A pattogatott kukorica készítése az egyik leglátványosabb konyhai fizikai kísérlet. Néhány percnyi melegítés hatására a kemény, rágásra alkalmatlan kukoricaszemek hangos pukkanással felhasadnak, és térfogatuk sokszorosára tágulva puha, fehér nassolnivalóvá alakulnak. De mi történik pontosan a kukoricaszem belsejében a pattanás előtt és közben? Miért nem pattog ki minden kukoricafajta, honnan ered a jellegzetes pukkanó hang, és mi repíti a levegőbe a szemeket?

Ezekre a kérdésekre Emmanuel Virot és Alexandre Ponomarenko francia fizikusok 2015-ben a Journal of the Royal Society Interface című folyóiratban közzétett tanulmányukban (Popcorn: critical temperature, jump and sound) kerestek választ: nagy sebességű kamerával és szinkronizált hangfelvétellel vizsgálták a pattogás termodinamikáját és mechanikáját.

A kukoricaszem mint természetes kukta

Nem minden kukorica alkalmas pattogtatásra. A pattogatni való kukorica (Zea mays var. everta) szerkezete jelentősen eltér a takarmány- vagy a csemegekukoricáétól. Három kulcsfontosságú tulajdonsága van:

  1. A víztartalom: A szem keményítőben gazdag belsejében, az endospermiumban a legnagyobb pattogási térfogathoz nagyjából 13–14 százaléknyi nedvesség kell.
  2. A kemény, vízzáró maghéj (pericarpium): A szem külső héja tömör, főként cellulózból áll, és jól visszatartja a nedvességet. Ez a héj nyomástartó edényként működik.
  3. A keményítőtartalom: Az endospermium főként amilózból és amilopektinből álló keményítőszemcsékből áll, amelyek hő és nedvesség hatására elcsirizesednek, vagyis képlékeny masszává válnak.

Amikor a kukoricaszemet melegíteni kezdjük, a belsejében lévő víz 100 °C fölött forrni kezd. Mivel a zárt maghéj nem engedi ki a keletkező vízgőzt, a szem belsejében a nyomás gyorsan nő, akárcsak egy kuktában. A víz nagy része eközben túlhevített folyadékként marad a szemben, a keményítőszemcsék pedig felpuhulnak.

A nedvességtartalom pontos mértéke kritikus jelentőségű. Az élelmiszer-tudományi mérések szerint a pattogási térfogat a pattogtatás módjától függően nagyjából 12,5–14 százalékos nedvességtartalomnál a legnagyobb; Metzger és munkatársai (1989) például azt találták, hogy forró levegős pattogtatáshoz több nedvesség kell, mint olajoshoz. Ha a szem túl száraz, kevés gőz képződik, és a szem kisebbre nyílik ki vagy ki sem pattan; ha túl nedves, a pattogatott kukorica kisebb és tömörebb lesz.

A 180 °C-os kritikus pont és a pattanás

Virot és Ponomarenko mérései szerint egy sütőben fokozatosan emelve a hőmérsékletet a szemek szinte mind egy jól meghatározott kritikus hőmérsékleten pattannak ki:

T(kritikus) ≈ 180 °C (356 °F)

A szerzők egy egyszerű nyomástartóedény-modellel — a maghéj vastagságából és a szem sugarából — azt becsülték, hogy ebben a pillanatban a belső nyomás nagyságrendileg 10 bar. Ez összhangban van Hoseney és munkatársai 1983-as eredményével, akik a kb. 177 °C-os pattanási hőmérsékletet nagyjából 135 psi (kb. 9 bar) belső nyomásnak feleltették meg. Ez a légköri nyomás mintegy kilencszerese, nagyjából egy személyautó-gumiabroncs nyomásának három-négyszerese. A modell azt is megmagyarázza, miért függ a kritikus hőmérséklet csak gyengén a maghéj szilárdságától és a szem alakjától.

Amikor a belső nyomás meghaladja a maghéj teherbírását, a pericarpium felreped. A nyomás hirtelen lecsökkenése miatt a túlhevített víz gőzzé alakul, és a képlékeny keményítőtömeget habbá fújja fel. Ahogy a gőz eltávozik és a hab lehűl, a keményítőváz gyorsan megszilárdul. Ez hozza létre a pattogatott kukorica szivacsos, fehér, ropogós szerkezetét.

Honnan ered a pukkanó hang?

A „patt” hangra több magyarázat is kínálkozik: okozhatja a maghéj elrepedése, a szem visszapattanása az edény aljáról, vagy a nyomás alatti vízgőz kiszabadulása. Virot és Ponomarenko ezt a három lehetőséget vetették össze.

A kutatók másodpercenként 2000 képkockát rögzítő kamerafelvételt és mikrofonos hangfelvételt szinkronizáltak, és a következőket figyelték meg:

  • Az első repedés, amelyen át a keményítő egy része kitüremkedik, még hangtalan.
  • A pukkanás egy második repedés után, mintegy 6 ezredmásodperccel később indul, és nagyjából 50 ezredmásodpercig tart.
  • A hang még azelőtt megszólal, hogy a szem elrugaszkodna, tehát nem a visszapattanás okozza; a legtöbb repedéshez pedig egyáltalán nem tartozik hang.

A kutatók ezért azt valószínűsítik, hogy a hangot a nyomás alatti vízgőz kiszabadulása váltja ki: a hirtelen nyomásesés a pattogatott kukorica belsejében lévő üregeket akusztikus rezonátorként rezgésbe hozza. Hasonló modellel írják le a pezsgősüveg dugójának pukkanását is.

A keményítőláb: mi repíti a levegőbe a szemet?

A kutatás másik fontos megfigyelése a szem mozgására vonatkozott. Kézenfekvő ötlet lenne, hogy a kiáramló vízgőz rakétaként löki meg a szemet, a felvételeken azonban a gőz kiáramlása közben nem látszott elmozdulás.

A másodpercenként 2900 képkockát rögzítő felvételek mást mutattak:

  1. A maghéj megrepedése és a keményítő tágulásának kezdete után kialakul egy kitüremkedő keményítőnyúlvány, egy úgynevezett „keményítőláb” (starch leg).
  2. Ez a láb a forró lapnak feszül, és összenyomódik.
  3. Ezután rugóként visszapattan, és a levegőbe lendíti a szemet.

A keményítőláb lökése forgásba hozza a szemet, amely így tornászszaltóhoz hasonló mozdulattal, néhány millimétertől néhány centiméterig terjedő magasságba ugrik. A szerzők szerint a pattogatott kukorica félúton van két mozgástípus között: a felhasadása a magjaikat repesztéssel szétszóró, „robbanó” termésű növényekére emlékeztet, az ugrása pedig a lábukkal elrugaszkodó állatokéra.

Miért nem pattog ki minden szem?

A pattogtatás végén a serpenyő alján szinte mindig marad néhány ki nem pattant szem (angolul tréfásan old maids-nek nevezik őket). Ennek nem csak a nem megfelelő hőmérséklet lehet az oka.

Hoseney és munkatársai szerint a maghéj épsége kulcsfontosságú, a Purdue Egyetem kutatói (Tandjung és munkatársai, 2005) pedig azt találták, hogy a jobban pattogó fajták maghéjában a cellulóz szerkezete hatékonyabb nedvességzárat képez. Ha a pericarpium sérült vagy túl áteresztő, a melegítés során keletkező vízgőz lassan elszivárog, így a szem belsejében nem tud felépülni a pattanáshoz szükséges nyomás. A túl száraz szemben pedig eleve kevés a gőzzé alakuló víz.

Összegzés

A pattogatott kukorica pattogása fizikailag jól leírható folyamat:

  1. Nyomáskamra: A tömör maghéj bent tartja a vízgőzt a nagyjából 13–14%-os nedvességtartalmú szemben.
  2. Kritikus pont: Kb. 180 °C-on a belső nyomás nagyságrendileg 10 bar, és a héj felreped.
  3. Pukkanás: A hangot valószínűleg a kiszabaduló vízgőz által rezgésbe hozott belső üregek adják.
  4. Ugrás: A kitüremkedő keményítőláb elrugaszkodik az edény aljáról, és felrepíti a szemet.

Hivatkozott források

  • Virot, E., & Ponomarenko, A. (2015). Popcorn: critical temperature, jump and sound. Journal of the Royal Society Interface, 12(104), 20141247.
  • Hoseney, R. C., Zeleznak, K., & Abdelrahman, A. (1983). Mechanism of popcorn popping. Journal of Cereal Science, 1(1), 43–52.
  • Metzger, D. D., Hsu, K. H., Ziegler, K. E., & Bern, C. J. (1989). Effect of moisture content on popcorn popping volume for oil and hot-air popping. Cereal Chemistry, 66, 247–248.
  • Tandjung, A. S., Janaswamy, S., Chandrasekaran, R., Aboubacar, A., & Hamaker, B. R. (2005). Role of the pericarp cellulose matrix as a moisture barrier in microwaveable popcorn. Biomacromolecules, 6(3), 1654–1660.