Wissenschaft in der Küche

26.06.2023 - Polen

Man nehme vier brillante Physiker, die sich auf Strömungsmechanik spezialisiert haben, und stelle sie in die Küche. Gib ihnen Töpfe, Pfannen, Grundnahrungsmittel und eine Flasche Champagner. Füge eine COVID-19-Pandemie, eine Prise Langeweile und eine Handvoll guter Ideen hinzu. Umrühren, abwarten und voilà - fertig ist eine "köstliche" Publikation, in der Sie lernen, wie Champagner blubbert, wie man den perfekten Espresso brüht und wie "Küchenrevolutionen" zu Innovationen in vielen Bereichen beitragen können, einschließlich Biomedizin und Nanotechnologie.

Michal Czerepaniak, source: Faculty of Physics, University of Warsaw.

Die meisten von uns besuchen diesen Ort jeden Tag. Aber die Küche ist nicht nur für die Zubereitung von Mahlzeiten da. "Sie kann ein hervorragender Ort sein, um Experimente durchzuführen und sogar wissenschaftliche Entdeckungen zu machen", argumentiert Maciej Lisicki von der Fakultät für Physik der Universität Warschau, Mitautor einer Veröffentlichung in der renommierten Zeitschrift Reviews of Modern Physics. Das Forscherteam, dem neben Maciej Lisicki auch Arnold Mathijssen von der University of Pennsylvania, Endre J.L. Mossige von der University of Oslo und Vivek N. Prakash von der University of Miami angehören, erforscht nicht nur die Geschichte der Lebensmittelwissenschaft, sondern zeigt auch, wie Phänomene in der Küche zu Innovationen in der Biomedizin und der Nanotechnologie führen.

COVID-Pandemie und Blasen im Champagner

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Maciej Lisicki und seine Forscherkollegen begannen mit der Arbeit an dem Artikel während der COVID-19-Pandemie, als viele Forscher nicht im Labor arbeiten konnten und in ihren Wohnungen experimentierten. "Am Anfang stand die Absicht, ein pädagogisches Instrument zu schaffen, da die Küche eine niedrige Einstiegshürde in die Wissenschaft bietet - alles, was man braucht, sind ein paar Töpfe, Pfannen und ein paar Zutaten, um ein paar Reaktionen in Gang zu setzen -, aber es entwickelte sich schnell zu einer wissenschaftlicheren Betrachtung der Geschichte der Lebensmittel, als wir erkannten, wie sehr die Bereiche miteinander verwoben sind", sagt Arnold Mathijssen.

Das Forscherteam hat die Ergebnisse seiner Arbeit in Form eines Menüs zusammengestellt. Das "Tasting" beginnt mit der Physik der Getränke und Cocktails, geht über zu den Hauptgerichten und endet mit Kaffee und Desserts, deren Zubereitung ebenfalls auf der intuitiven Anwendung der Naturgesetze beruht.

Wie bei jeder guten Party beginnt alles mit dem Öffnen einer Champagnerflasche. Nach dem charakteristischen "Plopp" kann man beobachten, wie sich um den Flaschenhals ein Nebel bildet. - Dieses Phänomen ist mit einer raschen Druckänderung verbunden. Im Inneren der Flasche erreicht er fast fünf Atmosphären, doch beim Öffnen der Flasche sinkt er auf eine Atmosphäre. "Die Ausdehnung geht mit einem Temperaturabfall einher, der dazu führt, dass der Wasserdampf, der sich in der Nähe der Flaschenmündung ansammelt, gefriert und das Kohlendioxid, das aus der Flasche austritt, kondensiert", erklärt Maciej Lisicki.

In ihrer Arbeit befassen sich die Forscher auch mit den Blasen, die dem Schaumwein seinen einzigartigen Geschmack verleihen. "Zirkulierende Blasen erzwingen den Transport der Flüssigkeit im Glas und erleichtern so die Freisetzung und Verbreitung von aromatischen Noten und Geschmacksstoffen", fügt der Forscher hinzu. In dem Teil des Papiers, der sich mit Getränken und Cocktails befasst, erfahren wir auch, warum der Schaum in Bier so dick und stabil ist, warum Anisgetränke wie Rakija und Ouzo trübe werden, wenn man genügend Wasser hinzufügt (das Phänomen wird sogar als "Ouzo-Effekt" bezeichnet), und was "Tränen des Weins" sind.

Wenn Wasser in der Pfanne surft

Beim Hauptgang erklären die Wissenschaftler die Rolle der Hitze und ihre Auswirkungen auf die Textur, die Aromen und den Geschmack von Lebensmitteln. Unter anderem beschreiben sie den Leidenfrost-Effekt, bei dem ein Flüssigkeitstropfen auf einer sehr heißen Oberfläche eine isolierende Dampfschicht bildet, die ein schnelles Sieden verhindert. "Wassertropfen, die auf die Pfanne geworfen werden, 'surfen' und prallen sogar von der Oberfläche ab, anstatt sofort zu verdampfen", sagt Lisicki.

Die richtige Temperatur ist bei der Zubereitung vieler Lebensmittel entscheidend. "Man braucht keinen Doktortitel in Physik, um das perfekte Steak zu braten. Jeder weiß, dass man das Fleisch in einer ausreichend heißen Pfanne schnell anbraten muss. Dadurch koagulieren die Proteine an der Oberfläche des Steaks und die Feuchtigkeit bleibt im Inneren", erklärt der Forscher.

Ein Doktortitel im Geschirrspülen

Der Text enthält auch Beispiele für wissenschaftliche Entdeckungen, die Forscher gemacht haben, ohne ihre eigene Küche zu verlassen. Eines davon bezieht sich auf die Biografie von Agnes Pockels.

"Ihre Geschichte erzählt von der Ungleichheit in der Wissenschaft. Da sie im Deutschland des späten 19. Jahrhunderts eine Frau war, durfte sie keine Universität besuchen, um eine formale Ausbildung zu erhalten, was es ihr erschwerte, ihre Forschungsergebnisse bei Fachzeitschriften einzureichen", sagt Mathijssen.

Da sie den Haushalt ihrer Eltern führte und viel Zeit in der Küche verbrachte, begann sie dort schnell zu experimentieren. "Durch die Beobachtung der Schaum- und Filmbildung auf der Oberfläche von schmutzigem Geschirr beschrieb sie als Erste das Phänomen der Oberflächenspannung und entwickelte ein Instrument zu dessen Messung. Zunächst zögerten die wissenschaftlichen Zeitschriften, die Ergebnisse ihrer Experimente zu veröffentlichen, da sie keine formale Ausbildung hatte und nicht zu den Universitätsmitarbeitern gehörte. Ihre erste Arbeit wurde durch Lord Rayleigh in Nature veröffentlicht und trug zum Verständnis der Oberflächeneffekte in Flüssigkeiten bei. Agnes Pockels wurde daraufhin bekannt und geachtet, und alle ihre nachfolgenden Arbeiten wurden in hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht. Dieses Beispiel zeigt, dass es möglich ist, ein angesehener Wissenschaftler zu werden, ohne seine Heimat zu verlassen", bemerkt Maciej Lisicki.

Salatdressing vs. Nanotechnik

Die Forschung im Bereich der Strömungsmechanik kann zur Verbesserung der Lebensmittelverarbeitungstechnologien beitragen und findet auch in anderen Bereichen wie der Nanotechnologie und der Medizin Anwendung. "In einer früheren Studie ("Rechargeable self-assembled droplet microswimmers driven by surface phase transitions", veröffentlicht in Nature Physics), die von meinem Team durchgeführt wurde, haben wir eine einfache Emulsion verwendet, die die Grundlage von Salatsaucen ist - Öl mit Wasser. Wir konnten Tröpfchen einer solchen Emulsion unter Zugabe eines Tensids dazu bringen, unter Temperatur Ranken zu bilden und sich wie Bakterien zu bewegen. Solche ungiftigen, biokompatiblen mikrofluidischen Systeme könnten in Zukunft eingesetzt werden, um beispielsweise Medikamente präzise in unseren Körper einzubringen", erklärt Lisicki.

Der Bericht hebt auch die Anwendbarkeit dieser Technologien in Bereichen wie Lebensmittelsicherheit und Qualitätskontrolle hervor. Durch den Einsatz von Geräten, die mit Hilfe der Prinzipien der Strömungsdynamik Krankheitserreger oder Toxine in Lebensmitteln aufspüren können, kann die Wissenschaft einen wichtigen Beitrag zur öffentlichen Gesundheit leisten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ihrer Untersuchung sind die potenziellen Auswirkungen auf politische Entscheidungen, insbesondere in Bezug auf ökologische Nachhaltigkeit und Lebensmittelsicherheit. Die Autoren heben die Bedeutung einer wissenschaftlich fundierten Politik hervor und verweisen beispielsweise auf das angekündigte EU-Verbot von PFAS-Antihaftbeschichtungen bis 2030. Mithilfe des wissenschaftlichen Verständnisses, das Studien wie diese bieten, können politische Entscheidungsträger fundierte Entscheidungen treffen, um eine nachhaltigere und sicherere Lebensmittelzukunft zu fördern.

"Die Küchenströme zeigen uns, dass bedeutende wissenschaftliche Probleme in greifbarer Nähe sind und nicht immer Weltraumtechnologie erfordern, um sie zu erforschen. Andererseits wurden nicht wenige kosmische Technologien aus der Inspiration durch Alltagsphänomene geboren. Die Küche kann uns also nicht nur unterhalten, sondern auch lehren - in diesem Fall die Physik. Deshalb lohnt es sich, die eigene Neugierde zu wecken und zu experimentieren! Lisicki fügt hinzu.

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