Chemie am Spieß: Können Wissenschaftler gut Grillen?

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 03:51

Welche chemischen Umwandlungen treten beim Kebab in allen Phasen seiner Zubereitung auf.

Die Kebab-Zubereitung ist aus der Sicht des Chemikers ein komplexer Prozess, in dessen jeder Phase eine Vielzahl von subtilen und miteinander verbundenen Reaktionen abläuft. Wenn Sie mit Bedacht an die Sache herangehen, wird das Rezept für einen guten Döner mit einzelnen Methoden der organischen Synthese vergleichbar sein – oder sogar übertreffen. Und wie bei einem vollwertigen wissenschaftlichen Experiment gibt es bei der Zubereitung von Grillgut viele Details, von denen die Optimierung des Prozesses abhängt – und damit der Geschmack und das Aroma des Endprodukts.

Um einen Kebab zuzubereiten, müssen Sie also zwei Hauptschritte ausführen: das Fleisch marinieren und über Holzkohle braten. Aber zuerst wollen wir herausfinden, was Fleisch ist - in Bezug auf die Chemie.

Fleisch

Was wir Fleisch nennen und als Schweine- und Rindfleisch getarnt im Laden kaufen, ist eigentlich die quergestreifte Skelettmuskulatur von Tieren. Es sei denn, wir werden natürlich keine Innereien wie Herzen berücksichtigen, die nicht zum Grillen verwendet werden. Neben dem Muskelgewebe selbst wird auch das daran angrenzende Fett- und Bindegewebe als Fleisch bezeichnet.

Muskelgewebe hat eine merkwürdige Struktur. Wir sind daran gewöhnt, dass die Zellen unseres Körpers meist sehr klein und für das Auge unsichtbar sind. Die Baueinheit eines Muskels ist eine Muskelfaser – und das ist eine große Zelle von mehreren Zentimetern Länge und Hunderten von Mikrometern Durchmesser. Es entsteht durch die Verschmelzung von Tausenden anderer Zellen, wodurch sich in der Muskelfaser mehrere Tausend Kerne befinden können.

Die Haupteigenschaft der Muskelfasern ist die Kontraktionsfähigkeit. So bewegen wir (und andere Tiere) unsere Gliedmaßen – und mehr. Dafür sorgen spezielle Proteine - Aktin und Myosin. Sie sind längliche Moleküle, die in Zellen lange Bündel bilden. Unter dem Einfluss äußerer Faktoren (Nervenimpuls) beginnen sich diese Bündel relativ zueinander zu bewegen und ziehen in Richtung Zentrum. Die gesamte Faser ist in separate Glieder unterteilt - Sarkomere, die miteinander verbunden sind.

Außerdem enthält Fleisch große Mengen der Proteine Elastin und Kollagen im Bindegewebe. Sie sind maßgeblich für die mechanischen Eigenschaften des Fleisches (Zähigkeit etc.) verantwortlich. Protein Myoglobin ist für die Farbe von Fleisch verantwortlich. Im Allgemeinen ist Fleisch weitgehend ein Proteinprodukt, aber es sind natürlich genügend Fettschichten darin.

Beizen

Das Fleisch wird mariniert, um mehrere Probleme gleichzeitig zu lösen: es weicher zu machen, ihm einen zusätzlichen Geschmack zu verleihen und eine antimikrobielle Primärbehandlung durchzuführen.

Kollagenmoleküle, die die Härte von Fleisch bestimmen, bilden normalerweise starke Fasern, Fibrillen. Dieser Zusammenbau findet unter dem Einfluss von Wasserstoffbrücken statt – der Anziehung zwischen teilweise geladenen (polarisierten) Aminosäurefragmenten. Genau die gleichen Bindungen entstehen zwischen Wassermolekülen – zwischen dem Wasserstoffatom eines Moleküls und dem Sauerstoff eines anderen.

Viele Marinaden sind aufgrund des Vorhandenseins von Säuren sauer - meistens Essigsäure (z. B. in Wein, Mayonnaise oder Essig), Zitrone und Milchsäure. Sojasauce und Teriyakisauce haben ebenfalls ein saures Medium - sie enthalten eine große Menge Pyroglutaminsäure sowie Bernstein-, Zitronen-, Ameisen- und Essigsäure.

Das bedeutet, dass es in Marinaden viele Wasserstoffkationen gibt, die in der Lage sind, an Proteinmoleküle zu binden und diese zu protonieren. Dadurch verändert sich die Ladungsverteilung in Molekülen und die Feinstruktur der Wasserstoffbrückenbindungen, was zu einer Veränderung der Geometrie von Proteinmolekülen führt. Dadurch werden Proteine denaturiert: Kollagen- und Aktinfasern schwellen an, erweichen, Kollagen löst sich allmählich auf.

Der gleiche Effekt kann ohne den Einsatz von Säuren erreicht werden. Zum Beispiel enthalten einige tropische Früchte wie Papaya und Ananas Enzyme, die Elastin und Kollagen in einzelne Aminosäuren abbauen, und Bakterien- und Pilzproteasen können auf ähnliche Weise Muskelfaserproteine abbauen. Es gibt physikalische Methoden zum Erweichen von Fleisch - das Halten bei Drücken in der Größenordnung von mehreren tausend Atmosphären, was auch zur Denaturierung von Proteinen führt.

Die Geschwindigkeit, mit der Fleisch mariniert wird, hängt auch von der Zusammensetzung der Marinade ab. Zum Beispiel hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein von Alkohol in der Marinade den Marinierungsprozess beschleunigt. Dies liegt daran, dass sich die Lipidmembran von Zellen in Alkohol besser auflöst als in Wasser. Auch verschiedene Hilfsstoffe wie Tannine in Wein und Bier spielen eine Rolle, um Fleisch zart zu machen.

Es ist erwähnenswert, dass das Beizen nicht immer zum Erweichen des Fleisches führt. In einigen Situationen verliert übermäßiges Marinieren (in Gegenwart von zu viel Säure oder Alkohol) Wasser und wird zu hart. Der gleiche Effekt kann durch Übergaren des Fleisches erzielt werden - dann wird das meiste Wasser einfach davon "wegfliegen".

Die zweitwichtigste Wirkung ist antimikrobiell. Dafür sind aber nicht nur Säuren verantwortlich, sondern auch andere Bestandteile der Marinade, wie zum Beispiel Zwiebeln. Viele Studien haben sich mit verschiedenen Methoden zur Abtötung von Schadorganismen in Fleisch beschäftigt; in einem der neugierigsten Autoren schlugen sie vor, die Verarbeitung im Ultraschallbad zum Standardschema des Marinierens von Fleisch in Bier hinzuzufügen.

Es sollte beachtet werden, dass die zweite Stufe des Schaschlik-Kochens die Synthese einiger Karzinogene beginnt - schädliche Substanzen, die möglicherweise Krebs verursachen können. Dies gilt insbesondere für Produkte der Verkohlung von Fett, das auf die Kohlen tropft. Dazu gehören Benzo[a]pyren und andere polyaromatische Kohlenwasserstoffe.

Eine weitere Klasse von Karzinogenen, die beim Verkohlen von Fleisch entstehen, sind heterozyklische Amine. Diese Substanzen sind in der Lage, mit DNA Komplexe zu bilden und die lebenswichtige Aktivität von Zellen zu beeinflussen. Eine Studie fand sogar heraus, dass die Aufnahme von Pyrene in der Nahrung und das Risiko eines kolorektalen Adenoms mit Benzo [a] korrelieren, um den häufigen Verzehr von geräuchertem oder gegrilltem Fleisch mit bestimmten Krebsarten zu korrelieren. Dementsprechend wird empfohlen, den Einsatz solcher Substanzen so weit wie möglich zu reduzieren. Aber auch hier kann Beizen helfen.

Es gibt mehrere Studien portugiesischer und spanischer Chemiker, die darauf hinweisen, dass bestimmte Arten von Marinaden die Wahrscheinlichkeit der Bildung dieser Karzinogene verringern. Zum Beispiel hemmt das Marinieren in dunklem Bier teilweise die Wirkung von Biermarinaden auf die Bildung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe in gegrilltem Schweinefleisch, die Bildung von polyaromatischen Kohlenwasserstoffen, und um den Anteil der gebildeten heterozyklischen Amine zu reduzieren, Marinaden auf Wein-, Bier- oder auch solche mit Tee sollten gewählt werden. Im Allgemeinen ist die Wirkung von Marinaden auf die Bildung polyaromatischer Kohlenwasserstoffe im Allgemeinen noch nicht gut verstanden. Andere mögliche Inhibitoren sind Zwiebeln, Knoblauch, Gewürze und Zitronensäuregurken.

Braten

Das Marinieren beschleunigt aufgrund der Denaturierung der meisten Proteine den Garprozess erheblich. Dadurch wird eine längere Hitzeeinwirkung und die Verdunstung von zu viel Wasser vermieden. Neben der Beschleunigung der Proteindenaturierung löst das Frittieren mit Holzkohle viele andere chemische Prozesse im Fleisch aus.

Die erste davon ist die bekannte Maillard-Reaktion. Sie ist für die Bildung stark riechender organischer Substanzen verantwortlich, die gebratenem Fleisch einen besonderen Geruch verleihen. Aminosäuren, die in Fleisch und Zucker vorkommen, gehen in diese Reaktion ein. Als Ergebnis entstehen komplexe heterocyclische Verbindungen, Derivate von Furan, Thiophen, Alkylpyridinen und Pyrazinen.

Das spezifische Geschmacksprofil für jede Fleischsorte ist unterschiedlich, es wird durch das Verhältnis der Konzentrationen von Tausenden von Aromastoffen bestimmt, die beim Braten gebildet werden. Bei Brathähnchen und Schweinefleisch spielen die Kondensationsprodukte von Cystein mit Zuckern wie 2-Methyl-3-furanthiol und dessen Dimer sowie 2-Furylmethanthiol eine wichtige Rolle für das Aroma.

Natürlich reagieren auch andere Aminosäuren mit Zuckern. Methionin zum Beispiel interagiert mit Zucker und wird zu Methional abgebaut, einer Substanz, die nach Bratkartoffeln riecht.

Es ist klar, dass Proteine und Zucker nicht nur in Fleisch enthalten sind. Daher spielt die Maillard-Reaktion auch für das Aroma anderer Gerichte eine Rolle. Backwaren (und einige Reissorten) riechen beispielsweise nach 2-Acetylpyrrolin, einem Reaktionsprodukt zwischen Prolin und Zucker. In geringen Mengen kommt dieser Stoff auch in gebratenem Fleisch vor.

Der zweite chemische Prozess ist die Fettverkohlung. Fette sind Ester von Glycerin und organischen Fettsäuren wie Stearin, Palmitin usw. Bei der Wärmebehandlung werden sie chemisch in Aldehyde wie Hexadecanal, Hexanal usw. umgewandelt. Interessanterweise enthält Roastbeef mehr Aldehyde als Hühnchen und Schweinefleisch, wodurch sie anders schmecken. Und der charakteristische Lammgeruch ist auf 4-Methyloctan- und 4-Methylnonansäure zurückzuführen.

Der dritte Prozess ist die Reaktion zwischen den Produkten der Karbonisierung von Fetten und den Produkten der Maillard-Reaktion. Dies sind alle Arten von Alkanthiolen, Alkylpyridinen, Alkylderivaten von Thiophenen, Pyrrolen, Thiopyranen, Thiazolen und so weiter. Der Alkylteil in ihnen stammt aus der Fettkomponente und der heterocyclische Teil aus der Mayarkomponente.

Darüber hinaus treten beim Braten von Fleisch weitere Reaktionen mit Aminosäuren auf. So bilden Cystein und Glutathion bei der Hitzebehandlung Trithiolane und Dithiazine, die ebenfalls einen wesentlichen Beitrag zur Geruchsbildung leisten.

Geschmack und Aroma von Kebabs werden nicht nur durch die Abbauprodukte von Aminosäuren, Zuckern und Fetten, sondern auch durch die Produkte der Kohleverbrennung gegeben. Unter ihnen sind Syringol (der Name kommt übrigens vom lateinischen Namen für Flieder, Syringa vulgaris) und Guajakol hervorzuheben - sie entstehen beim Abbau von Lignin, einem Bindemittel für Zellulosemoleküle im Holz. Diese Stoffe verleihen dem Döner (oder Grill) seinen charakteristischen Rauchgeruch.

Dutzende technische Details des Garprozesses beeinflussen das Aromastoffverhältnis im fertigen Döner: Temperatur, Bratdauer, Kohlewahl, Fleisch, Marinade, Garzeit. Und das ist eine tolle Gelegenheit, mit einer wissenschaftlichen Methode bewaffnet, selbst sein optimales Grillrezept zu finden und vielleicht sogar einen wissenschaftlichen Artikel darüber zu schreiben – mit einer besonders saftigen Beschreibung des experimentellen Teils.