علم پخت و پز THE SCIENCE OF
انرژی در پختوپز The Energy of Baking
پختوپز دگرگونی مواد غذایی با گرماست. اگر بهعنوان نمونه، انرژی گرمایی کافی به خمیر وارد کنید، نان به دست میآید. اما چه مقدار انرژی کافی است؟
پاسخ به چند عامل بستگی دارد: مقدار خمیر، شکل قرص نان، میزان پف کردن خمیر و بهویژه مقدار آبی که در ترکیب محبوس شده است. به طور کلی، هرچه نان بزرگتر و گردتر باشد و بافت درونی آن هواگیرتر، و هرچه رطوبت خمیر بیشتر باشد، انرژی بیشتری برای پخت لازم است.
پخت نان فرآیندی پرانرژی است زیرا رسانایی گرمایی خمیر پایین است (بنگرید به «چرا نان اینقدر دیر میپزد»، . زمان لازم است تا دمای مرکز خمیر به °95 سانتیگراد / °203 فارنهایت یا بالاتر، یعنی نزدیک نقطهی جوش آب برسد.
بالا بردن دمای درونی تا این حد نیازمند حرارت زیادی است؛ زیرا باید بخش زیادی از آب لایههای بیرونی نان به بخار تبدیل شود. این موضوع بخشی از دلیل بادکردن نان در فر و نیز کاهش وزن آن هنگام پخت است . مشکل دیگر این است که معمولاً به جریان هوای داغ برای رساندن گرما به خمیر تکیه میکنیم؛ روشی که در مقایسه با پخت در حمام آب یا حتی ظرف پخت، بسیار ناکارآمد است. در نتیجه، پخت یک قرص نان 440 گرمی / 1 پوندی در فر طبقاتی یا فر بخارپز کمتر از نیم کیلوواتساعت انرژی مصرف میکند.
قرصهای نانی که به مدت 2، 3، 7 و 18 دقیقه (از چپ به راست) پخته شدهاند، بازتاب اثر دگرگونکنندهی انرژی جذبشده توسط خمیر هستند. نان تازهپختهی سمت چپ پس از 2 دقیقه تنها اندکی بالا آمده است؛ بهدلیل انبساط حرارتی حبابهای گاز، تبخیر آب به بخار حجیمتر، و تولید سریعتر دیاکسیدکربن توسط مخمر گرمشده. اما پس از خروج از فر، گازها خارج میشوند، بخار متراکم میگردد و خمیر توان کافی برای نگهداری وزن خود ندارد، بنابراین فرو میریزد. پس از 7 دقیقه، بخشهای بیرونی نان میانی بهاندازهای سفت شدهاند که آن را سرپا نگه دارند، ولی مرکز همچنان خام و نرم است. در 18 دقیقه، نان کاملاً پخته شده و در 8 دقیقه بهراحتی میتواند حبابهایی را که گرما ایجاد کرده باز نگه دارد.
فناوری کنترل دما THE TECHNOLOGY OF
کنترل دما Controlling Temperature
نه چندان دور، مهارت یک نانوا در توانایی کنترل عملآوری خمیر و پخت در فرها نهفته بود: اینکه تشخیص دهد کجا باید قرصها را در محفظه قرار دهد و چه مدتی آنجا نگه دارد. اما در این زمینه، فناوری از تخصص انسانی پیشی گرفته است؛ ابزارهای الکترونیکی امروزه بسیار دقیقتر از نانواها میتوانند دما را کنترل کنند.
ابزاری به نام کنترلکنندهی تناسبی–انتگرالی–مشتقی (PID) میتواند نهتنها دمای فعلی بلکه نرخ گرم یا سرد شدن حسگرها و مقدار تجمعی اضافهگرمایی یا کمگرمایی را تشخیص دهد. سپس نرخ ورودی گرما را مطابق آن تنظیم میکند. این ابزارها حسگرهای دمایی پیشرفته را با نرمافزارها و رلههایی که عنصر حرارتی را تنظیم میکنند، ترکیب میکنند. نام PID از روش محاسبهی این نرمافزار گرفته شده است.
کنترلر PID چنان کنترل بهتری نسبت به سایر ابزارها دارد که ممکن است وسوسه شوید آن را به هر اجاق و پختپزخانهای وصل کنید. هشدار: نصب PID روی وسایل آشپزخانهی معمولی کار سادهای نیست. این کنترلرها روی دستگاههای «غیرهوشمند» که ریزپردازندهی داخلی ندارند بهتر عمل میکنند، مانند دستگاه اسپرسوساز و اجاق ساده. نصب PID روی یخچال یا هر وسیلهای با کمپرسور، ایدهی بدی است زیرا کمپرسورها برای روشن و خاموش شدن مکرر طراحی نشدهاند.
علاوه بر PID، باید یک حسگر دما و یک رلهی حالت جامد مناسب برای تجهیزات انتخاب کنید. اتصال رلهی اشتباه به دستگاه میتواند پیامدهای خطرناکی داشته باشد.
خود PID هم معمولاً تفاوت چندانی میان برندها ندارد. مدلهای قدیمیتر باید برای هر اجاق، حسگر و المنت حرارتی «تنظیم» میشدند. اما با منطق فازی و پیشرفتهای دیگر، دستگاههای «فشار–برای–تنظیم» و ابزارهای با تنظیم تطبیقی مداوم عرضه شدهاند که نگهداری بسیار کمتری نیاز دارند. افزون بر این، برخی دستگاههای عملآوری مدرن با کنترل PID داخلی عرضه میشوند.
گرما و انرژی HEAT AND ENERGY
انرژی، توان و بازده ENERGY, POWER, AND EFFICIENCY
وقتی اجاق میخرید، توان آن بر حسب وات مشخص میشود. برای گریلها، واحد BTU (واحد حرارتی بریتانیا) در تبلیغات رایج است. ما دربارهی کالری موجود در نان صحبت میکنیم و شاید دربارهی اسببخار همزنها. بیشتر مردم، از جمله نانواها، میدانند این اصطلاحات با انرژی یا توان مرتبطند، اما تفاوت میان آنها را دقیق نمیدانند.
انرژی مقدار خالصی است که به زمان وابسته نیست. وقتی بنزین در باک میریزید، مقدار مشخصی انرژی شیمیایی ذخیره میکنید. توان اما نرخ مصرف انرژی در واحد زمان است. غرّش موتور که با گذر زمان باک را خالی میکند، همان صدای توان است که از جریان انرژی حاصل میشود.
از آنجا که توان برابر است با انرژی تقسیم بر زمان، همهی واحدهای انرژی و توان به هم مربوطاند. بسیاری از آنها بر اساس ظرفیت گرمایی ویژهی آب تعریف میشوند.
BTU مثلاً مقدار انرژی لازم برای گرم کردن یک پوند آب از °60 به °61 فارنهایت است. با وجود نام «بریتانیا»، امروزه این واحد بیشتر در آمریکا استفاده میشود—اغلب اشتباه بهعنوان واحد توان.
واحد متداولتر ژول (J) است، واحد بنیادی انرژی در سیستم متریک. یک ژول برابر است با انرژی لازم برای رساندن یک جرم یککیلویی از حالت سکون به سرعت یک متر بر ثانیه. مقایسه کنید: بالا بردن دمای یک کیلو آب به اندازهی °1 سانتیگراد نیازمند 4,190 J (یا تنها 4 BTU) انرژی است.
در دنیای غذا، رایجترین واحد انرژی کالری است، که منبع سردرگمی بوده است. دانشمندان سالها «کالری» را مقدار انرژی لازم برای گرم کردن یک گرم آب به اندازهی °1 سانتیگراد تعریف کردند. اما متخصصان تغذیه آن را معادل گرم کردن یک کیلوگرم آب به اندازهی °1 سانتیگراد گرفتند—هزار برابر بیشتر. گاهی برای تفکیک، کالری بزرگ (Calorie) نوشته میشود، اما اغلب این کار نمیشود. برخی میان «گرم–کالری» و «کیلوگرم–کالری» تمایز میگذارند. یک کیلوکالری همیشه برابر با هزار کالری کوچک است.
چگونه به نتیجه رسیدیم HOW WE FIGURED OUT
بهترین چیدمان برای پخت پیتزا در فر خانگی
طرفداران سبک ناپلی معتقدند یک پیتزای بینقص ناپلی باید پوستهای نازک داشته باشد که از زیر بسیار تُرد و کمی سوخته باشد، ترجیحاً در تنور چوبی پیتزا. برخی مدلهای این تنورها بهراحتی به دمای یکنواخت 400–540 °C / 750–1,000 °F میرسند و آن را نگه میدارند—بسیار بالاتر از حد بالای اغلب فرهای خانگی. به همین دلیل، علاقهمندان پیتزا مدتهاست که برای تقلید از گرمای سوزان تنور چوبی، فر خانگی خود را با سنگ پیتزا که زیر گریل از پیش گرم میشود، تکمیل میکنند. جرم زیاد سنگِ از پیشگرمشده کمک میکند افت دمای فر هنگام گذاشتن پیتزا در آن تعدیل شود. و چون رسانایی گرمایی سنگها بسیار بیشتر از هواست، گرما را بسیار سریعتر به پوسته منتقل میکنند. اما با همین منطق از خود پرسیدیم آیا مواد دیگری میتوانند حتی بهتر عمل کنند؟
ما دهها آزمایش انجام دادیم—بیش از 100 پیتزا—تا دامنهی گستردهای از مواد و روشها را برای پخت پیتزا در خانه بررسی کنیم. تجهیزات رایانهای ثبت دما به ما اجازه داد هشت دمای جداگانه—from دیوارهی فر تا سطح پخت تا خود خمیر—را در طول فرآیند پخت دنبال کنیم. هدف اصلی ما یافتن سطح پختی بود که بهترین انتقال گرما را به خمیر خام پیتزا داشته باشد. اگرچه هر سطحی وقتی پیتزای سرد روی آن قرار میگیرد تا حدی خنک میشود، کاهش دما باید تا حد ممکن کوچک و کوتاهمدت باشد.
همانطور که انتظار میرفت، صفحههای ضخیم فلزی دمای از پیشگرمشدهی خود را بهتر از صفحههای نازک حفظ میکنند، اما برای پیشگرم شدن و بازیابی پس از افت دما هم بیشتر زمان میبرند. نتیجهی نهایی ما: یک صفحهی فولادی تیره (نه براق) با ضخامت 12 میلیمتر / ½ اینچ بهترین پوسته را تولید میکند—اگرچه بهطرزی حیرتآور سنگین است. صفحهی فولادی با ضخامت 10 میلیمتر / ⅜ اینچ نیز بسیار خوب عمل میکند، اما قابلمدیریتتر است و سریعتر پیشگرم میشود. بنابراین وقتی Baking Steel نسخهی ویژهی Modernist Cuisine™ را طراحی کردیم، این اندازهی «دقیقاً بهاندازه» را انتخاب نمودیم .
ما یک فر خانگی معمولی را به چندین پروب دما (چپ) مجهز کردیم و دادهها را هنگام پیشگرم کردن فر و سپس پخت پیتزا روی Modernist Cuisine™ Special Edition Baking Steel ثبت کردیم. با قرار دادن فر روی حالت گریلِ قوی (broil)، دمای هوای داخل محفظه در عرض 15 دقیقه به 200 °C / 390 °F جهش کرد (خط نارنجی)، در حالی که دمای صفحهی فولادی پیتزا (خط سبز) حدود یک ساعت پیشگرم لازم داشت تا به مقدار هدف برسد. با این حال، نوسانات دما با روشن و خاموش شدن المنت گریل رخ میداد، اما دامنهی نوسان در فولاد بسیار کوچکتر بود (±2 °C / 4 °F) نسبت به هوای فر (±15 °C / 30 °F). وقتی در زمانهای t=08 و t=32 پیتزاها را داخل گذاشتیم، دمای فولاد فقط برای مدت کوتاهی و تنها حدود 5 °C / 10 °F افت کرد. فولاد همچنین بسیار داغتر از هوای فر شد و امکان ایجاد پوستهی تاولخورده را فراهم آورد. برای مقایسه، پایداری دمای همان فر را در حالت خالی نیز اندازهگیری کردیم (خط آبی) که بسیار نامنظمتر بود.
فناوری THE TECHNOLOGY OF
انتخاب تابهها و قابلمههای خوب
برخلاف آنچه بازاریابان ظروف پختوپز دوست دارند القا کنند، کماهمیتترین مؤلفه در پختِ فر یا آشپزی روی اجاق، خود ظرف است. تنها چند ویژگی کلی واقعاً برای تهیهی آسان نان عالی یا غذای سوتِه اهمیت دارد—و این ویژگیها در ظروف با هزینهی متوسط بهوفور یافت میشود.
تابههای سوتِه معمولاً عریض و کمعمق با دیوارههای کمی شیبدار هستند. این شکل انتقال گرما بین شعله و تابه را بیشینه میکند؛ همچنین سطح بزرگی فراهم میآورد تا آبِ جمعشده بهسرعت بجوشد و تبخیر شود. دیوارههای مورب، تکاندادن دایرهای غذا را آسانتر میکند: حرکت روبهجلوی تابه و سپس برگشت سریع آن، غذا را بالا میاندازد تا روی سمت دیگر فرود آید.
قالبهای نان معمولاً در مقطع عمودی مستطیلی یا ذوزنقهایاند. مانند تابههای سوتِه و سینیهای فر، این قالبها را میتوان در طیف وسیعی از ضخامتها، روکشهای نچسب و مواد—از جمله آلومینیوم، فولاد زنگنزن، فولاد آبی، آهن و مس—یافت. بهنظر میرسد برای هر گزینهای مبلغّانی وجود دارند و تولیدکنندگان با فروش ظروف براق بهعنوان لوازم سبک زندگی، ثروت اندوختهاند. اما آیا نوع فلز، ضخامت یا روکش واقعاً مهم است؟ نه چندان؛ هرچند یک روکش نچسب بادوام—بهویژه در قالبهای نان—خروج آسان غذا و کاهش کار نظافت را بههمراه دارد، و به همین دلیل توصیهشان میکنیم.
بیتردید، یک ظرف نازک از فلزات آهنپایهی با رسانایی کمتر، گرما را در کف بهطور ناهموار پخش میکند. برای برخی تکنیکها مانند سرخکردن کمعمق و سسسازی، این موضوع میتواند آزاردهنده باشد. اما در تکنیک سوتِه، غذا مرتب در تابه جابهجا میشود و این جابهجایی عملاً نقاط داغ و سرد را میانگین میگیرد.
آنچه مهم است—غیر از شکل مناسب—این است که چند ظرف در اندازههای گوناگون داشته باشید تا همیشه بتوانید متناسب با مقدار غذا انتخاب کنید. اگر هنگام سوتِه، سطح تابه را یکنواخت با غذا بپوشانید، احتمال ایجاد نقاط داغ که غذا را بسوزانند بسیار کمتر میشود.
این یک واقعیت ساده است که مس سریعتر از آلومینیوم گرم و سرد میشود و آلومینیوم نیز پاسخگویتر از فلزات آهنپایه (از جمله فولاد) است. اما آیا واقعاً مهم است که یک تابه دو برابر تابهی دیگر سریعتر واکنش نشان دهد؟ آیا این چابکی چندصد دلار میارزد؟
ما چنین فکر نمیکنیم. یک تابهی مسی گرانقیمت کمکی نمیکند اگر شعله یا فر شما نسبت به مقدار غذایی که میپزید کمقدرت باشد. و یک تابهی فولادی ارزان، اگر انرژی کافی به آن بدهید، بهاندازهی کافی سریع داغ میشود. برای اثبات، به وک در تفتدادن فکر کنید—احتمالاً اوجِ سوتِه. وکها از آهن یا فولاد نازک، ارزان و بدون روکش ساخته میشوند. اگر بخواهید، آن را وارد مسابقهی سریعترین برشتهکردن با یک تابهی 400 دلاریِ پوششفوقفناورانه کنید. شرط ما بیتردید روی وک فروتن است.
تابه باید هنگام تنظیم شعله پاسخ مناسب بدهد—اما آنقدر حساس نباشد که نوسانهای کوچک توان حرارتی باعث جهشهای شدید دمای آن شوند. به زبان علمی: «ظرفیت گرمایی» ظرف بهاندازهی «رسانایی» آن اهمیت دارد. متأسفانه سازندگان ظرفیت گرمایی محصولاتشان را اعلام نمیکنند و محاسبهاش هم کمی دشوار است؛ زیرا باید ضخامت کف، گرمای ویژهی مادهی سازنده و چگالی آن را بدانید.
همین عامل آخر—چگالی، یعنی جرم تقسیم بر حجم—بهطرز شگفتی مهم است. آلومینیوم را در نظر بگیرید که در میان مواد رایجِ ظروفِ پخت بیشترین گرمای ویژه را دارد؛ یعنی باید بهازای هر واحد جرم انرژی زیادی به آن بدهید تا گرم شود. با این حال، آلومینیوم بهسرعت داغ میشود. چرا؟ چون سبک است: چگالی پایینی دارد و بنابراین برای ظرفی همحجمِ چدن، جرم کمتری برای گرمکردن دارد. هرچند آهن گرمای ویژهی پایینی دارد—تقریباً نصف آلومینیوم—اما ماهیتابهی چدنی آهسته گرم میشود و بهشکلی چشمگیر گرمای یکنواختی میدهد، زیرا چگال و در نتیجه سنگین است.
خوشبختانه یک شاخص یگانه وجود دارد که هر سه ویژگی مهمِ ظروف—رسانایی، گرمای ویژه و چگالی—را در نظر میگیرد: نفوذپذیری حرارتی (thermal diffusivity). هرچه نفوذپذیری بالاتر باشد، ماده پالس گرما را سریعتر منتقل میکند. این ویژگی فراگیر سبب رفتار کلانی میشود که ما در قابلمهها، تابهها و ابزارها میستاییم یا نکوهش میکنیم. مردم میگویند ظروف مسی «خوب گرما را هدایت میکند» و واقعاً مس رسانای بسیار خوبی است. اما در عمل منظورشان این است که رسانایی بالای مس و گرمای ویژهی پایین آن با چگالی نسبتاً بالایش—حتی بیشتر از چدن—متعادل شده است. همچنین منظورشان این است که مس هم سریع و هم یکنواخت گرم میشود؛ یعنی بهاختصار، نفوذپذیری حرارتی بالایی دارد.
رسانش در غذا Conduction in Food
رسانش میتواند در فاصلههای کوتاه توان زیادی منتقل کند، اما فراتر از چند میلیمتر، آهستهترین شکل انتقال گرماست. این موضوع در غذا—که از سلولهای زیستی تشکیل شده و ساختارش حرکت گرما را دشوار میکند—دوچندان صدق میکند. رسانایی گرمایی پوستهی نان معمولاً تنها یک دههزارم رسانایی مس یا آلومینیوم است! اینکه پوسته مانند یک پتوی عایق عمل میکند، یکی از عوامل مهم زمانهای طولانی پخت است .
هندسهی قرص نان—یا هر قطعهی غذا—نیز بر رسانش گرما اثر میگذارد. بله، گفتیم «هندسه»—نرخ جریان گرما در غذای جامد نهتنها به اندازه بلکه به شکل آن نیز وابسته است.
نانواها و آشپزها معمولاً میخواهند گرما را به مرکز غذا—یا دستکم تا عمقی درون آن—برسانند. اما معمولاً فقط میتوانید گرما را به سطح اعمال کنید. با گرمشدن بیرون، انرژی بهتدریج به داخل نفوذ میکند. ناگزیر، شیبی از دمای داغ در بیرون به دمای خنکتر در داخل شکل میگیرد. یکی از بزرگترین چالشهای پختوپز این است که این شیب را طوری مدیریت کنید که هسته پیش از آنکه سطح بیشازحد پخته شود، به حد مناسب برسد.
از کف تابه تا دسته FROM PAN BOTTOM TO HANDLE
هر مادهای در آشپزخانه شما نسبت به گرما کمی متفاوت واکنش نشان میدهد. چهار مقدار فهرستشده برای هر ماده در زیر نشاندهندهی ویژگیهای متمایزی هستند که نحوهی رسانش گرما در آن ماده را کنترل میکنند. نفوذپذیری حرارتی مفیدترین این پارامترهاست: هرچه نفوذپذیری بالاتر، انتقال پالس گرما سریعتر.
آلومینیوم Aluminum
گرمای ویژه: 910 J/kg·°C
چگالی: 2,700 kg/m³
رسانایی گرمایی: 120–180 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 48.84–73.26 mm²/s
مس Copper
گرمای ویژه: 390 J/kg·°C
چگالی: 8,960 kg/m³
رسانایی گرمایی: 401 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 114.8 mm²/s
چدن Cast iron
گرمای ویژه: 460 J/kg·°C
چگالی: 7,210 kg/m³
رسانایی گرمایی: 55 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 16.38 mm²/s
فولاد زنگنزن Stainless steel
گرمای ویژه: 490 J/kg·°C
چگالی: 7,849 kg/m³
رسانایی گرمایی: 12.1–45.0 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 3.15–11.7 mm²/s
فولادِ پخت Baking steel
گرمای ویژه: 500 J/kg·°C
چگالی: 8,000 kg/m³
رسانایی گرمایی: 16 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 4.0 mm²/s
سنگ پیتزای کوردیِریت Cordierite pizza stone
گرمای ویژه: 1,467 J/kg·°C
چگالی: 2,600 kg/m³
رسانایی گرمایی: 3 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.79 mm²/s
ظرف سفالی Clay pot
گرمای ویژه: 938 J/kg·°C
چگالی: 2,000 kg/m³
رسانایی گرمایی: 1 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.53 mm²/s
جعبهی عایق استایروفوم Styrofoam cooler
گرمای ویژه: 1,300 J/kg·°C
چگالی: 100 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.03 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.23 mm²/s
شیشهی پیرکس Pyrex glass
گرمای ویژه: 750 J/kg·°C
چگالی: 2,500 kg/m³
رسانایی گرمایی: 1.4 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.75 mm²/s
تختهبرش چوبی Wooden cutting board
گرمای ویژه: 2,010 J/kg·°C
چگالی: 590–930 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.17 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.09–0.14 mm²/s
قالبهای سیلیکونی پخت Silicone baking molds
گرمای ویژه: 1,460 J/kg·°C
چگالی: 1,200 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.15 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.09 mm²/s
سفیدهی تخممرغ Egg white
گرمای ویژه: 3,849 J/kg·°C
چگالی: 1,065 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.60 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.15 mm²/s
خمیر گندم Wheat dough
گرمای ویژه: 1,260–3,027 J/kg·°C
چگالی: 586–1,100 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.31–0.60 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.13–0.22 mm²/s
نان، مایه (crumb) Bread loaf, crumb
گرمای ویژه: 2,560–3,000 J/kg·°C
چگالی: 181–545 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.23–0.72 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.16–0.41 mm²/s
نان، پوسته (crust) Bread loaf, crust
گرمای ویژه: 1,470–1,680 J/kg·°C
چگالی: 300–443 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.041–0.43 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.04–0.08 mm²/s
آب Water
گرمای ویژه: 4,190 J/kg·°C
چگالی: 999 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.56 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.13 mm²/s
عایق فایبرگلاس Fiberglass insulation
گرمای ویژه: 844 J/kg·°C
چگالی: 10–91 kg/m³
رسانایی گرمایی: 0.03–0.04 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 0.47–5.2 mm²/s
الماس Diamond
گرمای ویژه: 628 J/kg·°C
چگالی: 3,513 kg/m³
رسانایی گرمایی: 900–2,320 W/m·°C
نفوذپذیری حرارتی: 400–1,100 mm²/s
بیشتر سرآشپزها و آشپزهای خانگی شهود خوبی دربارهی مدت لازم برای جلزولز یک تکه گوشت دارند.麻 مشکل زمانی پیش میآید که بخواهید همین شهود را برای برآورد زمان پخت تکهای بزرگتر یا کوچکتر بهکار ببرید، زیرا رسانش بهطرز غیرحدسی مقیاس میشود. مثلاً یک استیک به ضخامت 5 cm / 2 in طولانیتر از تکهای با ضخامت تنها 2.5 cm / 1 in میپزد. اما چقدر طولانیتر؟ دو برابر؟
حدس بدی نیست—اما نادرست است. در واقع، تکهی ضخیمتر تقریباً چهار برابر زمان میبرد. این رابطهی مقیاسی از تحلیل ریاضی تقریبِ معادلهی گرمای فوریه بهدست میآید .
بنابراین قاعدهی کلی برای برآورد زمان پخت برشهای تختِ گوشت و سایر غذاهای جامد این است که زمانِ لازم با مربعِ افزایش ضخامت رشد میکند. دو برابر ضخیمتر یعنی چهار برابر طولانیتر؛ سه برابر ضخیمتر یعنی نه برابر طولانیتر.
این قاعده زمانی میشکند که ضخامت غذا با ابعاد دیگرش هماندازه شود—مثلاً نانِ رول مکعبی یا قرص بیضوی. در این حالت گرمایی که از کنارهها وارد میشود سهم قابلتوجهی در رسانش دارد.
ما شبیهسازیهای رایانهای گستردهای انجام دادهایم که نشان میدهد وقتی طول و عرض پنج برابر ضخامت باشند (برای یک بلوک غذا) یا وقتی طول پنج برابر قطر باشد (برای یک استوانه)، آنگاه قاعدهی سادهی مقیاس خوب کار میکند. بیرون از این حدود، وضعیت پیچیدهتر میشود و نقطهی دقیق شکست قاعده باید برای هر شکل جداگانه محاسبه شود.
طبعاً این قواعد برای نان هم صادقاند. قرصهای نازک و تخت شبیه استیکها میپزند: اگر ضخامت را دو برابر کنید، نان چهار برابر زمان میبرد. شکل قرص تأثیر زیادی بر زمان پخت دارد زیرا انتقال گرما—بهطور کلی—به کوتاهترین مسیر تا مرکز غذا وابسته است. قرصی دراز و باریک مانند باگت زمان پخت کوتاهتری نسبت به بولِی از همان خمیر دارد. نانها یا نانکهای پختهشده بهصورت دیسکهای تخت و بولهای گرد بسیار سریعتر از تودههای گردِ خمیر میپزند.
هیچ قاعدهی کلیای برای همهی انواع غذاهای «سهبعدی» وجود ندارد. تسلط بر این نوع پخت، مسئلهای است از قضاوتی که با تجربه و آزمایش تغذیه شده باشد. در نانپزی، این واقعیت که جابهجایی درون قرص نقش بزرگی در حرکت گرما دارد میتواند شهود شما را به چالش بکشد.
توان در تعادل Power in the Balance
در آشپزخانه، نانوا بیشتر به توان اهمیت میدهد تا انرژی: نرخ جریان انرژی از چیزی به چیز دیگر. واحد بنیادی توان وات (W) است. یک وات برابر است با یک ژول انرژی در هر ثانیه. اجاقی با توان 3,600 W در هر ثانیه 3,600 J حرارت میفرستد.
یک کیلووات برابر 1,000 وات است. مردم اغلب کیلووات را واحد انرژی اشتباه میگیرند زیرا کنتورهای برق خانگی مصرف را بر حسب کیلوواتساعت نشان میدهند. یک کیلوواتساعت انرژی مصرفشده در نرخ 1,000 W طی یک ساعت است که برابر با 3.6 میلیون J میشود.
اسببخار هنوز هم در موتور خودروها و ابزارها بهکار میرود. هر اسببخار حدود 746 W است.
نمونهی کاربردی: اگر یک لیتر آب °5 سانتیگراد دارید و میخواهید آن را به °55 برسانید، باید دما را 50 درجه افزایش دهید. با ظرفیت گرمایی آب (حدود 4,190 J/kg·°C)، نیازمند 210,000 J انرژی هستید. اگر منبع گرمایی شما 2,000 W توان واقعی بدهد، این کار 105 ثانیه طول میکشد—کمتر از 2 دقیقه.
تبدیل میان واحدها Converting Among Units
جدولها روش تبدیل میان ژول، کالری، کیلوکالری، BTU، کیلوواتساعت، اسببخار و غیره را نشان میدهند.
بازده
رتبهبندی توان وسایل الکتریکی بیشینهی مصرف آنها را نشان میدهد، نه لزوماً میزان حرارت منتقلشده به غذا. هیچ وسیلهای 100٪ بازده ندارد. در اجاق برقی، بخشی از توان صرف فنها و دیوارهها میشود. بازده یعنی نسبت توان ورودی که واقعاً به گرما یا کار مفید تبدیل میشود.
موتورهای احتراقی خودرو بازدهی حدود 25٪ دارند، در حالی که موتورهای الکتریکی القایی مانند همزنها بازدهی بیش از 75٪ دارند. اجاقهای القایی از همه کارآمدترند زیرا مستقیماً ظرف را گرم میکنند، نه هوا یا سطح میانی. حتی رنگ اجاق هم مهم است؛ اجاقهای سیاه گرما را بهتر نگه میدارند.
واقعیتهایی دربارهی اصطکاک
وقتی دستهایتان را میمالید تا گرم شوند، اصطکاک گرما ایجاد میکند. همین اصل در آشپزخانه هم رخ میدهد. برش غذا با چاقو گرمای اندکی تولید میکند، اما در مخلوطکنها و همزنها اصطکاک میتواند بهقدری باشد که دما را بالا ببرد و حتی غذا را بپزد.
به همین دلیل، هنگام ورز دادن خمیر با میکسر، گرمای اصطکاک دما را بالا میبرد و باید در دستورهایی که دمای مشخص خمیر لازم است، این موضوع را در نظر گرفت.
فناوری گرمکردن کارآمد غذا
تفاوتی میان مقدار انرژیای که یک وسیلهی گرمایشی آشپزخانه از پریز برق میگیرد و مقدار انرژیای که واقعاً به غذایی که در حال گرمکردن آن هستیم میرسد وجود دارد. هرچه وسیله ناکارآمدتر باشد، این اختلاف بیشتر است. بازدهی انرژی در فرها، اجاقها و حمامهای آب بسته به طراحی دستگاه، اندازه، شکل و جنس ظرف غذا و همچنین عواملی مانند سرعت اعمال انرژی، بهطور چشمگیری متفاوت است. اگر برخی از این متغیرها ثابت بمانند، دستگاههای پخت و پز چگونه با هم مقایسه میشوند؟
ما در آزمایشگاه، کارایی تعدادی از دستگاههای گرمکننده یا سردکننده را بررسی کردیم. در هر مورد، لازم بود هم میزان توان الکتریکی مصرفی دستگاه را بدانیم و هم گرمایی که به مقدار مشخصی آب منتقل یا از آن گرفته میشود. مصرف برق دستگاه را با ابزاری به نام آمپرمتر اندازه گرفتیم. برای تعیین توان گرمایش یا سرمایش، مقدار دقیقی آب در دستگاه قرار دادیم و مدت زمان لازم برای بالا یا پایین آمدن دمای آب به اندازهی مشخص را اندازهگیری کردیم. با این اطلاعات و استفاده از ظرفیت گرمایی ویژهی آب—یعنی مقدار انرژی لازم برای گرمکردن یک کیلوگرم آب به اندازهی 1 °C—توان گرمایش یا سرمایش و بازدهی را دقیق محاسبه کردیم.
نتایج ما همیشه با ادعاهای سازندگان مطابقت نداشت. جای تعجب ندارد؛ چراکه تولیدکنندگان لوازم خانگی گاهی بازدهی را به شکلی متفاوت تعریف میکنند: بهعنوان سهمی از توان که گرما تولید میکند (در هر جا)، نه سهمی که واقعاً محتوای ظرف پخت را گرم میکند.
البته آزمایشهای ما به این نکته نپرداختند که برق توسط نیروگاههایی تولید میشود که خودشان بازدهی پایینی دارند. اجاقهای گازی بازدهی بسیار کمی دارند—تا حد 30٪ (اگرچه فرهای گازی بهتر هستند). اما گاز طبیعی منبع ارزانتری از انرژی نسبت به برق است و برخلاف برق، بدون اتلاف زیاد در مسیر تحویل داده میشود؛ بنابراین پخت با گاز هنوز هم بهصرفه است.
مربوط به پخت نان
- فر برقی — بازده 7.5٪
- فر ترکیبی (Combi) — بازده 11٪
- فر طبقاتی (Deck oven) — بازده 19٪
مربوط به پخت و پز عمومی
- اجاق برقی با المنت کویلی — بازده 42٪
- اجاق القایی — بازده 56٪
- حمام آب سرد با همزن و درپوش — بازده 64٪
- حمام آب گرم بدون همزن و با درپوش — بازده 85٪
- حمام آب گرم با همزن و درپوش — بازده 87٪
افزایش حجم خمیر هنگام پخت—معمولاً ناشی از سه پدیدهی متفاوت است:
- تولید گاز بیشتر توسط مخمر یا مواد ورآورندهی دیگر در اثر گرمشدن.
- انبساط حرارتی هوا و دیاکسیدکربنی که در طول اختلاط و عملآوری در خمیر محبوس شدهاند.
- تبدیل آب مایع موجود در خمیر به بخار، که بدون تغییر فشار، 1,600 برابر حجم آب را اشغال میکند.
عرشهی فر (deck) مقدار عظیمی انرژی حرارتی جذب میکند که به حفظ دمای پایدار در محفظه کمک میکند، اما بیشتر آن از لبهها هدر میرود یا هنگام خاموششدن فر از بین میرود. یک قرص خمیر روی عرشه تنها بخش کوچکی از گرمای تولیدی فر را دریافت میکند، عمدتاً از طریق تابش از دیوارهها و رسانش از کف. بیشتر حرارت به مرکز نان میرود تا آب موجود در خمیر را به بخار تبدیل کند.
بخش عمدهی گرمای ورودی به محفظهی فر در نهایت از طریق هواکش از دست میرود. چون هوا هنگام گرمشدن منبسط و بالا میرود، هر بار که در فر باز میشود، هوای خنک وارد میشود و هوای داغ را به بالا میراند—و باز هم گرما به هدر میرود.
گرما در حرکت HEAT IN MOTION
روشهای پخت مانند پخت در فر، بخارپز، سرخکردن، جوشاندن و کبابیشدن در دو جنبه تفاوت دارند: رسانهی انتقال گرما و شیوهی انتقال گرما. در هر روش چهار مکانیسم انتقال گرما وجود دارد که گاهی همزمان عمل میکنند، اما یکی معمولاً غالب است:
- رسانش (Conduction): تماس مستقیم در جامدات. مانند انتقال گرما از المنت برقی به ماهیتابه و سپس به بیکن.
- جابهجایی (Convection): جریان در مایعات و گازها. مانند جوشیدن آب، روغن سرخکردنی یا هوای داغ فر.
- تابش (Radiation): امواج انرژی الکترومغناطیسی، مانند نور خورشید. مایکروویو، گریل ذغالی و شعلهی بالایی فر با این روش کار میکنند.
- چگالش بخار آب (Condensation): هنگام بخارپز شدن، بخار روی سطح سردتر مینشیند و گرما تزریق میشود.
هر کدام از این روشها هم جنبههای بدیهی و هم جنبههای شگفتانگیزی دارند. درک آنها باعث میشود گرما را کارآمدتر به غذا منتقل کنید و شرایط غیرقابلپیشبینی پخت را بهتر مدیریت کنید.
رسانش گرما How Heat Conducts Itself
رسانش یعنی انتقال حرارت از طریق تماس مستقیم. اتمها و مولکولها با برخورد و ارتعاش انرژی جابهجا میکنند. این انتقال میتواند درون یک جامد یا میان اجسام رخ دهد. رسانش از فاصله عمل نمیکند: میتوانید دستتان را لحظهای در فر داغ بگیرید و بیرون بکشید، اما اگر دیوارهی داغ فر را لمس کنید فوراً خواهید سوخت!
برای رساندن گرما از سطح غذا به مرکز، تقریباً فقط به رسانش تکیه داریم. روشهای اجاقی مانند سرخکردن هم از همین اصل استفاده میکنند.
برخی مواد رسانش بهتری دارند؛ به همین دلیل دستکش فر عایق خوبی است. فلزات، برعکس، سریع واکنش نشان میدهند. مثلاً سطح فولادی سرد به نظر میرسد چون گرمای انگشتان را سریع میگیرد. در حالیکه پلاستیک در همان دما حس سردی کمتری دارد. الماسها هم چهار برابر سریعتر از مس گرما را منتقل میکنند.
در پخت نان، رسانش نقش مهمی دارد، مخصوصاً وقتی خمیر روی فلز یا سنگ گذاشته میشود. سرعت بالای انتقال گرما در کف سنگی یا فلزی داغ است که پوستهی متمایز پیتزا را ایجاد میکند. نانهایی که در قالب یا روی سینی پخته میشوند هم گرما را از طریق رسانش فلز دریافت میکنند، اما خود سینی بیشتر با جابهجایی و تابش گرم میشود.
رسانش در ظروف پخت Conduction in Cookware
ظروف مسی بهخاطر شهرت در رسانایی محبوباند، اما آنچه اهمیت بیشتری دارد منبع گرماست. قابلمهی ایدهآل باید هم گرما را بهخوبی منتقل کند و هم آن را یکنواخت پخش کند. ظرفی که بیشازحد نازک باشد، گرما را سریع عبور میدهد اما فرصت پخش جانبی ندارد؛ بنابراین ناهمواری منبع گرما را به غذا منتقل میکند. به همین دلیل ظروف باید به اندازهی کافی ضخیم باشند تا گرما فرصت پخش شدن داشته باشد.
تاریخچه فوریه و معادلهی گرما
اوایل قرن نوزدهم، ریاضیدان فرانسوی ژان باپتیست ژوزف فوریه (1768–1830) فرمولی ارائه کرد که چگونگی حرکت گرما از طریق رسانش در جامدات را توصیف میکند. این فرمول که اکنون «معادلهی گرما» نامیده میشود، به پیشرفتهای عظیم در فیزیک، شیمی، زیستشناسی، علوم اجتماعی، اقتصاد—و اکنون در نانپزی و آشپزی—انجامیده است.
معادلهی گرما به پرسشی همیشگی آشپزها پاسخ میدهد: «آیا پخته شد؟»
به زبان علمی، این یعنی توزیع دما در غذا چگونه است.
[
\frac{\partial T}{\partial t} = \alpha \nabla^2 T
]
در این معادله:
- (\partial T/\partial t) نرخ تغییر دما با زمان است.
- (\nabla^2 T) شیب دما در غذاست.
- (\alpha) ضریب نفوذ حرارتی غذاست (سرعت انتشار گرما در آن ماده).
این معادله میگوید هرچه اختلاف دما میان سطح و مرکز غذا بیشتر باشد، جریان گرما به درون سریعتر خواهد بود. غریزهی ما همین را میگوید، اما معادلهی فوریه مقدار دقیق دما را در هر لحظه مشخص میکند.
البته پیچیدگی مواد غذایی مدلسازی دقیق را دشوار میکند. غذاهای جامد معمولاً از ترکیبهای پیچیدهای ساخته شدهاند: گرما در عضله، استخوان و چربی متفاوت حرکت میکند. حتی نان که یکنواختتر بهنظر میرسد، ساختار داخلی پیچیدهای دارد. با این حال، مدلهای سادهشده که مقادیر تقریبی میدهند هم میتوانند برای آشپزها بسیار مفید باشند.
