Chemie pod víčkem (1) - želírování marmelád a džemů

Láká vás zavařování džemů a marmelád? Je to někdy tak trochu alchymie. Proč některé ovoce želíruje a jiné ne? Proč dávat do směsi nejprve cukr a až pak ostatní přísady? (délka blogu 8 min.)

Podívejme se na celou věc očima chemika. Možná se tím zodpovědí různé otázky nebo se alespoň vysvětlí, co je to vlastně želírování a jak funguje. 

Základní surovinou pro domácí džemy a marmelády má být čerstvé, zralé a nenahnilé ovoce. Ovoce se očistí, zbaví případných pecek nebo zrníček, nakrájí a smíchá s cukrem nebo želírovacím prostředkem. Ovocná hmota se pak musí vařit. Přitom se má míchat, aby se hmota nepřipálila na dně hrnce a vzniklá pěna se sbírá naběračkou. 

Poté přichází na řadu želírovací test. To je poměrně napínavý úkon, ukáže se totiž, jestli se marmeláda nebo džem podařil a po ochlazení může ztuhnout. 

Za změny, které mění původní ovocnou hmotu na dobře tuhnoucí želé, může (a vás to neudiví) … chemie. 

Trik způsobuje jedna specifická chemická látka, která je přítomna ve většině ovoce nebo i zeleniny - pektin. 

Pektin

… je z chemického úhlu pohledu složitý cukr. Takovým látkám se odborně říká komplexní polysacharidy. Nachází se v buněčných stěnách rostlin. Příroda má samozřejmě s pektinem jiné plány než kuchařka, která ho využívá k výrobě marmelády. Pektiny slouží v přírodě jako lepidlo, které zpevňují rostlinnou tkáň a podílejí se na využívání vody v rostlinách.

V potravinářství se pektinu říká E 440. Pokud vám je pojem složitý polysacharid povědomý, není to náhoda. Podobné složení má také … vláknina. To je zároveň odpověď na jednu z otázek, která vás možná napadne při zavařování: 

Je pektin, bílý a průmyslově vypadající prášek, který přidávám do zavařeniny, zdraví škodlivý? 

Není. Naše tělo ho sice neumí využít, rozložit a strávit, ale to ani není nutné. V marmeládě je dost kalorií i živin, pocházejících z cukru a ovoce. 

Přesto ale neuškodí, když se dávkování pektinu věnuje potřebná pozornost. Marmeláda by mohla želírovat moc nebo příliš málo - proč tomu tak je, zodpoví následující odstavce. 

Želírování

Při želírování se ovocná hmota mění na gel. 

Gel

(z latinského gelu "mráz, chlad, led" nebo gelatus "zmrzlý, ztuhlý") je obvykle definován jako systém, který se skládá z alespoň jedné pevné a jedné kapalné fáze, tj. představuje koloid. Tato pevná fáze tvoří houbovitou trojrozměrnou síť, jejíž póry jsou vyplněny kapalinou (lyogel) nebo plynem (xerogel). 

I když si jejich funkci neuměli vysvětlit, o existenci želírovacích látek věděli už naši předkové. 

Zmiňuje je například ve své knize “Česká kuchyně za dob nedostatku” Čeněk Zíbrt v roce 1917. 

“Hlasatelem a obhájcem názoru, že odhozené a vyvařené kosti, které prý již nemají látek výživných, poskytují ještě další výživu lidskému tělu, byl Pražan J. Andrá. Vydal roku 1806 a v jiné úpravě roku 1817 spisek, kde podrobně vyšetřuje a zjišťuje chemicky, že obsahují kosti (vyčítá obšírně jednotlivé druhy podle zvířat) částky záživné a výživné pro ty, kdo nelitují Času a práce, aby si z nich přistrojili chutnou huspeninu… (...) Telecí kosti, jelení parohy dávají nejvíce huspeniny, po těch hovězí a vepřové kosti, koňské, zaječí, kozí, ovčí kosti dávají méně, nejvíce však obdržíme z kostí drůbeže a z rybích kostí… (...) Huspenina jest totiž průhledné tuhé těleso, bez chuti a vůně, rosol, který se ve vodě dokonale rozpustí a tvoří základ masité polívky a masitých omáček, které člověku tak dobře chutnají a obzvláště k duhu jdou. “

align="justify"Dr. Čeněk Zíbrt, Česká kuchyně za dob nedostatku, Knihova českých hospodyní a dívek, svazek 27, 1917

Želírující látky tedy vznikají mimochodem při tepelné úpravě masa a ryb. Ovoce naopak želíruje po přidání cukru a kyseliny během vaření. 

Fyzika a chemie želírování marmelády

Podívejme se nejprve na hlavní aktéry.

Molekula vody má polární charakter - elektrický náboj, který nesou její komponenty, je rozložen v molekule nerovnoměrně. Jinými slovy, molekula vody je z jedné strany nabitá kladně a z druhé záporně, je tedy pro své molekulární kolegy zajímavá i přesto, že je celkově neutrální. V marmeládě je voda navázaná jak na dlouhé molekuly cukrů, tak na pektinové “pletivo”. 

Pektin je z chemického pohledu - polyuronovou kyselinou, tedy cukernou kyselinou, spojenou do komplikovaných makromolekul. Molekuly pektinu by se měly už jen z tohoto důvodu špatně rozpouštět ve vodě (mají vysokou hmotnost a poměrně velký povrch). 

Z praxe ale víme, že se dá velké množství pektinu rozpustit jen v malém množství teplé vody. Čím je to způsobeno?

Na vině je chemie - a volné skupiny kyseliny karboxylové ve stavebních blocích kyseliny galakturonové. Když se pektinový prášek rozpouští ve vodě, dochází v ní k tzv. disociaci těchto skupin. 

Výsledkem jsou zbytky kyselin v podobě aniontů. Ty jsou víceméně rovnoměrně rozloženy na povrchu makromolekuly pektinu. Záporný náboj pak díky fyzikálním zákonů zajišťuje, že se molekuly pektinu navzájem elektrostaticky odpuzují. 

Kolem těchto nosičů náboje se ve vodním prostředí vytvářejí velké obálky z molekul vody, které navíc brání vzájemnému přiblížení molekul. Tímto způsobem vznikají ve vodném prostředí pektinové  hydrokoloidy.

Koloid

je materiál, ve kterém jsou částice jemně rozptýleny v okolním médiu. Velikost jednotlivých částic se často pohybuje v rozmezí od jednoho nanometru do jednoho mikrometru. 

Aby mohl z hydrokoloidu vzniknout gel, musí materiál nejprve překonat elektrostatické odpuzování povrchu molekul pektinu. 

A právě tady přichází ke slovu kyselina a cukr.

Proč probíhá želírování lépe, když se použije kyselina (citronová)? 

Kyselina je schopna ve vodním prostředí disociovat a uvolnit kladný náboj (vodíkové ionty H+). Ty pak vyhledávají aniontové zbytky na povrchu molekul pektinu. Neutralizují je a sníží tím elektrostatické odpuzování mezi pektinovými molekulami. 

Náboje pektinových řetězců jsou běžně neutralizovány kyselinou, kterou obsahuje ovoce. Pokud je jí v ovoci ale příliš málo, neuškodí, když kyselinu přidáte. Některé zralejší druhy ovoce se bez ní neobejdou. 

Samotná kyselina by ale nestačila. Důležitou roli hraje i cukr, který má  schopnost vázat vodu. Likviduje tak rozsáhlé hydrátové obálky, které se předtím vytvořily kolem molekul pektinu. Díky cukru se pak vlastně mohou makromolekuly přiblížit natolik, že se mohou dále vázat do složité trojrozměrné sítě - a vytvořit gel. 

Logicky se tím vysvětluje další otázka: 

Proč se traduje, že se při vaření k ovoci má nejprve přidat cukr s pektinem, pak zbylý cukr a až později kyselina?

Cukr na sebe váže molekuly vody a přeorganizuje tím strukturu, obklopující molekulu pektinu (hydrátové obálky). Kladné ionty, které dodá kyselina mají pak k lepší přístup k aniontům na povrchu makromolekul a mohou neutralizovat jejich náboj, takže se pektinové molekuly mohou věnovat vytvoření komplikované struktury - gelu.