Tijd vs. Temperatuur – Wat verandert wat?

Het is waar dat er een negatieve correlatie is tussen kooktijd en temperatuur: hoe hoger de temperatuur, hoe korter de kooktijd. Maar het is zeer niet-lineair. Zelfs als je rekening zou houden met het feit dat temperatuur wordt gemeten op een verhoudingsschaal en niet op een intervalschaal, waarbij het werkelijke nulpunt bij 0 Kelvin ligt, heb je er nog niets aan.

Inwendige temperatuur

Bekijk eerst het gemakkelijkste deel van het proces: de relatie tussen de inwendige temperatuur van het voedsel en de gaarheid van het voedsel. Voedsel koken met warmte is wachten tot bepaalde thermodynamische veranderingen plaatsvinden, bijvoorbeeld in het geval van vlees, wacht je tot de eiwitten denatureren. Dit betekent dat je begint met de nogal gekrulde eiwitmolecule, en nadat deze voldoende brownian beweging heeft ondergaan, ontrafelt hij een beetje, waarbij enkele van de zwakkere bindingen tussen atomen verloren gaan.

De kans dat een molecuul na een constante hoeveelheid tijd, zeg 1 seconde, is gedenatureerd, moet ruwweg een Gaussische verdeling volgen, afhankelijk van de temperatuur van het voedsel (hogere temperatuur -> het molecuul schudt en beweegt meer, en botst meer tegen andere moleculen, waardoor de zwakke ternaire en quarternaire bindingen breken):

Volgens het centrale limiettheorema vertelt bovenstaande verdeling je ook welk percentage van de miljoenen moleculen in je voedsel na een seconde zal worden omgezet in de gekookte toestand. Dit verklaart waarom, als je suikerstroop verhit, je bij een bepaalde temperatuur bijna onmiddellijk karamel krijgt – je hebt de temperatuur bereikt waarbij meer dan 99% van je moleculen na een seconde in de gekarameliseerde toestand zullen overgaan – maar als je suiker heel lang bij lagere temperaturen laat staan, zal het ook karameliseren. Dit komt omdat na voldoende seconden van één molecule op de tienduizend die karameliseert per seconde, je de hele suikerklont karameliseert. Aan de andere kant is je kamertemperatuur zo laag, dat misschien maar één molecuul op een miljard zich zal omzetten in suiker die op kamertemperatuur is opgeslagen, en zul je eeuwen moeten wachten voordat alles is gekarameliseerd. Dat komt omdat je op een bijna vlak punt helemaal links van de curve zit.

Dus, tijd en internal food temperature zijn op een zeer niet-lineaire manier met elkaar verbonden. Je zou theoretisch enkele voorspellingen kunnen doen, als je de mu- en sigmaparameters van de Gaussische kromme zou kennen; deze zullen echter veranderen met het voedingsmiddel en het proces dat je wilt laten gebeuren. Het denatureren van eiwitten, zoals hierboven geïllustreerd, is zo’n proces, karameliseren is een ander, maar wordt beheerst door dezelfde algemene relatie. De meeste van hen zijn dat. (Een uitzondering zou zijn het smelten van kristallijne stoffen zoals cacaoboter, die een scherp gedefinieerd smeltpunt hebben).

De eigenlijke berekening zou als volgt kunnen gaan: bij 56 Celsius duurt het 1 seconde voordat een biefstuk gaar is (technisch gesproken, voordat ten minste 99% van de myosine erop gedenatureerd is). Bij 55 Celsius kan het een halve minuut duren, bij 54 Celsius 3 minuten, bij 50 Celsius 15 minuten, enzovoort. Ik gebruik hier willekeurige getallen, u kunt de echte getallen voor vlees vinden als u rondkijkt op sous vide curves, ik betwijfel of er gemakkelijk toegankelijke bronnen zijn voor andere processen zoals karamelisatie of zetmeelgelering. Het punt is dat er een afhankelijkheid is, maar dat je die niet intuïtief kunt voorspellen, omdat hij veel afwijkt van een lineaire, en de meeste mensen kunnen alleen intuïtief lineaire verbanden voorspellen.

Warmte-overdracht

Maar het wordt nog ingewikkelder. Je kunt niet elk molecuul afzonderlijk verhitten. Laten we magnetrons even vergeten, daar heb je niet veel aan, en ze hebben toch geen temperatuurinstellingen. Wat je hebt is een warmtebron, zoals een fornuis, oven, of open vuur, en je wilt warmte overbrengen op het voedsel. De warmte wordt via convectie, geleiding en straling overgebracht op het oppervlak van het voedsel, en verspreidt zich naar de binnenkant, meestal via geleiding voor vast voedsel en een combinatie van convectie en geleiding voor vloeistoffen. Dus als je de buitenkant van het voedsel hebt verwarmd tot 100 graden, is de binnenkant veel kouder.

En hoe lang duurt het om de binnenkant van het voedsel te verhitten? Dat hangt vooral af van de geometrie van het voedsel en de chemische samenstelling. Dat verklaart waarom recepten waarin staat dat je voedsel gedurende een bepaalde tijd per gewicht moet garen (bijv. “braad het vlees 10 minuten per 250 g”) zo slecht zijn. Afhankelijk van de vorm van je vlees zal het veel langer of korter duren dan dat. Andere factoren, bijv. het werken met gerijpt vlees van hoge kwaliteit met dichte celwanden en een laag watergehalte in tegenstelling tot PSE-vlees met zijn hogere watergehalte, zullen de benodigde tijd ook veranderen.

De werkelijke formule voor het berekenen van de tijd die nodig is voor het braden van vlees bij een bepaalde temperatuur wordt beschreven door deze differentiaalvergelijkingen:

Ik weet niet wat de meeste van deze variabelen betekenen, en ik ben blij dat dat ook niet hoeft. En natuurlijk zullen andere kookprocessen, zoals karamelisatie of Maillard (het proces dat korstjes veroorzaakt), een ander stelsel van vergelijkingen hebben, even ingewikkeld.

Ongewenste veranderingen

Er zijn soms processen bij het koken waarvan je niet wilt dat ze plaatsvinden. Een voorbeeld is het aanbranden van voedsel. Een ander typisch voorbeeld is vlees. Dat bestaat grofweg uit twee soorten eiwit, actine en myosine. Ze denatureren bij verschillende temperaturen – elk van hen heeft zijn eigen curve, en die van actine is naar rechts verschoven. Als myosine denatureert, is het vlees medium, zacht en sappig. Wanneer ook de actine denatureert, is het vlees well done, oftewel taai en droog. Wat de meeste mensen proberen te bereiken is de myosine te denatureren, maar zonder de actine te veranderen.

Er zijn ook andere ongewenste veranderingen, zoals het verbranden van je voedsel, of het zo heet krijgen van je olie dat het gaat ontleden. Over het algemeen wil je dus je voedsel verhitten, maar vaak is er een grens die je niet wilt bereiken.

In de praktijk

In de praktijk moet je er gewoon mee leven dat als je de temperatuur lager zet, het langer duurt voordat je eten gaar is. Als je het heter maakt, duurt het korter, maar loop je het risico dat je een ongewenste temperatuur bereikt. Je laat ook minder tijd over voor de ontwikkeling van smaken, wat in sommige gevallen belangrijk is (bv. stoofpotjes), maar in andere niet (bv. pannenkoeken).

Elke poging om iets nauwkeuriger te zijn dan het bovenstaande is niet praktisch. De werkelijke relaties zijn veel te ingewikkeld. Het is theoretisch mogelijk een polynoom te gebruiken waarvan de waarden veel eenvoudiger te berekenen zijn (ik meen dat Douglas Baldwin dat ooit heeft gedaan voor een bepaald stuk vlees), maar omdat je niet weet welke specifieke parameters je voor elk voedingsmiddel moet gebruiken, is dat geen praktisch voorstel, zelfs niet als je een rekenmachine in je keuken hebt staan.

Het is niet mogelijk om betrouwbaar te berekenen wanneer voedsel bij een bepaalde temperatuur gaar zal zijn. Als een receptuurschrijver u een benadering geeft, zal die vrij onnauwkeurig zijn, omdat die afhangt van de vorm van uw voedsel, het materiaal en de dikte van uw pan, de temperatuurafwijkingen van uw oven, enz. Je kunt dus niet zeggen “Ik weet dat het 30 minuten duurt op 300 Fahrenheit, ik wil weten hoe lang het duurt op 350 Fahrenheit”. Het duurt alleen 30 minuten onder zeer speciale omstandigheden, die je misschien onbewust elke keer dat je braadt herhaalt, door dezelfde oven, dezelfde pan, en vlees van dezelfde slager te gebruiken.

Het goede nieuws is dat je het bovenstaande niet nodig hebt om goed te kunnen braden. Je vlees wordt gaar in de oven, zelfs als je het bovenstaande niet kunt berekenen. Je moet gewoon inschatten wanneer je het eruit moet halen, en hoewel de tijd nogal nutteloos is voor die beslissing, zijn er veel andere, veel betere, tekenen voor. Een thermometer is de gemakkelijkste methode, en de ervaring zal je leren om de perfecte gaarheid ook zonder thermometer te herkennen, aan de geur en zichtbare aanwijzingen zoals kleur, textuur, hoeveelheid damp, enz.