Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики разобрались в ужарке стейка

Ученые создали математическую модель приготовления мяса, которая, в частности, воспроизводит уменьшение объема при нагревании — ужарку. В основе работы лежат нелинейные уравнения Флори — Ренера, которые описывает смесь полимеров с жидкостью, пишут авторы в препринте на сервере arXiv.org.

Обновлено: в марте 2020 года статья опубликована The European Physical Journal Plus.

Мясо с химической точки зрения представляет собой сложную смесь воды и органических веществ, часть из которых является полимерами. Физические свойства куска мяса, такие как жесткость и плотность, определяются в первую очередь взаимодействием полимеров с водой.

При жарке мяса происходит множество процессов, таких как разрушение органических веществ, укорочение полимеров, испарение воды и изменение внутренней структуры. Готовый кусок всегда весит меньше сырого, в первую очередь из-за потерянной влаги. Например, филейная часть говядины может потерять около 16 процентов массы, а целый цыпленок — почти до 40 процентов.

Процесс ужарки включает как минимум два канала потери воды. Во-первых, она покидает мясо посредством испарения с поверхности, но вклад этого явления составляет всего около 20 процентов. Во-вторых, изменение давления в толще мяса приводит к выдавливанию воды из плоти — на этот процесс приходится около 80 процентов потерь воды.

Отдельным аспектом ужарки является сжатие мяса в объеме, которое сложно теоретически описать из-за неоднородности вещества и анизотропии свойств полимеров. В связи с этим научные описания процесса обычно рассматривают чрезвычайно упрощенный сценарий. В частности, во многих моделях игнорируется действие вязких сил или эффектов упругости, также зачастую моделирование для простоты проводится в одном измерении.

В работе ученых под руководством Халы Шахаде (Hala Shehadeh) из Университета Джеймса Мэдисона в США описана ужарка мяса как упруго деформируемой пористой среды, стенки которой образованы длинными молекулами белков, а пространство между ними заполнено водой. Эта работа также не идеально близка к реальности, так как на самом деле состав жидкости в порах гораздо сложнее, ученые предполагали постоянную плотность вещества, а само моделирование приводится в двумерном случае.

Главной особенностью работы стало полноценное использование теории Флори — Ренера о набухании и сжатии полимерного геля, состоящего из смеси длинных молекул с водой. В частности, в моделировании использовались нелинейные законы зависимости градиентов давления, в то время как в опубликованных ранее работах применяли линеаризованные виды зависимостей. Также данная модель учитывает локальное сжатие тела, а не глобальное сокращение всех размеров одновременно.

Авторы сравнивают полученные результаты с экспериментальными значениями и приходят к выводу о неплохом соответствии. В частности, модель близко воспроизводит наблюдаемое в опытах распределение температуры по куску мяса, но распределение влажности удалось воспроизвести хуже. Ученые частично связывают это с неизвестным значением коэффициента водной проницаемости мяса, который значительно влияет на результат.

Исследователи заключают, что их данные говорят в пользу значения проницаемости на уровне 10-16 метров в квадрате, в то время в других работах говорилось о величинах на порядок меньше. Учет другого плохо известного фактора, коэффициента диффузии воды в мясе, оказался менее важен: он смог частично сгладить решения с нефизичными результатами, но они по-прежнему получались далекими от реальности. В случае нормального течения симуляции вклад диффузии оказался мал.

В прошлом году мы писали о том, как студенты улучшили вкус жареной картошки при помощи геометрии. Редакция не смогла устоять перед соблазном и мы попробовали применить это открытие на практике — о результатах нашего эксперимента читайте в блоге.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.