Кто ест пчел? 101 ответ на, вроде бы, идиотские вопросы

О'Хара Мик

Мы очень рады, что этот вопрос, присланный в рубрику «Last Word» в 1995 году, вдохновил на разработку исследовательского проекта целый ряд ученых из разных научных учреждений — Джулиана Картрайта из Лаборатории кристаллографических исследований (Гранада, Испания), Оресте Пиро из Средиземноморского института специальных исследований (Мальорка, Испания) и Ану Виллакампа из Национальной лаборатории им. Лоренса Ливермора (Калифорния, США). Их научный доклад «Образование узора при конвекционном движении растворов: извилистые круги и обособленные ячейки» был опубликован в журнале «Physica А». За период с 1995 года в редакцию журнала «New Scientist» читатели прислали ряд теорий, согласно которым причиной столь необычного эффекта является реакция между спиртом и жировыми веществами в сливках. Теперь мы знаем правильный ответ и ниже публикуем объяснение авторов статьи в журнале «Physica А».

Автор-составитель

Мы провели опыт с ликером и сливками и были заинтригованы. Потрясающе интересно наблюдать, как образуются эти разные узоры в слоях сливок разной толщины. Все это вызвано конвекцией. Конвекция — это перемещение объемов жидкости, зачастую обусловленное разностью температур. В ликере со сливками причиной конвекции является разность концентрации. Это так называемое конвекционное движение раствора. Важный компонент ликера «Tia Maria» — спирт. После того как сливки налили на поверхность ликера, спирт начинает

проникать в сливочный слой. Когда он достигает поверхности, происходит изменение поверхностного натяжения: чем больше спирта в поверхностном слое, тем меньше поверхностное натяжение. Области более высокого поверхностного натяжения притягивают к себе жидкость из областей малого поверхностного натяжения. Жидкость, находящаяся под областями малого поверхностного натяжения, смещает жидкость, находящуюся на поверхности, занимая ее место. Но в этой жидкости уже содержится больше спирта, поскольку она поднимается из слоя сливок, находящегося ближе к ликеру. Данная часть жидкости имеет ровную поверхность натяжения и, в свою очередь, тоже смещается. Этот механизм положительной обратной связи создает конвекционное движение, которое продолжается до тех пор, пока существует разница в концентрациях компонентов смеси. Этот тип конвекционного движения, вызываемого воздействием поверхностного натяжения, называется конвекцией Бенара — Марангони и особенно характерен для тонких слоев жидкости. Это важный элемент таких процессов, как высыхание краски. Эти же капиллярные силы, или силы поверхностного натяжения, способствуют образованию других типов узоров в алкогольных напитках (например, «слезы» в бокале вина). Другой важный фактор конвекционного движения — плавучесть. Но конвекция, происходящая под воздействием выталкивающей силы, так называемая конвекция Рэлея — Бенара, не может вызвать образование узоров в «Tia Maria», потому что сливки легче ликера и, соответственно, этот ликер, покрытый слоем сливок, находится в состоянии равновесия. Узоры, образующиеся, когда жидкость начинает перемещаться под воздействием одного из этих двух механизмов, хорошо изучены в таких явлениях, как клубы облаков на небосводе или шестиугольники, появляющиеся на сковородке при нагревании слоя растительного масла. Ликер «Tia Maria» в этом плане исключение, потому что образующиеся в нем узоры — это не обычные клубы или шестиугольники. Об аналогичных узорах также есть упоминания и в научной литературе, в частности в статьях, написанных в первые десятилетия XX века. Червеобразные узоры в тонких слоях сливок называются извилистыми кругами, тороидальные ячейки — обособленными ячейками. И те и другие появляются, если на поверхности вещества, в котором происходит конвекция, есть поверхностная пленка, препятствующая передвижению потоков между поверхностью и основной массой жидкости. В данном случае жирные сливки частично блокируют поверхность, потому и образуются эти узоры. В более поздних исследовательских работах, посвященных конвекции, подобные типы узоров зачастую не рассматриваются, а данные старых опытов считаются неточными, потому что для экспериментов брались неоднородные жидкости; полагают, что разные узоры возникали из-за наличия примесей. Мы попытались восстановить справедливость. Понаблюдав за образованием узоров в ликере «Tia Maria», мы провели опыты с более простыми беспримесными жидкостями: узоры получились такие же.

Джулиан Картрайт, Оресте Пиро, Ана Виллакампа (Испания, США)

Медовая глыба

Почему жидкий прозрачный мед, хранящийся в закрытом сосуде, неожиданно, без воздействия явных внешних факторов, превращается в сгусток затвердевшего сахара? Бывает, что мед, остававшийся прозрачным на протяжении многих лет, буквально за пару недель превращается в твердый сахар, хотя банки спокойно стояли на полке. Температура, вероятно, роли не играет, ведь затвердевание может произойти в любое время года — и зимой, и летом.

Билли Гиллиган (Рединг, Великобритания)

Пчеловоды могут не согласиться с данным утверждением, поскольку мед, полученный из нектара разных растений, ведет себя по-разному. Мед — перенасыщенный раствор сахара разных концентраций (главным образом глюкозы и фруктозы), в котором также присутствуют чешуйки насекомых, пыльцевые зерна и органические молекулы, которые либо способствуют, либо препятствуют кристаллизации. Глюкоза кристаллизуется быстро; фруктоза долго остается в состоянии жидкого раствора. Виды меда, богатого глюкозой и зародышеобразующими частицами (мед алоэ), становятся зернистыми, а некоторые виды эвкалиптового меда остаются душистыми и жидкими на протяжении многих лет. Когда мед долго сохранялся в жидком прозрачном состоянии, а потом вдруг неожиданно стал кристаллизоваться, это значит, что в нем сформировался зародыш кристаллизации под воздействием микробов, местного обезвоживания, окисления или каких-то других химических реакций. Кристаллизация также может быть абсолютно самопроизвольной и начаться, как только произойдет сцепление достаточного количества молекул и образуется затравочный кристалл. Для некоторых видов сахара это обычное явление, для других — редкое. Осеменяя мед кристаллами или активно насыщая его воздухом, вы можете спровоцировать кристаллизацию. Созданный таким образом продукт поступает в продажу как взбитый мед. Патока между осаждающимися кристаллами более жидкая и менее душистая, чем настоящий мед, потому что сахар сконцентрирован в кристаллах. Поместите взбитый мед в микроволновую печь и нагрейте его до невысокой температуры, пока сахар не растает. Сравните на вкус патоку и растаявший сахар. Вы будете поражены.

Джон Ричфилд (Сомерсет-Уэст, ЮАР)

Я наблюдал это много раз. Время начала кристаллизации, по-видимому, зависит от источника нектара, из которого сделан мед. Рапсовый мед кристаллизируется буквально в течение 1–2 недель после того, как его выработали пчелы. Вересковый мед, по-моему, вообще не кристаллизуется. Мед из фуксии очень жидкий и в отличие от всех других сортов, какие я знаю, предрасположен к закисанию, даже если весь мед взят из запечатанных пчелами сот. Но даже этот мед через 1–2 года кристаллизуется.

Пэт Донкастер (Корк, Ирландия)

Побулькаем?

Если опрокинуть наполненную жидкостью бутылку и начать ее выливать, то когда жидкость выливается быстрее — в начале, в конце, в середине процесса либо когда жидкость начинает булькать? И чем объяснить то, что жидкость выливается из бутылки с неравномерной скоростью?

Рэнди Барон (Базель, Швейцария)

Вода, вытекающая из опрокинутой вверх дном бутылки, не имеет свободной поверхности и поэтому должна замещаться чем-то еще, поскольку жидкость с изменением давления фактически не расширяется и не сжимается. В случае с пластиковой бутылкой, имеющей тонкие стенки, сокращение объема возмещается путем сжатия стенок бутылки под давлением воздуха, что поначалу и происходит. Затем требуется еще один механизм возмещения, который в случае со стеклянной бутылкой должен вступать в действие немедленно: поступление пузырьков воздуха через горлышко бутылки. По существу, пузырьки и вода поступают и выходят из бутылки по очереди, что и создает булькающий эффект. Ha скорость потока влияют два других важных фактора. Во-первых, если над

жидкостью в бутылке скопилось достаточное количество газа, этот газ расширяется и занимает объем вытекающей воды. Данный процесс продолжается до тех пор, пока сила пониженного давления газа не станет равной весу оставшейся жидкости. Затем вновь начинается бульканье. Во-вторых, если перед опорожнением бутылку вращать, в жидкости возникнет завихрение и она станет переливаться через горлышко, освобождая относительно свободный проход к центру для потока воздуха. По сути, медленно вращая бутылку перед тем, как вылить из нее жидкость, можно создать в сосуде настоящий торнадо. Данные эффекты играют важную роль в промышленных сепараторах, называемых гидроциклонами, которые имеют форму перевернутой бутылки из-под молока. В эффективности этих аппаратов можно легко убедиться, понаблюдав за движением отделяющейся от дна жидкости. Ее поток имеет форму спирали, конуса или веточки.

Мартин Питт (химико-технологический факультет Шеффилдского университета, Великобритания)

К сведению барменов: небольшой опыт, проведенный в лаборатории журнала «New Scientist», подтверждает, что вода из бутылки, под каким бы углом ее ни держали, выливается быстрее, если бутылка полная, потому что в этом случае давление на жидкость в области горлышка самое сильное. Чтобы быстро вылить все содержимое бутылки, не опрокидывайте ее вверх дном, а держите под углом. Это более эффективный способ, потому что в этом случае удается избежать бульканья, которое замедляет проход жидкости через горлышко бутылки. Если хотите еще больше ускорить процесс, последуйте совету Мартина Питта: покрутите бутылку и затем опрокиньте вверх дном, продолжая быстро вращать ее вокруг оси. Мы выяснили, что, если перевернуть бутылку вина объемом 750 мл вверх дном, можно опорожнить ее за 9,9 секунды, а если держать ее под углом в 45° — за 8,1 секунды. Если взболтать жидкость в бутылке так, чтобы у горлышка образовалось завихрение, что позволит воздуху с самого начала проникать в сосуд и замещать жидкость, время опорожнения сократится до 7,7 секунды. Во всех случаях интенсивность опорожнения бутылки снижается по мере того, как падает высота напора воды над горлышком. Если разделить объем воды в бутылке на три равные части, то первый, второй и третий объемы из перевернутой вверх дном бутылки выльются соответственно за 2,5, 3,5 и 3,8 секунды; из бутылки, которую держат под углом, — за 2,0, 2,4 и 3,7 секунды; из взболтанной бутылки — за 2,0, 2,3 и 3,3 секунды. Технику взбалтывания можно освоить в совершенстве, но не рекомендуется перед наливанием взбалтывать пиво и прочие напитки, содержащие газ.

Автор-составитель

Меняем вкус

Глутамат натрия 1-замещенный — широко распространенный интенсификатор вкуса и аромата, особенно часто используемый в блюдах китайской и японской кухни. Почему эта вкусовая добавка столь популярна в кухне этих стран? Каков механизм ее действия?

Майкл Стюарт (Гулль, Великобритания)

Глутамат натрия 1-замещенный (Е621) — традиционно наиболее употребительная вкусовая добавка в блюдах восточной кухни. На протяжении тысячелетий японцы включают в свою пищу в целях улучшения ее вкусовых качеств морскую водоросль под названием комбу, но только в 1908 году было установлено, что за улучшение вкусовых качеств пищи отвечает такой ингредиент комбу, как глутамат. С того времени и до 1956 года глутамат в Японии производили на продажу путем извлечения из комбу. Этот способ требовал больших затрат и времени, и материальных средств. Потом началось массовое промышленное производство, которое продолжается и по сей день. В его основе лежит процесс ферментации таких природных веществ, как черная патока, добываемая из сахарной свеклы и сахарного тростника. Сегодня во всем мире производят сотни тысяч тонн вкусовой добавки Е621. Глутамат натрия 1-замещенный содержит 78,2 % глутамата, 12,2 % натрия и 9,6 % воды. Глутамат, или свободная глутаминовая кислота, — это аминокислота, содержащаяся в богатых белками продуктах: мясе животных и домашней птицы, овощах и молоке. Большое количество глутамата содержится в сырах рокфор и пармезан. Глутамат, содержащийся в пищевой добавке Е621, изготовленной промышленным способом, отличается от глутамата растительного и животного происхождения. Природный глутамат состоит исключительно из L-глутаминовой кислоты, а его искусственные разновидности имеют в своем составе еще и D-глутаминовую кислоту, а также пироглутаминовую кислоту и другие химические вещества. Широко известно, что блюда японской и китайской кухни содержат Е621, но почему-то мало кто знает, что эта добавка также используется при приготовлении пищи в странах всего мира. В Италии, например, ее добавляют в пиццу и лазанью, в США — в густой суп из рыбы или моллюсков и в тушеные блюда, в Великобритании — в хрустящий картофель и блюда из хлебных злаков. Считается, что Е621 усиливает натуральный «пятый вкус» некоторых продуктов (основные четыре — сладкий, кислый, горький и соленый). Этот «пятый вкус» по-японски называется «умами», что значит пряный, бульонный, мясной вкус. Впервые умами идентифицировал как вкус сотрудник Токийского императорского университета Кикунэ Икеда в 1908 году — в тот же период, когда в комбу был обнаружен глутамат. С точки зрения эволюции представляется вполне обоснованным, что у человека выработалась способность различать вкус глутамата, потому что этой аминокислотой богаты практически все натуральные продукты. Джон Прескотт, адъюнкт-профессор Сенсорного научно-исследовательского центра Чикагского университета, высказывает предположение, что умами сигнализирует о наличии в пище протеина, равно как сладкий вкус указывает на энергопитающие углеводы, горький — на наличие токсинов, соленый — на нехватку минеральных веществ, а кислый — на испорченность продукта. Группа ученых даже установила рецептор умами — это модифицированная форма молекулы mGluR4.

Марк Болли (Амершем, Великобритания)

Странный чай

Если в чашку с черным чаем добавить несколько капель лимонного сока, чай заметно и очень быстро светлеет. Почему?

Стюарт Робб (Стратхейвен, Великобритания)

В двух словах ответ на данный вопрос будет звучать так: при добавлении лимонного сока меняется степень кислотности чая. Из-за этого чай меняет цвет, как лакмусовая бумажка. Аналогичный эффект можно наблюдать, если лимонный сок добавить не в чай, а в отвар из краснокочанной капусты.

Арон (Торонто, Канада)

В чайных листьях содержится группа химических веществ, называемых полифенолами, которые, как ни странно, составляют почти треть веса сухого чайного листа. Эти соединения и определяют цвет и вкус чая. Одну группу полифенолов представляют теарубигины — красно-коричневые пигменты, содержащиеся в черном чае и составляющие от 7 до 20 % веса сухого листа. Цвет черного чая также зависит от концентрации ионов водорода в воде. Теарубигины в чае — слабоионизирующие кислоты и анионы (отрицательно заряженные ионы), которые они образуют, — имеют очень густой, насыщенный цвет. Если вода, которой заваривают чай, содержит щелочь, цвет чая будет более насыщенным из-за более высокой степени ионизации теарубигинов. Если лимонный сок, который является кислотой, добавить в чай, ионы водорода будут препятствовать ионизации теарубигинов и чай станет светлее. Что интересно, теафлавины — полифенолы желтого цвета в черном чае — не участвуют в процессе осветления, который происходит при изменении кислотности среды.