Om det å koke, trekke og redusere væsker

For tiden lærer jeg mye nytt fra noen videoer om bl.a. matkjemi av YouTube brukeren CookinginRussia, og en slik video omhandler koking ved forskjellige kokemetoder, kontroll med temperatur, samt det å koke versus det å trekke. Videoen finner du her.

I denne videoen diskuterer han hvordan matvarer består av et stort antall kjemiske komponenter og hvordan disse oppfører seg under kokeprosesser. Under koking vil det forekomme to prosesser som typisk vil ha uønskede effekter på smaken, samtidig destillasjon av flere komponenter og uønskede sidereaksjoner.

En væske kan litt forenklet betraktes som at den har ikke bare én men flere forskjellige samtidige temperaturer, og at det vi måler som "temperatur" er et gjennomsnitt. Det vil alltid være noen deler som har lavere og høyere temperaturer enn dette snittet. Hver kjemiske komponent av en matvare har temperaturer der de vil fordampe eller delta i forskjellige reaksjoner, og avhengig av hva snittemperaturen i væsken er vil en viss prosentandel av hver matvare befinne seg ved en temperatur der disse effektene forekommer. Videoen forklarer bl.a. hvordan grunnen til at det ikke er mulig å destillere ren alkohol fra en blanding av alkohol og vann (og dermed snakker man altså om 96% alkohol som det reneste produktet man får ut som et destillat) er at man ikke klarer å sette en temperatur der man isolerer fordamping kun av alkohol uten at en viss prosentdel av vannet også vil fordampe. Uønsket destillasjon forklarer også konseptet "dårlig hjemmebrent", der det altså mer enn bare alkohol og litt vann som finner veien ned i destillatet, men også andre organiske forbindelser.

Noen prinsipper fra videoen som man kan ta med seg i sin matlaging, er ...

1. Kok mat ved lavest mulig temperatur (når man har tid og ork) for å minimere uønsket destillasjon og sidereaksjoner. Den gode lukten av mat som står og koker ved høy temperatur er det samme som smak som forsvinner ut av maten.

2. Bruk et lokk ved koking slik at mest mulig av det som fordamper, kan kondensere på lokket og renne tilbake i væsken.

3. En reduksjon vil smake bedre om den reduseres lenge ved lav temperatur enn om den fosskokes, f.eks. om den får stå flere timer ved 60 grader Celsius (som også er over grensetemperatur for pasteurisering så det bør være trygt).

3. Sous vide er en teknikk som gir temperaturkontroll og motvirker fordamping (når plastposene er forseglet), men vil selvsagt ikke kunne benyttes i prosesser der man ønsker fordamping slik som reduksjoner.

4. En trykkoker gir bedre kontroll på destillasjon siden gassene ikke får unnslippe, men temperaturen vil være 120 grader Celsius og man har ikke kontroll på sidereaksjoner i forhold til temperatur.

5. Et alternativ til å koke langsomt er "raskt og brutalt" der prosessen skjer så fort at på grunn av det korte tidsforløpet så er det begrenset hvor mye uønsket destillasjon og sideprosesser som rekker å skje. Grilling er en metode der man kan oppnå dette.

6. Unngå å koke forskjellige matvarer sammen selv ved lavere temperaturer, ettersom virkestoffer fra de forskjellige matvarene vil kunne skape sidereaksjoner som endrer smaken på matvarene, og som får maten til å smake "likt", da er det bedre å koke hver for seg og kombinere sammen til slutt

For min del vil jeg nok på bakgrunn av denne videoen tenke litt annerledes om det å redusere kraft, å oftere bruke trekking ved lavere temperaturer når tiden tillater det (evt. trykkoker), og selvsagt sørge for å få brukt grillen en del til sommeren.

Beregning av tid for oppvarming av væsker

Jeg skrev tidligere om beregning av koketid for reduksjoner, og tilsvarende kan man også regne på tidsforbruk for å varme opp væsker til temperaturer som er lavere enn kokepunktet. Dette kan beregnes ved å bruke spesifikk varmekapasitet, og kan være hendig å kjenne til dersom man skal skalere oppskrifter til å lage mat i større mengder.

Foto: wikimedia (public domain)

Når vi bruker et kokeapparat tilfører vi varme med en viss effekt, enten som overføring av varme direkte i kjelen fra en induksjonsovn, oppvarming av kjele og innhold av varm gass fra en gasskomfyr, varme fra en koketopp, varmeelement som er senket ned i væsken (f.eks. frityrgryte eller noen vannkokere), annen konveksjonsvarme eller direkte oppvarming av væsken (vann i mikrobølgeovn). Væsken og kokekaret vil netto tilføres varme lik den effekten som overføres til kokekar og væske fra oppvarmingsmetoden, minus varmetap fra væske/kjele, evt. annet energitap i utstyret som benyttes, og energi som går til å drive eventuelle kjemiske prosesser i væsken.

Varmetap i en oppvarming vil ved en gitt temperatur være lik den effekten som må tilføres for å holde temperaturen i væsken konstant, og netto effekt som går til videre oppvarming av væsken vil være lik effekt fra kokeapparatet minus dette varmetapet. Merk at varmetap kan være negativt, f.eks. vil en bolle med kaldt vann fra springen få tilført varme fra omgivelsene i et rom med vanlig romtemperatur.

For å ta matematikken i det hele litt kort så vil reell effekt til oppvarming være lik tilført effekt P minus varmetap T. I løpet av et minutt vil denne effekten målt i kW ha tilført 60*(P - T) kJ varme til væsken. Spesifikk varmekapasitet betegner hvor mye energi som går med til å øke temperaturen i et kilogram av en væske med 1 grad Celsius. Jeg har gjort en enkel beregning på varmekapasitet for noen vanlige væsker, basert på en tabell med spesifikke varmekapasiteter.

Tid for å øke temperaturen 10 grader Celsius i 1 kg væske ved 1 kW varmeeffekt:

• Ferskvann: 0.70 minutter
• Vegetabilsk olje: 0.28 minutter
• Olivenolje, soyaolje: 0.33 minutter

Vi finner tiden det tar å øke temperaturen med et visst antall grader ved å ta dette tallet og multiplisere med temperaturendringen i Celsius delt på 10, gange resultatet med antall kg væske som skal varmes opp, og dividere med tilført varmeeffekt målt i kW. Merk at varmetapet øker ettersom temperaturen i væsken stiger, noe som gjør at tilført effekt avtar underveis, så det er ikke helt riktig å regne med at tilført effekt er konstant - men man kan likevel få gode omtrentlige svar. Vi gjør forøvrig en systematisk feil at vi ikke tar hensyn til oppvarming av kokekaret, mer om det senere.

Eksempel: vi skal varme 3.5 kg vegetabilsk olje i en frityrgryte fra romtemperatur 20 grader Celsius til 180 grader Celsius. Tilført varme har effekten 2.0 kW. Tiden dette vil ta er da ca. 0.28 * ((180 - 20)/10) * 3.5 / 2.0 = 0.28 * 16 * 3.5 / 2.0 = 7.8 minutter

Eksempel: vi varmer 1.5 liter (kg) vann i en vannkoker fra 6 grader Celsius til kokepunktet 100 grader Celsius med 2.3 kW varme. Tiden dette vil ta er ca. 0.70 * ((100-6)/10) * 1.5 / 2.3 = 4.3 minutter

Vi ser at vann har høy varmekapasitet og krever mye energi å varme opp sammenlignet med andre væsker, og dermed også tar lenger tid å varme opp. Samtidig gjør dette at vann holder på varmen bedre enn andre væsker, ettersom den inneholder mer varmeenergi per kilogram væske ved samme temperatur.

Forskjellen i varmekapasitet er også av betydning for fritering, der hovedregelen er at man skal fritere kun små mengder av gangen for at temperaturen i oljen ikke skal synke for mye. Når man har mat i en frityrgryte, vil denne maten umiddelbart begynne å stjele varme fra oljen til oppvarming og fordamping. Siden olje har vesentlig lavere varmekapasitet, vil temperaturen falle mye raskere i olje enn den ville gjort for i tilsvarende mengde vann.

Merk at metoden over ikke kan brukes dersom det er kjemiske prosesser i væsken som krever store mengder energi slik som smelting av is. Vann som holder 0 grader Celsius og inneholder isbiter vil faktisk ikke øke temperaturen noe før all isen er smeltet, noe som har med smeltevarme å gjøre.

Så kommer vi til en systematiske feil i oppsettet over, nemlig at vi ikke har tatt hensyn til at det er ikke bare væsken men også kokekaret som varmes, og dette krever også energi - og tiden til denne oppvarmingen vil komme i tillegg til tiden som er regnet ut med metoden over. F.eks. oppgir denne tabellen at varmekapasitet til rustfritt stål er 0.51 kJ/(kg*K). Dersom en 2 kg kjele i rustfritt stål varmes fra romtemperatur 20 grader Celsius til 100 grader Celsius, vil denne oppvarmingen på 80 grader Celsius kreve 0.51 * 2 * 80 = 81.6 kJ varme, og dersom tilført varmeeffekt er 2 kW så ville dette (dersom kjelen skulle varmes opp alene) ta tiden 81.6 / (2*60) = 0.7 minutter. Men såfremt man har brukt et kokekar som har passende størrelse i forhold til væsken det inneholder, vil dette tillegget i tid være relativt lite (hvertfall for vann) sammenlignet med tiden å varme opp kun selve væsken, så det å regne tid kun for væsken er et relativt bra estimat, og så kan man mentalt legge på litt tid ekstra på toppen.

Ved å bruke varmekapasitet og beregninger der man benytter en antatt, beregnet eller målt kokeeffekt, kan man gjøre ca. estimater av koketid for en oppvarming, slik at man ikke trenger å gjette på hvor lang tid det tar å klargjøre et 20 liter sous vide varmbad eller å koke 40 liter suppe til slektstreffet. Det kan også være at man finner ut at en kokeprosess tar så lang tid at ikke er hensiktsmessig, og at man rett og slett må finne en annen metode å tilberede maten eller lage noe annet istedenfor.

Koketid for reduksjon

Da jeg laget kraft for noen dager siden kom jeg på at det kunne være artig å regne litt på tidsforbruket og se litt på fysikken i prosessen med reduksjon av kraft og andre vannholdige væsker.

TL;DR; kortversjonen er at tiden det tar å gjennomføre en reduksjon målt i minutter kan beregnes omtrentlig ved å (i) ta den effekten man vil koke på i kW (f.eks. 2 kW) og trekke fra den effekten man må bruke for å få den samme væsken til å bare småkoke (f.eks. 0.4 kW) noe som gir fordampingsvarme (1.6 kW for dette eksempelet), (ii) dele tallet 37.2 på fordampingsvarmen (37.2 / 1.6 = 23.25), og (iii) multiplisere med antall liter vann som skal dampes bort, f.eks. 5 liter (5 * 23.25 = 116.25), noe som (iv) gir ca. reduksjonstid målt i minutter (116.3 min som er litt under 2 timer). Og pass på at du vet hva du driver med og ikke ender opp med en brann.

Reduksjon innebærer å koke en væske slik at vannet i væsken fordamper. Hvert vannmolekyl som går over til damp innebærer ett mindre vannmolekyl i væsken, og når denne prosessen får gå så forsvinner gradvis vann og mengden væske reduseres. Selv om det neppe er bare vann som forsvinner i denne prosessen (den sterke lukten som oppstår må jo komme fra noe som er forsvunnet ut i luften) så er den generelle antagelsen i matoppskrifter jeg har sett at det stort sett er vann som forsvinner (bortsett fra oppskrifter der man koker ut alkohol).

Dette er ikke nødvendigvis alltid sant, så her kan det sikkert være verdt å sjekke ut om akkurat den blandingen man har for hånden, er egnet for reduksjon. For det første må blandingen tåle å varmes opp til hundre grader Celsius (evt. justert for kokepunkt ved annet atmosfærisk trykk), og det gjelder ikke blandinger som f.eks. har stoffer som vil koagulere eller skille seg. For det andre må det ikke være andre ingredienser som har lavere fordampingspunkt enn vann, dersom man ønsker å beholde disse i væsken - ett eksempel på dette er alkohol. Og så kan det være andre flyktige forbindelser som man ønsker å beholde, der man må være klar over evt. negative konsekvenser av reduksjon.

Ofte når man lager mat så skal maten få stå og småkoke, dette er ikke det man ønsker ved reduksjon - tvert imot er det nettopp kokingen som viser at væsken avgir damp, og langsom kokeprosess betyr langsom reduksjon. Samtidig er det begrenset hvor sterk koking man kan gjøre før ting begynner å boble over, og evt. også hvor mye effekt man kan tilføre før noen væsker vil kunne svi seg. Derfor er det et poeng å bruke et kokekar med størst mulig areal i bunnen, ettersom dette vil føre til at dampen får størst mulig overflate å slippe ut av, i tillegg til at varmen fra koketoppen spres over et større areal og varmen per arealenhet og dermed risikoen for å brenne noe i bunnen av kjelen reduseres.

Koking og reduksjon betyr at væsken forsvinner opp i luften og man vil lede den bort fra væsken noe som selvsagt innebærer at denne kokingen må skje uten lokk. I neste omgang må man tenke på hva som vil skje med dampen - den bør da helst ledes ut i et avtrekk som skal frakte vekk større mengder damp, så det kan potensielt være snakk om problematikk med kondens. Hvis man reduserer utendørs har man ingen problemer med hverken avdamping eller evt. lukt. Skal man redusere inne uten vifte (og et sirkulasjonsfilter med kullfilter vil ikke fjerne dampen), så må man være forberedt på større mengder damp.

Fordamping (bilde: wikimedia, creative commons attribution license)

Så hvor lang tid tar reduksjon? Når man reduserer små mengder væske i stekepanne på høy varme går dette "fort", men en stor kjele kraft er mer tidkrevende. Her er det vi kan se på fysikken i problemet for å kunne regne på tidsbruken. Vann har spesifikk fordampingsvarme 2230 kJ/kg (kilde: Wolfram Alpha), det vil si at for å fordampe 1 liter kokende vann så må man tilføre 2230 kJ varme til denne fordampingen.

Dersom vi tilfører 1 kW effekt til selve fordampingen, så vil man i løpet av 1 minutt ha tilført 1 kW * 60 s = 60 kJ varme. Mengden vann som vil fordampes av denne varmen er fordamping av 1 kW varme = 60 kJ/min * (1 liter / 2230 kJ) = 0.027 liter/min, alternativt kan man regne ut at fordampingstid ved 1 kW varme = 1 /  (0.027 liter/min) = 37.2 min / liter. Denne tiden er proporsjonal med mengden vann og omvendt proporsjonal med varmeeffekt, noe som gir oss en ...

Formel å regne ut fordampingstid:

    Fordampingstid = (37.2 min * kW / liter) * (liter vann) / (kW varme fordamping)

Det er her viktig at varmeeffekt er varme til selve fordampingen, og dette er generelt ikke det samme som varmeeffekt i koketoppen som benyttes. Varmen går nemlig ikke bare til fordamping, men også til å holde væsken varm - kjelen vil hele tiden ha varmetap langs kjelens sider og bunn, og denne varmen må komme et sted fra.

Effekten til fordamping er i prinsippet lett å finne eksperimentelt. De fleste som lager mat har erfaring med å finne en innstiling som innebærer småkoking av en væske der den såvidt lager bobler, og dette er nettopp den effekten som man må levere til kjelen for at man akkurat skal balansere varmetapet og holde væsken ved kokepunktet. Hvis man kan lese av denne effekten fra koketoppen, så vet man hva som er effekten som går med til varmetap. Så lenge volumet av kjelens innhold er konstant (noe som ikke gjelder for reduksjon så dette forholdet vil kunne endre seg underveis i reduksjonen), så vil varmeeffekt til fordamping da på grunn av fysikkens lov om energibevaring være bestemt av ...

Beregning av effekt til fordamping:

    effekt til fordamping = effekt fra koketopp - [varmetap = effekt for småkoking]

La oss regne et lite eksempel. La oss anta at jeg har laget 4 liter kraft som jeg ønsker å redusere til 1 liter, og at jeg kan gjøre dette med en kjele og på et sted som tåler å koke med 2 kW effekt. La oss anta at 0.4 kW av effekten går med til å dekke varmetap (jeg har ikke sjekket dette tallet på egen koketopp, så dette er bare en gjetting). Da er effekten som går til fordamping lik 2.0 kW - 0.4 kW = 1.6 kW. Estimert tid til å fullføre reduksjon som skal fordampe 4 liter - 1 liter = 3 liter blir da

    37.2 min * kW / liter * 3 liter / 1.6 kW = 69.8 min ~= 1 h 10 min

Så jeg trenger ikke å spå i teblader, gjette eller opparbeide mye erfaring for å vite hvor lang tid denne prosessen kommer til å ta; det går an å regne ut basert på vannets fysiske egenskaper. Helt riktig blir det nok ikke ettersom man kan gjøre feil i estimater av varmetap og jeg antar fordampingsvarme også avhenger av atmosfærisk trykk som varierer med høyde over havet og været, men for eksempelet over vil det være rimelig å tro at prosjektet bør ta mellom 1-1.5 time.

Ellers gjelder det å være forsiktig og passe på ved reduksjon. Etterhvert som det siste vannet begynner å forsvinne så vil blandingen tykne, og på et tidspunkt vil den kunne svi seg og jeg antar at den i verste fall vil kunne antenne, avhengig av hva slags stoffer man sitter igjen med. Så det gjelder å ha kontroll på prosessen og sørge for at man følger med (og evt. skru ned effekten etterhvert for å få mer kontroll) og gjør dette på en sikker måte.