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1.1 Was beim Garen geschieht
Alle Tiere fressen ihre Nahrung roh. Nur der Mensch kocht sein Essen. Schon unsere Vorfahren in der Altsteinzeit erhitzten ihre Speisen auf hohe Temperaturen, damit sie leichter verdaulich werden und an Geschmack gewinnen. Dass dies von Vorteil ist, unterliegt keinem Zweifel. Aber was geschieht eigentlich mit einem Schnitzel, das in der Pfanne brutzelt, oder dem Blumenkohl im Kochtopf? Welche physikalischen und chemischen Prozesse werden durch das Erhitzen ausgelöst? Und was meinen wir, wenn wir sagen, etwas sei „gar“?
Eine Antwort auf diese Fragen kann uns nicht nur dabei helfen, durch das gezieltere Steuern von Garvorgängen die Erzeugnisse unserer eigenen Kochkunst zu verbessern. Die Beschäftigung mit der Physik des Kochens führt uns auch auf zwanglose Weise zum eigentlichen Ziel dieses Buches: die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen. Sehen wir uns daher an, was mit den Speisen beim Garen geschieht. Es wird sich auszahlen.
Warum wir unsere Nahrung kochen
Wirklich nötig wäre das Kochen von Nahrungsmitteln nicht. Wie die Freunde von Carpaccio, Tatar und Mett wissen, kann man rohes Fleisch essen. Ein ernster Grund spricht in der Praxis dagegen: die Salmonellen, Trichinen oder Bandwürmer, die möglicherweise im rohen Fleisch lauern. Fast alle Gemüsesorten kann man dagegen problemlos roh zu sich nehmen. Nur Bohnen und Kartoffeln enthalten Giftstoffe, die durch das Kochen unschädlich gemacht werden.
Nicht um die Essbarkeit an sich geht es beim Kochen, sondern um Konsistenz, Geschmack und Verdaulichkeit. Harte Lebensmittel (z. B. Blumenkohl oder Brokkoli) werden durch das Kochen weicher. Zähe, elastische Nahrungsmittel wie Fleisch werden mürbe und damit kaubar. Und nicht zuletzt führt das Erhitzen zur Bildung von Aromastoffen. Richtig gut schmeckt ein Steak erst dann, wenn es gut angebraten ist und sich in seiner braunen Kruste leckere Geschmacksstoffe gebildet haben.
1.2 Gemüse
Die mechanische Stabilität von Pflanzen beruht darauf, dass ihre Zellen von einer stützenden und festigenden Zellwand umgeben sind (Abb. 1.1). Sie besteht hauptsächlich aus Cellulose, einem harten und faserigen Material, das der Mensch auch dann nicht verdauen kann, wenn es gekocht ist. Ist auf einer Lebensmittelverpackung von Ballaststoffen die Rede, dann ist damit hauptsächlich die enthaltene Cellulose gemeint.
Zellmembran und Osmose
Für das Kochen wichtiger als die Zellwand ist die Zellmembran. Sie liegt innen an der Zellwand an und stellt die funktionelle Abgrenzung der Zelle nach außen dar. In kulinarischer Hinsicht ist die Zellmembran für die Knackigkeit rohen Gemüses verantwortlich. Sie ist nämlich semipermeabel, d. h. durchlässig für manche Substanzen (wie Wasser), undurchlässig für andere, so dass Osmose stattfinden kann. Was dabei geschieht, lässt sich in Kürze wie folgt beschreiben: Aufgrund der Konzentrationsunterschiede der gelösten Stoffe auf beiden Seiten der Zellmembran nimmt die Zelle Wasser auf, bis sie prall mit Flüssigkeit gefüllt ist und in ihrem Inneren ein höherer Druck als außen herrscht. Dieser sogenannte Gewebedruck oder Turgor sorgt für das knackige Gefühl, das man beim Hineinbeißen in rohes Gemüse verspürt.
Abb. 1.1: Mikroskopische Aufnahme einer Pflanzenknolle, bei der die Zellwände sichtbar gemacht wurden
Abb. 1.2: Beim Garen von Gemüse verringert sich der Gewebedruck.
Beim Kochen wird die empfindliche Zellmembran zerstört. Sie wird bei Temperaturen um 40–45 °C aufgebrochen und büßt dadurch ihre Funktion als semipermeable Membran ein. Nun findet keine Osmose mehr statt, der Gewebedruck kann nicht aufrechterhalten werden und das Gemüse verliert seine Knackigkeit. Weil die Zellmembran jetzt auch das Innere und das Äußere der Zelle nicht mehr voneinander trennt, können Zellbestandteile austreten und nach dem Verzehr vom menschlichen Körper als Nährstoffe aufgenommen werden. Umgekehrt gelangen Verdauungsenzyme ins Innere der Zelle. Gemüse wird also durch das Kochen leichter verdaulich (Abb. 1.2).
Cellulose
Es geschieht aber noch mehr, wenn man Gemüse kocht. Die Zellwände zweier Pflanzenzellen sind nämlich durch Pektine miteinander „verklebt“. Wie die Cellulose sind die Pektine Polysaccharide, d. h. lange Ketten von Zuckermolekülen. Anders als die Cellulose bleiben die Pektine vom Erhitzen nicht unbeeinflusst. Was mit ihnen geschieht, kennt man aus eigener Anschauung vom Marmeladekochen. Dabei dienen Pektine nämlich als Geliermittel. Direkt nach dem Einkochen, bei hohen Temperaturen, ist die Marmelade flüssig. Beim Erkalten bilden die Pektine ein Gel, das für die dickflüssige oder geleeartige Konsistenz der Marmelade verantwortlich ist.
Wenn man Gemüse länger kocht, passiert das Gleiche wie bei der Marmelade. Die Pektine verlieren bei höheren Temperaturen ihre gelierende Wirkung und damit ihre Fähigkeit, Pflanzenzellen miteinander zu verkleben. Die Zellen können sich nun leicht voneinander lösen, die Pflanze zerfällt nach und nach; es entsteht eine Art Mus.
In der Küche beabsichtigt man nur in den seltensten Fällen, seinen Gästen eine amorphe Masse aus zerkochtem Gemüse vorzusetzen. Gemüse kocht man nur bissfest. Einerseits sollen die Nährstoffe durch das Aufbrechen der Zellmembran für den Körper gut verfügbar sein, andererseits soll aber das Auflösen der Pektinbindungen noch nicht zu weit fortgeschritten sein. Irgendwo zwischen „hart“ und „zerkocht“ liegt die richtige Kochzeit für Gemüse; die Kunst liegt darin, den richtigen Zeitpunkt abzupassen.
Abb. 1.3: Tafelspitz muss längere Zeit gegart werden, um zart zu werden.
1.3 Fleisch
Schwieriger als das Gemüsekochen ist die Zubereitung von Fleisch. Die leidvolle Palette der Küchenerzeugnisse reicht hier von „zäh“ und „trocken“ bis „innen roh und außen schwarz“. Dass dabei verschiedene Mechanismen am Werk sein müssen, die je nach Beschaffenheit des Fleischstückes das Garen auf unterschiedliche Weise beeinflussen, erkennt man schon anhand einfacher Erfahrungen aus dem Küchenalltag. Warum etwa wird der Tafelspitz in Abb. 1.3 durch lange andauerndes Erhitzen butterweich, während er kurzgebraten ungenießbar wäre? Und warum ist es beim Rumpsteak, wo das Durchbraten ein zähes, trockenes, trauriges Stück Elend ergibt, genau umgekehrt? Wenn man erst einmal verstanden hat, in welcher Weise beim Garen von Fleisch verschiedene, gleichzeitig stattfindende Vorgänge auszubalancieren sind, ist es gar nicht so schwierig, es richtig zu steuern.
Die Prozesse, die dabei ablaufen, sind von anderer Art als beim Gemüse. Die Zellmembran muss beim Fleisch nicht eigens durch Erhitzen aufgebrochen werden, weil sie schon bei der Fleischreifung (dem „Abhängen“) beschädigt wird. Und um die Zellwand müssen wir uns schon deshalb nicht kümmern, weil tierische Zellen gar keine besitzen. Wenn wir das Garen von Fleisch verstehen wollen, müssen wir uns vielmehr mit den darin enthaltenen Proteinen („Eiweißen“) sowie mit dem Bindegewebe befassen.
Proteine
Fleisch ist das Muskelgewebe von Tieren. Wie ein Muskel aufgebaut ist und wie er funktioniert, hat uns aus physikalischer Perspektive schon in der Mechanik interessiert (Band I, Abschnitt 7.6). Für unsere Küchengelehrsamkeit sind wir schon mit etwas gröberen Kenntnissen zufrieden. Es reicht, wenn wir wissen, was mit dem Muskel in der Pfanne passiert.
Abb. 1.4: Tertiärstruktur eines Aktinmoleküls
Die Muskelfasern bestehen aus Proteinmolekülen, z. B. Aktin und Myosin. Es handelt sich um lange, kettenförmige Moleküle, die sich zu komplexen Formen anordnen. Diese äußere Gestalt, die sogenannte Tertiärstruktur, ist für die biologische Funktion der Proteine von entscheidender Bedeutung. Abb. 1.4 zeigt als Beispiel die Tertiärstruktur des Aktinmoleküls.
Abb. 1.5: (a) Molekulare Struktur des zur Tripelhelix gewundenen Kollagenmoleküls, (b) aus Kollagenmolekülen gebildete Fibrillen (rasterkraftmikroskopische Aufnahme)
Beim Erhitzen denaturieren die Proteine: Sie verlieren ihre Funktionsfähigkeit dadurch, dass sich ihre Tertiärstruktur ändert. Es findet keine chemische Reaktion im eigentlichen Sinn statt, sondern nur eine Gestaltänderung, die dazu führt, dass die Proteine ihre biochemischen Aufgaben nicht mehr erfüllen können. Durch das Denaturieren werden sie für den Menschen leichter verdaulich. Die Denaturierung von Myosin setzt bei etwa 40 °C langsam ein und verläuft ab 50 °C rasch. Aktin denaturiert erst bei höheren Temperaturen.
Leider verfestigen sich die Muskelproteine beim Denaturieren. Der Muskelfaseranteil des Fleisches wird daher zäher. Ein Steak, das hauptsächlich aus Muskelfasern besteht, ist deshalb zart, wenn es im Inneren noch rosafarben ist. Beim Durchbraten wird es zunehmend hart.
Die auffälligste Änderung beim Garen von Fleisch, seine Farbänderung von rot nach grau, wird ebenfalls durch einen Denaturierungsprozess bewirkt. Dass rohes Fleisch rot aussieht, geht nicht etwa auf das darin enthaltene Blut zurück. Das Fleisch, das wir beim Metzger kaufen, enthält kein Blut mehr. Nein, die rote Farbe wird durch das Protein Myoglobin verursacht, ein dem Hämoglobin verwandtes Molekül, mit dessen Hilfe der Muskel Sauerstoff speichert. Bei 55–60 °C setzt die Denaturierung des Myoglobins ein. Bei 65 °C ist das Fleisch rosafarben, weil das meiste Myoglobin denaturiert ist. Bei 70– 75 °C ist das Myoglobin schließlich vollständig denaturiert, das Fleisch nimmt eine graue Farbe an.
Kollagen
Gäbe es im Fleisch nichts weiter als die Muskelfasern, wäre alles ganz einfach. Man könnte ein Fleischstück mehr oder weniger stark durchbraten, ohne dass es dabei auf etwas anderes ankäme als auf den individuellen Geschmack. Leider enthält das Fleisch auch noch Bindegewebe, vor allem in Form des Proteins Kollagen. Das Bindegewebe hat im Körper eine stabilisierende Funktion (ein Beispiel sind die Sehnen), es umhüllt aber auch die Muskelfaserbündel und die Muskeln selbst.
Abb. 1.6: Gelatine besitzt eine weiche Konsistenz.
Kollagen ist eine außerordentlich feste und zähe Substanz. Diese Eigenschaft verdankt es seinem molekularen Aufbau. Es ist ein Protein, das aus drei Molekülsträngen besteht, die sich in Form einer Tripelhelix umeinander winden (Abb. 1.5). Für Zähne und Magen des Feinschmeckers sind die Stabilität und die Widerstandsfähigkeit des Kollagens eine Lästigkeit. Weder kann man es beißen oder kauen noch können ihm Verdauungsenzyme etwas anhaben.
Das Kollagen in seine drei Einzelstränge aufzubrechen und damit genießbar zu machen, kann durch Einwirkung von Säuren geschehen (Einlegen in Marinade) oder durch längeres Erhitzen über 60–65 °C. Dann nämlich wird die Tripelhelix zerstört, das Kollagen denaturiert und es bildet sich Gelatine, eine Substanz deren weiche Beschaffenheit allgemein vertraut ist (Abb. 1.6).
Die eingangs gestellte Frage, warum manche Fleischsorten beim Erhitzen weich und manche zäh werden, lässt sich nun beantworten. Fleisch mit hohem Bindegewebsanteil (z. B. aus Schulter, Keule und Bein) muss lange gegart werden, damit sich das Kollagen in Gelatine umwandelt. Das bindegewebsarme Steak mit hohem Muskelanteil haben wir schon besprochen: Es wird nur kurz gegart, sonst wird es fest und hart. Generell verzehrt man vorzugsweise das Fleisch von jungen Tieren, da mit zunehmendem A...
