Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende
25 søforklaringer Naturvidenskabelige fortællinger fra Søauditorierne aarhus Universitetsforlag 6 Forord 8 Når naturvidenskab trækker fulde huse Carsten Rabæk Kjaer 16 Tidens relative gang Ulrik Uggerhøj 30 Den røde planets hemmeligheder Per Nørnberg 46 Vand, vand og atter vand Søren Rud Keiding 62 Den flyvende pilekvist Kurt I. Sørensen 78 Menneskets evolution Peter K.A. Jensen 96 Moderne kosmologi – Verdenshistorien bind 0 Steen Hannestad 108 Kvantemekanikken og universets byggesten Klaus Mølmer 120 It – når det rykker Mogens Nielsen 134 En oplyst videnskab: temaer fra 1700-tallet Helge Kragh 148 Netværk og agurker med Bourbon whiskey Jens M. Olesen 162 Det forunderlige univers Hans Kjeldsen og Jørgen Christensen-Dalsgaard 178 Gåden om verdens største næse Peter Teglberg Indholdsfortegnelse 192 Vor urolige klode Bo Holm Jacobsen 208 Myrerne og mennesket Mogens Gissel Nielsen 222 Atomer afslører nyt om os og vor fortid Jan Heinemeier og Bente Philippsen 236 Havbundens dybe biosfære Bo Barker Jørgensen 248 Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende Ole G. Mouritsen 262 Krybdyrenes halve hjerte og kredsløbets udvikling Tobias Wang 278 Doping, sundhed og fair konkurrencer Verner Møller og Ask Vest Christiansen 292 Pattedyrenes mælk Torben Ellebæk Petersen 304 Naturen i bevægelse – klimaets betydning for den biologiske mangfoldighed Jens-Christian Svenning 320 Acceleratorer – fysikkens store maskiner Søren Pape Møller 336 Hvorfor ældes vi? – når vor molekyler gør os gamle Tinna Stevnsner 348 Tycho Brahes liv, død og efterliv Jens Vellev 366 Nanoteknologi og nanoscience – den næste industrielle revolution? Flemming Besenbacher, Kaj Mikael Jensen og Peter Thostrup Vores mad har biologisk oprindelse og består derfor af de samme byggesten som levende organismer: kulhydrater, proteiner, fedtstoffer, nukleinsyrer samt mineraler, sporstoffer og vitaminer. Kostens balance mellem disse stoffer er af betydning for ernæring, madens smag og vores sundhed. Studier af madens sammensætning, fysiske struktur og smag kan give inspiration til ny videnskab. Ole G. Mouritsen er professor i biofysik ved Syddansk Universitet i Odense. Hans forskning har fokus på den fundamentale beskrivelse af biologiske membraner og de fysiske mekanismer bag membraners biologiske funktion samt anvendelse af forskningens resultater inden for lægemidler og fødevarer. Han er i sin fritid interesseret i videnskaben bag maden og har skrevet populære artikler og bøger om sushi, tang og videnskaben bag smagen. 248 Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende Af Ole G. Mouritsen Videnskaben om maden Det er ikke noget nyt, at mennesket har reflekteret over maden og kogekunsten. Nysgerrighed kender ingen grænser, og spørgsmål om råvarer, hvad der sker under opbevaring og tilberedning, hvorfor maden smager, og hvilke næringsstoffer der er i, har vi nok alle stillet. Gastronomiens fader, Jean Anthelme Brillat-Savarin (1755-1826), definerede i sit mesterværk Smagens fysiologi fra 1825 gastronomi som “viden og forståelse af alt, der vedrører mennesket, og hvad det spiser. Formålet med gastronomien er at sikre menneskets velbefindende ved brug af den bedst mulige mad.” Den tyske kemiker Friedrich Accum (1769-1838) indførte betegnelsen kulinarisk kemi og lagde dermed vægt på betydningen af kemien for mad og madlavning. Nu til dags vil man nok sige, at gastronomi dækker over kogekunst og videnskaben om maden, omfattende kvalitet af råvarer, tilberedningsteknikker, smag, nydelse, æstetik samt madkultur og madhistorie i bredeste forstand. Der er mange veletablerede videnskaber, som knytter sig til gastronomien, fx fødevarekemi og -teknologi, levnedsmiddelvidenskab, sensorik og human ernæring. Den britisk-ungarske fysiker Nicolas Kurti og den franske kemiprofessor Hervé This har været hovedkræfter i en ny bevægelse, der fik startskuddet 1969, da Kurti i Royal Society i London holdt en forelæsning kaldt Fysikeren i køkkenet. Denne bevægelse fik senere betegnelsen molekylær gastronomi, og den gav anledning til en ny form for samarbejde mellem kokke og videnskabsfolk. Samarbejdet var karakteriseret ved, at kokke stillede videnskabelige spørgsmål til ingredienser og teknikker, og videnskabsfolk forsøgte at finde svar og sammen med kokkene finde på nye retter og teknikker. Der var især bud efter fysikere og kemikere. På den hjemlige front har kemikeren Thorvald Pedersen været pionér på området og siden 1988 forfat- i Videnskabelig nysgerrighed har indtaget køkkenet. Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende 249 tet en stribe af populærartikler og bøger under overskriften Kemikeren i køkkenet. Et nærmere blik på, hvad der er blevet kaldt molekylær gastronomi, afslører, at i mange tilfælde indgår der slet ikke molekylære betragtninger, men dog ofte en systematisk, kvantitativ og i visse tilfælde videnskabelig tilgang til madlavning og gastronomi. Imidlertid har selve ordet molekylær gastronomi haft en magisk effekt og ikke mindst skabt fornyet og stor interesse for gastronomi, god mad og madlavning i en bred befolkningsgruppe. Den britiske fysiker Peter Barham og en række danske kolleger har for nylig forsøgt at definere molekylær gastronomi, og hvordan denne nye videnskab adskiller sig fra gastronomi. Barham forfægter det synspunkt, at “molekylær gastronomi er det videnskabelige studium af, hvorfor noget mad smager forfærdeligt, noget godt og andet igen helt vidunderligt. ... Formålet med den molekylære gastronomi er at afdække de grundlæggende principper, som ligger bag vores individuelle nydelse af mad.” På den måde balancerer Barham og hans kolleger på en knivskarp æg, hvor man på den ene side betragter mad og kogekunst som materialer og teknikker og på den anden side vedkender sig det faktum, at der er passion, sanser og følelser forbundet med at tilberede og spise mad. Det er bemærkelsesværdigt, at der i Barhams definition slet ikke optræder ordet “molekylær”, selvom det i en vis forstand er underforstået. Fysikken ind i gastronomien Jeg har sammen med en række kolleger i de senere år beskrevet vores tilgang til studier af mad – set gennem en fysikers briller og med anvendelser af fysikkens begreber og teknikker. Vi mener, at det er et nyt og lovende forskningsområde, som vi har kaldt gastrofysik. Maden og madlavningen som genstandsfelter bliver et nyt område for fysikken at udforske. Nye forskningsområder opstår ofte i det 250 ukendte og dynamiske grænseland mellem veletablerede videnskabelige discipliner. Det særegne ved dette grænseland er, at det kan åbne et vindue til helt nye spørgsmål og problemstillinger, som ikke fostres spontant af de veletablerede, tilstødende fagdiscipliner, men som i princippet kan besvares ved indsigtsfuld anvendelse af disse discipliners metoder og begreber. Fysikken indtager en særstatus i denne forbindelse. Det skyldes ikke kun, at fysikken er en moden og kvantitativ videnskab, men især at fysikkens love og metoder har universel gyldighed og anvendelighed. Derfor har det været fysikkens historie gentagne gange at gå ind over grænserne til andre fagdiscipliner og i en vis forstand gøre dem til kvantitative videnskaber og til en slags fysik. Fx gik fysikken ind i kemien og gjorde den til fysisk kemi eller kemisk fysik; ind i geologien og gjorde den til geofysik; ind i astronomien og gjorde den til astrofysik; ind i biologien og gjorde den til biofysik og biologisk fysik; ind i økonomien og gjorde den til økonofysik. I flere af de nævnte tilfælde har anvendelsen af fysikken ført til videnskabelige gennembrud. Samtidig har disse grænseoverskridende aktiviteter været med til gentagne gange at revitalisere fysikken og i nogle tilfælde føre til paradigmeskift. Der er muligvis ved at ske noget tilsvarende inden for gastronomien og videnskaben bag maden. Der foregår allerede en omfattende forskning i fødevarer, og vi har veletablerede aktiviteter i fødevarekemi og human ernæring samt i tilgrænsende områder inden for landbrug, fiskeri og sundhedsforskning. Det meste af denne forskning er imidlertid af overvejende anvendt og strategisk karakter og kun i mindre udstrækning præget af fysisk tankegang og anvendelse af fysikkens moderne eksperimentelle og teoretiske metoder. Der foreligger derfor et uudnyttet potentiale for at skabe fornyelse og opnå grundvidenskabelige landvindinger igennem en dedikeret indsats for at bringe fysikken ind i 25 søforklaringer Illustrationer til “Søforklaringer” 1 spalte 67 mm 07 Fig 1d Lipider 06 Mouritzen Keiding Vandfigurer 2 spalter 1 spalte A B TROELS MARSTRAND TROELS MARSTRAND TEKNISKE ILLUSTRATIONER OG INFORMATIONSGRAFIK 4041 3606 4041 3606 [email protected] [email protected] C i Nogle af madens “elementarpartikler”. a: kulhydrater (her cellulose, som findes i plantevægge). b: proteiner (her myoglobin, som transporterer ilt inden i muskler). c: nukleinsyrer (her DNA, som er arvemateriale). d: fedtstoffer (her lipidmembran, som er grundstammen i alle biologiske membraner og cellevægge). TROELS MARSTRAND TEKNISKE ILLUSTRATIONER OG INFORMATIONSGRAFIK gastrovidenskaben. Det er ikke sikkert, at det vil lykkes, og indsatsen vil derfor være forbundet med en vis risiko. Men uanset hvad MARSTRAND kan en sådan indsats ikke undgå TROELS at skabe resultater, som både vil give ny grundvidenTEKNISKE ILLUSTRATIONER OG INFORMATIONSGRAFIK 4041 3606 skabelig indsigt og kunne føre til potentielle anvendelser. Maden bliver motor for videnskabelig udvikling. D Mad og madens elementarpartikler Al mad har biologisk oprindelse og stammer fra de forskellige biologiske riger, dyrene, planterne, svampene og algerne. I princippet skulle vi også regne bakterierne med, idet de spiller en stor rolle for både bearbejdning af fødevarer (fx ved gæring og fermentering) og som en del af mikrofloraen i vores mave-tarmsystem. Alle levende organismer er opbygget af de samme fire klasser af “elementarpartikler”: kulhydrater (sukkerstoffer), proteiner, fedtstoffer (fedtsyrer, lipider ILLUSTRATIONER OG INFORMATIONSGRAFIK 4041 3606 ogTEKNISKE olier) og nukleinsyrer (fx DNA). De tre første klasser er meget vigtige for vores [email protected] ernæring, hvorimod nukleinsyrer spiller en mindre rolle. Derimod kan de betyde noget for madens smag. Elementarpartikler af Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende 251 tmarstran i Føde fra havet: fisk og tang. Til venstre ses den stribede makrelart bonito, der bruges til fremstilling af katsuobushi, et forarbejdet fiskeprodukt, som indeholder store mængder af inosinat. Til højre vises tørring af den store brunalge konbu (Saccharina japonica), som indeholder store mængder af frit glutamat. Konbu og katsuobushi er hovedingredienserne i den japanske suppefond dashi, som er moderen til umami ved kombination af glutamat og inosinat. hver klasse kan forbindes med nogle andre fra samme klasse eller fra andre klasser og dermed danne det hierarki af strukturer, som er basis for liv: makromolekylære aggregater, fibre, organeller, celler, væv og organismer. Når vi spiser maden, omdannes den på vej gennem mund, svælg, mave og tarm ved hjælp af mekanisk bevægelse, kemiske processer og under indvirkning af enzymer. Hermed nedbrydes den i mindre partikler eller molekyler. Proteinerne kan fx nedbrydes i peptider og aminosyrer, fedtstofferne i fede syrer, kulhydraterne i sukre og nuklein- 252 syrerne i nukleotider. Disse mindre dele kan kroppens celler så igen bygge sammen til den helt særlige slags molekyler, som vi har brug for. Det er ikke alle slags stoffer, vores krop selv kan opbygge. I den udstrækning, at sådanne stoffer er vigtige for vores krops funktioner, skal vi have dem tilført fra kosten. Vi kalder dem da essentielle, fx essentielle aminosyrer eller essentielle fedtsyrer. Omega-3 og omega-6 fedtsyrer er essentielle, og de superumættede DHA og EPA, som kendes fra fiskeolie, er eksempler på meget vigtige omega-3 fedtsyrer. 25 søforklaringer i Sushi består af sur-sød, kogt hvid ris sammen med forskellige typer fisk, skaldyr og tang. Håndpresset nigiri-sushi til højre og maki-sushi rullet i tang (nori) til venstre. Bortset fra den hvide ris er sushi sund mad. Mad fra havet Den vigtigste kilde til omega-3 fedtstoffer er føde fra havet, især fisk og skaldyr. Fisk er også en vigtig kilde til protein, mineraler, sporstoffer, jod og visse vitaminer. Føde fra havet var hovedkosten for vores forfædre, som før agerbrugets opblomstring alle boede i kystnære områder. Så over de lange tidsrum, hvor vi fik vores gener udviklet, var føde fra havet et grundvilkår. Jeg skal senere komme tilbage til, hvad det betyder for de kostbetingede livsstilssygdomme, vi i dag lider under, at vi ikke længere spiser som vores forfædre. Udover fisk og skaldyr er der endnu en marin fødekilde, algerne. Der findes både store alger, makroalger, og små alger, mikroalger. Algerne udgør bunden af fødenetværket, og det er algerne, som har enzymsystemer, der kan fremstille de superumættede og værdifulde omega-3 fedtsyrer DHA og EPA. Alger er en stor og heterogen gruppe af organismer. Mikroalgerne er éncellede. Nogle af dem er beslægtede med planter (fx phytoplankton), mens andre er bakterier (fx blågrønne alger eller cyanobakterier). Nogle mikroalger indeholder mere end 60 % protein, og det er muligt at dyrke mikroalger, som opkoncentrerer store mængder af DHA og EPA i deres celler. Fælles for alle alger – store som små – er, at de kan udføre fotosyntese. De bliver derved ansvarlige for den største del af den organiske produktion på jorden og dermed for fikseringen af kuldioxid, samtidig med at de producerer en stor del af atmosfærens ilt. De nyttige næringsstoffer, fx fedtstofferne, vandrer fra algerne videre op i fødekæden og ender fx hos fisk og skaldyr. Mikroalger spiller endnu kun en lille rolle som human ernæring. I modsætning hertil er makroalgerne, især de store havalger, som vi med en fællesbetegnelse kalder tang, en vigtig del af den daglige kost især i Asien. Makroalgerne er nu på vej til at træde ind på menuen i vores del af verden, og det er der mange gode grunde til, som jeg vil komme tilbage til nedenfor. Sushi og videnskab Fisk og skaldyr fordærves hurtigt, efter de er døde, og vi er derfor nødt til at tage særlige forholdsregler, hvis de skal kunne transporteres og opbevares inden konsum. Vi glemmer ofte, hvorledes køle- og fryseteknikker, lufttransport og et effektivt distributionssystem har muliggjort, at vi året rundt kan spise frisk havføde. Tidligere måtte man undvære frisk fisk, hvis man ikke boede ved kysten, eller forlade sig på konserveringsteknikker, fx saltning, røgning og fermentering. Det er interessant, at en af Asiens mest globaliserede madkulturer, sushi med rå fisk, Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende 253 faktisk oprindelig var baseret på langtidskonservering af fisken ved fermentering i kogt ris. Risens stivelse sammen med salt og eddike nærer mælkesyrebakterier, som omsætter fiskemusklen, så den kan holde sig, har god næringsværdi, men smager ganske anderledes end den rå fisk. Sushiens historie er i princippet en historie om kortere og kortere gæringstider, fra et halvt år for over tusind år siden til ingen tid i dag, hvor vi spiser fisken rå eller meget let tilberedt. Der er mange videnskabelige spørgsmål, man kan stille til sushi og de forskellige ingredienser, som indgår: ris, fisk, skaldyr og tang. Måske lidt overraskende er det ikke helt nemt at koge ris til sushi, men med lidt fysisk kemi går det an. Hemmeligheden er, at man skal bruge en særlig slags kortkornede ris, som indeholder mere af stivelsesarten amylose end af amylopectin. Det høje indhold af amylose bevirker, at risen under kogningen i vand ikke går i stykker (modsat i risengrød). Processen er teknisk set en såkaldt gelatineringsproces, hvor de 0,0030,008 mm store krystallinske stivelseskorn inde i risen smelter og kvælder op ved optagelse af vand, uden at de små stivelseskorn går i stykker. Ved gelatineringen, som foregår i temperaturintervallet fra ca. 70-100° C, tilsættes lidt mindre vand, end der skal til for fuldstændig kvældning af risen. Det skyldes, at den færdigkogte, varme ris skal kunne opsuge en smule mere væske i form af den marinade af risvineddike, salt og sukker, som skal vendes i risen, inden den køler af og er klar til brug til sushi. En vigtig del af sushi er tang, specielt de tangblade, som kaldes nori. Nori fremstilles som en slags tangpapir af rødalgen purpurhinde, der dyrkes i store mængder i havet bl.a. omkring Japan. Nori er verdens mest værdifulde, marine afgrøde, og den har en årlig verdensmarkedsværdi på mindst 10 mia. kr. Ved produktionen af nori hakkes de nyhøstede purpurhindeblade i stykker til en flydende masse, som derefter tørres i papir- 254 tynde lag. I modsætning til almindeligt papir, hvor plantefibrene bindes sammen af et tilført limstof, medbringer tangen sin helt egen “lim”, som er vandopløselige kulhydrater, der holder de små tangstykker sammen, så længe nori-bladet holdes tørt. Det er de samme vandopløselige kulhydrater (polysaccharider), som i ernæringsmæssig sammenhæng kaldes opløselige kostfibre. Disse kulhydrater udvindes industrielt af både rødalger (agar og carrageenan) og brunalger (alginat) og bruges i stor stil fx i medicinalvare- og fødevareindustrien som geleringsmidler (tyknere, hydrogeler). I fødevarer deklareres de som E401-E407. Tang – en overset fødevare Mange danskere har smagt tang som nori i sushi, men har du smagt andre slags tang fra fx danske vande? Nå ikke? Måske fordi det lugter? Så har du nok aldrig smagt frisk tang. Du ville nok også sige nej tak til al frugt, hvis du kun kendte frugt som rådden nedfaldsfrugt. Tang som madvare skal ikke bedømmes på det, der er opskyllet på stranden, men på de friske varer fra det blå hav. Der findes omkring 10.000 forskellige tangarter, hvoraf de fleste er spiselige. Tang er store havalger og ikke almindelige planter. De findes i alle jordens klimabælter og udviser en enorm artsrigdom og variation. I mange asiatiske lande udgør tangprodukter en vigtig del af ernæringen, hvorimod vi i Danmark kun bruger ekstrakter af tang som tyknere. Generelt set er tang en overset ernæringskilde i den vestlige verden. Imidlertid kan tang bruges direkte som velsmagende mad. Da tang tilhører et stort biologisk rige, algernes rige, kan tang på en måde tilføre lige så meget variation til vores køkken som hele planteriget. Man burde derfor ikke tale om tang i maden som en enkelt ingrediens, ligesom vi jo heller ikke bare taler om planter i maden. Der er stor forskel på en porre og et hindbær. Der er en anden grund til, at 25 søforklaringer i Dansk dyrket tang, søl (Palmaria palmata). I Norden er der lang tradition for at spise søl på Island. Søl indeholder store mængder af glutamat og har derfor umami-smag. man ikke bare skal sige tang. Den genetiske forskel mellem fx den grønne tangart søsalat og den brune sukkertang er lige så stor som forskellen mellem planter og dyr. Forskellige tangarter indeholder et meget betydeligt sundhedspotentiale som føde. I Norden vil det fortrinsvis være søl, vingetang, blæretang, sukkertang, fingertang, palmetang i Dansk tang kan nemt bruges i den daglige kost, her i form af en salatanretning med blancherede blæretangsspidser. Ved blancheringen skifter tangens brunlige farve til lysegrøn, fordi dens brune pigmenter går i stykker og lader grønkornenes farve træde frem. og søsalat, som vil være de mest tilgængelige arter. Nogle af disse arter fås nu fra danske havbrug. Tang har et stort indhold af vigtige mineraler, sporstoffer, jod, proteiner og essentielle aminosyrer, opløselige og uopløselige kostfibre, vitaminer samt essentielle fedtsyrer, især de vigtige omega-3 fedtsyrer, som vi kender fra fisk. Forholdet mellem omega-3 og omega-6 fedtsyrer er tæt ved det ideelle (0,7-3,2) for human ernæring. Kalorieindholdet i tang er lavt, fordi vores fordøjelsessystem ikke har enzymer, som kan nedbryde de komplekse kulhydrater, der udgør de opløselige kostfibre (alginat, agar og Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende 255 carrageenan). Et vist indtag af disse kostfibre kan modvirke fedme. Desuden indeholder tang en række bioaktive stoffer, som sandsynligvis har et sundhedspotentiale i relation til hjerte-karsygdomme samt en vis anti-viral og anti-cancer effekt. Næppe nogen anden råvare har en så bred anvendelse i køkkenet som tang. Tang kan spises rå, kogt, bagt, ristet, pureret, tørret, granuleret eller friturestegt. Den kan spises for sig selv, eller den kan indgå i utallige kombinationer med andre kolde eller varme ingredienser. Tang kan benyttes i dagligdagens køkken og i gastronomiske specialiteter, der udnytter tangens helt særlige egenskaber som en spændende og udfordrende råvare. Der er derfor god grund til, at et voksende antal danske kokke helt op til Michelin-stjerneniveau har taget tangen til sig som en spændende og udfordrende råvare. Det er sandsynligt, at vi fremover vil finde tang fra danske og andre nordiske vande som almindelig ingrediens i Det Nye Nordiske Køkken, der i disse år er i hastig fremmarch. I fremtiden vil tang sikkert komme til at udgøre en langt større del af vores kost. For det første skal der skaffes mere mad til en sulten verden, og havet indeholder stadig store, uudnyttede ressourcer. Dem skal vi lære at bruge bedre og på en bæredygtig måde. For det andet er tang sund mad og kan måske være med til at modvirke kostbetingede sygdomme. Tang − grøntsagerne fra havet − vil på mange måder betyde en velkommen fornyelse i det vestlige kostmønster. Aminosyrer og den femte smag: umami Tang har spillet en ganske særlig rolle i vores viden om umami, som er den femte grundsmag ved siden af de fire klassiske sød, sur, salt og bitter. I 1908 opdagede den japanske kemiker Kikunae Ikeda (1864-1936), at der i brunalgen konbu (Saccharina japonica) findes store 256 i Aminosyren glutaminsyre findes i to former, som er spejlbilleder af hin- anden: en venstredrejet (L-glutaminsyre) og en højredrejet (D-glutaminsyre). Saltene af glutaminsyre kaldes glutamater, og natriumsaltet af L-glutaminsyre, mono-natriumglutamat (MSG), er hovedkilden til umami-smag. Dglutamat er derimod smagsløst. Der er store mængder af frit L-glutamat i fx tang, modne tomater, lagrede oste, soyasauce og lufttørrede skinker. MSG kan fremstilles rent og anvendes som smagsforstærker under betegnelsen E621. i Figuren viser tre nukleotider (dvs. byggestenene i nukleinsyrer som DNA og RNA), der alle i fri form medvirker til at forstærke umami-smag, når de optræder sammen med glutamat. Inosinat findes især i fisk og skaldyr, guanylat findes fx i svampe, og adenylat findes især i tomater, fisk, skaldyr og blæksprutter. mængder af natriumsaltet af aminosyren glutaminsyre, også kaldet mono-natrium glutamat (MSG). Ikeda havde stillet spørgsmålet: Hvad er det, som gør japanske supper så velsmagende? Japanske supper baseres på en grundfond kaldet dashi, der er et vandigt udtræk af konbu, sammen med flager af et fiskeprodukt kaldet katsuobushi. Katsuobushi fremstilles af fileterne af en makrelart, 25 søforklaringer mg/100g 150 140 130 Dashi fra konbu 120 110 100 90 Dashi fra søl 80 70 60 50 40 30 20 10 Val Tyr Thr Ser Pro Phe Nle Lys Met Leu Ile His Gly Glu Asp Ala Arg 0 i Aminosyrer i dashi, som er suppeekstrakt lavet på to slags tang: japansk konbu og dansk søl. Begge slags dashi indeholder store mængder af aminosyrerne asparaginsyre (Asp) og glutaminsyre (Glu), som giver umami-smag, og pæne mængder af de søde aminosyrer alanin (Ala), prolin (Pro) og serin (Ser). Desuden indeholder dashi fra søl de bitre aminosyrer leucin (Leu), isoleucin (Ile) og valin (Val). bonito, som koges, saltes, tørres, røges og fermenteres. Ikeda påstod nu, at netop MSG er årsag til velsmagen, og han gav den navnet umami. MSG er for umami, hvad køkkensalt (natriumklorid) er for grundsmagen salt, og hvad husholdningssukker (sukrose) er for grundsmagen sød. På Ikedas tid var der ikke mange vestlige videnskabsfolk, som ville tro på, at umami var en grundsmag, og der skulle gå næsten hundrede år, inden de blev overbevist. Inden da havde Ikeda skabt et af verdens største internationale firmaer til fremstilling af tilsætningsstoffer til fødevarer, bl.a. MSG. Glutaminsyre er som andre aminosyrer såkaldt chirale molekyler, dvs. de findes i to kemisk ens spejlbilleder, venstredrejede (L) og højredrejede (D). Det er kun den venstredrejede, der giver umami-smag, og det skal være i form af saltet L-natriumglutamat. Det er ikke kun i konbu, man finder glutamat, men der findes ingen enkelt fødevare, der som konbu giver den rene smag af umami. Vi har nogle råvarer og forarbejdede fødevarer, som indeholder store mængder af frit glutamat, fx vellagret ost, lufttørret skinke, solmoden tomat, østers, tørrede svampe, grønne asparges, fiskesauce og sojasauce. Men i de fleste råvarer er glutaminsyren bundet i proteiner, og proteiner smager ikke af noget. Det er først, når glutaminsyren frigøres fra proteinerne, fx gennem de mange forskellige processer, som vi underkaster vores fødevarer, at proteinerne bliver nedbrudt i peptider og frie aminosyrer, og maden får smag. Det forklarer, hvorfor vi finder mest umami i fødevarer, som er modnet, lagret, kogt, simret, gæret eller fermenteret. Hvad med dansk tang og umami? Faktisk har vi fornylig fundet, at man kan lave en velsmagende fond af et ekstrakt af den røde tangart søl, som har vist sig at indeholde store mængder af glutamat. Denne tangart kan derfor bruges til at give velsmag til andre retter, fx is, ost, brød og grøntsagsretter. Der er masser af søl i de nordiske vande. Som beskrevet ovenfor er japansk dashi ikke lavet af konbu alene, men også af fiskeproduktet katsuobushi. I 1913 fandt en anden japansk forsker, Shintaro Kodama, ud af, at der i katsuobushi er store mængder af et nedbrydningsprodukt af nukleinsyrer, inosinat, som er et nukleotid, der bidrager til umamismagen. Den afgørende opdagelse i den forbindelse kom i 1957, da en tredje japansk forsker, Akira Kuninaka, fandt ud af, at der i tørrede shiitake-svampe, som vegetarerne bruger til at erstatte katsuobushi i dashi, findes store mængder af et andet nukleotid, guanylat. Ydermere konstaterede Kuninaka, at der virker en såkaldt synergistisk effekt mellem glutamat på den ene side og nukleotider, som inosinat og guanylat, på den anden side. Synergien betyder, at en meget lille mængde af den ene stofgruppe kan forstærke smagen af den anden mangefold. Hvordan kan vi videnskabeligt forklare det? Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende 257 Velsmagens hemmelighed afsløret Forklaringen på synergi i umami-smagen forudsætter kendskab til de smagsreceptorer, som findes i tungens smagsløg, og som kan registrere glutamat og nukleotider i maden. Den første umami-receptor blev fundet i 2000, en anden i 2002, og senest er der fundet en tredje i 2007. Først med fundet af disse receptorer blev de skeptiske vestlige videnskabsfolk overbevist om, at umami er en grundsmag. Med viden om receptorernes eksistens kunne man acceptere, at umami er en grundsmag i sansefysiologisk forstand. Den vigtigste af de tre umami-receptorer kaldes T1R1/T1R3, som er sammensat af to receptorer, hvoraf T1R3 også optræder i receptoren for sød. Det er på T1R1, at bindingen til glutamat finder sted, så det er her, hemmeligheden bag velsmagen findes. Spørgsmålet er, om et kendskab til den molekylære struktur af T1R1 kan give os en molekylær forklaring på den mekanisme, der forårsager synergi i umami-smagen. Ved hjælp af omfattende computersimuleringer af hvordan T1R1 opfører sig ved binding af glutamat alene og med samtidig binding af guanylat, har jeg sammen med min kollega Himanshu Khandelia for nylig vist, at synergien i umami skyldes en ændring i receptorens dynamik. Uden bundne stoffer er det område af receptoren, hvor bindingsstederne findes, meget fleksibelt og dynamisk. Når glutamat bindes, dæmpes dyna- 258 mikken en del, og receptoren lukker delvis omkring glutamatmolekylet og holder det bedre fast. Hvis der så samtidig er guanylat til stede, bindes dette i kanten af receptoren, som nu lukkes helt om glutamatmolekylet, og dynamikken er blevet meget langsom. Den fysiologiske konsekvens heraf er, at umami-smagen forstærkes. Konklusionen er, at “to skal der til” for at give en kraftig umami-smag: glutamat og nukleotid. Kun få råvarer kan bidrage med begge dele. Nori er en af dem. Det er formodentlig derfor, at nori er populær til sushi, i Tungen har omkring 9.000 smagsløg, som er løgformede bundter af 50-150 smagsceller på tungen. Smagscellerne er sanseceller, der i smagsløgets top har nogle små udposninger på deres cellemembraner. Løget er dækket af hudceller, der danner en lille pore, som smagsstofferne skal igennem for at blive opfanget af smagsreceptorerne i sansecellernes membran. Hver smagscelle er følsom over for én slags grundsmag: sur, sød, salt, bitter eller umami. Celler med samme slags smagsopfattelse sender samlet i én nervefiber signalet direkte til hjernen, som registrerer smagen. Sansecellernes membraner indeholder de receptorer, som kan genkende og registrere smagsstoffer. Umami-receptoren på billedet til højre er et protein, der sidder tværs igennem sansecellernes membran. Når en receptor på cellens overflade har identificeret og bundet smagsmolekyler, fx glutamat (grøn kugle) og guanylat (blå trekant), som passer til receptoren, signaleres gennem proteinet, at der skal bindes et bestemt andet protein (blå bolle) på den anden side af membranen inden i cellen. Denne binding igangsætter en hel kaskade af biokemiske processer, som til sidst fører til et elektrisk signal, der går gennem nerven og ender i hjernens belønningssystem (en del af pandelapperne). 25 søforklaringer hvor tangen giver umami til den kogte ris, som selv ingen umami-smag har. At der skal to til for at udløse mekanismen bag synergien i umami-smagen forklarer videnskabeligt, hvorfor fx makrel og tomat, skinke og ost, æg og bacon samt svampe og grøntsager parvis smager godt sammen. Det forklarer også, hvorfor en lille smule blå ost (med masser af glutamat) eller lidt ansjospasta (med masser af inosinat) kan redde en brun sovs, som er lavet på en for tyndbenet kød- og grøntsagsbouillon. Samspillet mellem umami og de andre grundsmage er endnu ikke afklaret i detaljer. Sansefysiologiske eksperimenter og erfaring fra køkkenet giver imidlertid tydelige fingerpeg. Umami i maden kan fremhæve den søde smag, hvilket betyder, at man med indsigt i umami kan lave sød mad med mindre sukker (i nogle tilfælde med en reduktion på op til 30 %). Desuden er det velkendt fra Ikedas tid, at umami-smag kan forstærke salt, og lidt glutamat kan give samme saltsmag med op til 50 % mindre køkkensalt. Endelig er der noget, som tyder på, at umami kan tage toppen af bitre smage. i Øverst en båndrepræsentation af kæden af aminosyrer i den del af umami-receptoren (T1R1/T1R3), der sidder på ydersiden af sansecellens membran og her kan opfange og binde de stoffer, som giver umami. Der er vist tre situationer: til venstre uden bundne stoffer; i midten binding af glutamat; og til højre binding af både glutamat og guanylat. Billederne viser, at denne del af receptoren virker som pacman som illustreret nederst. Uden tilstedeværelse af glutamat eller guanylat er pacman meget dynamisk og åbner og lukker munden meget hurtigt. Når den har spist et glutamatmolekyle, lukker den delvist sammen, og dynamikken dæmpes. Hvis der samtidig bindes et guanylatmolekyle, klapper pacman helt i, og dynamikken bliver meget langsom. Denne dæmpning af dynamikken betyder, at bindingen af glutamat bliver stærkere, og umami-smagen forstærkes synergistisk: Små mængder af guanylat kan forstærke bindingen af glutamat mangefold. Guanylat Glutamat Umami-receptor (T1R/T3R) Hvad skal vi spise? Vores evne til at kunne smage er betinget af evolutionens forløb. Smagssansen har givet os evolutionære fordele, så vi på smagen Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende 259 kan identificere føde med højt nærings- og energiindhold og samtidig kan gå uden om giftige sager. Vi elsker det søde, fordi det er et signal om føde med mange kalorier og meget energi. Vi kan smage surt, fordi det hjælper os til at vedligeholde kroppens syrebalance, skærpe appetitten og forbedre fordøjelsen; salt, fordi det leder os til vigtige mineraler og salte; og bittert, fordi det er et afskrækkelsessignal, som advarer om potentielt farlige og giftige stoffer. Og hvad med umami? Umami er formodentlig et ældgammelt signal om næringsrige proteiner og aminosyrer. Vores evolutionære stræben efter føde med velsmag og umami har på en måde gjort os til gourmetaber. Det er bemærkelsesværdigt, at det nyfødte barn fra starten bliver præget med præferencer for sød og umami: Modermælk har sødme fra laktose og umami fra glutamat. Fostervæsken har også pæne mængder af glutamat. Den evolutionære prægning af menneskets tragten efter umami går formodentlig langt længere tilbage, end man hidtil har antaget. Harvard-antropologen Richard Wrangham har leveret overbevisende argumenter og data for det synspunkt, at vores forfædre benyttede ilden til at tilberede mad, fx varmebehandle kød, for mindst 1,8-1,9 mio. år siden. Varmebehandlingen af maden har gjort den mere sikker og holdbar samt nemmere at spise, fordi maden bliver blødere. Desuden udvikler maden under opvarmningen bedre smag, ikke mindst umami. I evolutionær sammenhæng er det især vigtigt, at maden ved varmebehandling bliver mere fordøjelig, og der frigøres flere lettilgængelige næringsstoffer og flere kalorier. Opvarmning og kogning gelatinerer kulhydraterne i stivelsesholdige plantedele og gør kødets proteiner mere fordøjelige. Vi behøver derfor langt mindre tid til at spise og fordøje maden. Det har givet os nogle klare evolutionære fortrin. Mennesket er en kok! Rå føde giver ikke energi og næring nok til at 260 i Makrel i tomat, en populær spise med masser af umami-synergi: glutamat fra tomatpasta og inosinat fra makrel. udvikle en stor hjerne og fritid til at opbygge familier og sociale strukturer. De andre store aber bruger stadig 8-10 timer i døgnet på at samle føde og næsten lige så lang tid til at tygge den. Det moderne menneskes kost afviger fra den palæolitiske, såkaldte “stenalderkost” på en række vigtige punkter. Vores kost har (a) et højere energiindhold med flere kalorier på grund af mange sukkerstoffer (højt glykæmisk indeks) og mættede fedtstoffer, (b) færre omega-3 og omega-6 fedtstoffer, med en stor overvægt af omega-6 i forhold til omega-3; (c) mere salt; og (d) færre kostfibre. Alle disse forhold er årsager til, at vi lider af kostbetingede livsstilssygdomme som hjerte- 25 søforklaringer karsygdomme, fedme, diabetes-2, cancer og visse mentale lidelser. Vi spiser ikke, som vores gener fortæller os, vi skal. Mere føde fra havet kan medvirke til at bringe balance i kostens sammensætning af fedtstoffer. Et større fokus på velsmag og umami kan medvirke til en sundere kost med mindre salt og mindre sukker. Umami kan også være en nøgle til regulering af kostindtag og ernæring, idet det for nylig er blevet vist, at der findes en slags kommunikationsforbindelse mellem hjernen og mave-tarmsystemet, som også indeholder glutamatreceptorer. Denne kommunikationsforbindelse medvirker ved regulering af appetit og mæthedsfølelse. Det er ikke kun vigtigt for dem, som har tendens til at spise for meget og forkert mad, men i lige så høj grad for gamle og syge, som har problemer med appetit og lyst til maden, hvilket svækker ernæringstilstand og immunforsvar og leder til reduktion i livskvalitet. Mad og populærvidenskab Mad og sundhed interesserer os alle, og det er oplagt at bruge denne interesse til at popularisere videnskab og forskning. Men fokus på maden kan mere end det. Den kan åbne videnskabens øjne for en ny erfaringsverden med masser af udfordringer, som kan være drivkraft til at lave spændende ny fysik og føre til nye opdagelser, der både giver grundvidenskabelig viden og samtidig kan anvendes til nyttige formål, endog i vore egne køkkener. Mere om emnet Khandelia H. & Mouritsen O.G. (2012). Velsmag – sådan virker det. Aktuel Naturvidenskab, 4, 6-9. McGee H. (2004). On Food and Cooking. The Science and Lore of the Kitchen. Scribner. Mouritsen, O.G. (2005). Life – as a Matter of Fat. Springer. Mouritsen, O.G. (2008). Sushi – en ældgammel kode. Naturens Verden, 4, 32-40. Mouritsen, O.G. (2008): Sushi – videnskaben bag. Naturens Verden, 6, 26-33. Mouritsen, O.G. (2009). Tang i menneskets tjeneste. Aktuel Naturvidenskab, 6, 6-11. Mouritsen, O.G. (2009): Sushi. Videnskab, lidenskab & sundhed. 2. udg., Nyt Nordisk Forlag Arnold Busck. Mouritsen, O.G. (2009): Tang. Grøntsager fra havet. Nyt Nordisk Forlag. Mouritsen, O.G. & Styrbæk, K. (2011). Umami. Gourmetaben og den femte smag. Nyt Nordisk Forlag Arnold Busck. Mouritsen, O.G. (2012). The emerging science of gastrophysics. Flavour, 1:6. Mouritsen, O.G. (2012). Umami flavour as a means to regulate food intake and to improve nutrition and health. Nutr. Health, 21, 56-75. Mouritsen, O.G. & Khandelia, H. (2012). Molecular mechanism of the allosteric enhancement of the umami taste sensation. FEBS J., 279, 3112-3120. Mouritsen, O.G., Williams, L., Bjerregaard, R. & Duelund, L. (2012). Seaweeds for umami flavour in the New Nordic Cuisine. Flavour 1:4. Myhrvold, N. (2010). Modernist Cuisine. The Art and Science of Cooking. The Cooking Lab Publ, USA. Risbo, J., Mouritsen, O.G., Frøst, M.B., Evans, J. D. & Reade, B. (2013). Culinary science in Denmark: Molecular gastronomy and beyond. J. Culinary Sci. Technol., 11, 111-130. Gastrofysik: videnskab, velsmag og velbefindende 261
© Copyright 2024