Proteiinien opiskelua molekyyligastronomian kontekstissa kohti korkeamman tason ajattelutaitoja ja mahdollisimman kuohkeita marenkeja

Transkriptio

1 LUMAT 1(2), 2013 Proteiinien opiskelua molekyyligastronomian kontekstissa kohti korkeamman tason ajattelutaitoja ja mahdollisimman kuohkeita marenkeja Anna-Sofia Vilhunen Kemian opettajankoulutusyksikkö, Kemian laitos, Helsingin yliopisto Maija Aksela Kemian opettajankoulutusyksikkö, Kemian laitos, Helsingin yliopisto Anu Hopia Funktionaalisten elintarvikkeiden kehittämiskeskus, Turun yliopisto Tiivistelmä Tässä artikkelissa esitellään, miten proteiinien kemiaa voidaan opiskella mielekkäästi molekyyligastronomian kontekstissa tukemalla korkeamman tason ajattelutaitoja. Työohjeeseen liittyy myös useita myyttejä, joita oppilaat voivat pohtia. Tutkimuksellinen työskentely toteutetaan Top Chef -kilpailun muodossa: tavoitteena on valmistaa pienryhmissä mahdollisimman kevyt ja kuohkea marenki. Oppilaat toimivat nk. tutkivina kemian kokkeina. Ohje soveltuu hyvin sekä yläkouluun että lukioon proteiinien kemiaa opiskeltaessa tai kemian ja kotitalouden eheyttävään opetukseen. 1. Johdanto Työn tavoitteena on proteiinien kemian mielekäs opiskelu harjoittamalla mahdollisimman paljon korkeamman tason ajattelutaitoja (esim. Aksela, Tikkanen & Kärnä, 2012). Opiskelussa on kolme vaihetta: 1) virittäytymisvaihe tunnilla, 2) kotitehtävä ja 3) valmistusvaihe tunnilla. Työskentely toteutetaan tutkimuksellisen kemian opiskelun mukaisesti (eng. inquiry-based learning; esim. Juntunen, 2011). Siinä on seuraavat vaiheet: 1) kysymysten tekeminen, 2) työn suunnittelu, 3) datan hankkiminen (teoriatietoon tutustuminen, kokeileminen) ja analysointi sekä arviointi, 4) johtopäätösten tekeminen ja 5) tulosten esittäminen (Vilhunen, 2012). Muodostetaan esimerkiksi kahden hengen pienryhmiä. Top Chef -kilpailun tarkoituksena on rakentaa ryhmissä maultaan sekä koostumukseltaan täydellinen marenki. Italialaisen marengin valmistusohje Aineet: 5 kpl valkuaisia 250 g sokeria 0,6 dl vettä Toimi näin: Valitse puhdas astia. Erottele valkuaiset, ole tarkkana ettei mukaan joudu keltuaista.

2 VILHUNEN ET AL. Vatkaa valkuaiset kovaksi vaahdoksi vispilällä tai sähkövatkaimella. Mittaa sokeri ja vesi kattilaan ja keitä, kunnes sokeriliemen lämpötila on kohonnut 118 C asteeseen. Lisää sokeriliemi valkuaisvaahtoon hitaasti siten, että se valuu kulhoa pitkin massaan ohuena nauhana. Pyöritä massaa hitaasti kunnes se on jäähtynyt. Laita marengit pellille pieninä nokareina. Kypsennä marenkeja uunissa 120 C asteessa noin puoli tuntia. 2. Pedagoginen ohje marenkityön toteutukseen Työ voidaan toteuttaa esimerkiksi kolmessa vaiheessa: 1) Virittäytymisvaihe tunnilla: Pyydetään oppilaita muodostamaan tutkimuskysymyksiä marengin valmistusohjeen eri kohtiin liittyen, pitäen koko ajan mielessä, mitä kemiaan liittyvää tulisi selvittää. Kysymykset esitellään lopuksi opettajalle. Oppilaiden vapaassa tutkimuskäytössä on kananmunia, sokeria, sähkövatkaimet, vispilät ja erilaisia mittausja valmistusastioita. 2) Kotitehtävä: Tutustutaan tarkemmin teoriaan ja pohditaan teoriaa tutkimuksiin sekä tutkimuskysymyksiin pohjautuen. 3) Valmistusvaihe tunnilla: valmistetaan marengit. Marenkien ollessa uunissa tehdään paperille esitys proteiinien ja marenkien kemiasta. Opettajasta ja oppilaista muodostettu Top Chef -tuomaristo maistaa tuotokset, arvioi ryhmätyöt ja valitsee voittajan. Voittajajoukkueen valintaan vaikuttavat marengin keveys ja kuohkeus sekä tietenkin teoria tämä kaiken takana. Arvioinnissa oppilaiden tulee miettiä erilaisia tapoja mitata marengin keveyttä. Oppilaiden tulee miettiä, mitkä ovat keveyden kriteerit sekä kuinka keveyttä voisi mitata. Keveyden arvioinnissa oppilailla on käytössä vaa at sekä mikroskoopit Tutkimuskysymysten tekeminen Yleisesti työhön liittyviä oppilaiden muotoilemia kysymyksiä voivat olla esimerkiksi: Mitkä asiat vaikuttavat valkuaisvaahdon rakenteeseen? (rasva, vatkausmenetelmä, sokeri, lämpö) Millainen on proteiinin rakenne? Mitä erilaisia funktionaalisia ryhmiä proteiinissa on? Mitä valkuaisen vaahtoutumisessa tapahtuu? Miten nämä funktionaaliset ryhmät voisivat vaikuttaa proteiinin rakenteeseen ja reaktioihin? Millaisia proteiineja kananmunasta löytyy?

3 PROTEIINIEN OPISKELUA MOLEKYYLIGASTRONOMIAN KONTEKSTISSA KOHTI KORKEAMMAN TASON AJATTELUTAITOJA JA MAHDOLLISIMMAN KUOHKEITA MARENKEJA Työn ruokaohjeessa on paljon ruuanlaittoon liittyviä myyttejä, joita oppilaiden tulisi testata ja joihin heidän tulisi löytää selitys tai vaihtoehto. Myytit on eroteltu omiksi osioikseen, jotta oppilaiden olisi selkeämpi löytää ne. Tärkeää on, että oppilaat kyseenalaistavat myyttejä ja etsivät niihin totuuspohjaa saamastaan teoriamateriaalista sekä kokeilemalla. Seuraavassa listauksessa myytit ovat korostettuna ja selitettyinä. Suluissa on myytteihin liittyviä kysymyksiä, joita oppilaiden tulisi muodostaa ennen kokeilun aloittamista: Valitse puhdas astia Erottele valkuaiset, ole tarkkana ettei mukaan joudu keltuaista (Miksi astian pitää olla puhdas? Miten keltuainen vaikuttaa valkuaisvaahdon muodostukseen ja miksi?) Valkuaisvaahdon muodostumiseen vaikuttaa rasva. Likaisessa astiassa on usein rasvajäämiä ja rasvaa on huomattava määrä myös kananmunan keltuaisessa. Rasvamolekyyleissä, kuten proteiineissa, on hydrofiilisia ja hydrofobisia osia, joten ne myös pyrkivät ilmakuplien rajapinnoille ja kilpailevat tilasta proteiinien kanssa. Rasva toimii kuplien seassa voiteluaineena. Ero on kuitenkin siinä, että rasvamolekyylit eivät sitoudu toisiinsa vieri viereen muodostaen vahvistavia verkostoja toisin kuin proteiinit. Rasvamolekyylit ovat siis vain tiellä ja estävät proteiinimolekyylejä löytämästä toisiaan. Vatkaa valkuaiset kovaksi vaahdoksi vispilällä tai sähkövatkaimella Vatkausmenetelmä vaikuttaa vaahdon ilmakuplien kokoon. Vispilällä vatkatessa vaahdon ilmakuplista tulee isompia, kun taas sähkövatkaimella kuplia saa enemmän, mutta pienempiä. Mittaa sokeri ja vesi kattilaan ja keitä, kunnes liemen lämpötila on noussut 118 C asteeseen. Lisää sokeriliemi valkuaisvaahtoon hitaasti siten, että se valuu kulhoa pitkin massaan ohuena nauhana. Pyöritä massaa hitaasti kunnes se on jäähtynyt. Lämpötilan nostaminen parantaa koaguloitumista. Proteiinin koaguloitumisprosessi alkaa noin 60 C asteen lämpötilassa. Tämän takia usein käytetään myös lämpöhaudetta. Proteiinit denaturoituvat esimerkiksi lämmön, hapon, alkoholin tai mekaanisen liikkeen vaikutuksesta. Denaturoitumisreaktiossa proteiinikerästen kolmiulotteinen rakenne rikkoutuu ja kerät aukeavat avoimiksi ketjuiksi Työn suunnitteleminen Työn toisessa vaiheessa oppilaat suunnittelevat, mitä heidän tulisi tehdä selvittääkseen myyttien todenperäisyys. Tavoitteena on, että oppilaat suunnittelevat, mitä työvälineitä

4 VILHUNEN ET AL. käyttävät, mistä he voivat kerätä tarvittavaa tietoa ja minkälaisia kokeellisia töitä heidän tulisi tehdä, jotta he saisivat jotain selville. Opettaja tarkistaa tämän työvaiheen jokaiselta työparilta erikseen ja katsoo, että kaikki tarpeellinen löytyy Datan kerääminen ja testaus Kolmannessa vaiheessa oppilaat keräävät tarvitsemansa datan esimerkiksi internetistä, oppikirjoista sekä kokeellisuuden avulla. Tämä on tärkeä osuus työtä. Erityisesti opettajan on tärkeää huolehtia, että oppilaat ymmärtävät teorian, eivätkä vain suorita kokeellista työtä. Opettaja voi tässä yhteydessä käydä läpi lähdekritiikkiä, ja laittaa oppilaat arvioimaan löytämiensä lähteiden luotettavuutta. Opettaja voi myös ohjeistaa oppilaita, miten sekä mistä löytää tieteellisiä tutkimuksia ja artikkeleita Johtopäätösten tekeminen Datan hankkimisen jälkeen oppilaat tekevät siihen perustuen johtopäätöksensä. Oppilaat muokkaavat alkuperäistä marengin valmistusohjetta keräämänsä datan perusteella niin, että saisivat valmistettua mahdollisimman kuohkeita ja kevyitä marenkeja. Sitten he valmistavat marengit sekä ryhmätyön esityskuntoon. Opettaja voi johdatella tätä vaihetta hiukan apukysymysten avulla, mikäli oppilaat tuntuvat olevan ihan hakoteillä. Idea kuitenkin on, että oppilaat oivaltavat teorian ja kokeellisuudessa toteamansa ilmiön yhtenevyyden ilman, että opettaja sen heille osoittaa Tulosten esittäminen Kun ryhmätyöt ovat valmiita, siirrytään esitys ja kommunikointi vaiheeseen. Jokainen ryhmä esittelee työnsä vaikka posterinäyttelyssä ja tämän jälkeen opettaja vielä kokoaa oppilaiden kanssa yhteen koko teorian, jotta kaikki ymmärtävät mistä oli kyse. Top Chef tuomarina voi toimia opettaja yhdessä luokan oppilaiden kanssa. Tuomariston tulee ensin muodostaa yhdessä arviointikriteerit. Kuinka marengin kuohkeutta tai keveyttä voidaan arvioida? Tärkeää on voittajajoukkuetta valitessa painottaa kemian ymmärtämistä. 3.Proteiinien teoriaa Proteiinit eli valkuaisaineet koostuvat aminohapoista. Aminohappo rakentuu karboksyylihapporyhmästä ( COOH) ja typpiatomin sisältävästä aminoryhmästä ( NH 2). Tämän lisäksi aminohapossa on alfa-hiili, johon on kiinnittynyt R-ryhmä. Ryhmä R on vaihtuva, ja yksinkertaisimmillaan se voi olla pelkkä vety. R voi olla myös esimerkiksi hiilivety tai aromaattinen hiilivety. Ryhmä R määrittelee aminohapon ominaisuudet. Aminohapot ovat sekä hydrofiilisia että hydrofobisia eli vettä puoleensa vetäviä sekä vettä

5 PROTEIINIEN OPISKELUA MOLEKYYLIGASTRONOMIAN KONTEKSTISSA KOHTI KORKEAMMAN TASON AJATTELUTAITOJA JA MAHDOLLISIMMAN KUOHKEITA MARENKEJA välttäviä. Proteiineissa monia satoja aminohappoja on sitoutunut toisiinsa peptidisidoksin (Kuva 1). Kuva 1. Peptidisidoksen muodostuminen kahden aminohappomolekyylin välille. Proteiinilla on neljää erilaista rakennetta: primaarirakenne, sekundaarirakenne, tertiäärirakenne sekä kvaternaarirakenne. Primaarirakenteella tarkoitetaan aminohappojärjestystä. Sekundaarirakenteella tarkoitetaan aminohappoketjun vetysidoksista tai muista molekyylin sisäisistä vuorovaikutuksista johtuvaa kiertymistä spiraalille tai laskostumista. Tertiäärirakenteella tarkoitetaan sitä, kun laskos tai korkkiruuvi kiertyy kolmiulotteisesti pallomaiseksi rakenteeksi erilaisten kemiallisten voimien, kuten vetysidosten ja ionien välisten vuorovaikutusten avulla. Kvaternaarirakenteella tarkoitetaan kahden tai useamman aminohappoketjun sitoutumista toisiinsa ei-kovalenttisin sidoksin. Proteiinit denaturoituvat esimerkiksi lämmön, hapon, alkoholin tai mekaanisen liikkeen vaikutuksesta. Denaturoitumisreaktiossa proteiinikerästen kolmiulotteinen rakenne rikkoutuu ja kerät aukeavat avoimiksi ketjuiksi. Kun avautuneet proteiinit alkavat reagoida keskenään, ne muodostavat verkostoa. Tämä näkyy proteiinin hyytymisenä eli koaguloitumisena. Koaguloitumista nopeuttaa esimerkiksi lämpötilan nostaminen. Denaturoituminen on koaguloitumisreaktion ensimmäinen vaihe. Kananmunan valkuaisessa on vettä noin 89 % ja proteiineja 10 %. Keltuaisessa taasen on vettä 48 %, rasvaa 33 % ja proteiineja 17 %. Lisäksi kananmuna sisältää niukasti hiilihydraatteja ja erilaisia vitamiineja ja kivennäisaineita. Kuten aminohapoissa, myös proteiineissa on sekä hydrofiilisia että hydrofobisia osia. Kananmunan valkuaista vatkatessa avautuneet proteiinirihmastot kerääntyvät veden ja vatkauksessa muodostuneiden ilmakuplien rajapinnalle siten, että hydrofiiliset osat ovat

6 VILHUNEN ET AL. vettä kohti ja hydrofobiset ilmakuplia kohti. Lopputuloksena on verkkomainen rakenne, jossa proteiiniverkosto on sitonut veden ilmakuplien ympärille ohueksi kalvoksi (Kuva 2). PROTEIINIT + VESI + ILMA = VAAHTO Kuva 2. Valkuaisvaahdon rakenne. Siniset pisteet ovat vettä, vaaleansiniset ovat proteiinien sisäänsä sulkemia ilmakuplia. Rasvamolekyyleissä, kuten proteiineissa, on hydrofiilisia ja hydrofobisia osia, joten ne myös pyrkivät ilmakuplien rajapinnoille ja kilpailevat tilasta proteiinien kanssa. Rasva toimii kuplien seassa voiteluaineena. Ero on kuitenkin siinä, että rasvamolekyylit eivät sitoudu toisiinsa vieri viereen muodostaen vahvistavia verkostoja toisin kuin proteiinit. Rasvamolekyylit ovat siis vain tiellä ja estävät proteiinimolekyylejä löytämästä toisiaan. Lähteet Aksela, M., Tikkanen, G. & Kärnä, P. (2012). Mielekäs luonnontieteiden opetus: Miten tukea oppilaan ajattelua ja ymmärtämistä? Teoksessa P. Kärnä, L. Houtsonen & T. Tähkä (toim.), Luonnontieteiden opetuksen kehittämishaasteita 2012 (s. 9 28). Helsinki: Opetushallitus. Luettu osoitteesta pdf Juntunen, M. (2011). Kehittämistutkimus: Elinkaariajattelu ja tutkimuksellinen opiskelu kemian opetuksessa. Pro gradu-tutkielma, Helsingin yliopisto, kemian laitos, kemian opettajankoulutusyksikkö. Luettu osoitteesta Vilhunen, A.-S. (2012). Kehittämistutkimus: Tutkimuksellinen proteiinien opiskelu molekyyligastronomian kontekstissa. Pro gradu tutkielma, Helsingin yliopisto, kemian laitos, kemian opettajankoulutusyksikkö. Luettu osoitteesta