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.
Это показали эксперименты с газированными напитками
Американские и французские физики разобрались в причинах, по которым всплывающие в газированном напитке пузыри выстраиваются или не выстраиваются в ровные цепочки. Для этого они проводили эксперименты с дегазированными напитками (газировкой, пивом, игристым вином и шампанским) и модельными жидкостями. В результате ученые выяснили, что на этот эффект влияет размер пузырей и характеристики и количество поверхностно-активных веществ в напитке. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids. Всплытие пузырей в жидкости — это неотъемлемая часть множества процессов в природе и технологиях, начиная от просачивания газов из-под океанского дна и заканчивая очисткой сточных вод с помощью насыщения ее кислородом в аэротенках. Важную роль пузыри играют и в производстве газированных напитков: мы уже рассказывали об их роли в восприятии вкуса пива и шампанского. В случае с шампанским всплытие пузырьков играет еще и важную эстетическую роль: они поднимаются в виде почти вертикальных цепочек с постоянным интервалом. Вместе с тем, такое поведение встречается не во всех напитках. Теоретики лишь недавно смогли объяснить причину противоположного поведения: всплытия по зигзагообразным или спиральным траекториям. Причины же возникновения ровных цепочек физикам пока до конца не ясны, равно как и условия, при которых разные режимы всплытия сменяют друг друга. Ответить на эти вопросы взялась команда американских и французских физиков под руководством Роберто Зенита (Roberto Zenit) из Университета Брауна. Им удалось экспериментально и теоретически выяснить, что на формирование стабильных пузырьковых цепочек оказывает влияние два фактора: их размер и наличие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). В случае с напитками последний фактор оказывается решающим — он определяет разницу во всплытии пузырьков между газированной водой и шампанским. Физики проводили опыты в плексигласовом прямоугольном бассейне размером 50 × 50 × 400 миллиметров. На дно бассейна ученые устанавливали иглы различного диаметра закругления, через которые подавали воздух и получали пузырьки разного размера. Контроль подачи воздуха, в свою очередь, регулировал частоту их образования и, как следствие, межпузырьковое расстояние. Исследователи наполняли установку жидкостями, предварительно дегазированными в условиях вакуума: газированной водой, светлым пивом, игристым вином и шампанским. Кроме того, в качестве модельной жидкости они использовали смеси дистиллированной воды и глицерина в различных пропорциях. Эксперименты сопровождались численным моделированием с помощью уравнений Навье — Стокса. Главный результат, полученный физиками, заключается в том, что стабильность цепочки устанавливается при размерах пузырей или количестве ПАВ, выраженного через число Ленгмюра, выше некоторых порогов, а до того они расходятся в пределах конуса. Симуляции показали, что пузырьки нужных размеров могут двигаться прямолинейно только в том случае, если на их поверхности создается достаточная завихренность — тогда подъемная сила, действующая на нижний пузырь под влиянием верхнего, меняет знак и вталкивает его следом. На это, в свою очередь, влияет химический состав напитков: если в пиве ПАВ — это тяжелые белки, то в шампанском эту роль играют более легкие жирные кислоты. Полученные результаты, помимо применения в производстве алкоголя, можно использовать для оценки уровня загрязнения ПАВ практически в любой жидкости. Группу Зенита давно интересуют пузырьки в алкоголе. Ранее мы рассказывали, как физики научно обосновали традиционный способ определения концентрации этанола при перегонке мескаля по времени жизни пузырьков.