Vedere la convezione con la cucina molecolare

Studiamo la convezione con le “sfere” rese termocromatiche, della cucina molecolare, la nuova tendenza dell’alta cucina con cuochi che offrono ai loro clienti nuove e particolari esperienze culinarie, usando azoto liquido, gel e schiume. Una delle sue tecniche è l’uso di sfere di alginato contenenti succhi di frutta o spezie. Anche se non frequentate ristoranti stellati, potreste esservi imbattuti in tali sfere nel “bubble tea”, inventato a Taiwan negli anni ‘80 e diffusosi dall’Asia ai nostri Paesi: una bevanda a base di tè contenente anche gelatine di frutta, sfere di tapioca o alginato, riempite di succo di frutta o sciroppo.

L’Alginato di Sodio è un gelificante d’origine naturale ed è usato principalmente nella gastronomia molecolare in combinazione con i sali di calcio nei processi di sferificazione base o di sferificazione inversa, sia per creare piccole perle di caviale sia grandi ravioli. Le proprietà dell’alginato di sodio furono studiate per la prima volta nel 1881 dal chimico inglese E. Stanford, che all’epoca aveva estratto, con una soluzione alcalina, un liquido viscoso da un’alga bruna delle specie Laminaria.

Egli chiamò questo prodotto “Algin”, un termine ancora comunemente usato per descrivere l’alginato di sodio. L’alginato di sodio è quindi un sale estratto dal liquido viscoso dalla parete cellulare delle alghe brune. La sua funzione naturale è aumentare la flessibilità delle alghe. Così, le alghe che si sviluppano nelle acque agitate hanno generalmente un contenuto di alginato maggiore di quelle che crescono in acque calme. Esso può essere facilmente acquistato online, ad esempio qui.

L’alginato di sodio e il kit per la sferizzazione reperibili online.

Osservare il comportamento delle sfere di alginato può essere affascinante e può venire usato per lo studio applicato delle scienze. In questo articolo, mostriamo in particolare come le sfere di alginato possono essere sfruttate per insegnare in modo accattivante un concetto scientifico importante come la convezione. Mostriamo come creare delle sfere di alginato e descriviamo un successivo esperimento che può essere svolto in un’ora: la convenzione termica con effetto termocromatico.

Cosa è la gastronomia molecolare

La gastronomia molecolare, o “cucina sperimentale”, è una moda culinaria che si concentra sulle trasformazioni chimiche e fisiche che avvengono negli alimenti durante la loro preparazione. Nelle forme più nobili è uno stile moderno di cucina, che si avvale di alcune ricerche tecniche recenti. Tuttavia, ormai alcuni chef associati al termine respingono il nome “cucina molecolare”. Preferiscono altri termini più appropriati, come “cucina emozionale”, “cucina modernistica”.

L’ungherese Kurti fu uno dei primi cuochi televisivi nel Regno Unito in un programma televisivo in bianco e nero del 1969 dal titolo “Il fisico in cucina”. Presentò tecniche ritenute innovative, come utilizzare di una siringa per iniettare il brandy nelle torte calde per non rompere la crosta; nello stesso anno, Kurti tenne una presentazione (anch’essa intitolata “il fisico in cucina”) per la Royal Society di Londra. Preparò una meringa tramite una camera a vuoto, e cucinò salsicce con una batteria per auto.

Una delle tante ricette della cucina molecolare.

Insieme a sua moglie Giana, Kurti scrisse anche un’antologia su cibo e scienza per i membri della Royal Society. Il nome “gastronomia molecolare” con cui indicare la fisica in cucina venne coniato da Kurti e da Hervè This, un chimico francese, nel 1988. Nacque inizialmente come riferimento umoristico alla biologia molecolare; si sviluppò sul finire degli anni Ottanta principalmente presso l’INRA e il Collège de France di Parigi ad opera di This e di Pierre-Gilles de Gennes, e di McGee negli Stati Uniti.

In ambito applicativo, i principi propugnati dalla gastronomia molecolare hanno portato all’invenzione e sperimentazione di nuove modalità di preparazione, cottura, abbinamento e presentazione dei cibi: il congelamento attraverso l’azoto liquido, l’uso alimentare del tabacco, la “frittura” nello zucchero, l’uso del vuoto spinto per la preparazione di mousse e meringhe, l’uso dell’anidride carbonica per realizzare bolle, l’uso di maltodestrine, edulcoranti, enzimi, disidratatori, emulsionanti, etc.

Come creare le sfere di alginato

Le sfere di alginato si creano quando una soluzione acquosa di alginato di sodio entra in contatto con una soluzione contenente ioni calcio, formando una pellicola di alginato di calcio. L’alginato di sodio è un lungo polisaccaride che, in presenza di ioni bivalenti, come il calcio, polimerizza, creando un gel insolubile in acqua.

La reazione di gelificazione che produce sfere o spaghetti molecolari.

Ecco il materiale occorrente per realizzare le sfere di alginato:

  • 2 g di alginato di sodio (Na(C6H806))
  • 100 ml di acqua distillata
  • 10 ml di una soluzione 0,5% di cloruro di calcio (CaCl2) o 1% di lattato di calcio (Ca(C3H5O3)2
  • Due contenitori da 250 ml
  • Pipetta o cucchiaio
  • Un bastoncino di vetro o un altro agitatore
  • Setaccio o cucchiaio

Il cloruro di calcio è il sale di calcio dell’acido cloridrico; la sua formula chimica è CaCl2. A temperatura ambiente si presenta come polvere cristallina bianca, molto solubile in acqua. Può essere acquistato ad es. qui. Il lattato di calcio è un sale cristallino, usato in campo alimentare, prodotto dalla reazione del acido lattico con il carbonato di calcio o l’idrossido di calcio. Si presenta a temperatura ambiente nella forma cristallina solida di colore bianco ed inodore. Può essere acquistato online ad es. qui.

Il lattato di calcio, usato insieme all’alginato di sodio anche per realizzare gli spaghetti molecolari usando il kit mostrato a destra.

Ecco il procedimento da seguire per realizzare le sfere di alginato:

  • Mescola alginato ed acqua in uno dei due contenitori.
  • Aspetta almeno 15 minuti fino a quando tutto l’alginato è disciolto.
  • Versa la soluzione di ioni calcio nell’altro contenitore.
  • Aggiungi con una pipetta o un cucchiaio, goccia a goccia, la soluzione di alginato alla soluzione di ioni calcio.
  • Agita la soluzione di calcio onde evitare che le sfere di alginato si aggreghino insieme.
  • Le sfere sono stabili e possono essere rimosse dalla soluzione di ioni calcio con un cucchiaio o setaccio.

Come si producono le sfere di alginato.

Quando i liquidi entrano in contatto, si forma alginato di calcio gelatinoso, in cui la soluzione di alginato é racchiusa all’interno di sfere. Se altri composti vengono aggiunti alla soluzione di alginato – come spezie, coloranti o indicatori – vengono anch’essi incapsulati.

Come studiare la convezione termica

Aggiungere, alla soluzione di alginato, un inchiostro termocromatico – cioè che cambia colore in base alla temperatura – può aiutare a spiegare il fenomeno della convenzione. In Giappone, uno speciale inchiostro termico, il lattone viola cristallo (da non confondere con gli inchiostri termici delle stampanti termiche), è usato in fisica per descrivere fenomeni legati al calore.

Cambiamento di colore (da incolore) dell’inchiostro termico lattone viola cristallo dissolto in diclorometano.

Ecco l’occorrente per realizzare l’esperienza:

  • 2 g di alginato di sodio
  • 100 ml di acqua distillata
  • 10 ml di una soluzione di cloruro di calcio allo 0,5% o di lattato di calcio all’1%
  • 2 contenitori da 250 ml
  • Pipetta o cucchiaio
  • Bastoncino in vetro o altro agitatore
  • Setaccio (opzionale)
  • 3-5 ml di inchiostro termocromatico
  • Contenitore resistente al calore e riempito d’acqua
  • Fonte di calore

L’inchiostro termocromatico è un tipo di colorante che cambia colore quando le temperature aumentano o diminuiscono. Viene spesso utilizzato nella fabbricazione di imballaggi di prodotti (per rilevare la cronologia della temperatura durante la spedizione), nonché in termometri. Esso può venire usato per dimostrare che un foglio non è stato modificato o fotocopiato, sulle scatole per pizza per mostrare la temperatura del prodotto, come pure per indicare il corretto riscaldamento in un forno.

Un esempio di inchiostro termocromatico che si può acquistare online, ad es. qui.

Il “lattone viola cristallino” è un colorante che si presenta, quando è puro, come una polvere cristallina leggermente giallastra, solubile in solventi organici non polari o leggermente polari. È stato il primo colorante utilizzato nelle carte copiative senza carbone ed è ancora ampiamente usato in questa applicazione. È anche il componente colorante in alcuni coloranti termocromatici, ad esempio quelli usati in linee di abbigliamento. Potete trovare vari inchiostri termocromatici online, ad es. qui.

Ecco invece il procedimento da seguire per questa esperienza:

  1. Creare le sfere come descritto in precedenza, ma aggiungere l’inchiostro alla soluzione di alginato, prima della sferificazione.
  2. Inserire le sfere in un contenitore resistente al calore e riempito d’acqua.
  3. Scaldare il contenitore fino a quando le sfere iniziano a salire.

La sfere di alginato più calde assumono un colore rosa.

Le sfere di alginato si muoveranno mostrando molto chiaramente il fenomeno della convezione termica: saliranno, in quanto meno dense, quando scaldate, e affonderanno, perché nuovamente più dense, quando raffreddate. Contemporaneamente, le sfere di alginato cambieranno colore, dimostrando come la convenzione sia associata a cambiamenti di temperatura.

Il trasferimento di calore convettivo

Il trasferimento di calore convettivo, spesso indicato semplicemente come “convezione”, è il trasferimento di calore da un luogo all’altro mediante il movimento dei fluidi. La convezione è di solito la forma dominante di trasferimento di calore in liquidi e gas. Il movimento del fluido quando il fluido viene riscaldato è un processo chiamato “convezione naturale”. Un esempio certamente ben noto è il tiraggio in un camino o quanto si verifica attorno a qualsiasi incendio.

Simulazione della convezione termica. Le tonalità rosse indicano le aree calde, mentre le regioni con tonalità blu sono fredde. Uno strato limite inferiore caldo e meno denso invia pennacchi di materiale caldo verso l’alto e allo stesso modo, il materiale freddo dall’alto si sposta verso il basso.

Nella convezione naturale, un aumento della temperatura produce una riduzione della densità, che a sua volta provoca il movimento del fluido a causa di pressioni e forze quando fluidi di densità diverse sono influenzati dalla gravità. Ad esempio, quando l’acqua viene riscaldata su una stufa, l’acqua calda dal fondo della padella aumenta, spostando il liquido più denso e più freddo, che cade. Un fenomeno del tutto analogo si verifica quando facciamo bollire l’acqua in una pentola.

Dopo che il riscaldamento si è fermato, la miscelazione e la conduzione da questa convezione naturale alla fine danno luogo a una densità quasi omogenea e persino a una temperatura. Senza la presenza di gravità, non si verifica la convezione naturale e funzionano solo le modalità di convezione forzata. In entrambi i tipi di convezione, oltre al trasferimento di energia dovuto allo specifico movimento molecolare (diffusione), l’energia viene trasferita in blocco per movimento macroscopico del fluido.

Questo movimento è associato al fatto che, in qualsiasi momento, un gran numero di molecole si muovono collettivamente o come aggregati. Tale movimento, in presenza di un gradiente di temperatura, contribuisce al trasferimento di calore. Poiché le molecole in aggregato mantengono il loro movimento casuale, il trasferimento di calore totale è quindi dovuto alla sovrapposizione del trasporto di energia mediante il movimento casuale delle molecole e il movimento di massa del fluido.

Questa immagine schlieren a colori rivela la convezione termica da una mano umana (in forma di sagoma) all’ambiente circostante.

La convezione può essere visualizzata anche con la fotografia di Schlieren, un processo visivo che viene utilizzato per fotografare il flusso di fluidi di diversa densità. Inventato dal fisico tedesco August Toepler nel 1864 per studiare il movimento supersonico, questo tipo di fotografia è ampiamente usato nell’ingegneria aeronautica per fotografare il flusso d’aria attorno agli oggetti. L’abbiamo illustrato nel nostro articolo Come fotografare un fluido in movimento, che puoi trovare qui.