглобин. В общем, мясо — это во многом белковый продукт, но, конечно, и жировых прослоек в нём хватает.

Маринование

Мясо маринуют для того, чтобы решить сразу несколько задач: сделать его мягче, придать ему дополнительный аромат и провести первичную антимикробную обработку.

Молекулы коллагена, определяющего твёрдость мяса, в норме образуют прочные волокна, фибриллы. Эта сборка происходит под действием водородных связей — притяжения между частично заряженными (поляризованными) фрагментами аминокислот. Точно такие же связи возникают между молекулами воды — между атомом водорода одной молекулы и кислородом другой.

Многие маринады обладают кислой реакцией из-за наличия в них кислот — чаще всего уксусной (например, в вине, майонезе или уксусе), лимонной и молочной. Кислой средой обладает и соевый соус, а также соус терияки — они содержат большое количество пироглутаминовой кислоты, а также янтарной, лимонной, муравьиной и уксусной.

Это означает, что в маринадах есть много катионов водорода, которые способны связываться с молекулами белков, протонировать их. Это изменяет распределение зарядов в молекулах и нарушает тонкую структуру водородных связей, что приводит к изменению геометрии белковых молекул. В результате происходит денатурация белков: волокна коллагена и актина разбухают, размягчаются, коллаген постепенно растворяется.

Того же эффекта можно достигнуть и без применения кислот. Например, некоторые тропические фрукты, такие как папайя и ананас, содержат ферменты, разлагающие эластин и коллаген до одиночных аминокислот, а протеазы бактерий и грибов способны аналогичным образом разрушать белки мышечных волокон. Есть и физические методы смягчения мяса — выдерживание при давлениях порядка нескольких тысяч атмосфер, которое тоже приводит к денатурации белков.

Скорость, с которой происходит маринование мяса, также зависит от состава маринада. Например, было доказано, что наличие спирта в маринаде ускоряет процесс маринования. Это связано с тем, что липидная оболочка клеток лучше растворяется в спирте, чем в воде. Также свою роль в смягчении мяса играют различные вспомогательные вещества — такие как танины в вине и пиве.

Стоит заметить, что маринование не всегда приводит к размягчению мяса. В некоторых ситуациях при избыточном мариновании (в присутствии слишком большого количества кислоты или спирта) ткани теряют воду и становятся слишком твёрдыми. Такого же эффекта можно достигнуть, если пережарить мясо — тогда большая часть воды из него попросту «улетит».

Второй по важности эффект — антимикробный. Но за него ответственны не только кислоты, но и другие компоненты маринада, такие как лук. Различным способам уничтожения вредоносных организмов в мясе посвящено довольно много исследований, в одном из самых любопытных авторы предлагали добавить к стандартной схеме маринования мяса в пиве ещё и обработку в ультразвуковой ванне.

Надо заметить, что на втором этапе приготовления шашлыка запускается синтез некоторых канцерогенов — вредных веществ, потенциально способных вызвать рак. В особенности это относится к продуктам обугливания жира, капающего на угли. Среди них есть бензо [a] пирен и другие полиароматические углеводороды.

Другой класс канцерогенов, возникающий при обугливании мяса, — гетероциклические амины. Эти вещества способны образовывать комплексы с ДНК и влиять на жизнедеятельность клеток. Одно из исследований даже обнаружило корреляцию между частым употреблением копчёного или жаренного на гриле мяса с некоторыми видами рака. Соответственно, рекомендуется по возможности уменьшить употребление таких веществ. Но и тут может помочь маринование.

Есть несколько исследований, проведённых португальскими и испанскими химиками, которые указывают на то, что некоторые виды маринада уменьшают вероятность образования этих канцерогенов. Например, маринование в тёмном пиве отчасти ингибирует образование полиароматических углеводородов, а чтобы уменьшить долю образующихся гетероциклических аминов, следует выбирать маринады на основе вина, пива или даже содержащие чай. В целом же влияние маринадов на образование полиароматических углеводородов в целом всё ещё не так хорошо изучено. В число других возможных ингибиторов входят лук, чеснок, специи и маринады с лимонной кислотой.

Жарка

Маринование, за счёт денатурации большой части белков, значительно ускоряет процесс готовки мяса. Это позволяет избежать длительного воздействия тепла и испарения слишком большого количества воды. Вместе с ускорением денатурации белков, жарка на углях инициирует в мясе много других химических процессов.

Первый из них — известная реакция Майяра. Именно она отвечает за образование сильно пахнущих органических веществ, придающих особый запах жареному мясу. В эту реакцию вступают аминокислоты, находящиеся в мясе, и сахара. В результате образуются сложные гетероциклические соединения, производные фурана, тиофена, алкилпиридины и пиразины.

Конкретный профиль аромата у каждого вида мяса свой, он определяется соотношением концентраций тысяч душистых веществ, образующихся при жарке. В случае жареных курицы и свинины важную роль в аромате играют продукты конденсации цистеина с сахарами, например, 2-метил-3-фурантиол и его димер, а также 2-фурилметантиол.

С сахарами, конечно, реагируют и другие аминокислоты. Метионин, к примеру, взаимодействуя с сахарами, подвергается деградации до метионаля — это вещество имеет запах жареного картофеля.

Понятно, что белки и сахара есть не только в мясе. Поэтому реакция Майяра играет роль в аромате и других блюд. К примеру, запах выпечки (и некоторых сортов риса) обусловлен 2-ацетилпироллином, продуктом реакции между пролином и сахарами. В небольших количествах это вещество возникает и в жареном мясе.

Второй химический процесс — обугливание жиров. Жиры — это сложные эфиры глицерина и жирных органических кислот, таких как стеариновая, пальмитиновая и так далее. При температурной обработке они химически превращаются в альдегиды, такие как гексадеканаль, гексаналь и так далее. Интересно, что в жареной говядине содержится больше альдегидов, чем в курице и свинине, что и отличает их на вкус. А характерный запах баранины возникает благодаря 4-метилоктановой и 4-метилнонановой кислотам.

Третий процесс — реакции между продуктами обугливания жиров и продуктами реакции Майяра. Это всевозможные алкантиолы, алкилпиридины, алкильные производные тиофенов, пирролов, тиопиранов, тиазолов и так далее. Алкильная часть в них возникает из жировой компоненты, а гетероциклическая — из майяровской.

Кроме того, при обжарке мяса идут и другие реакции с участием аминокислот. Так, цистеин и глутатион образуют при термообработке тритиоланы и дитиазины, которые также вносят существенный вклад в запах.

Вкус и аромат шашлыкам придают не только продукты разложения аминокислот, сахаров и жиров, но и продукты горения углей. Среди них стоит выделить сирингол (его название, кстати, происходит от латинского названия сирени, Syringa vulgaris) и гваякол — они образуются при распаде лигнина, связующего вещества для молекул целлюлозы в древесине. Эти вещества придают шашлыку (или барбекю) характерный запах дыма.

На соотношение ароматных веществ в готовом шашлыке влияют десятки технических деталей процесса приготовления: температура, длительность обжарки, выбор угля, мяса, маринада, времени маринования. И это отличная возможность, чтобы, вооружившись научным методом, самому найти свой оптимальный рецепт шашлыка и, может, даже написать об этом научную статью — с особенно сочным описанием экспериментальной части.