Varme og matlaging

Energi og varme

Temperatur handler i bunn og grunn om bevegelse. I gasser og væsker, som luft og vann, er temperaturen et speil på hvor raskt molekylene beveger seg. I faste stoffer der molekylene har mer eller mindre faste plasser, er det hvor raskt molekylene eller atomene vibrerer, som bestemmer temperaturen. Når vi tilbereder mat, overføres energi fra en varmekilde over i maten. Varmekilden kan være overflaten på ei steikepanne, vannet (sausen) i ei gryte, lufta i en steikeovn, en mikrobølgeovn, en grill, eller ei kokegrop. Avhengig av hvordan du vil ha maten er det altså ulike måter å overføre denne varmen på.

I fysikken definerer vi varme som energioverføring fra et system til et annet på grunn av temperaturforskjell. Energien går fra et sted med høy temperatur til et sted med lavere temperatur. Denne energitransporten kan foregå på to måter: 

• Varmeledning (konduksjon)
• Stråling

Varmeoverføring i matlaging kan i tillegg ha nytte av et par andre måter å omtale varmeoverføring på. Det er

• Varmestrømning (konveksjon) 
• Kondensasjonsvarme

Varmeledning (konduksjon)

Kanskje den mest åpenbare formen for varmeoverføring er den du kjenner når du brenner deg på ei varm steikepanne. Varmeledning foregår når to gjenstander er i direkte kontakt med hverandre og den ene har høyere temperatur enn den andre. Molekylene i den varme panna vibrerer kraftig, og når disse kommer borti overflaten på maten (eller hånda di), slår de til molekylene i maten og overfører noe av energien sin; en slags dominoeffekt. Varmeledning er også hovedprosessen når de indre delene i maten varmes opp fra utsiden. Det er denne langsomme dominoeffekten fra molekylene ytterst til de lengre inne i maten som gjør at den omsider blir gjennomvarm. Stoffer som er gode varmeledere, er også effektive til å varme opp mat. Ulike materialer har i tillegg ulik evne til å ta vare på denne varmeenergien. De har ulik varmekapasitet, noe som er relevant for en del tilfeller av matlaging (se nedenfor). Væsker og gasser er dårlige varmeledere fordi det er så langt mellom molekylene at de ikke like effektivt dulter borti hverandre.

Tabell 1 Varmeledningsevnen til noen stoffer i forhold til vann   

Varmestrømning (konveksjon)

Dersom du brenner deg over flammen i et stearinlys, er det hovedsakelig konveksjon som gjør at energien transporteres fra flammen og opp til fingeren din. Konveksjon er ikke varme i ordets fysiske betydning, men en mer sammensatt prosess. Slik varmestrømning foregår når en blanding av små luft- eller væskemasser med ulik temperatur, samlinger av molekyler med høyere temperatur, beveger seg fra ett sted til et annet. I tilfellet med lyset, er det varme gasser som stiger opp fra flammen og treffer fingeren din, og fingeren blir varm gjennom konduksjon på overflaten av huden. Siden konveksjon handler om at «varme molekyler» beveger seg, må altså dette være noe som kan flyte, f.eks. en væske (vann, olje) eller en gass (luft, damp). De «varme molekylene» har høy energi, og når de kommer i kontakt med «kaldere molekyler» overføres noe av energien.. Konveksjonsprosesser er vanlige fenomener i naturen og i hverdagen hjemme: i innsjøer og hav synker og stiger vannet avhengig av tetthet og temperatur, du ser strømninger i vannet når du varmer opp ei gryte med vann selv om gryta står helt stille, og varm luft stiger mens kald luft synker (både som meteorologisk fenomen og hjemme i huset). Konveksjon fungerer slik fordi molekylene i væsker og gasser med høy temperatur beveger seg raskere og dermed tar opp mer plass. Massetettheten blir følgelig lavere, og de stiger opp. Siden vann har mye høyere tetthet enn luft, er varmeoverføring ved konveksjon langt mer effektiv i vann enn i luft. Derfor går det raskere å koke poteter i vann enn å bake dem i steikeovnen.

Forskjellen mellom konduksjon og konveksjon kan være litt vanskelig å gripe, men kan illustreres med følgende dramatisering:

Varmeledning (konduksjon) En person illustrerer et «varmt molekyl», tre-fire andre illustrerer «kaldere molekyler». Den «varme» person står i midten, de andre står tett rundt. Den «varme» står i ro og vifter med armene slik at han dulter borti de som står omkring, noe som setter disse i bevegelse. Varmeenergi er dermed overført fra molekylet med høyere temperatur til de omkrin	Varmestrømning (konveksjon) Ei gruppe på minst seks personer deles i to. Halvparten illustrerer «varme molekyler», resten er «kaldere molekyler», de to halvpartene går til hver sin ende av rommet. De kalde personene beveger seg langsomt mens de varme beveger seg raskere og veiver med armene, og etter hvert blandes de rundt omkring slik at de to endene av rommet har like mange varme og kalde molekyler.
Før:	Før:
Etter:	Etter:

Stråling

Når du kjenner sola varme en ellers kjølig vårdag, eller kjenner varmen ved siden av flammen i stearinlyset, er det strålingsvarme du merker. Varmeoverføring gjennom stråling er ulik varmeledning og konveksjon ved at det ikke er fysisk kontakt mellom stoffer. Ved stråling brer energien seg som elektromagnetisk stråling. Energien avgis ved at atomer og molekyler sendes ut som fotoner. Dersom vi ser bort fra mikrobølger, er det i hovedsak infrarød (varme-) stråling vi benytter oss av til å varme opp mat*.Varmestrålingen blir absorbert av molekylene i overflaten på maten, som så settes i bevegelse, og maten blir varmere. Skulle vi laget en tilsvarende dramatisering for stråling som for varmestrømning og konduksjon, ville det mest nærliggende vært at den «varme personen» kastet gjenstander på de «kalde personene» som så ble varmere av dette.

* _{Mens varmestråling virker på et bredt spektrum av molekyler, påvirker mikrobølgene bare en del av molekylene i maten direkte, særlig vann. Følgelig blir varmestrålingen absorbert i overflaten på maten, mens mikrobølgene kan trenge flere centimeter inn i maten. Det er derfor mat i mikrobølgeovn varmes like mye innvendig som utvendig.}

Kondensasjonsvarme

Når du brenner deg på vanndampen fra tuten på en kaffekjele, er det ikke bare varmestrømning du føler, men også varme fordi vannet kondenserer på huden din. Det kreves ganske mye energi for at vann skal fordampe, og vanndamp gir derfor også fra seg mye energi når det blir til flytende vann igjen.

Når huden din kommer i kontakt med vanndamp kondenserer dampen til vann, og energien som ble brukt til å fordampe vannet frigjøres på huden din. Du brenner deg altså kraftigere hvis du kommer i kontakt med vanndamp som holder 100 °C enn tørr luft som holder samme temperatur. Derfor kan det gå raskere å dampe mat enn å koke den i vann (forutsatt at du ikke løfter av lokket på gryta mens du damper maten). Kondensasjonsvarme (eller fraværet av denne) er en viktig grunn til at du greit kan stikke hånden inn i en steikeovn som holder 100 °C, men brenner deg alvorlig på vanndamp som holder samme temperatur. Det kreves sju ganger mer energi å fordampe vann ved 100 °C enn å varme opp samme mengde fra romtemperatur til 100 °C! Denne fordampningsenergien utnytter du når du damper maten.

Mat i kokegrop – hvordan kan stein lagre varme?

Noen materialer har evnen til å holde lenge på varmeenergien mens andre blir raskt kalde. Dette har med stoffets spesifikke varmekapasitet å gjøre. Den spesifikke varmekapasiteten til et stoff er den energien som må til for å varme opp 1 kg av stoffet én grad. Stoffer som har høy spesifikk varmekapasitet, gir også fra seg mye energi når de avkjøles.

Tabell 2 Spesifikk varmekapasitet for noen stoffer 

* Enkelte matvarer kan inneholde ulike mengder vann og vil derfor ikke ha en bestemt verdi for varmekapasiteten

Når vi lager mat i ei kokegrop, eller en gammeldags steinbakerovn, utnytter vi at stein kan lagre energi. Vi tenner opp et bål i gropa eller fyrer i ovnen til steinen er gjennomvarm. Når ilden er brent ned, er steinen varm, og dersom vi dekker godt til, vil denne varmeenergien gå over i maten i stedet for ut i lufta. Varmeenergien overføres til maten gjennom varmeledning, varmestrømning i luft (og kanskje noe vanndamp), stråling og muligens kondensasjon.

Vann har veldig høy varmekapasitet. Det trengs altså mye energi for å varme det opp, og det avgir mye energi når det avkjøles. Siden mange matvarer inneholder en stor andel vann, betyr det at disse også ofte har høy varmekapasitet. Stein har vesentlig lavere varmekapasitet. Dersom vi skal varme opp kjøtt med granitt, som er typisk i ei kokegrop her til lands, må vi bruke fire ganger så mye stein som vi har kjøtt, og da er det ikke tatt høyde for at mye av varmenenergien forsvinner til omgivelsene! Altså trenger vi mye stein sammenlignet med mat når vi skal lage mat i kokegrop.

Å lage mat med varmeenergi

Det er sjelden vi benytter oss av bare én form for varmeoverføring når vi tilbereder mat. Unntaket er når vi bruker mikrobølgeovn, der stråling er eneste kilde til oppvarming (men varmeledning inne i maten er likevel med på å fordele varmeenergien). Som oftest er det to eller tre former for varmeoverføring som bidrar, gjerne i ulik grad. Kull i en grill er veldig varmt og varmeoverføringen skjer hovedsakelig ved stråling, men der maten er i kontakt med grillristen foregår det også noe varmeledning/konduksjon fra metallet. I en steikeovn er overflatene ikke like varme, og strålingen er vesentlig svakere. I ovnen er imidlertid lufta varm, og varmestrømning (i luft) er den viktigste grunnen til at maten blir stekt.

Selv om det kan høres banalt ut, tenker mange ikke på konsekvensene av at varmen nesten alltid beveger seg utenfra og inn i maten når vi lager mat (unntaket er mat i mikrobølgeovn). Dersom vi skal tilberede et stort stykke mat og bruker høy temperatur vil de ytterste delene bli overstekt før varmen når inn til midten. Når bestemor setter søndagssteiken i ovnen like etter frokost, på lav temperatur, benytter hun seg av fysiske prinsipper om varmeoverføring. Kjøttet får stå ved denne lave temperaturen hele dagen og blir derfor mindre overstekt ytterst. Kjemiske reaksjoner får tid til å gå, noe som gir god smak og mørt kjøtt. Dersom bestemor bruker varmluftsovn, fremmer dette varmestrømning og gjør varmeoverføringen mer effektiv. Stekingen tar kortere tid, men det er ikke sikkert dette gir en bedre stek av den grunn. Det er fordi tiden i tillegg til temperatur er en viktig faktor i utviklingen av mørhet og smak.

Tabell 3 Ulike varmeoverføringer ved matlaging

Hvorfor smaker mat laget i kokegrop så godt?

I den arkeologiske litteraturen brukes gjerne argumentet om at maten tilberedt i kokegrop er «tørrkokt». La oss ta eksempelet med kjøtt:

Kokt kjøtt, i motsetning til stekt kjøtt, er tilberedt i vann. Siden vann fordamper ved 100 °C, vil ikke temperaturen overstige dette så lenge kjøttet flyter rundt i vann. Mat tilberedt i kokegrop har mange fellestrekk med metoder som i kokebøkene fremheves å gi svært smakfulle og gode resultater. Det trekkes fram to momenter som er viktige for god smak og mørt kjøtt:

1) høy starttemperatur – overflaten på kjøttet blir stekt ved høy temperatur slik at det i ulike bruningsreaksjoner dannes smakfulle stoffer. Dette foregår tidlig i prosessen i kokegropa. Dette etterfølges av

2) moderat/lav temperatur over lang tid – for at kjøtt skal holde seg saftig, bør det derfor få god tid ved en lavere temperatur slik at kjemiske prosesser får tid til å danne smak og bryte ned deler kjøttet slik at det blir mørt. Av temperaturplottet nedenfor går det fram at lammelåret i dette tilfelle så vidt når 100 °C i løpet av de 3,5 timene det ligger i gropa. Siden temperaturen i gropa også avtar underveis i prosessen, bidrar dette til at kjøttet ikke blir overstekt, i motsetning til en steikeovn der temperaturen vil være konstant.

Temperatur i kokegropa og i lammelår over tid

I tillegg til dette har kjøttet bare ligget i sin egen kraft og ikke blitt tynnet ut. Vannet holdes til en viss grad inne i pakken og hindrer delvis at kjøttet blir overstekt (vann koker ved 100 °C, og vil derfor hindre at kjøttet blir vesentlig varmere enn dette så lenge vannet er til stede). Maten er godt innpakket slik at aromastoffer ikke forvinner ut like lett som når den kokes eller steikes i ovn. Det er imidlertid vanskelig i ei kokegrop å lage kjøtt som holder en ideell kjernetemperatur (av typen «56 °C, medium rå»). Lager vi mat i kokegrop, er det derfor greit å satse på langkoking der kjøttet blir så mørt at det faller fra hverandre. Siden temperaturen i gropa synker samtidig som kjøttet varmes opp, slipper vi også å være like bekymret for at maten «står for lenge i ovnen».

Læringsaktiviteter knyttet til varme

En praktisk sett svært enkel, men faglig utfordrende aktivitet er å finne ut hva slags type varmeoverføring som foregår i ulike systemer og fenomener. I tabell 3 er det listet opp en del matlagingsmetoder som er koblet opp mot former for varmeoverføring. Det er ikke noe i veien for å gjøre dette med andre fenomener, slik som påkledning utendørs når det er varmt eller kaldt i lufta, kakao på en termos, ulike værfenomener, varmeoverføring i og mellom økosystemer, teknologiske gjenstander, kjemiske reaksjoner og mye mer. Varmeoverføring finner sted nesten over alt der vi ferdes. I lenkene til høyre, kan dere finne flere undervisningsopplegg og aktiviteter som tar for seg varmeoverføring.

Referanser

Dahlgren, Östen. Laga mat: hur man gör och varför. Stockholm: Liber Utbildning, 1994.

McGee, Harold. On Food and Cooking: The Science and Lore of the Kitchen. New York: Scribner, 2004.

Pedersen, Thorvald. Kemien bag gastronomien. København: Nyt Nordisk Forlag Arnold Busck, 2002.