УЗИ сыра

История исследования человеческого организма или технической конструкции с помощью ультразвука насчитывает не одно десятилетие. Но пионерами в применении этого метода для изучения сыра оказались, по-видимому, испанские специалисты — Антонио Муле, Хосе Хавьер Бенедито и Хосе Бон из университета Валенсии, которым помогала Кармен Росельо из университета Балеарских островов. Они измеряли зависимость скорости звука от температуры сыра, за что в 2006 году стали лауреатами Игнобелевской премии по химии.

Фото: cheersonic.com

Как делают сыр?

Зачем, зачем испанские технологи решили узнать, как звук проходит сквозь сыр («Journal of Food Science»)? Понятно, если бы они искали в его головке какие-­то дефекты — трещины, скажем, или какие другие неоднородности, которых быть не должно: это обычная работа дефектоскописта, прозванивающего какой­-нибудь рельс в поисках внутренней раковины. Но ведь нет, не то искали испанцы в сыре и не так. Они построили зависимость скорости звука от температуры сырного бруска и при этом выяснили, что на ней имеются два перегиба. Тайны это не составило: при нагреве в сыре плавится жир, и образующаяся во все возрастающем количестве жидкая фаза сказывается на скорости звука. Загадка в другом — куда можно приложить этот эпохальный результат? Чтобы понять логику исследователей, присмотримся к технологии изготовления сыра чеддер, слава которого идет со времен несчастного английского короля Карла I, распробовавшего этот сыр в одноименной деревушке и распорядившегося поставлять его к своему столу.

Начало производства чеддера мало отличается от изготовления других твердых сыров. Чтобы он вышел хорошим, нужно слить вместе вчерашнее и сегодняшнее молоко, нагреть до 30— 35°С и заквасить. Через полчаса молоко свернется — получится относительно упругий сгусток под слоем сыворотки. Этот сгусток разрезают, и далее идет созревание так называемого зерна, которое длится еще четверть часа, после чего сыр начинают вымешивать. Все это время молоко киснет — кислотность становится все выше и выше.

Затем часть сыворотки сливают, а оставшуюся смесь еще раз нагревают до 35—40°С и продолжают вымешивать, чтобы зерно стало упругим и одного размера. Как только при сжатии в руке зерна начинают склеиваться в монолит — можно переходить к следующему этапу: отправлять полуфабрикат в формовочный сосуд, где спустя полчаса получается толстый пласт сыра. Сыворотку сливают, а сыр режут на небольшие бруски и с ними проводят уже специфический процесс чеддеризации, в ходе которой сыр и приобретает присущую этому сорту кислотность.

Чтобы все сделать правильно, согласно вековым традициям, бруски кладут друг на друга, время от времени переворачивают и подкладывают сверху все новые и новые — увеличивают нагрузку. Чеддеризация идет при температуре сыра 35°С и длится полтора-­два часа. Как утверждают технологи, «в процессе чеддеризации создаются наиболее оптимальные условия для развития молочнокислого процесса, достигаются нужная кислотность и требуемая влажность сырной массы. После чеддеризации сырная масса приобретает слоисто­-волокнистую структуру». Затем сыр измельчают, солят и полдня прессуют, получая крупные, весом в десятки килограммов, бруски. А потом их отправляют в холодильник с температурой около 8°С, где сыр охлаждается около суток и переходит в стадию созревания — она может длиться от нескольких недель до полугода. И лишь по прошествии этого времени можно узнать — удался сыр или нет.

Правильное охлаждение

В деревне Чеддер охлаждение и созревание шло в расположенных поблизости пещерах. Однако пещер на всех не хватает; сейчас для этого применяют промышленное оборудование, и задача технолога сделать так, чтобы все шло, как в тех пещерах. Вот тут-­то и возникает вопрос — а как «так»? Ответ на него был получен, и оказалось, что скорость охлаждения сырных брусков при переходе к созреванию оказывается чрезвычайно важной. Суть дела такова.

Вкус сыра определяется деятельностью микроорганизмов двух разновидностей: тех, что входят в состав закваски, и тех, что были в молоке изначально, пережили пастеризацию (если ее проводили) или же были специально добавлены во время приготовления. Их жизнедеятельность, очевидно, сильно зависит от температуры. Брусок сыра остывает медленно, в нем устанавливается градиент температуры тем более заметный, чем крупнее брусок — в разных его частях идет свой микробиологический процесс. А результат его — утилизация лактозы, выделение муравьиной кислоты, уксуса, спирта, разложение белков и жиров с образованием свободных аминокислот, прежде всего пропионовой (по ней можно судить о зрелости чеддера), амидов и низкомолекулярных жирных кислот. Все эти компоненты участвуют в формировании характерного вкуса и запаха сыра.

При созревании большинство микроорганизмов вымирает — часть от бескормицы, но часть — от жары или холода. И если перерабатывающие лактозу бактерии вымрут слишком рано, нужного вкуса не получится. С другой стороны, если исходных микроорганизмов станет слишком много, они испортят вкус чрезмерными продуктами своей жизнедеятельности. Именно исходные микроорганизмы формируют вкус сыра на ранних стадиях созревания, а потом в дело вступают оставшиеся от закваски. Так вот, оптимального сочетания микроорганизмов обеих разновидностей и можно достигнуть охлаждением с правильной скоростью.

Опытным путем было установлено, что медленное охлаждение ни к чему хорошему не приводит: чем дольше при охлаждении будущий чеддер пребывает в высокотемпературной зоне, тем больше нежелательных примесей возникает в его вкусе — дегустаторы выносят худшие оценки. Причина в том, что оптимум для жизни заквасочных лактобактерий находится при 15—20°С , для исходных микроорганизмов — 13°С, а при температуре созревания, 3,5—8°С, их жизненные процессы весьма замедлены. Медленно охлаждаться сыр может не только из­-за недостатков устройства сырохранилища. Так, если сырные блоки положить слишком близко друг к другу, тепло будет рассеиваться хуже, особенно у тех сыров, что оказались в самом центре. Аналогично, если одержимый гигантоманией сыродел сформирует блоки под три центнера, обеспечить равномерное их охлаждение ему будет очень непросто.

Измерение звуком

И вот тут­-то появляется технология, придуманная испанскими специалистами. Благодаря их графику зависимости скорости звука от температуры сыра, можно провести ее мониторинг внутри сырного бруска и определить — при желании, для каждого из брусков партии — скорость охлаждения. Ну а потом на основании опытных данных сразу же и забраковать те, из которых по всем приметам хорошего чеддера не получишь. Выигрыш в том, что не надо ждать нескольких месяцев, чтобы отделить хорошее от плохого, — негодный сыр отправляется на переработку и не занимает место на полке в сырохранилище. А ведь в сырном деле стоимость помещений в значительной степени сказывается на себестоимости продукции.

Как видно, совсем не для праздного любопытства было проведено исследование, но для того, чтобы с помощью современных технологий улучшить качество даже в такой верной традициям области, как сыроделание. Не совсем понятно, удалось ли внедрить эту разработку — на этот счет никаких публикаций не последовало. Не исключено, что появились серьезные трудности. Так, из полученных испанцами данных следует, что изменение скорости звука определяется количеством расплавленного жира внутри сырного бруска. Однако само это количество, а также соотношение легко­- и тугоплавких фракций жира могут оказаться переменными, зависящими от свойств молока. Тогда возникает очевидная проблема с калибровкой прибора и с точностью проводимых им измерений. Ну да наверняка рано или поздно у лауреатов Игнобелевской премии будут достойные последователи, которые справятся с этой непростой задачей, ведь научно-­технический прогресс остановить невозможно. Не исключено также, что аналогичным способом можно будет узнавать и само качество сыра — сколько в нем молочных жиров, а сколько пальмового масла. Если же помечтать, то удастся представить себе вполне портативный прибор, эдакий щуп, соединенный со смартфоном, который расскажет всю правду о продукте уже не сыроделу, но конечному покупателю.

Ультразвук и пища

Главная прелесть ультразвука состоит в том, что он, во­-первых, без особого труда проходит сквозь как твердое тело, так и жидкость. Его скорость зависит от плотности вещества, то есть несет информацию о его внутренней структуре. Поэтому, просканировав какой­-то объект ультразвуком, можно узнать, что у него внутри. Дефектоскописты так находят различные несплошности в какой-­нибудь отливке, а медики узнают, нет ли каких уплотнений во внутренних органах человека.

Разрешающая способность, естественно, зависит от длины волны, а она обратно пропорциональна частоте звука. При частоте 20кГц удается увидеть крупные детали, размером в сантиметры, а высокочастотный, мегагерцовый, звук дает разрешение в миллиметры. Генерация и фиксирование ультразвука — относительно простые процедуры, отчего такие методы исследований получили широкое распространение.

Во­-вторых, мощный ультразвук способен вызвать такое интересное явление, как кавитационные пузырьки в жидкости. Они возникают следующим образом. При прохождении звуковой волны давление в жидкости циклически растет—снижается. Когда давление в фазе роста оказывается выше, чем давление пара этой жидкости, она начинает испаряться внутрь самой себя, и возникают пузырьки. Их зарождению способствуют растворенные в жидкости газы. Жидкость испаряется внутрь пузырька по мере его расширения, а при последующем сжатии отнюдь не весь этот пар в нее возвращается — пузырек не только не исчезает, но начинает расти. Так продолжается несколько циклов звуковой волны. Внутри пузырька развиваются чудовищные условия — температура в тысячи градусов и давление в тысячи атмосфер! И это давление разрывает ставший слишком большим пузырек: получается мощный микровзрыв, порождающий сильный гидроудар. Помимо этого, попавшие в пузырек вещества вступают в самые необычные реакции; их изучение породило даже целую науку — сонохимию. Есть подозрения, что сила такого пузырька может оказаться достаточной для зажигания термоядерной реакции – слияния ядер дейтерия с помощью так называемого пузырькового синтеза. Строго экспериментально доказать это предположение не удалось, и история с пузырьковым синтезом вошла в число темных страниц науки XX века (см. «Химию и жизнь» 2016 №4).

Как видно, последствия применения ультразвука могут оказаться диаметрально противоположными, и это породило два направления использования ультразвуковой техники. Высокочастотный — 5—10 МГц — и маломощный звук применяют для неразрушающих исследований. А высокомощный низкочастотный — 20—100 кГц —  для разных технологических надобностей. В пищевой промышленности находят применение оба, но, поскольку эта область стала развиваться лишь в середине 90­-х годов XX века, полного понимания механизмов еще нет. Например, приклеив кусок мяса жиром к металлической пластинке и подведя к ней ультразвук, можно за несколько минут сделать мясо существенно мягче. Однако почему так происходит, неизвестно — то ли волокна рвутся от кавитации, то ли ферменты активируются от сонохимии. Ультразвук явно ускоряет брожение вина или пива, но опять неясно: он разрушает клетки дрожжей, высвобождая ферменты, или способствует удалению углекислого газа, который мешает брожению. Вообще, дегазация жидкостей с помощью ультразвука — одна из значительных областей его применения в пищевой промышленности.

Звуковые волны и сами по себе, и созданные ими взрывающиеся пузырьки вызывают мощные микротечения, которые помогают перемешивать компоненты, а также измельчать структуры сложных жидкостей. Это очень полезно, когда нужно сделать эмульсию, например основу майонеза — масло в лимонном соке. Чтобы соус был хорош, эмульсия должна быть устойчивой, с мелкими каплями масла одного размера, и ультразвук быстро справляется с таким заданием. Причина, в частности, в том, что он избавляет смесь от попавшего в нее воздуха — его пузырьки мешают образованию правильной эмульсии.

Измельчение структуры способствует и быстрой заморозке: ультразвук, создавая стоячую волну, порождает многочисленные центры кристаллизации воды, и получающиеся мелкие кристаллы быстро заполняют весь объем продукта. Среди прочих физико-­химических приложений ультразвука есть и противодействие образованию пены — каждый, кто наливал пиво в стакан или шампанское в бокал, знает, насколько это неприятное явление мешает быстро потребить напиток, что уж говорить о технологах, у которых каждая минута на счету. Облегчает ультразвук и фильтрацию — благодаря кавитации и микротечениям фильтры засоряются в гораздо в меньшей степени. Используют ультразвук и как моющее средство — кавитационные пузырьки проникают в почти недосягаемые полости и отбивают налипшую там грязь гидроударами.

Очень интересное использование — ультразвуковые ножи. Продукты зачастую изготавливают большими кусками; это и огромные головки сыра, и пласты карамели, бисквита, и кубы масла. Их надо обязательно резать. Есть продукты, резать которые необязательно, но желательно — бекон, колбаса, хлеб и прочие, потребляемые тонкими ломтиками. При этом обрезков хочется избежать и добиться, чтобы продукты не липли к ножам, а сами ножи не тупились бы. Понятно, что на крупном, тем более автоматизированном производстве все эти проблемы весьма важны, и тупые ножи могут приводить к немалым убыткам. Ультразвук, подведенный к лезвию каким­-то чудесным образом, — видимо, входя в резонанс с внутренними колебаниями куска пищи, — обеспечивает движение ножа практически без усилий. Более того, липкие продукты к ножам не прилипают, а хрупкие — не крошатся. Судя по выдаче поисковой системы в Сети, такое оборудование пользуется огромной популярностью.

Другое важное применение — ускорение экстракции. Механизм этого явления также не очень понятен: то ли кавитация разрушает твердые структуры — кожицу ягод, частицы соевого жмыха, остающегося после извлечения масла, — и так высвобождает содержащиеся в них ценные вещества, то ли возникающие от звука микротечения обеспечивают лучшее проникновение в глубь вещества молекул растворителя. Коль скоро рассказ об Игнобелевской премии был связан с сыроделанием, логично рассмотреть применение технологии ультразвука для экстракции на примере изготовления непременного спутника сыра на пиршественном столе — вина. Тем более что совсем недавно подробное исследование этой технологи предприняли итальянцы Эмилио Челотти и Паола Фарраретто из Удинского университета (Труды 39­-го конгресса Организации лозы и вина, Бразилия, 2016 год).

Озвучивание вина

Идея итальянских исследователей состояла в следующем. Кожица виноградных ягод содержит множество ценных для вина веществ. У красного винограда это антоцианы и полифенолы, придающие вину насыщенный цвет и терпкость. У белого, особенно мускатного — всевозможные ароматы. Однако все они связаны с кожицей весьма сильно и в сок попадают с трудом. Поэтому виноделы применяют мацерацию: сок на несколько дней оставляют бродить вместе с мезгой — раздробленными ягодами. Растворимые в воде компоненты из кожицы потихоньку выходят в сок, а скорость процесса определяется диффузией.

Потом скисший сок отжимают и отправляют бродить далее, а после того как дрожжи переработают достаточно сахара и получившийся спирт остановит их жизнедеятельность, вино следует на созревание или старение. И важнейшим процессом при старении вина оказывается образование комплексов из антоцианов и полифенолов, прежде всего танинов. Процесс этот еще менее быстрый, чем их извлечение из кожицы, оттого хорошее вино и должно стоять в погребе по меньшей мере два года, пока оно не стабилизируется и образующие его компоненты не придут в состояние равновесия. Не исключено, что при такой выдержке возникает еще и сложная иерархия кластеров из молекул спирта и воды — все-­таки, как отмечает академик А.Л. Бучаченко в одном из докладов про химические нанореакторы, «система спирт — вода полностью кластеризована». А адепты сверхмалых доз и структуры воды отметят, что структурное состояние жидкости совсем не безразлично потребителю: в зависимости от него эта жидкость может оказаться более или менее вредной/полезной.

Традиция выдержки

Мнение, что выдержанное вино имеет не только другие вкус и аромат, но еще и иное физиологическое действие, нежели вино ординарное, возникло в незапамятные времена и подтверждено многосотлетней практикой. В качестве иллюстрации возьмем соответствующий фрагмент из «Пира мудрецов» Афинея.

« … Эвбул пишет:
Не странно ли — всегда в чести у девушек
Вино постарше, а мужчина свеженький?
<…> Старое вино, действительно, не только приятнее на вкус, но и гораздо полезнее для здоровья. Ибо оно лучше помогает усвоению пищи, а будучи составленным из более тонких частиц, быстрее выводится из организма; кроме того, оно взбадривает тело, улучшает состав крови, благотворно для кровотока, а также улучшает сон. Гомер хвалит вино, которое допускает значительное разбавление водой, как, например, вино Марона; а много воды нужно именно старому вину, так как с годами оно становится крепче. Некоторые даже толкуют бегство Диониса в море как свидетельство давнего знакомства с виноделием — ибо вино действительно приобретает приятный вкус после разбавления его морской водой. <…> Об италийских винах участник этой ученой компании Гален рассказывает следующее: “Фалернское вино приобретает приятный вкус после десяти лет выдержки и сохраняет его до пятнадцати или двадцати лет; превысившее этот срок вызывает головные боли и угнетающе действует на телесное напряжение. Существует два его сорта: сухой и сладковатый. Последний приобретает свои особенности, когда во время сбора винограда дует южный ветер, в результате вино получается более темным. Сбор в безветренную погоду дает сухое вино желтого цвета. Два сорта имеет также альбанское вино: сладковатый и кислый; оба приобретают наилучший вкус после пятнадцатилетней выдержки. Соррентинское же вино начинает приобретать приятный вкус только после двадцати пяти лет выдержки: из­-за бедности жиром и очень грубого осадка оно едва дозревает даже за этот срок; впрочем, и после этого оно по вкусу только для привыкших к нему. Регийское вино, более жирное, чем соррентинское, становится годным уже после пятнадцатилетней выдержки. Такая же выдержка нужна и привернскому, которое суше регийского и совершенно не ударяет в голову”».

Если считать, что этот перевод верен и что годы тогда считали так же, как и мы сейчас, получается, что в пору расцвета имперского Рима виноделы, а равно и потребители их продукции совсем не спешили; позволяли себе столь громадные сроки выдержки вина. В новейшее время такая неспешность — залог разорения. Ведь чем дольше хранится вино, тем в большей степени омертвляется капитал — тот, что вложен в винохранилище, и тот, что пошел на закупку винограда. И тут каждая неделя, каждый месяц сокращения срока изготовления вина без снижения качества дает конкурентное преимущество. Поэтому вино для массовой продажи выдерживают не более двух лет, и большинству из нас никогда не придется попробовать, что же за чудесное вино пили римские патриции, хотя совет Гомера разбавлять крепкое вино именно соленой водой может и пригодиться. Однако и два года виноделам кажутся чрезмерно долгим сроком, и вот возникают ускоренные методы старения вина. Разработкой одного из них и занялись исследователи из Удино. Инструментом им служил все тот же ультразвук, благодаря которому испанский коллектив получил заслуженную награду.

Старение звуком

В своих опытах Челотти и Фарраретто применяли  звук с наиболее часто используемой частотой 20 кГц, а мощность, то есть амплитуду волн, меняли в пределах до 300 Вт. Сначала они озвучивали мезгу как красного, так и белого винограда во время мацерации. И результаты получились обнадеживающими. Так, концентрация антоцианов в соке после того, как мезгу озвучивали всего-­то две минуты с мощностью в 80% от максимальной, увеличивалась троекратно! Соответственно, усиливалась и окраска вина. Полифенольный индекс возрастал в полтора раза и более, а продолжительность мацерации удалось сократить с пяти дней до двух-­трех без снижения качества. С белым вином все вышло еще удачнее: ультразвук за считаные минуты столь хорошо извлекал ароматические соединения из кожуры ягод, что можно было обойтись и вовсе без мацерации и сразу сливать сок, отжатый из озвученной мезги в чаны для брожения.

Затем пришел черед изучать воздействие ультразвука на само вино. Для опытов взяли молодое, четырехмесячной выдержки, то есть находящееся далеко от состояния равновесия. Ультразвук, несмотря на краткость воздействия — менее пяти минут, — сильно нагревал образцы, температура резко росла с 20°С до 43°С, однако этот кратковременный нагрев плохо на нем не сказывался, даже цвет не тускнел. Зато была замечена ускоренная полимеризация танинов: после ультразвука она вырастала с 23% до 30—35%. Это весьма важно, ведь свободные танины придают вину терпкость, а образование из них крупных кластеров ее снижает. Естественно, для этого нужно, чтобы в исходном вине было много свободных танинов, то есть оно должно быть молодым и терпким. Если же их мало, обработка может привести к ухудшению вкуса.

Ультразвук увеличивал и степень полимеризации комплексов танинов с антоцианами — это важно для обеспечения стабильности цвета вина. Интересно, что ультразвук оказал сильное влияние и на так называемый этанольный индекс. Этот параметр используют для быстрого определения крепости — оказывается, показатель преломления вина линейно зависит от концентрации спирта в нем. Поскольку несколько минут действия ультразвука никак не могло изменить химический состав, выходит, что оно сказалось на способности спирта связываться с какими-­то находящимися в вине веществами, и тот ушел из поля зрения оптического прибора. Авторы хоть и объяснили эффект перераспределением спирта, вызванным изменением реакционной способности танинов и полисахаридов, однако это вряд ли можно считать решением очередной загадки взаимодействия ультразвука с жидкостями.

А потом пришло время озвучивать осадок. Ультразвук, разрушая клетки дрожжей, высвобождает из них содержимое, в котором виноделов интересуют полисахариды и гликопротеины, поскольку они наполняют вино коллоидными частицами, играющими важную роль в эволюции его консистенции и вкуса. И действительно, если вино с осадком всего пять минут обрабатывали ультразвуком, причем независимо от мощности, то десять дней спустя содержание этих веществ возрастало троекратно по сравнению с контролем. Однако спустя семь месяцев выдержки в винном подвале содержание и в контроле достигало того же уровня, что в эксперименте. Причина — естественный распад отравившихся спиртом дрожжевых клеток. То есть ультразвук и тут подтвердил свою способность существенно ускорять старение вина. Причем такое «физическое» состаривание обходится без добавок специальных ферментов, которые торопливые виноделы используют для того, чтобы ускорить распад дрожжей. То есть ультразвук позволяет не только ускорить процесс, но и обходиться без всяких излишних ферментов, а также без такого консерванта, как сернистый газ.

В общем, работа Челотти и Фарраретто, появившаяся как раз спустя десять лет после того, как комитет Игнобелевской премии оценил усилия испанского коллектива по созданию теоретических основ УЗИ сыра, свидетельствует, что потенциал применения ультразвуковых технологий в пищевой промышленности огромен и не исключено, что благодаря ему мы сможем познакомиться с какими-­то неведомыми сегодня продуктами. Главное, чтобы заполнение отчетов по грантам не мешало исследователям в полной мере отдаваться своим удивительным фантазиям, даже если они на первый взгляд и не обещают какой­-либо промышленно важный результат.