Maukasta jauhelihakastiketta ja paistetun sipulin tutkimista FTIR-spektrometrillä

Transkriptio

1 LUMAT 1(2), 2013 Maukasta jauhelihakastiketta ja paistetun sipulin tutkimista FTIR-spektrometrillä Eila Hämäläinen Hollolan lukio Tiivistelmä Oppilaani ovat valmistaneet lukion kemian työkurssilla kahtena peräkkäisenä vuonna jauhelihakastiketta ja bataattisosetta yhtenä oppilastyönään. Puolet oppilaista valmisti aterian tavalliseen tapaan, toinen ryhmä molekyyligastronomiaa hyödyntäen. Oppitunnin päätteeksi maistelimme ja vertailimme eri valmistusmenetelmillä valmistettuja ruokia. Ruoanvalmistuksen yhteydessä tutkittiin myös sitä, miten sipulin isot hiilihydraatit hajoavat kevyesti kuumennettaessa pienemmiksi, makeiksi sokereiksi. Tämä makeutuminen voidaan myös maistaa, koska pienimolekyyliset hiilihydraatit ovat vesiliukoisia ja mahtuvat kielen makureseptoreihin. Viiden minuutin välein paistinpannulta otettiin näyte, joka uutettiin veteen. Sipuli-vesiuutteesta ajettiin IRspektrit ja saatuja spektrejä verrattiin kirjastolähteisiin ja referensseihin. Spektrien tarkastelussa ei edes yritetty tehdä täydellistä analysointia paistossa muodostuvista komponenteista, vaan pyrittiin ainoastaan löytämään viitteitä siihen, kasvaako sokerin määrä (makeus) paistoajan funktiona. Tehty työ osoitti riittävällä tarkkuudella sen, että paistossa muodostui sakkaroosia 35 minuutin kuumennukseen saakka, jonka jälkeen tuotteessa alkoi tapahtua mahdollisesti sekä karamellisoitumista että Maillard-reaktioita ja sokerien määrä putosi. Menetelmä vaatii kehittämistä, jotta voidaan selvittää kuumennuksessa muodostuvan sakkaroosin ja glukoosin suhteet verrattuna raa an sipulin pitoisuuksiin. Myös näytteiden valmistuksessa (kuumennuksessa) ja näytteenotossa on paljon kehitettävää, jotta sokerin muodostuminen kuumennuksen aikana voidaan esittää yksiselitteisesti. 1. Johdanto Olen toteuttanut kahtena peräkkäisenä vuonna yhtenä kemian työ- ja tutkimuskurssin (KE 6) työnä jauhelihakastikkeen ja bataattisoseen valmistuksen yläkoulun kotitalousluokassa. Valitessani kyseisen työn yhdeksi työkurssin työksi tarkoitukseni oli esitellä opiskelijoille molekyyligastronomiaa, ja näin monipuolistaa opetustani. Molekyyligastronomian tutkimuskohteena on ruuanlaiton kemia ja fysiikka. Pyrkimyksenä on saada aikaan sellaisia tuloksia, joita ymmärtävät sekä tiedemiehet että kotikokit. Hyvässä ruuassa on tasapainossa kaikki viisi perusmakua: makea, hapan, suolainen, karvas ja umami. Lisäksi molekyyligastronomiassa tutkitaan esimerkiksi ruoan ainesosien muuttumista eri valmistusmenetelmillä. Tutkimuskohteina ovat myös ruoan nautintoon liittyvät ilmiöt: tunteet, ympäristö ja kattaus. Jauhelihakastikkeen valmistuksen yhteydessä paistetun sipulin makeutuminen herätti paljon kysymyksiä ja innostusta jatkotutkimuksiin. Sipulien tarkempi tutkiminen tuli mahdolliseksi, kun Bruker Optics Scandinavia Ab:n asiantuntija vieraili työkurssilla. ISSN (web) (CC BY-NC-ND 3.0)

2 HÄMÄLÄINEN Sipulitutkimusta varten sipulia kuumennettiin paistinpannulla ilman rasvaa. Pannulta otettiin 5 minuutin välein näytteet, joista sitten myöhemmin ajettiin Bruker Alpha FTIRspektrometrillä IR-spektrit. 2. Kemian työkurssin oppitunti kotitalousluokassa 2.1. Käytännön toteutus Sekä jauhelihakastikkeen että bataattisoseen ainesosat jaettiin tasan kahteen osaan. Puolet oppilaista valmisti aterian tavalliseen tapaan, toinen ryhmä molekyyligastronomiaa hyödyntäen (Hopia, 2008; Hopia, 2009, s ; Keittotaito, 2012; Liite 1). Oppitunnin päätteeksi maistelimme ja vertailimme eri valmistusmenetelmillä valmistettuja ruokia Kemiallinen tausta Jauhelihakastikkeen mausteet kuumennetaan aluksi öljyssä, jolloin rasvaliukoiset aromiaineet uuttuvat mausteista öljyyn. Tämän jälkeen mausteet lisätään vesipohjaiseen kastikkeeseen, jolloin vastaavasti mausteiden vesiliukoiset aineet uuttuvat. Lisäksi sipulin ja jauhelihan kuumentaminen eri lämpötiloissa saa aikaan erilaisia reaktioita, jolloin muodostuu myös monenlaisia ja makuvivahteiltaan erilaisia reaktiotuotteita, esimerkiksi karamellisoitumisen ja Maillard-reaktion seurauksena (Kuva 1). (Hopia, 2009, s , 39, 250; Suomen Sokeri Oy, 2006, s. 23) Kuva 1. Kuumennettaessa sipulien isot hiilihydraatit hajoavat makeiksi.

3 MAUKASTA JAUHELIHAKASTIKETTA JA PAISTETUN SIPULIN TUTKIMISTA FTIR-SPEKTROMETRILLÄ Bataattisose voidaan valmistaa lisäämällä perunan ja bataatin joukkoon joko maitoa, vettä tai smetanaa. Smetana antaa happamana aineena soseelle hieman vahvemman maun verrattuna maitoon. Samalla se lisää soseen rasvapitoisuutta, joka koetaan yleensä mukavana suutuntumana. (Hopia, 2009, s. 70, 146) 2.3. Yhteys lukion opetussuunnitelman perusteisiin Kemian 1. kurssin keskeisenä sisältönä on esimerkiksi aineiden poolisuuden ymmärtäminen; similia similibus solvuntur. Jauhelihakastikkeen mausteiden uuttaminen ensin rasvaan ja sitten veteen selventää poolisten ja poolittomien aineiden keskinäistä liukoisuutta. Kemian 1. ja 4. kurssissa käsitellään orgaanisten yhdisteiden, esimerkiksi hiilihydraattien ja proteiinien rakenteita, kemiallisia reaktioita sekä ominaisuuksia. Kun sipulia kuumennetaan, sen pitkät hiilihydraattiketjut pilkkoutuvat pienemmiksi molekyyleiksi. Kurssien teoriaosuudessa selvitetään esimerkiksi polysakkaridien koostumista monosakkarideista. Siinä yhteydessä voidaan esittää opiskelijoille kysymys, miksi paistettu sipuli maistuu makealta? Proteiinien rakennetta käsiteltäessä voidaan esittää kysymys: Onko joku teistä nähnyt, mitä jauhelihalle tapahtuu, kun sitä paistetaan? Tällaisen tutut esimerkit lisäävät kiinnostusta kemiaa kohtaan, jolloin opiskelija pyrkii ymmärtämään myös teoreettisia kemiaan liittyviä asioita, esimerkiksi proteiinien peptidisidoksia ja proteiinien denaturoitumista. Soveltavan kurssin, makromolekyylien kemia (KE 8), tavoitteena on, että opiskelija saa syvällisemmän käsityksen esimerkiksi luonnossa esiintyvistä polymeereistä. Kurssin aikana opiskelija joutuu yhdistelemään eri tieteenalojen asioita keskenään ja muodostamaan oppiainerajat ylittävän luonnontieteellisen tiedon. Luonnon polymeerejä käsiteltäessä opiskelijan on itse keksittävä käytännön esimerkkejä, missä niiden reaktioita voidaan havaita. Tässä kohtaa hän voi käyttää esimerkkinään jauhelihakastikkeen valmistuksen yhteydessä tapahtuvia reaktioita. (Opetushallitus, 2003; Hollolan lukio, 2005, s ) 2.4. Oppilaiden kommentteja molekyyligastronomiaa sisältäneestä oppitunnista Oppilaat pitivät ruuanlaittoa mielenkiintoisena, mukavana ja erilaisena tapana opiskella kemiaa. Tällainen opiskelu heidän mielestään myös monipuolistaa kemian opiskelua ja havainnollistaa, mihin kaikkeen kemiaa voidaan käyttää hyväksi tavallisessa elämässä. Jauhelihakastikkeen sipulien valmistus selvensi hiilihydraattien kemiaa. Vastaavasti mausteiden kuumennus ensin rasvassa ja niiden lisääminen vasta sitten vettä sisältävän kastikkeen joukkoon selvensi aineiden rasva- ja vesiliukoisuutta. Lisäksi suoria lainauksia oppilaiden palautteista:

4 HÄMÄLÄINEN Olen kiinnostunut ruuanlaitosta, joten kokkaus oli huippukivaa. En olisi uskonut kastikkeiden ja muusien eroa! Tunnista sai vinkkejä ihan kotikokkaukseen, joita aion hyödyntää tulevaisuudessa. Kyseinen työ avarsi mieltä siitä, mihin kaikkeen kemiaa voi käyttää. Yhteinen ruokailukin oli mukava kokemus. Gastronomiatunti oli mukava. Vaikka alitajunnassa on tiennyt, että ruuanlaitossa makujen kanssa taiteillaan juuri ruuanlaittotapojen avulla, niin sitä ei ole osannut ajatella kemian kantilta. Nyt kun tieto tuollakin saralla on syvempää, niin osaa ehkä paremmin tulevaisuudessa loihtia niistä opiskelijan halvoista raaka-aineista myös maistuvaa ruokaa. Kokkaamisen ystävänä tämä oli ehdottomasti koko kurssin kohokohta minulle! Yhdessä kokkaaminen oli kivaa. Työohjeesta kävi selkeästi ilmi, mitä pannulla tapahtuu ja miksi on meneteltävä ohjeen sanomalla tavalla. Ja itse ero tavallisen ja molekyyligastronomisen kastikkeen välillä oli niin uskomaton, ettei sitä voisi edes tajuta ilman maistamista. Ymmärrän hyvin innostuksesi aiheeseen! Kerrankin ei ollut nälkä tunnin jälkeen! 3. Kuumennetun sipulin tutkimista FTIR-spektrometrillä 3.1. Käytännön toteutus IR-mittauksia varten yksi iso sipuli pilkottiin pieniksi palasiksi, joita sitten kuumennettiin paistinpannulla tasaisella lämmöllä (liesi 3-teholla). Vettä lisättiin tarvittaessa, jotta sipulit eivät olisi palaneet pannulle. Viiden minuutin välein pannulta otettiin näyte. Jokaisesta kahdeksasta näytteestä otettiin silmämääräisesti yhtä suuri näyte-erä (n. 4 grammaa) ja näytteiden päälle pipetoitiin 10 ml vettä ja ravisteltiin. Sipuli-vesiuutteesta ajettiin IRspektrit (Kuva 2 ja Kuva 3). 35 minuuttia paistetussa sipulissa näkyy sakkaroosi (piikki n cm 1 ) ja olkapää (n cm 1 ), joka tulee todennäköisesti glukoosista (dekstroosista). Kuva 2. Sipuli-vesiuutteet, paistoaika 5 40 minuuttia.

5 MAUKASTA JAUHELIHAKASTIKETTA JA PAISTETUN SIPULIN TUTKIMISTA FTIR-SPEKTROMETRILLÄ Kuva 3. Sipuli-vesiuutteista ajetut IR-spektrit. Saatuja spektrejä verrattiin tutkimuskirjallisuuteen ja referensseihin. (Ring, 2006; Kuva 4) Kuva 4. Sakkaroosi, virvoitusjuoma ja 30 minuuttia paistettu näyte.

6 HÄMÄLÄINEN Sakkaroosipitoisuus mitattiin kvantitatiivisesti, käyttäen kalibraatiosuoraa, jossa käytetyt standardit olivat välillä 1 13 grammaa sakkaroosia 100 ml:ssa vettä. Spektreistä tehtiin pinta-alaintegrointi aaltolukualueella cm 1. Kalibrointisuoran yhtälö on y = 2, ,2766x ja korrelaatiokerroin on 0,992. (Kuva 5 ja Taulukko 1) Kuva 5. Sokeripitoisuus määriteltiin käyttämällä kalibraatiosuoraa. Taulukko 1. Paistetun sipulin sakkaroosipitoisuus paistoajan funktiona. sipulin paistoaika (min) sakkaroosipitoisuus (g/100 ml) 5 2,3 10 3,3 15 4,4 20 5,2 25 8,7 30 9, ,4 40 9,4

7 MAUKASTA JAUHELIHAKASTIKETTA JA PAISTETUN SIPULIN TUTKIMISTA FTIR-SPEKTROMETRILLÄ Sipulinäytteistä ajettiin IR-spektrit myös ennen uuttamista, mutta tulokset olivat epämääräisiä. Spektreistä voitiin kuitenkin havaita näytteiden sisältävän sakkaroosia ja glukoosia. Toisella testikerralla yhdestä isosta sipulista punnittiin 11 sipulierää, jokainen noin 2 grammaa. Näytteitä kuumennettiin lieden 3-teholla käyttäen paistinpannua, jonka lämpötila mitattiin infra-punalämpömittarilla. Lämpötilaksi saatiin C. Jo 25 minuutin kuluttua sipulit olivat lähes palaneet, vaikka myös tämän testin yhteydessä pieniä määriä vettä lisättiin paistettavien sipulien joukkoon. Paiston lopuksi näytteiden päälle lisättiin vettä vielä 5 ml ja uutteet mitattiin FTIR-spektrometrillä. Tällä menetelmällä saadut mittaustulokset eivät osoittaneet niin selvää sakkaroosipitoisuuden kasvamista kuumennuksen edetessä kuin edellisellä testikerralla. Kuitenkin myös näin mitaten voitiin havaita, että näytteessä oli sekä sakkaroosia (piikki 1052 cm 1 ) että glukoosia (piikki 1032 cm 1 ). (Taulukko 2) Taulukko 2. Jokainen sipulinäyte paistettiin erikseen. punnittu raaka sipuli (g) paistoaika (min) sakkaroosipitoisuus (g/100 ml) 2,09 0 0,9 2,11 5 2,4 2, ,6 2, ,0 2, ,6 2, ,1 2, ,2 2, ,3 2, ,6 2, ,9 2, , IR-mittauslaitteisto Mittaukset suoritettiin Bruker Alpha FTIR-spektrometrillä (Bruker Optik GmbH, Ettlingen). Spektrialueena oli cm 1. Spektrometriin oli liitetty ATR-laitteisto varustettuna timantti-kiteellä (2 2 mm), jolle näytteet pipetoitiin suoraan. IR-säteen tulokulma kiteelle oli 45 astetta ja säteen tunkeuma näytteeseen 2 mikronia. Näytteestä ja taustasta ajettiin 64 pyyhkäisyä erotuskyvyn ollessa 4 cm 1. (Kuva 6) Tulosten analysointiin käytettiin laitteistoon liitettyä OPUS-ohjelmistoa (Bruker Optics) ja spektrit normalisoitiin spektrien vektorinormalisointityökalulla ennen spektrien vertailuja toisiinsa.

8 HÄMÄLÄINEN Kuva 6. Oppilaat mittaavat sipulinäytteitä FTIR-spektrometrillä Kvalitatiivinen analyysi IR-mittauksessa tarkastellaan yleensä koko näytettä. Saadussa spektrissä näytteen sekä sen komponenttien erityispiirteet ovat melko helposti havaittavissa (Jaarinen & Niiranen, 2005, s. 97). Spektrien tarkastelussa ei edes yritetty tehdä täydellistä analysointia paistossa muodostuvista komponenteista, vaan pyrittiin ainoastaan selvittämään, kasvaako sokerien määrä (makeus) paistoajan funktiona. Täydellinen analyysi vaatisi lisäksi komponenttien eristämistä (esimerkiksi HPLC-kromatografiaa käyttäen) ja jatkoanalyysiä esimerkiksi massaspektrometrisesti. Edellä tehty työ kuitenkin osoittaa riittävällä tarkkuudella sen, että paistossa muodostui sakkaroosia 35 minuutin kuumennukseen saakka. Tämän jälkeen tuotteessa alkoi tapahtua todennäköisesti sekä karamellisoitumista että Maillard-reaktioita ja sokerien määrä putosi (Kuva 3). Sipulinäytteissä oli myös glukoosia. Tämä tulos perustuu spektrien cm 1 alueen tarkasteluun, mutta muodostuneen glukoosin määrää ei tässä testissä arvioitu. Menetelmä vaatii kehittämistä, jotta voidaan selvittää kuumennuksessa muodostuvan sakkaroosin ja glukoosin suhteet verrattuna raa an sipulin pitoisuuksiin ( Fineli, 2011). Myös näytteiden kypsentämisessä ja näytteen otossa on paljon kehitettävää, jotta sokerin muodostuminen kuumennuksen aikana voidaan todentaa yksiselitteisesti.

9 3.4. Kemiallinen tausta MAUKASTA JAUHELIHAKASTIKETTA JA PAISTETUN SIPULIN TUTKIMISTA FTIR-SPEKTROMETRILLÄ Sipulin isot hiilihydraatit hajoavat kevyesti kuumennettaessa pienemmiksi, makeiksi sokereiksi. Kun kuumennusta jatketaan, vesi haihtuu. Kun lämpötilan annetaan nousta riittävän korkeaksi (yli C), tapahtuu karamellisoituminen, jolloin sipulien isoista hiilihydraateista hajoamisrektioiden seurauksena syntyy satoja pieniä, värillisiä pilkkoutumistuotteita. Pienimolekyyliset hiilihydraatit ovat myös vesiliukoisia ja maistuvat makeilta, koska ne mahtuvat kielen makureseptoreihin. (Hopia, 2009, s , 49, ; Suomen Sokeri Oy, 2006, s. 3, 11, 25) 3.5. Tavoitteet ja yhteys opetussuunnitelmiin Kemian työ- ja tutkimuskurssin (KE 6) tavoitteena on, että opiskelija tutustuu erilaisiin kemian työ- ja tutkimusmenetelmiin. Asiantuntijoiden vierailu oppitunnilla on yksi kurssin keskeisistä sisällöistä. Tällaiset vierailut mahdollistavat myös sellaiset tutkimukset, joita koulun omilla laitteilla ei ole mahdollista tehdä. Lisäksi ne antavat opiskelijalle sellaisia kokemuksia, jotka herättävät ja syventävät hänessä kiinnostusta kemiaa ja sen opiskelua kohtaan. (Hollolan lukio, 2005, s ) IR-tutkimuksella opiskelijan oli mahdollista syventää tietoaan hiilihydraattien rakenteista, kemiallisista reaktioista sekä niiden ominaisuuksista (kemian kurssit 1, 2, 4 ja 8). Lisäksi opiskelija tutustui vesiliukoisten sokerien uuttamiseen uutteen tutkimiseen IR-spektroskopian ATR-menetelmällä spektrin käsittelyyn sokerin toteamiseen (myös kvantitatiivisesti) eri spektrialueilla käsitteeseen vertailureferenssi 3.6. Oppilaiden kommentteja oppitunnista Oppilaat pitivät myös tätä oppituntia mielenkiintoisena: Vierailija Timo Tuomi oli tosi mukava. IR oli yksi erikoisimmista tunneista, joita kurssilla oli. Ennen en ollut kuullutkaan moisesta tunnistusmenetelmästä. Oli hieno asia, että saimme itse käyttää laitetta Timon opastamana, eikä tarvinnut katsoa vain vierestä (näin oppi paljon enemmän). Spektrien tulkintaakin opimme hieman. (Kuva 7) Sipulikokeiden tulokset olivat mielenkiintoisia! Lisäksi oli kiva saada spektrit omatekemistä aineista. Tosi hyvä tunti, ehdottomasti jatkoon.

10 HÄMÄLÄINEN Kuva 7. Opiskelijat tulkitsemassa IR-spektrejä. 4. Vinkkejä opetukseen Sekä ruuan valmistuksessa että IR-oppitunnilla käytimme learning by doing - menetelmää. Molempien töiden onnistuminen antoi opiskelijoille onnistumisen kokemuksia, mikä taas parhaimmassa tapauksessa herättää mielenkiintoa kemiaa kohtaan niin paljon, että opiskelija lähtee myös jatko-opiskelemaan kemiaa tai sitä soveltavia tieteitä. Lisäksi työt syvensivät normaaleilla kursseilla opittuja asioita. Arkielämän asioiden valinta tutkimuskohteeksi lisää mielenkiintoa sekä ruuan valmistusta että kemian tutkimusta kohtaan. Sipulin IR-tutkimuksessa jäi vielä monta asiaa epäselväksi. Näihin mieltä askarruttaviin ky-symyksiin pyrin kehittämään tulevaisuudessa lisätöitä opiskelijoille. Yhteistyö koulun ulkopuolisten tahojen kanssa on erittäin antoisaa. Lähteet Fineli: elintarvikekoostumuksen tietopankki. (2011). Versio 14. Helsinki: Terveyden ja hyvinvoinnin laitos, ravitsemusyksikkö. Luettu osoitteesta Hollolan lukio. (2005). Hollolan lukion opetussuunnitelma. Luettu osoitteesta Hopia A. (2009): Kemiaa keittiössä. Helsinki: Kustannusosakeyhtiö Nemo. Hopia A. (2008). Molekyyligastronomia-blogi. Luettu osoitteesta Jaarinen, S., & Niiranen, J. (2005). Laboratorion analyysitekniikka (5. painos). Helsinki: Edita.

11 MAUKASTA JAUHELIHAKASTIKETTA JA PAISTETUN SIPULIN TUTKIMISTA FTIR-SPEKTROMETRILLÄ Keittotaito ruuanvalmistuksen nettiopas. Luettu osoitteesta Opetushallitus. (2003). Lukion opetussuunnitelman perusteet. Helsinki: Opetushallitus. Ring, T. A. (2006). Comparison of Raman and ATR-FTIR Spectroscopy of Aqueous Sugar Solutions. Luettu osoitteesta Report.doc. Suomen Sokeri Oy. (2006). Sokeri: Auringon energiasta elintarvikkeiden valmistusaineeksi. Luettu osoitteesta Liitteet Liite 1.