Fisica e Cucina

Marina Carpineti – Bardonecchia gennaio 2018

Science & Cooking

dal 2010

SCIENZA IN CUCINAdi Dario Bressanini

http://bressanini-lescienze.blogautore.espresso.repubblica.it

Bulimia

Vocabolario Treccani

Cucina: L’operazione, l’attività, il modo di cucinare

Cucinare: Preparare o cuocere le vivande

Cuocere: Sottoporre all’azione del fuoco gli alimenti per renderli atti a essere mangiati.

…

«Nouvelle cuisine» ogni anno perché ogni anno i gusti cambiano e ogni giorno ci sono da fare nuovi stufati, perciò sii una chimica, Justine.

Libro di cucina francese del 1759

E anche da queste "consistenze speciali" trarrò spunto per parlare di FISICA

Negli ultimi decenni c’è stata una vera rivoluzione nelle cucine dei ristoranti,ispirata dai metodi dei laboratori scientifici.

Pionieri della cucina “molecolare” sono stati Ferran Adrià (el Bulli) e Heston Blumenthal (The Fat Duck) mostrando che è possibile produrre cibi con nuove,

spiazzanti consistenze.

Fisica

La Fisica permea la cultura moderna dando senso a concetti come spazio, tempo ed energia e permettendo di sfruttarli nelle applicazioni tecnologiche che caratterizzano il mondo in cui viviamo.

Fisica

Scienza che studia e descrive i fenomeni naturali, riproducendoli,

quando possibile, con esperimenti, osservandoli e misurando le

grandezze che li determinano, allo scopo di individuare le

relazioni tra queste e le leggi che li governano; alle sue basi

stanno il metodo sperimentale e osservativo e la formalizzazione

di tali leggi tramite il linguaggio matematico.

I vantaggi che si avrebbero dall’applicazione delle recenti brillanti scoperte nella chimica, e altre branche della scienza e della meccanica, al miglioramento dell’arte del cucinare, sono così evidenti e così importanti che non potrei fare a meno di compiacermi nel vedere presto qualche persona illuminata e aperta, della professione, prendere in mano la materia e sottoporla ad una approfondita indagine scientifica.

Quando la scienza del cucinare

sarà ben compresa […] potremoallora, e non prima di allora, migliorare con sicurezza l’artedella preparazione del cibo.

L’esperienza, non assistita dalla scienza, può condurre, e lo fa frequentemente, a utili miglioramenti; ma il progresso di tali miglioramenti è non solo lento ma vacillante, incerto e molto insoddisfacente.

Cit. Conte RumfordBenjamin Thompson, Conte RumfordFisico1753-1814

El Bulli: Ristorante 3 stelle in Catalogna di Ferran Adrià “The most imaginative generator of haute cousin of the world”The Guardian –Chiuso nel 2011, ha riaperto nel 2014 come centro di creatività.

Tratto dalla sintesi della cucina di El Bulli in 23 punti

La cucina è un linguaggio mediante il quale si può esprimere armonia, creatività, felicità, bellezza, poesia, complessità, magia, humour, provocazione, cultura.

Come è successo nel corso della storia nella maggior parte dei campi della evoluzione umana, le nuove tecnologie sono uno strumento per il progresso della cucina.

Ferran Adrià

• Fisico ungherese vissuto a Oxford. Dopo una tesi sulla fisica delle basse temperature, durante la II guerra mondiale lavora al progetto Manhattan.

• Unisce il suo hobby per la cucina alla sua ricerca scientifica. Durante una conferenza presso la Royal Society di Londra, dal titolo «Il fisico in cucina» mostra usi imprevedibili del forno a microonde da poco inventato: realizza la versione inversa di Baked Alaska … Frozen Florida. Un esterno gelido con un cuore caldissimo

• Organizza numerosi workshop internazionali a Erice dal titolo «Molecular and Physical gastronomy»

Nicholas Kurti 1908-1988Fisico

“È una triste riflessione sulla nostra società notare che possiamo fare (e facciamo) delle misure sull’atmosfera di Venere, ma non sappiamo cosa avvenga in un soufflé.”

CRUDO COTTO

Temperatura critica

T (°C)

Diagramma di fase dell’acqua

T (°C)0 °C 100 °C

E l’uovo?

LIQUIDO SOLIDOTemperatura critica

≈ 65 °C

T (°C)

Per T< 0°C …

Diagramma di fase dell’acqua

Diagramma P-v(v= Vtot/Mtot)

Come ragionano i fisici

CRUDO COTTO

Temperatura critica

T (°C)

Esempio di diagramma di fase

Temperatura e calore

?

Unità di misura del calore

Trasporto del calore

Conduzione

Convezione

Irraggiamento

CONDUZIONE

Avviene tra parti a differenti temperature dello stesso corpo solido.

L'energia transita dalla parte calda a quella fredda senza trasporto di materia.

In misura limitata avviene anche nei gas e nei liquidi ma normalmente l'effetto è trascurabile rispetto a quello della convezione.

La conduzione può essere pensata come trasferimento di energia a livello microscopico per interazione tra le particelle più energetiche a quelle meno energetiche.

FLUSSO TERMICOcalore trasmesso per unità di tempo e di superficie

[J/s m2]

CONVEZIONEE' tipico dei fluidi. In questo caso l'aspetto più importante è il trasporto di materia.ESEMPIO: acqua in un recipiente su un fornello. L’acqua a contatto con Il fondo del recipiente caldo si riscalda e aumenta di volume (e diminuisce di densità).

Per il principio di Archimede essa viene spinta verso l'alto e sostituita da acqua più fresca (e più densa).In questo caso si parla di convezione naturale ed il moto dell'acqua si dice moto convettivo.

IRRAGGIAMENTO

La trasmissione avviene senza il trasporto di materia.La propagazione avviene per mezzo delle onde elettromagnetiche emesse sia dal corpo caldo (in misura maggiore) che dal corpo freddo (in misura minore).

Ad esempio il Sole riscalda la Terra attraverso lo spazio vuoto.

FLUSSO TERMICO

λf,v= Calore latente [J/Kg] = quantità di energia scambiata (sotto forma di calore) durante lo svolgimento di una transizione di fase (o "passaggio di stato")

Benjamin Thompson, Conte Rumford1753-1814

Fisico

Si occupò di termodinamica, ma divenne famoso in Inghilterra come l’uomo che tolse il fumo dalle case, grazie all’invenzione di un camino con un sistema di tiraggio innovativo e con pareti oblique per migliorare il riscaldamento delle case.

Inventò inoltre il forno, che usava in origine per essiccare le patate e con cui introdusse la cottura a bassa temperatura.

Effettuò un interessante esperimento con due cosciotti di montone.

Il cibo…

AcquaGrassiCarboidrati ( o zuccheri)Proteine

Il cibo…

100 g di patatine fritte =

312 Cal

Macronutrienti Valore energetico per grammo (Kcal per grammo)

Carboidrati 4 Kcal/gProteine 4 Kcal/gGrassi 9 Kcal/g

Il cibo…

Il cibo…

GRASSI

• Punto di ebollizione alto

• Adatti a scaldare il cibo a T > 100 °C

• Danno sapore, consistenza e profumo ai cibi

L’olio di oliva bolle a T= 300 °C

Lo stagno fonde a T = 231,9 °C

E’ possibile friggere le patatine in una pentola di stagno?

ZUCCHERI

Molecole lunghe

Saccarosio:Peso molecolare = 342,3

ZUCCHERI

Molecole lunghe

Saccarosio:Peso molecolare = 342,3

QUANTA CALORIE IN UN GRANELLODI ZUCCHERO?

Proteine

Catene di amminoacidi

Le proteine si denaturano all’aumentare di T

L’uovo solidifica ad alte T

Temperature critiche di cottura

uovo fluido e viscosouovo morbido e cremoso

uovo sodo asciutto

Come si trasferisce il calore all’interno dei cibi?

MarinaCarpineti–Trento15gennaio2017

Solido,liquidoegassonosologlistatidellamateriapiùpervasivi.

Qualchelibrociinformacheesistonoanchealtristati,come…

lasuperfluidità,lasuperconduttività,lostatodiplasma…

Maesistonoanchealtristati,tipicideisistemiapiùcomponenti.Lafisicachetrattadiquestistatièdetta

fisicadellamateriasoffice-ofisicadeisistemicomplessi.

L’invenzione era ispirata al desiderio di permettere ai cittadini più poveri di estrarre qualcosa di nutritivo dalla cottura delle ossa, i residui delle macellazioni, come dimostra il titolo del libretto: “Processo per cuocere le ossa e qualsiasi tipo di carne con meno tempo e meno spese”,

MarinaCarpineti–Trento15gennaio2017

Solido,liquidoegassonosologlistatidellamateriapiùpervasivi.

Qualchelibrociinformacheesistonoanchealtristati,come…

lasuperfluidità,lasuperconduttività,lostatodiplasma…

Maesistonoanchealtristati,tipicideisistemiapiùcomponenti.Lafisicachetrattadiquestistatièdetta

fisicadellamateriasoffice-ofisicadeisistemicomplessi.

MarinaCarpineti–Trento15gennaio2017

Colloidi Polimeri

Fisica della materia soffice - o fisica dei sistemi

complessiMateria fatta di particelle di dimensioni medie, che si trovano a distanze

medie e interagiscono con forze di media intensità

Micelle/vescicole

MarinaCarpineti–Trento15gennaio2017

Gel

Micelle/vescicoleemulsioni

Schiume

…

Fisicadellamateriasoffice-ofisicadeisistemicomplessi.

Colloidi Polimeri

MarinaCarpineti–Trento15gennaio2017

…

Fisicadellamateriasoffice-ofisicadeisistemicomplessi.

Micelle/vescicoleemulsioni

Colloidi Polimeri

GelSchiume

MarinaCarpineti–Trento15gennaio2017

Icolloidi=ultradividedmatter

Particellecondimensioni

compresetra10nme1mm

Confrontabili con la lunghezza d’onda della luce

1 cm

Marina Carpineti – Trento 15 gennaio 2017

1.000 cubettini con lato 1 mm

1.000.000 di cubettini con lato 0,1 mm

1.000.000.000 di cubettini con lato 0,01 mm

Superficie totale passata da 6 cm^2 a 60 m^2

Colloidi: dispersioni di particelle in un fluido:esiste qualche interazione tra fluido e particelle?

Nel 1827 il botanico Robert Brown osservando al microscopio dei granelli di polline in acqua notò che avevano uno strano comportamento.

Colloidi: dispersioni di particelle in un fluido:esiste qualche interazione tra fluido e particelle?

Nel 1827 il botanico Robert Brown osservando al microscopio dei granelli di polline in acqua notò che avevano uno strano comportamento.

Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen*

Albert Einstein 1905

*Sulla teoria cinetico-molecolare del movimento dovuto al calore di particelle sospese in liquidi a riposo

Trattazione fisica e spiegazione rigorosa del moto Browniano:

It is possible that the movements to be discussed

here are identical with the so-called ‘‘ Brownian

molecular motion ” ; however, the information

available to me regarding the latter is so lacking

in precision, that I can form no judgment in the

matter.

Il cammino dell’ubriaco

Moto Browniano

Marina Carpineti – Trento 15 gennaio 2017

Moto Browniano

I corpi sono fatti di atomi e molecole che possiedono un’energia termica proporzionale a T

Moto Browniano

I corpi sono fatti di atomi e molecole che possiedono un’energia termica proporzionale a T

L N = t

MarinaCarpineti–Trento15gennaio2017

MotoBrowniano

I corpi sono fatti di atomi e

molecole che possiedono

un’energia termica

proporzionale a T

L N = t

Legge alla base di

diffusione e trasporto di

calore

L

E= ½ m v2 = kT

k= costante di Boltzmann = 1,38 x 10 -23

Energia di una molecola ?

velocità di una molecola ?

Moto Browniano

I corpi sono fatti di atomi e molecole che possiedono un’energia termica proporzionale a T

L N = t

Legge alla base di diffusione e trasporto di calore

D= k /ρ cp

K= conducibilità termica (0.6 W/m °C)Cp = calore specifico (4.18 J/ g °C)ρ = 1 g/cm3

D= k /ρ cp

K= conducibilità termica (0.6 W/m °C)Cp = calore specifico (4.18 J/ g °C)ρ = 1 g/cm3

DH2O = 0.14 x10-6 m2/s

Cappone :4 kg

ρ 4/3 π R3 = 4 kg

ρ ?R ?

ρ 4/3 π R3 = 4 kg

ρ = 1 g/cm3

R ?

Interazioni tra particelle colloidali

Le particelle risentono di interazione repulsiva dovuta in generale a forze di natura elettrostatica e di interazione attrattiva di Van der Waals a brevissimo raggio di azione.

Weitz and Oliveira, Physical Reiew Letters 52,1433 (1984)

Le particelle risentono di interazione repulsiva dovuta in generale a forze di natura elettrostatica e di interazione attrattiva di Van der Waals a brevissimo raggio di azione.

Qualunque sia la natura delleparticelle, i colloidi formanoaggregati molto tenui con morfologia frattale.La densità diminuisce con le dimensioni.

I frattali hanno dimensione non intera

3fd

fd

g nRR/1

0

fd

o

g

R

RMM

0

Weitz and Oliveira, Physical Reiew Letters 52,1433 (1984)

http://www.physics.emory.edu/faculty/weeks//lab/gelpage/

Per ogni concentrazione esiste un raggio massimo che gli aggregati possono raggiungere prima di riempire densamente il contenitore e creare un gel.Maggiore la concentrazione, più piccolo il raggio massimo e maggiore la rigidità.

Sferificazione

Da David Weitz: Science and Cooking - Harvard

Da David Weitz: Science and Cooking - Harvard

Da David Weitz: Science and Cooking - Harvard

Da David Weitz: Science and Cooking - Harvard

I tensioattivi

• Il gerride e la tensione superficiale

• I tensioattivi e la stabilità delle emulsioni

z

Viscosità

Legge di Newton per i fluidi semplici

Fluidi non newtoniani

Da R. Piazza - La materia dei sogni. Ed. Springer

F/A

v/z

Fluidi non newtonianiin cucina

Pseudoplastici:

Sostanze molto viscose per bassi sforzi e molto fluide per sforzi elevati

Fluidi non newtonianiin cucina

Pseudoplastici:

Sostanze molto viscose per bassi sforzi e molto fluide per sforzi elevati

Fluidi polimerici grazie ai polisaccaridi usati come addensanti (per esempio le pectine)

Creme alimentari, ketchup

Fluidi non newtonianiin cucina

Dilatanti:

La viscosità aumenta all’aumentare dello sforzo

Fluidi non newtonianiin cucina

Dilatanti:

La viscosità aumenta all’aumentare dello sforzo

Tipicamente sospensioni colloidali dense di particelle rigide. Meccanismo non chiarissimo.

Esempi: maizena

Mezzi granulari: riso, granaglie, caffè