Święta już za chwilę, czyli mamy okres, podczas którego w wielu domach piecze się ciasta. Przygotowywanie ciast to wdzięczny temat dla chemika, więc dzisiaj zajmiemy się jednym z procesów, który bywa wykorzystywany przy tej czynności – karmelizacją.
Słowo „karmel” trafiło do większości języków za pośrednictwem francuszczyzny (caramel), jednak trop prowadzi dalej – przez język hiszpański i portugalski, w których brzmi ono caramelo – prawdopodobnie do późnołacińskiego calamellus „trzcina cukrowa”.
Domowa karmelizacja polega na stopieniu cukru i wylaniu go zwykle na blachę do pieczenia. Po zastygnięciu powstały karmel najczęściej kruszy się i przerabia na sos (przez zmieszanie ze śmietaną), a następnie wykorzystuje jako dodatek do różnych produktów (np. jako środek słodzący lub zapachowy, a w przemyśle spożywczym także jako barwnik do pieczywa, czekolad, napojów typu cola, piw, whisky) albo posypkę do już upieczonego ciasta. Sam pamiętam z dzieciństwa jeden z moich ulubionych wypieków domowych: piekielnie słodki „tort” w kształcie wieńca, przekładanego cytrynowym kremem na bazie serków homogenizowanych, smarowanego tymże kremem i obficie obsypanego tłuczonym karmelem z orzechami… Ach, rozmarzyłem się, ale może wróćmy do chemii 🙂
Zatem z punktu widzenia chemika karmelizacja jest procesem obróbki termicznej sacharydów, w którego wyniku dochodzi przede wszystkim do dehydratacji i związanych z tym reakcji izomeryzacji oraz polimeryzacji cząsteczek węglowodanów. Temperatura karmelizacji zależy od rodzaju sacharydu – najczęściej używa się w tym procesie najpopularniejszego cukru, czyli sacharozy (170°C). Fruktoza karmelizuje się już w 105°C, glukoza w 150°C, galaktoza w 160°C, a maltoza – w 180°C.
Technologia żywności traktuje karmelizację (sacharozy) jako proces wieloetapowy, rozpoczynający się już po przekroczeniu temperatury 100°C i trwający aż do powstania tzw. „black Jacka” (ok. 210°C). Produkty pośrednie charakteryzują się coraz większą twardością, od której zależy ich zastosowanie – np. „karmele” powstające w przedziale 129÷168°C służą do wyrobu różnych rodzajów cukierków. Karmele otrzymane w najwyższych temperaturach (nawet 240°C), przez tzw. palenie cukru trwające kilka godzin, mają zabarwienie ciemnobrunatne i są zwykle używane jako barwniki do piwa i innych alkoholi.
Karmelizacji poddaje się także produkty zawierające cukier jako jeden ze składników. Na przykład słynny francuski deser crème brûlée ma na wierzchu przypieczoną skorupkę, otrzymywaną przez krótkie intensywne ogrzewanie palnikiem, powodujące karmelizację górnej warstwy. Amelia z filmu Jean-Pierre’a Jeuneta uwielbiała przebijanie skorupki crème brûlée jako jedną z drobnych codziennych przyjemności…
Proces karmelizacji nie jest jeszcze dokładnie zbadany – jego wynikiem jest mieszanina setek związków chemicznych, powstających w różnorodnych reakcjach, takich jak równoważenie anomerów, inwersja sacharozy na glukozę i fruktozę, kondensacja, dehydratacja, izomeryzacja aldoz do ketoz, tworzenie nienasyconych polimerów i inne. W rezultacie powstają charakterystyczny zapach i smak oraz barwa karmelu. Za zapach i smak odpowiadają głównie wydzielające się związki małocząsteczkowe i lotne, takie jak diacetyl, a za brązową barwę – karmelany (C₂₄H₃₆O₁₈), karmeleny (C₃₆H₅₀O₂₅) i karmeliny (C₁₂₅H₁₈₈O₈₀).
O szybkości karmelizacji decyduje nie tylko temperatura, ale i odczyn procesu. W środowisku obojętnym karmelizacja zachodzi najwolniej, przyśpiesza natomiast w środowisku silnie kwasowym (poniżej 3) i silnie zasadowym (powyżej 9). W związku z tym przepisy dotyczące dodatków do żywności uwzględniają różne typy karmelu zależnie od sposobu jego otrzymania.
Najpopularniejszy jest karmel alkaliczny (E150a), o którego zastosowaniach już pisałem. Karmel siarczynowy (E150b), otrzymywany przez ogrzewanie sacharozy z ditlenkiem siarki, służy głównie jako barwnik do lodów i napojów alkoholowych (whisky, brandy, fermentowane napoje mleczne). Karmel amoniakalny (E150c) powstaje przez działanie amoniakiem na sacharozę i jest stosowany jako barwnik do ciemnego pieczywa, niektórych sosów (np. sojowego), czekolad, dżemów, marynat itd. Wreszcie karmel amoniakalno-siarczynowy (E150d) jest używany do barwienia m.in. piwa typu porter i brązowego sosu do mięs. Dodatek amoniaku obniża wymaganą temperaturę karmelizacji i zwiększa siłę barwiącą karmelu, prowadzi jednak do powstawania neurotoksycznego 4(5)-metyloimidazolu. Z tego powodu dąży się do wyeliminowania amoniaku z produkcji karmelu – można go zastąpić aminokwasami i ich solami.
Należy zauważyć, że karmel niestety nie jest zbyt zdrowym produktem. Wszystkie jego rodzaje spożyte w nadmiernej ilości mogą powodować nadpobudliwość, szkodzą na wątrobę i żołądek, a nawet mogą wywołać zaburzenia płodności.
Aby nie kończyć tak ponurym akcentem, jeszcze kilka wiadomości o bardzo popularnym ostatnio słonym karmelu. Słony karmel jest stosunkowo nowym produktem spożywczym – nie ma jeszcze nawet 50 lat. Za jego wynalazcę uważa się francuskiego cukiernika Henriego Le Roux z Bretanii, który w 1977 roku stworzył deser karmelowy otrzymany na bazie bretońskiego lekko solonego masła (franc. demi-sel). Przysmak ten błyskawicznie zdobył popularność i już w 1981 został zastrzeżony pod nazwą caramel au beurre salé. W następnych dekadach słony karmel rozpowszechnił się w ciastkach i deserach czekoladowych, a już w bieżącym stuleciu został spopularyzowany jako smak lodów.
Badania naukowe wskazują, że powodzenie słonego karmelu może wynikać z jego podwójnego działania na układ nagrody w ludzkim mózgu, dzięki połączeniu smaku słodkiego i słonego. Prowadzi to do tzw. „eskalacji hedonistycznej”. Myślę jednak , że nikt nie ma nic przeciwko zostaniu hedonistą przynajmniej na czas Świąt.
Tekst pierwotnie opublikowany na facebookowej stronie dla nauczycieli chemii Wydawnictwa Nowa Era.
[źródła: Władysław Kopaliński Słownik wyrazów obcych i zwrotów obcojęzycznych, Wiedza Powszechna, Warszawa 1994; praca zbiorowa pod red. Zdzisława E. Sikorskiego Chemia żywności, wyd. IV, WNT, Warszawa 2006; John Emsley Przewodnik po chemii życia codziennego, tłum. Edwin Bendyk i Joanna Słowikowska, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996; Wikipedia]
[źródła ilustracji: Zdjęcie 234544564 / Caramel © Max Lashcheuski | Dreamstime.com; Zdjęcie 179752274 / Caramel © Natalia Zakharova | Dreamstime.com; Zdjęcie 155670099 / Caramel © Stephanie Frey | Dreamstime.com; Zdjęcie 155670381 / Caramel © Stephanie Frey | Dreamstime.com; Zdjęcie 171934112 / Caramel © Susan Sheldon | Dreamstime.com; ScienceABC https://www.scienceabc.com/pure-sciences/sugar-turn-brown-melted-caramelization-maillard-reaction.html; Robin Müller, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16256936; Queneau, Yves & Jarosz, Slawomir & Lewandowski, Bartosz & Fitremann, Juliette. (2007). „Sucrose Chemistry and Applications of Sucrochemicals. Advances in carbohydrate chemistry and biochemistry”. 61. 217-92. 10.1016/S0065-2318(07)61005-1; „Amelia”, reż. Jean-Pierre Jeunet, 2001]