MAKROMOLEKULÁRNÍ GASTRONOMIE (MOLEKULY, KTERÉ VAŘÍME, PEČEME A JÍME)

POZVÁNKA NA PŘEDNÁŠKU V RÁMCI SEMINÁŘE DOKTORANDŮ

MAKROMOLEKULÁRNÍ GASTRONOMIE (MOLEKULY, KTERÉ VAŘÍME, PEČEME A JÍME) prof. RNDr. Miroslav Raab, CSc. Kdy: 12:30, 22. 2. 2011 Kde: FT TUL, budova B, učebna B5 (Čížkova 3, Liberec 461 17) Další informace: webové stránky FT TUL http://www.ft.tul.cz/index.cgi?sou=studenti/seminar_doktorandu.htm

KOMUNIKAČNÍ A INTERAKTIVNÍ PLATFORMA TEXTILNÍHO A ODĚVNÍHO PRŮMYSLU

Molekulární a makromolekulární gastronomie Prof. Miroslav Raab [email protected]

Vědecký pokrok nastává na hranicích !

A na rozhraní několika vědních oborů také nedávno vznikla ….

MOLEKULÁRNÍ GASTROMOMIE

Zakladatelé molekulární gastronomie Hervé This (chemik) Nicholas Kurti (fyzik) Peter Barham (fyzikální chemik)

a gastronomie ovšem souvisí také s …

• geografií • historií • ekonomikou a kupodivu i s …

• politikou

Dvě stránky současné molekulární gastronomie: - teoretická („vědecká“) gastronomie -molekulární kuchyně

Obě stránky molekulární gastronomie společně poskytují nečekané poznatky nabízejí netradiční pokrmy vymýšlejí neobvyklé kombinace chutí vedou k zamyšlení a… současně ukazují přívětivou tvář chemie

„Vědecká gastronomie“

H. CON

Jedlé molekuly • malé • velké

Nejmenší jedlé molekuly

H2O NaCl

Opravdu jsou tak malé ?

NaCl chlorid sodný

+ Na Cl

Voda !

H2O

Odkud se vzala ?

Voda !

Pozdní Archaikum - 2.5 miliardy let

Voda vytváří a umožňuje

vodíkové můstky hydrofilní interakce dipóly klastry rozpouštění (hydrofilních látek)

Voda esoteriků Moštárna a palírna Vlachovo Březí nabízí …..

π - vodu. Rovněž údajně existuje…. diamantová voda, živá voda, mrtvá voda atd.

Voda esoteriků Stejně jako jakákoliv jiná potravina, ani pí-voda v současné době nesmí v obchodních sděleních, reklamě nebo na etiketě uvádět informace naznačující její léčebné a preventivní účinky. Právě na tato tvrzení a informace vztahující se k pí-vodě zaměřila svou pozornost Státní zemědělská a potravinářská inspekce.

Co drží atomy pohromadě ? Mezimolekulové vazby („ručičky“) mohou být: a) chemické b) fyzikální

Voda

Ethylalkohol

C2H5OH

Ethylalkohol C2H5OH

Ethylalcohol CH3–CH2–OH The carbon of a methyl group (CH3–) is attached to the carbon of a methylene group (–CH2–), which is attached to the oxygen of a hydroxyl group (–OH).

Jak vzniká ?

Alkoholové kvašení je anaerobní proces, (bez přítomnosti kyslíku)

Jednoduchá (zjednodušená) rovnice alkoholového kvašení: C6H12O6 = C2H5OH + 2 CO2 + teplo

Methylalkohol, CH3OH

Methylalkohol je normálně obsažen v řadě nápojů, například v 1 litru šťávy z černého rybízu je to 231 mg, červeného rybízu 127 mg, v jablečné šťávě samotné je v 1 litru 88 mg methanolu (mimo methanol, který vzniká působením střevních bakterií z pektinu). Za škodlivé pro člověka je většinou považováno množství od 10 g methylalkoholu výše. Podle učebnice toxikologie je akutní toxická dávka 30 ml.

Octové kvašení Zředěný vodný roztok kyseliny octové se získává biologickou oxidací ethanolu (za přítomnosti kyslíku) podle celkové rovnice

CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O

pH Hodnota udávající kyselost na stupnici 1 až 7 nebo zásaditost na stupnici 7 až 14. Je to záporná hodnota dekadického logaritmu koncentrace vodíkových iontů.

Estery karboxylových kyselin • HCOOCH2CH3 – ethylester kyseliny mravenčí = ethylformiát, rumová esence • CH3COOHCH2CH3 – ethylester kyseliny octové = octan ethylnatý = ethylacetát záleží na koncentraci – hrušková i malinová esence • rozpouštědlo (odlakovač), lepidlo Kanagon

Jak vznikají estery ? Vznikají esterifikací, tj reakcí alkoholu s organickou kyselinou za vzniku esteru a vody. Například ethanol s kyselinou octovou poskytne octan ethylnatý:

CH3CH2OH + CH3COOH > CH3COOCH2CH3 + H2O

Kyselina mravenčí, HCOOH

Kyselina octová, CH3COOH

pH Hodnota udávající kyselost na stupnici 1 až 7 nebo zásaditost na stupnici 7 až 14. Je to záporná hodnota dekadického logaritmu koncentrace vodíkových iontů.

Estery karboxylových kyselin • HCOOCH2CH3 – ethylester kyseliny mravenčí = ethylformiát, rumová esence • CH3COOHCH2CH3 – ethylester kyseliny octové = octan ethylnatý = ethylacetát záleží na koncentraci – hrušková i malinová esence • rozpouštědlo (odlakovač), lepidlo Kanagon

Jednoduché estery Ester vůně po Ethylester kyseliny octové ovoci Buthylester kyseliny octové ananasu Ethylester kyseliny mravenčí rumu Ethylester kyseliny benzové mátě

Látky hydrofïlní a hydrofobní

Jak se poznají ?

• fyzikálně • molekulárně

Koncové skupiny - OH (hydroxyl) hydrofilní - CH3 (methyl) hydrofobní

PASTIS a další aperitivy (anetol jako příklad)

trans-anetol (nenasycený ether) 1-methoxy-4-(1-propenyl)benzen

trans-anetol

cis-anetol

Konfigurace na dvojné vazbě

- cis - trans

Rozptyl světla

• •

zákal (turbidita) opalescence

Turbidita míra úhrnné energie, která se při průchodu světelného paprsku vrstvou disperze o jednotkové tloušťce rozptýlí na všechny strany od tohoto paprsku.

Je definována vztahem obdobným Lambertovu-Beerovu zákonu pro absorpci světla.

Opalescence, opalizace – rozptyl světla dopadajícího na koloidní disperzi, způsobený odrazem, ohybem nebo lomem a projevující se hlavně červeným a modrozeleným odstínem; projevuje se také u par, které mají blízko ke zkapalnění

Směs alkohol - voda

D. I. Mendělejev

Viskozita, vazkost Pa s Poměr mezi smykovým napětím (Pa) a příslušným gradientem smykové rychlosti (s-1).

Viskozita (20oC) • • • • • •

Látka Voda benzín etanol (líh) glycerín olej

Viskozita 0,001 Pa s 0,00053 Pa s 0,0012 Pa s 1,48 Pa s 0,00149 Pa s

Viskozita vody

Repetitio est mater studiorum

Základní složky potravy

• Sacharidy • Tuky • Bílkoviny

Sacharidy

Základní složky nikdy nejsou v potravě samotné!

Celiakie - přecitlivělost na lepek (gluten)

Sluneční laboratoř

Sluneční laboratoř

Kyslík O2

CO2 ??

Složení atmosféry (současné)

(figure and table from Lutgens and Tarbuck, The Atmosphere, 8th edition)

Současná atmosféra

Složení atmosféry (současné)

(figure and table from Lutgens and Tarbuck, The Atmosphere, 8th edition)

Cesta do hlubin času

Voda !

Pozdní Archaikum - 2.5 miliardy let

Voda !

H2O

Odkud se vzala ?

Střední Archaikum - 4 miliardy let

Dějiny Země • • • • •

Prahory Prvohory Druhohory Třetihory Čtvrtohory

Pravěk člověka

Gastronomie v pravěku

Co si vzít na cestu ?

Oheň !

Oheň -

svítí, hřeje chrání peče, udí, vaří šetří energii (pro mozek) vyrábí (keramika, metalurgie)

ale také …. - inspiruje, uklidňuje, odlišuje člověka od zvířete a svědčí o úrovni lidské společnosti

Nůž !

Prvními Evropany druhu Homo sapiens byli podle všeho neandrtálci (Homo sapiens neanderthalensis). Nejstarší nálezy typických neandrtálců jsou staré přes 1,3 miliónu let. Nejvíc neandrtálců kupodivu žilo v poslední době ledové před 74 000 lety. Před přibližně 40 000 lety náhle neandrtálci mizí a jejich místo v Evropě zaujímají naši pradědečkové, kromaňonci (Homo sapiens sapiens).

Main milestones

M. Raab, J. Kotek: Charm and Beauty of Polymer Science

“Career in Polymers", Prague, July 10-11, 2009

Webové stránky pro tento obrázek neanderthal-man.com

•Obrázek v plné velikosti - Stejná velikostx větší Velikost: 400 × 445 Typ:

27KB JPG

Tento obrázek může podléhat autorským právům.

Webové stránky pro tento obrázek biblestudy.org

•Obrázek v plné velikosti - Stejná velikostx větší Velikost: 329 × 488 Typ:

58KB JPG

Tento obrázek může podléhat autorským právům.

álců v době největší slávy. Stejně jim to nebylo nic platné. Dole porovnání lebek obou aktérů

Webové stránky pro tento obrázek channel.nationalgeographic.com

•Obrázek v plné velikosti - Stejná velikostx větší Velikost: 470 × 300 Typ:

210KB JPG

Tento obrázek může podléhat autorským právům.

Odvaha !

Dědictví neolitu

Neolitická revoluce 12.000 let př.Kr. (po poslední době ledové) • • • • • • •

Usedlí zemědělci Pěstitelé a chovatelé Obilí, mlýn, pec, chléb Předení, tkaní Keramika Skot, mléko Náboženství

Úrodný půlměsíc

Domáci zvířata

Domestikace • • • • • • •

Ovce Pes Koza Vepř Kráva Drůbež Kůň (na východ od Dněpru)

Nepodařilo se ochočit zebry ani další velká africká zvířata.

Webové stránky pro tento obrázek geographicguide.net

•Obrázek v plné velikosti - 3x větší Velikost: 1592 × 1427 Typ:

271KB GIF

Tento obrázek může podléhat autorským právům.

Disacharidy … • Sacharosa (řepný cukr) se štěpí na glukosu a fruktosu enzymem sacharasa (invertasa) • Laktosa (mléčný cukr) se štěpí na glukosu a galaktosu enzymem laktasa Při nedostatku tohoto specifického enzymu nastává intolerance na mléko.

… ……

Svatý Augustin 354 - 430 p.Kr. (Hippo)

Základní složky potravy

• Sacharidy • Tuky • Bílkoviny

Sacharidy

Sluneč Sluneční laboratoř laboratoř

Sluneční laboratoř

Glukóza

• The Steps • CO2 combines with the phosphorylated 5-carbon sugar ribulose bisphosphate. • This reaction is catalyzed by the enzyme ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase (RUBISCO)(an enzyme which can fairly claim to be the most abundant protein on earth). • The resulting 6-carbon compound breaks down into two molecules of 3-phosphoglyceric acid (PGA). • The PGA molecules are further phosphorylated (by ATP) and are reduced (by NADPH) to form phosphoglyceraldehyde (PGAL). • Phosphoglyceraldehyde serves as the starting material for the synthesis of glucose and fructose. • Glucose and fructose make the disaccharide sucrose, which travels in solution to other parts of the plant (e.g., fruit, roots). • Glucose is also the monomer used in the synthesis of the polysaccharides starch and cellulose.

Monosacharidy • Glukóza (hroznový cukr) se nachází v medu, ovoci i v zelenině, je nejdůležitějším energetickým substrátem člověka. • Některé tkáně využívají glukózu jako výhradní zdroj energie – mozek, sítnice, erytrocyty atd. • Hladina glukózy v krvi se nazývá glykémie (4 – 6 mmol/l), nižší hladina se nazývá hypoglykémie a vyšší hyperglykémie.

Monosacharidy • Glukóza (hroznový cukr) se nachází v medu, ovoci i v zelenině, je nejdůležitějším energetickým substrátem člověka. • Některé tkáně využívají glukózu jako výhradní zdroj energie – mozek, sítnice, erytrocyty atd. • Hladina glukózy v krvi se nazývá glykémie (4 – 6 mmol/l), nižší hladina se nazývá hypoglykémie a vyšší hyperglykémie.

• Fruktóza se jako volný monosacharid se nachází zejména v ovoci a medu, častěji se v naší stravě vyskytuje jako součást sacharózy. • Nutričně je stejně hodnotná jako glukóza. • V zažívacím traktu se uvolňuje ze sacharózy.

Disacharidy … • Sacharosa (řepný cukr) se štěpí na glukosu a fruktosu enzymem sacharasa (invertasa) • Laktosa (mléčný cukr) se štěpí na glukosu a galaktosu enzymem laktasa Při nedostatku tohoto specifického enzymu nastává intolerance na mléko.

… ……

Polykondenzace glukosy

(škrob) amylosa (druhá složka škrobu je amylopektin s rozvětvenými molekulami)

+ H2O

+ H2O

+ H2O

celulosa

Další „ÉČKA“ Kyselina vinná C4H6O6

E334

Hydrogenvinan sodný C4H6NaO6

E335

Hydrogenvinan draselný C4H6KO6 E336 Octan sodný CH3COONa

E262

Jak působí prášky do pečiva... Cukrářské kvasnice: při pokojové teplotě a vlhkosti (NH4)2CO3 → NH4HCO3 + NH3 při zvýšené teplotě NH4HCO3 → NH3 + H2O + CO2

Jedlá soda: Při zvýšené teplotě ( >60oC) 2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2 V kyselém prostředí NaHCO3 + KHC4H4O6 (vinan draselný) → KNaC4H4O6 + H2O + CO2 NaHCO3 + CH3COOH (ocet) → CH3COONa + H2O + CO2

Tuky - estery mastných kyselin a glycerolu

Tuky jsou estery mastných kyselin a glycerolu.

Glycerol

Glycerol

H2C

OH

HC

OH

H2C

OH

Mastné kyseliny

Mastné kyseliny nasycené nenasycené

Bílkoviny

Bílkoviny jsou složeny z aminokyselin, kterých je celkem 20. Podobně jako písmena v abecedě je možné si představit aminokyseliny jako "písmena", která mohou být uspořádána různou kombinací jako "slova“.

Peptidy Vznikají sloučením aminokyselin. Reaguje karboxylová skupina jedné molekuly s aminoskupinou druhé molekuly za vzniku peptidické vazby. Přitom odpadá H20 (kondenzace). Dělení podle poctu AMK: – dipeptidy, tripeptidy, … až polypeptidy. Více než 100 vázaných AMK tvoří bílkoviny.

Peptidická vazba. Karboxylová skupina jedné molekuly aminokyseliny reaguje s aminoskupinou druhé.

–NH – CO –

V případě jednoduchého proteinu, složeného ze 100 aminokyselin, může vzniknout 100 20

(tj. asi 1,3 .

130 10

rozdílných primárních proteinových struktur.

)

Existují dva typy aminokyselin esenciální a neesenciální. Osm esenciálních aminokyselin si nemůže tělo syntetizovat v dostatečném množství a proto musí být dodávány potravou.

V bílkovinách rostlinného původu většinou jedna nebo několik esenciálních aminokyselin buď zcela chybí, nebo jsou přítomné v nedostatečném množství. Tyto potraviny však mohou být kombinovány tak, že výsledná potrava pak zajišťuje organismu všechny aminokyseliny v potřebném množství.

Esenciální aminokyseliny u člověka • přísun z potravy • člověk není schopen syntetisovat jejich uhlíkovou kostru

Arginin* Histidin* Isoleucin Leucin Valin

Lysin Methionin Threonin Fenylalanin Tryptofan

* Esenciální pouze u dětí, ne u dospělých

Neesenciální aminokyseliny • není potřeba jejich přísun potravou • vznikají transaminací α−ketokyselin a následnými dalšími reakcemi Alanin Asparagin Aspartát Glutamát Glutamin

Glycin Prolin Serin Cystein (z Met*) Tyrosin (Phe*) * Esenciální aminokyseliny

Stereochemie aminokyselin Chirální molekuly existují ve dvou formách

http://www.imb-jena.de/~rake/Bioinformatics_WEB/gifs/amino_acids_chiral.gif

Dva stereoisomery alaninu

α−uhlík je chirálním centrem

Dva stereoisomery se nazývají enantiomery. Tmavě vyznačené vazby jsou projektovány v rovině plátna a šrafované dozadu a dopředu.

Horizontální vazby jsou projektovány v rovině plátna a vertikální dozadu a dopředu.

Stanley Miller 1953

Omne vivum ex ovo Vše živé je z vejce

Slepice nebo vejce ? Which Came First, The Chicken Or The Egg ?

Webové stránky pro tento obrázek freshegg.com

•Obrázek v plné velikosti - Stejná velikostx větší Velikost: 372 × 192 Typ:

5KB JPG

Tento obrázek může podléhat autorským právům.

British researchers operating out of Sheffield and Warwick Universities have finally cracked the case, suggesting that the formation of eggs is only possible becuase of a protein found in the chicken’s ovaries. Meaning, the chicken MUST have come first. Dr Colin Freeman, from Sheffield University had this to say: It had long been suspected that the egg came first, but now we have the scientific evidence that shows, in fact, the chicken came first.

• The protein identified by the scientists, OC-17 (ovocledidin 17), is crucial in controlling the development of the shell around the egg. Using a supercomputer called HECToR based in Edinburgh, the scientists were able to zoom in on an egg’s formation and gain new insights into the way it was developed. It showed that the OC-17 protein was crucial to the crystallisation process of the egg and gave scientists the answer they’ve been looking for for generations.

Vše živé z vejce

Enzymy jsou jednoduché nebo složené bílkoviny, které katalyzují chemické přeměny v živých organismech. V lidském organismu je asi 3000 různých druhů enzymů. Příkladem jsou trávicí enzymy které katalyzují štěpení velkých molekul na menší vstřebatelné molekuly.

Trávicí enzymy Glykosidázy katalyzují štěpení polysacharidů Proteinázy katalyzují štěpení bílkovin Lipázy katalyzují štěpení tuků

Příklad enzymu Purine Nucleoside Phosphorylase (PNP) (purinnuleosid fosforyláza)

Oheň !

Lidské smysly, lidské chutě

Lidské smysly: Mechanické – hmat sluch Chemické – čich chuť Optický - zrak „Šestý smysl“ ???

Chutě

Chutě 1 2 3 4 5

Sladká Slaná Kyselá Hořká Umami (pikantní chuť glutamátu sodného)

……….. Teplota, kapsaicin, textura, mechanická odezva, …

Deset tisíc vůní

The Nobel Assembly decided to award The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2004 jointly to

Richard Axel and Linda B. Buck for their discoveries of

„odorant receptors and the organization of the olfactory system“

(S) karvon

(R) karvon

voní po kmínu

voní po mátě

In vino veritas

In vino veritas, in aqua sanitas.

Fermentace C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

Ve víně je pravda... ...a trans-resveratrol

trans-resveratrol

Octové kvašení CH3CH2OH + O2 (Acetobacter)

→

CH3COOH + H2O

Pivo

Prohibice ve Spojených státech (1920 – 1933) a její katastrofální důsledky …

Ne Quid Nimis Nothing in Excess (Everything in Moderation) Všeho s mírou

Vám všem děkuji za pozornost!