#377 - Chemie in de keuken

Om te laten zien wat voor chemische transformaties er kunnen plaatsvinden in de keuken, maken we een maaltijd klaar met broccoli, gebakken aardappelen en mayonaise from scratch. We koken een eitje voor de vegetariërs en bakken een stukje vlees voor de omnivoren. Eet je liever plantaardig, dan gaat een stukje gemarineerde tempeh er vast wel in. En natuurlijk mag een dessert niet ontbreken.

Heb je wel eens te lang gekookte broccoli gegeten? Het wordt zo zacht, dat het zich nog het beste laat vergelijken met snot. Van de stevige, knapperige stronk is weinig meer over. Wat is er gebeurd?

Waar zoogdieren bijvoorbeeld een skelet hebben om overeind te blijven, houden planten (en dus ook broccoli) hun hoofd omhoog dankzij een hard, stevig laagje dat (bijna) iedere cel omhult: de celwand . De celwand is grofweg opgebouwd uit cellulose, pectine en hemicellulose. Alle drie polysachariden, maar met verschillende suikereenheden, structuur en functie. Cellulose bestaat uit lineaire, polymere ketens van honderden tot duizenden aan elkaar gekoppelde glucose-eenheden. Hemicellulose is een verzamelnaam voor moleculen met verschillende suiker-eenheden, die samen een matrix vormen voor de cellulose. Pectine is de polysacharide die de plantcel aan de cellen om zich heen “plakt”. In voeding is pectine een veelgebruikt ingrediënt, want als je het in een zuur milieu verhit met suiker, krijg je een gelei die fungeert als verdikkingsmiddel in bijvoorbeeld jam.
Samen vormen deze moleculen een stevig geheel. Op een rauw stronkje broccoli moet je daarom best even kauwen. Ook is het voor je lijf een uitdaging om dat te verwerken, want ons spijsverteringsstelsel kan de stoffen uit de celwand niet verteren. Cellulose valt dan ook onder de voedingsvezels, ofwel de onverteerbare koolhydraten. Koeien en andere planteneters kunnen de cellulose wel verwerken, maar daar hebben ze meerdere magen, extra lange darmen en speciale enzymen en bacteriën voor in hun lijf. 

 Tijd om broccoli te koken dus. Cellulose lost niet op in water, maar pectine en andere deeltjes uit de celwand doen dat wel. De celwand wordt zwakker, waardoor de turgordruk (de druk van de cel op de celwand) afneemt en water zich vrij in en uit de cel kan verplaatsen. Daarnaast gaan de polysacharidemoleculen door de hoge temperatuur harder bewegen. De intermoleculaire verbindingen verbreken, waardoor watermoleculen gemakkelijker tussen de hydrofiele polysachariden komen. Het resultaat is een pan vol zachtere en beter verteerbare broccolistronkjes. Bovendien kunnen de enzymen in je lijf nu beter bij de voedingsstoffen, komen er aroma’s vrij en smaakt de groente soms zoeter. Vergelijk rauwe wortelen maar eens met gekookte, dan merk je het verschil.

Maar kook de groente niet te lang, want naast de snot-substantie, ebben er veel voedingsstoffen weg in het kookwater. Bovendien verliest de groente smaak door het vervliegen van alle aroma’s. Dat merk je maar al te goed als je bloemkool te lang kookt: door vervliegende zwavelverbindingen gaat het vreselijk stinken.

Zetmeelpropjes

Net als de hierboven beschreven groenten, zitten ook aardappelen vol polysachariden. Het verschil is: veel van deze polysachariden kan je lijf wél verteren, je haalt er energie uit. Ze vallen daarom onder de koolhydraten in plaats van de voedingsvezels. Dat maakt aardappel een koolhydratenbron, net als rijst en pasta. Allemaal hebben ze één ding met elkaar gemeen: zetmeel . Er zijn verschillende soorten zetmeelketens en in iedere koolhydratenbron zijn ze anders samengesteld. Het zetmeel in een aardappel bestaat voor ongeveer 21% uit amylose, een rechte keten van glucosemoleculen. De rest is amylopectine, waarin de glucosemoleculen zijn opgebouwd als vertakt netwerk. De twee soorten zetmeel zitten in een wirwar door elkaar heen gevouwen, in granules in de cellen.

Een aardappel koken in water lijkt wat betreft de celwand-transformatie erg op het koken van broccoli. Maar wat gebeurt er met het zetmeel? De granules (propjes van 1-100 µm groot) zwellen op door het warme water en gaan stuk. Je verbreekt dus de wirwar aan zetmeelmoleculen. De vertakte amylopectines houden zich goed vast, maar de amylose vermengt zich met het water. De aardappel wordt zacht.

Iets soortgelijks gebeurt ook in rijst, pasta en andere koolhydraatrijke voedingsmiddelen. Maar bij iedere soort zijn de zetmeelhoeveelheid en -samenstelling verschillend. Bovendien zijn de celwanden van bijvoorbeeld een rijstkorrel minder sterk dan die van aardappelen. Mede daardoor wordt een rijstkorrel twee keer zo groot tijdens het koken, terwijl een aardappel zijn formaat behoudt.

Op een verpakking met aardappelen staat altijd een term als “vastkokend” of “kruimig”. De structuur van een aardappel is namelijk per ras verschillend. Vastkokende aardappelen hebben een fijne structuur en behouden hun vorm langer, omdat ze naar verhouding weinig zetmeel bevatten (16-18%). Kruimige aardappelen bevatten juist relatief veel zetmeel (20-22%) en vallen gemakkelijker uit elkaar. Ook de verhouding in zetmeelsoorten varieert. Hoe meer amylopectine, hoe steviger de structuur.

Ontvouwen en vastgrijpen

Je weet nu waarom groenten en koolhydraatbronnen zacht worden als je ze kookt. Een eitje wordt juist hard. Als je inzoomt op het proces, zul je dan ook zien dat de chemie er heel anders uitziet. Een ei bevat slechts één cel: de dooier. Deze zit vol vetten, eiwitten en allerlei voedingsstoffen. Het eiwit is het cytoplasma van de cel en bestaat uit water en proteïnen (een ander woord voor eiwitten), voornamelijk ovalbumine.

Proteïnen zijn grote, complexe macromoleculen die bestaan uit polymere ketens van aminozuren, aan elkaar verbonden via peptidebindingen. Deze ketens zitten opgevouwen in een stabiele driedimensionale, ofwel tertiaire structuur. Her en der in het opgerolde eiwitmolecuul zitten verbindingen die de tertiaire structuur in stand houden, bijvoorbeeld door hydrofobe interacties, ion-interacties en zwavelbruggen. Tussen deze wirwar van proteïnepropjes zit water opgesloten.

Als je een ei verwarmt, gaan de opgevouwen proteïnen harder trillen. Vanaf ongeveer 64°C ‘schud’ je de interacties los die verantwoordelijk zijn voor de 3D-structuur van de proteïnen in het eiwit. In een eidooier start dit proces vanaf circa 68°C. De proteïnen rollen uit tot lange draden. Zo’n molecuul verliest zo zijn ruimtelijke structuur, en daarmee ook zijn functionaliteiten. Dit biochemische proces heet denaturatie. Eenmaal gedenatureerde eiwitten krijgen hun ruimtelijke structuur nooit meer terug.

De primaire structuur, ofwel de polymere keten van aminozuren, blijft wel heel. De proteïnedraden grijpen elkaar vast en er ontstaat een nieuw, stevig netwerk. Dit proces duwt de watermoleculen tussen de proteïnen weg. Het kippenei is hard geworden.

 

Luchtig schudden

Het denaturatieproces kun je ook op andere manieren in gang brengen. Als je eiwitten van een kippenei klopt met een garde of mixer, denatureer je de proteïnen door middel van beweging. De mechanische energie breekt de verbindingen in de tertiaire structuur en je klopt luchtbellen in de water-proteïnemix. Tijdens het ontvouwen van de eiwitketens, houden de hydrofiele aminozuren contact met het water, terwijl de hydrofobe aminozuren zich naar de luchtbellen richten. De lucht zit nu gevangen. Dat zie je, want het eiwit is fluffig en sterk in volume toegenomen.

Tijd om het dessert alvast te maken, waarbij we de stijfgeklopte eiwitten (met wat suiker in de mix) even in de oven zetten. Door de warmte zetten de luchtbellen uit. Als je controle houdt over dit proces, door onder andere goed op de temperatuur en tijd te letten, blijft de inmiddels sterk uitgezette structuur overeind staan op het moment dat de luchtbellen knappen. We hebben nu meringue, ofwel schuimgebak, gemaakt.

Je kunt ook meringue maken met aquafaba. Dat is het vocht dat overblijft als je peulvruchten hebt gekookt. Oplosbare bestanddelen uit de peulvrucht zijn in het kookwater terechtkomen. Met name het vocht van kikkererwten is geschikt, ook die uit blik. De smaak van aquafaba is neutraal en de structuur en functie lijken erg op kippenei-eiwit.

Sappig vs. mals

De bereiding van vlees heeft veel overeenkomsten met die van eieren. Maar vlees zit complexer in elkaar, het bestaat tenslotte uit spierweefsel van een dier. Dat is ook te zien; als je een stukje vlees van dichtbij bekijkt, zie je allemaal kleine draadjes. Dat zijn de spiervezels. Een spiervezel is een bundel van lange draadvormige eiwitketens, myofibrillen. De vezels worden wederom in bundeltjes bij elkaar gehouden en al die bundels samen vormen de spier. Tussen alle laagjes in zit collageen , een lijmvormend eiwit dat functioneert als bindweefsel. Als je een spier vergelijkt met gewapend beton, dan zijn de spiervezels het staal en vormt collageen de specie.

Je weet al wat er met de eiwitten in het vlees gebeurt tijdens het garen. Het vocht dat door de denaturatie uit het spierweefsel wordt geperst, komt vrij als vleessap in de pan of tijdens het kauwen. Hoe minder sap er achterblijft in het vlees, ofwel hoe langer je het kookt of bakt, hoe droger het eindresultaat.

Toch is een langere gaartijd soms juist gewenst, want het maakt het vlees mals. Dat komt doordat het in eerste instantie taaie collageen opwarmt en vanaf 52 °C gaat hydrolyseren, ofwel: het neemt water op en de proteïnemoleculen uit het collageen splitsen. Je hebt nu gelatine. Hoe meer gelatine, hoe malser het vlees.

Het perfecte evenwicht vinden tussen droog en sappig, en tussen taai en mals, is dan ook een hele kunst. In de praktijk zijn er nog veel meer factoren die meespelen, zoals de lagen vet tussen de spiervezels in, tientallen verschillende bereidingswijzen, het specifieke dier, het soort spierweefsel en nog veel meer.

 

Sojametamorfose

Een veelgebruikte en zeer fascinerende techniek bij de bereiding van eten is fermentatie. Je stelt voeding gedurende lange tijd bloot aan bacteriën en schimmels, waardoor het product volledig transformeert. Fermentatie gebeurt vaker dan je misschien doorhebt: brood, bier, yoghurt, kaas, zuurkool, augurken, olijven, cacaobonen… bij al deze producten speelt fermentatie een belangrijke rol.

Hoe dat in zijn werk gaat, kun je uitleggen aan de hand van tempeh (soms geschreven als tempé). Tempeh bestaat uit gefermenteerde sojabonen en wordt veel gebruikt in de Indonesische keuken. Het is een voedzame eiwitbron die zich goed laat marineren, waardoor je er alle kanten mee op kunt.

Eerst week, pel en kook je de sojabonen, zodat deze zacht en toegankelijk worden voor de zogenoemde fermentatiestarter. Dat is in dit geval een schimmelcultuur van Rhizopus oligosporus. Deze meng je met de sojabonen, waarna je het geheel uitspreidt in een dunne laag. De fermentatie start als de sporen van de schimmel ontkiemen. Daarna stijgen de pH en temperatuur vanzelf, waarna de schimmel zo’n vier uur lang razendsnel uitgroeit tot het mycelium, een katoen-achtig netwerk van schimmeldraden. Het mycelium scheidt allerlei enzymen uit en verteert organisch materiaal om zich heen. Ondertussen bindt het mycelium de sojabonen aan elkaar tot een vaste massa. Het resultaat is een stevig wit blok waarin je de sojabonen en het mycelium goed terugziet.

Tabel: Selectie van verbindingen die ontstaan bij de maillardreactie

Verbinding	Smaak/aroma	Voorbeelden
2-Acetyl-1-pyrroline	popcornachtig	brood, jasmijnrijst, basmatirijst, gepasteuriseerde melk
6-acetyl-2,3,4,5-tetrahydropyridine	karamelachtig, romig	witbrood, popcorn, tortilla’s
Alkylpyrazines	nootachtig, geroosterd	koffie
Alkylpyridines (ongewenst)	groen, bitter, samentrekkend mondgevoel, verbrand	koffie, gerst, mout
Acylpyridines	crackerachtig	graanproducten
Butaandion	boterachtig	vlees, popcorn, chardonnay
Furanen, furanonen, pyranonen	zoet, verbrand, karamelachtig	verhit voedsel
Oxazolen	groen, nootachtig, zoet	cacao, koffie, vlees
Thiofenen	vlezig	verhit vlees

Tijdens dit proces, dat 24-48 uur duurt, hebben allerlei enzymen uit het mycelium de sojabonen volledig getransformeerd. Macromoleculen, zoals oligosachariden, zijn gedegradeerd tot kleinere stoffen, en celwanden en intracellulair materiaal zijn gedeeltelijk opgelost. Daarnaast ontstaan er organische zuren die zorgen voor een afname van fytinezuur in de sojabonen. Fytinezuur is een zogenoemd anti-nutriënt. Het verlaagt de biologische beschikbaarheid van bijvoorbeeld zetmeel en eiwitten. Dat betekent dat je lichaam de stoffen minder goed kan opnemen en gebruiken. Daarnaast bindt fytinezuur aan tweewaardige metalen zoals calcium, zink en ijzer. Je lijf neemt deze mineralen daardoor moeilijker op. Met andere woorden: een afname in fytinezuur zorgt er, samen met alle andere veranderingen tijdens de fermentatie, voor dat voedingsstoffen beter opneembaar en verteerbaar worden in je lichaam.

Toveren met geur, kleur en smaak

De maaltijd is in principe klaar, maar er mist nog een belangrijk stukje keukenkunst in de uitleg. Daarom snijden we de gekookte aardappelen in partjes om te bakken in de koekenpan. Wat je daarna ziet, ruikt en proeft, is het resultaat van de maillardreactie. Dat is een verzamelnaam voor een complexe reeks chemische reacties, die je kunt aanzwengelen met bijvoorbeeld hitte. Voedsel kleurt daarna bruin en krijgt een typische, herkenbare en vaak lekkere geur en smaak.