Popcorn

Tillhör kategori: aggregationsformer, livsmedel

Författare: Mikael Mattsson

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Popcorn

Tid för förberedelse: Försumbart

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Experimentet går ut på att undersöka om det finns något samband mellan storleken på popcorn som poppas och den längd de poppar. Detta görs genom att använda ett antal popcorn och titta hur långt de poppar och sedan titta om de största popcornen flugit längst eller om de minsta flugit längst. Vi ska också ta reda på vid vilken temperatur poppningen sker.

Man kan jämföra flera sorter.

Vi får ökad förståelse för att ämnen kan anta olika former vid olika temperaturer, i detta fall stärkelsen i popcorn som blir uppvärmd och pöser ut efter att popcornen exploderat.

Riktlinjer

Man bör arbeta i lagom stora grupper (max fyra/grupp). Grupperna bör arbeta självständigt.

Säkerhet

Laborationen är inte ofarlig då olja kan sprätta runt experimentet. Skyddsglasögon och skyddsrock är ett måste under laborationen. Det är viktigt att man inte poppar för många korn åt gången, då kan det lätt bli kaos (börja med 5 korn).

Alla bör hålla ett avstånd på minst 1,5 m från kärlen där poppningen sker (välj kärl med höga kanter).

Avfallet från experimentet kan antingen ätas upp eller slängas.

Materiel

I varje grupp krävs:

Förarbete

Kontrollera att alla som gör experimentet vet hur man släcker olja som brinner (Kväv elden, t ex med ett lock eller en blöt handduk. Absolut förbjudet att hälla vatten på brinnande olja!). Kontrollera också att det finns brandsläckningsutrustning tillgänglig.

Se till att alla är medvetna om brännskador av stänkande olja och hur man ska åtgärda en brännskada (se till att genast kyla med kallt vatten). För övrigt behövs inga speciella förberedelser förutom att köpa popcorn och att plocka fram material.

Utförande

  1. Fyll på ett tunt lager matolja i ett kokkärl (mellan 0,5-1 cm höjd med matolja).
  2. Lägg ner fem korn i kärlet.
  3. Sätt också ner en termometer i kärlet för att mäta temperaturen på oljan.
  4. Värm kärlet med en elplatta eller en gasolbrännare.
  5. Var redo att markera nerslagsplatserna på respektive popcorn.
  6. Gör en tabell över genomsnittlig diameter med avseende på poppningens längd.
  7. Upprepa försöket så att man har minst tio värden per grupp.
  8. Sammanställ allt i en tabell (t ex på svarta tavlen) så att alla resultat kan jämföras och diskuteras. Notera även vid vilken temperatur poppningen skett.
  9. Försök se om det finns något samband mellan storleken på de poppade popcornen och sträckan de poppat, det borde ha ett samband med vid vilken temperatur skalet gett med sig.
  10. Hur tror du att popcornen ökat i volym?
  11. Gör genomskärningar av opoppade och poppade popcorn och jämför.
Hur kommer det sig egentligen att majskornen poppar?

Förklaring

Själva reaktionen kan beskrivas enligt följande:
Ett majskorn består av kolhydrater, protein, fett och vatten. Det som gör att popcornet poppar är vattnet som ligger lagrat i mjuk stärkelse inuti kornet. När kornet blir hett värms vattnet upp och det bildas ett tryck. Den hårda ytan motstår trycket ett tag men vid tillräckligt hög temperatur ger ytan efter och kornet sprängs.

Vi använder olja vid poppning för att få tillräckligt hög upphettning av popcornen. Oljan kan blir mer än 100 °C utan att koka.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

I detta experiment använder vi oss av popcorn som består av stärkelse och av vanlig matolja. Det är inga märkvärdiga kemikalier. Det är popcornen som reagerar av den höga värmen matoljan ger dem.

Majskorn Varje popcorn innehåller en liten lagrad droppe inuti en cirkel av stärkelse (Därför behöver popcorn innehålla 13,5-14 % vatten). Den mjuka stärkelsen omges av ett hårt skal på kornets utsida. Medan kornet värms upp börjar vattnet expandera och det bildas ett tryck mot det hårda skalet. Stärkelsemolekylerna i kornet sväller till gelefas vid ca 60 °C och vid 100 °C når de en formlös fas. Stärkelsemolekylerna fortsätter och molekylerna börjar kollidera med varandra, viskositeten på massan ökar radikalt den kan beskrivas som en pasta. När den hårda ytan på popcornet ger efter får vi en explosion. Under explosionen blir den mjuka stärkelsen uppumpad samtidigt som den bryter ut, hela kornet vänds in och ut. Ångan inuti kornet frigörs och popcornet kyls och stelnar popcornet är poppat!

Stärkelse är ett exempel på polysackarid, en molekyl bestående av många glukosliknande enheter sammansatta till en polymer. Det är en ätbar polymer som konsumeras i kolossala massor världen över i olika grödor. Stärkelse består av två varianter av glukospolymerer, amylos och amylopektin, den senare är den större komponenten i de flesta plantor. Amylos består av långa kedjor av glukos-monomerer med väldigt lite grening. Amylopektin å andra sidan består av amyloslika kedjor med en annan länkning till en glukosenhet som leder till grening. Detta ger upphov till en trädlik struktur. Amylopektin molekyler innehåller normalt mer glukosenheter än amylosmolekyler. Båda är naturens lösning till behovet av glukos för energi och att glukos i sig själv är så lösligt.

Amylos
Amylos

Amylopektin
Amylopektin är förgrenad

Lösningen är att länka samman massor av glukosenheter kemiskt, så att de är fästa i varandra på så sätt att de kan delas av enzymer i takt med att metabolismens behov ökar.

Popcorn i olika former kan återfinnas från de nordamerikanska indianerna som åt popcorn redan på 1600-talet. Det spelade en viktig roll i indianernas liv och användes både som basföda och dekorationer. Mer än 700 olika sorters popcorn odlades.

Popcorn kallas en viss majssort som har förmåga att poppa. Det kan se ut som snöflingor, moln, svampar eller runda bollar beroende på vilken typ av popcorn man väljer. Färgen kan också variera från gulvit till guld, rött, svart och flera andra färger.

Fördjupning

Livsmedel

Maten håller igång oss

Livsmedel behövs för att hålla igång vårt biologiska maskineri. Det är via maten som vi får energi att röra oss, tänka, men också att växa och reparera våra celler i kroppen. Kroppens maskineri är oerhört komplicerat, men det klarar att styra flödena av både energi och näring till kroppens olika delar vid rätt tillfälle. Kroppen hanterar också att ta hand om de restprodukter som vi måste göra oss av med.

Processerna i kroppen när maten bryts ned, fördelas, omvandlas och görs av med, är i grund och botten kemiska reaktioner som drivs av energin i maten. Maskinen är vår biologiska kropp, men de enskilda reaktionerna är kemiska. På så sätt kan man säga att vår kropp är en kemisk maskin.

Matens ursprung

Ursprungligen hittade vi vår föda i naturen. I det moderna samhället är de flesta livsmedlen processade på något sätt. Även livsmedel som inte är processade i sig är ofta odlade eller uppfödda med metoder som skiljer sig från det som sker i naturen. Syftet är att öka produktionen och att säkerställa kvalitén.

Att livsmedlen inte är helt naturligt producerade behöver inte vara ett problem. Det är bra att vi kan producera mera med mindre resurser. Det är också bra att vi har koll på kvalitén. Men vissa saker är inte bra. Tillsatser som gör att livsmedlen får längre hållbarhet, ser mer aptitliga ut och smakar bättre är inte alltid nyttiga, även som det kan verka så.

Grunden till all produktion av livsmedel är solens energi och växternas fotosyntes. I nästa steg kan djuren äta växterna och producera kött som vi sedan kan äta, men ursprunget är växterna. Men om inte djuren och människorna fanns, så skulle växterna till slut bli utan koldioxid som de behöver för sin fotosyntes. Djur och människor andas ut koldioxid. Kropparna bryts också ned till koldioxid och mineraler när de förmultnar. Detta tar växterna hand om, ofta med svamparna som mellanled. Det hela är ett kretslopp där både växter, svampar och djur ingår. Allt levande både äter och äts. Det som får kretsloppet att hålla igång är strålningen från solen.

Tycke och smak

Genom evolutionen har vi lärt oss att välja vad som är bra med hjälp av lukten och smaken. Oftast är det som vi gillar också nyttigt. När maten är skämd, brukar den börja lukta illa, vilket gör att vi inte äter det som kan göra oss sjuka.

Men det vi tycker om är inte nödvändigtvis bra för oss. Sötma är en signal att maten är bra, vilket stämde väl när människan levde nära naturen och behövde den energi man kunde finna. Men nu finns socker i överflöd. Det blir för mycket av det goda, så att vi blir feta och får sjukdomar som karies och diabetes.

Smaken för maten är också en kulturell fråga. Den mat vi lär oss tycka om från barnsben tycker vi oftast om resten av livet. Det finns också kulturella aversioner mot vissa typer av mat. I Sverige är vi inte vana att äta insekter, men insekter är förträfflig mat som är både nyttig och miljövänlig.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Aggregationsform

Faserna och fasövergångarna

Allt som finns runtomkring oss är antingen fast, flytande (vätska) eller i gasform. Dessa former kallas aggregationsformer (aggregation = hopklumpning) eller faser. Atomerna (eller molekylerna) i de olika faserna har olika stort energiinnehåll, olika stor rörelse, och har därför olika volym.

Fast form vid låg temperatur

Vid den absoluta nollpunkten, -273°C = 0 K, finns ingen atomrörelse (K är Kelvin, enheten för absolut temperatur). Alla ämnen är fasta och atomerna ligger regelbundet ordnade så tätt som möjligt. Om temperaturen höjs börjar atomerna vibrera kring sina jämviktslägen. Det fasta ämnet behåller sin form och inom måttliga temperaturintervall och volymen är nästan konstant. Massan är densamma.

Den lilla utvidgning som sker vid värme kan räcka för att lossa en mutter genom att värma på den. Förr var man tvungen att lägga järnvägsräls med mellanrum i skarvarna, för att undvika att rälsen böjde sig under varma dagar, s.k. solkurva. Nutidens järnvägsräls läggs av en formbeständigare metallblandning.

Övergår till vätska (blir flytande) när temperaturen når smältpunkten

När temperaturen stiger ytterligare rubbas atomerna ur sina jämviktslägen. De börjar glida i förhållande till varandra och har blivit en vätska. Fasövergången sker vid smältpunkten. Så länge det finns fast material ligger temperaturen kvar på smältpunkten och stiger inte, även om man tillför värme. Det beror på att all energi går åt till fasövergången. Vätskor ändrar form efter de kärl de förvaras i och har i allmänhet något större volym än samma ämne i fast form (Känt undantag är is, som har större volym än samma mängd vatten pga lucker kristallstruktur hos isen). Mellan molekylerna i vätskan finns sammanhållande krafter. Massan är densamma i vätskan som i den fasta fasen.

Övergår till gas när temperaturen når kokpunkten
En gas fyller upp hela det kärl som den förvaras i.
Bild: © Svante Åberg

Om temperaturen i vätskan höjs, ökar molekylernas rörelseenergi och till slut får några så stor energi att de lämnar den flytande fasen. Övergången från vätska till gas sker när temperaturen nått kokpunkten. Det har bildats en gas. Gasen har ingen bestämd form. Den anpassar sig efter det utrymme den finns i, eftersom molekylerna är helt fria från varandra och färdas rakt fram ända till dess de stöter på någonting, som kan vara kärlets väggar. De krockar också med varandra och byter riktning men dessemellan färdas de "långa" sträckor i absolut tomrum. Gasen har mycket större volym än samma mängd ämne i flytande form och molekylerna i en gas är så långt ifrån varann att de inte påverkar varann. Därför blandas olika gaser lätt. Volymen hos en gas är beroende av temperaturen. Med högre temperatur ökar molekylernas rörelsehastighet, krockarna mellan molekylerna och väggarna blir hårdare. Kollisionerna med väggarna är det vi kallar tryck. Kan väggen utvidgas ökar volymen, i annat fall ökar trycket. Massan är densamma.


Fasövergångarna har bestämda namn. När temperaturen öker sker smältning och förångning (kokning). När temperaturen minsakar sker de motsatta processerna som kallas kondensation och stelning. Observera att smältpunkten och stelningspunkten är exakt samma temperatur. På motsvarande sätt är kokpunkten och kondensationspunkten (för den rena gasen) samma temperatur.

Sublimering


Fasdiagram för koldioxid.
Ben Finney Mark Jacobs: CC0

Fasta ämnen kan övergå direkt till gas utan att först bli vätska. Förutsättningen är att temperatur och tryck befinner sig under ämnets trippelpunkt i ett fasdiagram. Man säger att ämnet sublimerar. Det är en endoterm process, dvs. en process som kräver energitillförsel. Oftast tas energin i form av värme från om givningen, vilket innebär att temperaturen sjunker.

Den motsatta processen när gas övergår direkt till fast form utan att först bilda en vätska kallas desublimering eller deposition. Den processen är exoterm, dvs. avger energi, vanligen i form av värme. Även denna process kan bara ske när tryck och temperatur ligger under ämnets trippelpunkt.

Superkritisk vätska

Över en viss temperatur och visst tryck går det inte längre att urskilja någon fasgräns mellan vätska och gas. Densiteten är hög, praktiskt taget som hos en vätska. Den höga temperaturen får molekylerna att fritt röra sig mellan faserna så att fasgränsen upplöses.

Den superkritiska vätskan har egenskaper utöver det vanliga. Den har förmåga att diffundera genom många fasta material på samma sätt som en gas gör. Samtidigt har den förmåga att lösa ämnen på samma sätt som en vätska gör. Förmågan att fungera som lösningsmedel gör att den i vissa tillämpningar kan ersätta organiska lösningsmedel, till exempel i extraktioner.

Koldioxid är ett ämne som ofta används i tillämpningar med superkritiska vätskor.

Plasma är en fjärde aggregationsform

De tre vanliga aggregationsformerna fast, flytande och gas bestäms av bindningarna mellan atomerna eller molekylerna. Ju varmare det är, desto lösare är atomer och molekyler kopplade till varandra.

Men vid tillräckligt hög temperatur sker någon helt annorlunda, nämligen att elektroner i atomerna slits loss och man får en blandning av positiva atomjoner och fria elektroner. Det är en typ av gasblandning som är elektriskt ledande.

Solen innehåller plasma

Sådan plasma finns i solens atmosfär. Eftersom den är elektriskt ledande, så fångar plasman också upp de starka magnetfälten från solens inre. Vid soleruptioner slungas plasma ut i världsrymden och man kan se hur magnetlinjerna i plasman håller samman plasman i böljande stråk. Dessa utkastningar av laddade partiklar strålar sedan vidare ut från solen och når så småningom jorden. Eftersom rymden är så tom har elektronerna och atomjonerna svårt att hitta varandra igen och återförenas till normala atomer. Därför är partikelstrålningen från solen elektriskt laddad. När partiklarna kommer in i jordens magnetfält tunnlas de ned via magnetfälten vid nord- och sydpolen. När de laddade partiklarna kommer ned till jordatmosfären sker kollisioner med luftens atomer och molekyler. De energier som då utvecklas ger det norr- och sydsken som man kan se mörka, klara vinternätter.

Andra exempel på plasma

I blixtar blir också temperaturen tillräckligt hög för att luftens atomer ska bilda plasma. Det gör att elektriska urladdningar kan ske via blixtens väg mellan molnen och jorden.

En eldslåga innehåller plasma. Faktiskt avger en stearinljuslåga joner till den omgivande luften. Dessa joner kan urladda statisk elektricitet. Om du har en dammvippa av syntetiska fibrer och du har laddat upp den med statisk elektricitet, så kan du observera vad som händer om du närmar den ett brinnande ljus. Redan på håll, så urladdas den statiska elektriciteten. Det beror på att jonerna accelereras till vippan av det elektriska fältet kring den statiskt uppladdade vippan. Detta experiment fungerar bara om luften är tillräckligt torr, annars kan man inte ladda upp vippan. Därför fungerar experimentet bäst vintertid då inomhusluften är torrare.

Konstgjord plasma finns också i lysrör och i plasmaskärmar för datorer.

Fasövergångar och bindningar

Det är lätt att konstatera att smält- och kokpunkter för ämnen kan variera mycket. Vissa ämnen är svåra att tänka sig på annat än ett sätt till vardags. Sten, koksalt och stål är fasta, bensin och alkohol är flytande och luft och gasol är gaser. Många vet också att i extrema fall, t ex i vulkaner, flyter mineralerna (stenen) och att när man svetsar flyter stålet. Det enda ämne man i vardagen möter i alla tre aggregationsformerna är vatten.

Starka bindningar ger höga smält- och kokpunkter

Mineraler och metaller är alltså exempel på ämnen med hög smältpunkt. Att det är så beror på styrkan hos de bindningar som håller ihop ämnena. Alla salter är uppbyggda av joner.

Attraktionskraften mellan positiva och negativa joner, jonbindning, är stark och salter har därför hög smältpunkt.

Mellan de enskilda atomerna i en metall finns metallbindning. Metallbindningen utgörs av de ingående atomernas valenselektroner som bildar ett gemensamt elektronmoln för hela "metallbiten". För att bryta den bindningen krävs mycket energi, vilket ger hög smältpunkt. Ett känt undantag är kvicksilver, en metall som är vätska vid rumstemperatur och alltså har svagare metallbindning.

Även kovalent bindning när atomer delar elektroner kan vara mycket stark. Faktum är att diamant och grafit, kolatomer sammanhållna av kovalenta bindningar har högre smältpunkt än alla metaller.

Svaga bindningar ger låga smält- och kokpunkter

Ämnen uppbyggda av molekyler (eller atomer som i ädelgaserna) har starka kovalenta bindningar mellan atomerna inom molekylerna men svagare bindningar mellan molekylerna. Det gör att smält- och kokpunkten blir relativt låg.

Den svagaste bindningen finns mellan molekyler och atomer är van der Waalsbindning. Den uppkommer pga mycket tillfälligt ojämnt fördelade elektronmoln hos opolära molekyler (atomer). Bindningarna finns både i fast fas och vätskefas. Eftersom bindningen är så svag blir smältpunkten låg, i många fall nedåt eller under -200°C. Den svaga bindningen gör också att skillnaden mellan smält- och kokpunkt blir liten.

Mellan ämnen som är dipoler förekommer dipol-dipolbindning där den positiva polen hos en molekyl attraherar den negativa hos nästa. Smält- och kokpunkten blir låg men högre än med enbart van der Waalsbindning.

För vissa ämnen som är dipoler är smält- och kokpunkten oväntat hög och avståndet mellan smält- och kokpunkten relativt stort. Vatten är ett bra exempel på detta. Det måste bero på starkare bindning än enbart mellan dipoler. De ämnen som har de egenskaperna innehåller alla väte. Vätet är bundet till en fluor-, syre- eller kväveatom, som drar till sig elektronparet i bindningen. Vätet blir positivt och kan attraheras av icke-bindande elektronpar på t ex en syreatom på en intilliggande molekyl. Det bildas en vätebindning. Den är starkare än van der Waalsbindningen och dipol-dipolbindningen. Vätebindningar har stor betydelse för att stabilisera strukturen i bl a proteiner och DNA.

Gas

Gaser har speciella egenskaper som skiljer dem från vätskor och fasta ämnen. I en gas är avståndet mellan partiklarna mycket större än i en vätska. Avståndet är så stort att det inte finns några intermolekylära krafter som håller ihop partiklarna. De rör sig med stor hastighet, oordnat och fritt från varandra.

Gastryck av molekylernas kollisioner

En molekyl är väldigt liten, men det finns väldigt många! Varje gång en molekyl stöter emot ytan, på en burk t ex, så ger den en liten rekyl som tenderar att stöta bort föremålet. Alla molekylernas stötar ger tillsammans ett tryck som är större än man normalt föreställer sig. Vid normalt lufttryck är kraften 1000 N per dm2. Det motsvarar tyngden av 100 kg på varje kvadratdecimeter eller tyngden av 10 ton på varje kvadratmeter!

Att inte burkar, människor, fotbollar med mera trycks ihop av de väldiga krafterna beror på att det finns ett mottryck inifrån som är lika stort.

I figuren nedan ser man att det är fler molekyler som kolliderar med väggen på vänster sida än på höger. Gastrycket är alltså högre på vänster sida om väggen.

Gastrycket orsakas av molekylernas många små stötar. Gastrycket till vänster om väggen är högre därför att det är fler kollisioner.
Bild: © Svante Åberg

Kollisionerna på ömse sidor om väggen är ungefär lika kraftiga, vilket betyder att partiklarna rör sig ungefär lika fort. Man kan alltså dra slutsatsen att temperaturen är densamma på båda sidor om väggen.

Temperatur, kärlets volym och substansmängden påverkar trycket

Partiklarna kolliderar med varandra och med det omgivande kärlet. Det utgör gasens tryck. Trycket hos en gas beror på flera saker:

Alltså, trycket är proportionellt mot absolut temperatur och substansmängd och omvänt proportionellt mot volymen. Detta kan sammanfattas i Allmänna gaslagen.

Allmänna gaslagen:
pV = nRT
p = tryck, Pa
V = volym, m3
n = substansmängd, mol
T = temperatur, Kelvin
R = proportionalitetskonstant = 8,3145 J K-1 mol-1

Molvolym

Gasmolekylernas sammanlagda volym är väldigt liten i förhållande till gasens totala volym. Detta gör att en viss substansmängd av i stort sett alla gaser har samma volym vid samma tryck och temperatur. Gaserna har samma molvolym, och vid standardtryck och standardtemperatur (STP: p = 1 atm = 101,325 kPa = 1,01325 bar, T = 25 °C = 298,15 K) är molvolymen 24,47 dm3/mol.

Gasens densitet

Enklast är att räkna på en mol av gasen. Till exempel väger en mol koldioxid (CO2) 12,0 g + 2·16.0 g = 44,0 g. Vid standardtemperatur och tryck (se ovan) är molvolymen 24,47 dm3. Då är densiteten 44,0 g/24,47 dm3 = 1.80 g/dm3.

Luft består till ungefär 20% av syrgas (O2) och 80% kvävgas (N2). En mol syrgas väger 2·16.0 g = 32.0 g. En mol kvävgas väger 2·14.0 g = 28.0 g. En mol luft innehåller 0,20 mol syre och 0,80 mol kväve. En mol luft väger då 0,20·32,0 g + 0,80·28,0 g = 28,8 g. Vikten genom molvolymen blir då 28,8 g/24,47 dm3 = 1.18 g/dm3.

Dessa två beräkningar visar att koldioxid är tyngre än luft. Därför sjunker koldioxid till marken när den släpps ut i luften.

En motsvarande beräkning av densiteten för vattenånga (H2O) ger densiteten 18,0 g/24,47 dm3 = 0,73 g/dm3. Man kan alltså se att vattenångan är mycket lättare än luften. Därför stiger vattenånga som avdunstar från marken och vattendragen uppåt i osynliga bubblor av ånga. När vattenångan kommit tillräckligt högt är temperaturen så låg att den kondenserar till vattendroppar och blir synlig i form av moln.

Gaspartiklarnas rörelseenergi

Gaspartiklarna rör sig slumpmässigt, men i genomsnitt har de en rörelseenergi som motsvarar temperaturen. Ju högre temperaturen är, desto snabbare rör sig partiklarna. Temperaturen är därför ett mått på gaspartiklarnas rörelseenergi.

När man har en blandning av gaspartiklar som väger olika mycket, så får olika tunga partiklar ändå samma genomsnittliga rörelseenergi. Det innebär att tunga gaspartiklar rör sig långsammare än lätta gaspartiklar, annars skulle inte rörelseenergierna vara lika.

Till exempel rör sig vätemolekyler (H2) med molekylmassan 2 u 3.74 gånger snabbare än kvävemolekyler (N2) med molekylmassan 28 u. Man skulle kunna tro att vätet skulle röra sig 14 gånger snabbare eftersom kvävet är 14 gånger tyngre, men rörelseenergin är proportionell mot kvadraten på hastigheten. Därför blir kvoten mellan hastigheterna √ 28/2 = √ 14 = 3.74.

Stärkelse

Fotosyntesen bygger upp en energireserv av stärkelse

Stärkelse bildas i alla växter genom fotosyntesen. Med hjälp av solljusets energi omvandlar det gröna klorofyllet i cellen koldioxid från luften och vatten från rotsystemet till den enkla sockerarten (monosackariden) glukos, som också kallas druvsocker. Den utgör byggstenarna till stärkelsen. Som en biprodukt bildas även syre.

Solenergi + 12 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2

Om växten har gott om druvsocker kan det omvandlas till stärkelse. Stärkelse är lättare att spara och fungerar som växtens energilager.

Stärkelsens uppbyggnad och förekomst

Stärkelse och glykogen är exempel på polysackarider (poly = många). De är uppbyggda av ett stort antal monosackarider. När stärkelse ska bildas så sammanlänkas glukosmolekylerna till jättestora komplex. Stärkelse är näst cellulosa den vanligaste organiska substansen på vår jord. Stärkelse förekommer i växterna främst i frön, rötter och rotknölar och utgör en näringsreserv för den spirande plantan.

Det finns två former av stärkelse, amylos och amylopektin. Dessa stärkelsemolekyler bildar i huvudsak kristallina strukturer. Amylosen består av en enda kedja med 100 - 10 000 glukosenheter. I amylopektinet är glukoskedjan starkt förgrenad och molekylen består av cirka 100 000 glukosenheter. Dessa anses vara de största naturligt förekommande molekylerna.

I växten förekommer stärkelsen i så kallade granuler, vilka har varierande storlek och utseende beroende på växslag. Dessa granuler är mycket små, endast några 1000-dels mm. Molekylstorleken i amylos och amylopektin varierar i olika växtslag, vilket förklarar de olika egenskaperna hos stärkelseenheterna.

Svällningsegenskaper

I stärkelsegranulen (stärkelsekornet) finns vatten bundet till ungefär 1/3 av stärkelsens vikt. På grund av den kristallina strukturen i granulen är stärkelsen olöslig i kallt vatten. Vid värmebehandling förklistras stärkelsen, det vill säga den sväller under upptagande av vatten. Granulerna läcker samtidigt ut amylos, medan amylopektinet förblir olöst i granulerna. Vid den fortsatta upphettningen börjar även amylopektin frigöras från granulerna.

Svällningen av granulerna leder till viskositetsökning och genomskinligheten minskar. Man säger att stärkelsen gelatineras - bildar en gel. Viskositeten når sitt maximum när granulerna är maximalt uppsvällda utan att ha sönderfallit.

Starttemperaturen för gelbildningen i de olika stärkelsesorterna är

Vidare uppvärmning gör att granulerna sönderfaller när stärkelsen går i lösning. Samtidigt minskar viskositeten.

Vid avkylning blir stärkelsegelen fastare, med undantag för potatisstärkelsen, som ger en tunn och klistrig gel. Mekanisk bearbetning, till exempel mycket kraftig vispning, påverkar också viskositeten så att gelen blir tunnare.

Retrogradering

Molekylerna i en stärkelselösning som svalnar har en tendens att kristallisera. Denna effekt är tydligast för amylos som har linjära kedjor som kan lägga sig vid varandra. Stärkelsekristallisationen benämns retogradering. Den retrograderade stärkelsen blir fastare och går till slut att dela med kniv, speciellt om andelen amylos i stärkelsen är hög.

Vid retrograderingen har gelen en tendens att avge överskottsvatten. Det kan vara till fördel t ex när det gäller att få en pudding att stelna, men det kan vara till nackdel om det är önskvärt att så mycket vatten som möjligt ska vara bundet, som i mjukt bröd. Bröds åldrande förklaras delvis av den här effekten.

Matspjälkning

När vi tuggar kokt potatis eller bröd (som ju också värmebehandlats) blandas stärkelsen med saliv. Saliv innehåller ett ämne som påbörjar stärkelsens nedbrytning och maltos bildas. När födan når tolvfingertarmen spjälkas kvarvarande stärkelse av enzym från bukspott. Den bildade maltosen spjälkas slutligen till glukos (druvsocker) av ett enzym från tolvfingertarmens slemhinna. Glukosen upptas av blodet.

Vid tillagning har stärkelse en benägenhet att bilda resistent stärkelse på grund av retrogradering. Denna stärkelse uppstår exempelvis vid kokning och efterföljande avsvalning av ris. Resistent stärkelse bildas även när bröd åldras. Resistent stärkelse bryts inte ner förrän i tjocktarmen vilket gör att den kan räknas som kostfiber.

Modifierad stärkelse

Stärkelse är framför allt en viktig ingrediens i många livsmedel, men används också i tekniska sammanhang, exempelvis som bindemedel i papper. Oftast är stärkelsen modifierad för att förbättra gelatiniseringsegenskaperna, men även löslighet, tålighet mot temperaturförändringar, hållbarheten och andra egenskaper kan förbättras. Modifieringen kan ske med mekanisk bearbetning, men hjälp av enzymer eller på kemisk väg. Ett exempel på modifierad stärkelse är dextrin (E1400), som är en löslig form av stärkelse.

Glykogen kallas ibland djurstärkelse

Våra celler kan också lagra druvsocker. Druvsockermolekylerna kopplas då ihop till så kallad glykogen och utgör vår näringsreserv. Glykogen lagras i våra muskler och i levern där det snabbt kan sönderdelas till druvsocker när vi behöver energi. Trots att glykogen är uppbyggd av glukosmolekyler precis som stärkelse så är det inte stärkelse, men har likheter med framför allt amylopektinet i stärkelsen. En glykogenmolekyl kan innehålla 6 000-30 000 glukosenheter.

Amylos och amylopektin är två former av stärkelse

Stärkelse hör till gruppen kolhydrater och mer än hälften av allt kolhydrat vi människor får i oss kommer från stärkelse. Stärkelse finns i två olika former; amylos och amylopektin.

Amylos är ogrenad stärkelse
Bild: © Svante Åberg

Amylopektin är grenad
Bild: © Svante Åberg

Båda formerna är polymerer av glukos. Skillnaden är att amylos är rak medan amylopektin är grenad. I amylos är glukosenheterna kopplade till varandra med a-1,4-bindningar. Amylopektin har en a-1,6-bindning med jämna mellanrum, vilket medför att den blir grenad. Amylopektin liknar på det viset glykogen, som är en lagringsform av stärkelse. Glykogen är dock ännu mer grenad än amylopektin. I både amylos och amylopektin är syrebryggorna vända åt samma håll. Det gör att stärkelsemolekylen blir spiralvriden.

Mer om stärkelsegelatinisering

Ett välkänt fenomen vid livsmedelstillverkning och matberedning är stärkelsegelatiniseringen. Om vi exempelvis värmer någon viktprocent potatisstärkelse i vatten till ca 60 °C bildas en transparent och förhållandevis fast gel. Vad som verkligen händer vid stärkelsens gelatinisering har klarlagts under senare år, och vi skall här söka ge en molekylär beskrivning av fenomenet.

Stärkelsekornen (granuler) innehåller ett kanalsystem där vatten och andra små molekyler (t ex jod och jodidjoner) lätt kan röra sig. Vid temperaturer under gelatiniseringen sker även en viss svällning i samband med vattenupptagning i kornen (en ökning av diametern med upp mot 30% har rapporterats). Troligen är det de mer amorfa (amorf = strukturlös) skikten i stärkelsekornen som sväller vid denna vattenupptagning. Det som sedan händer, i närvaro av vatten i överskott vid cirka 60 °C, är att amylosmolekyler plötsligt börjar läcka ut från kornen, och samtidigt tränger vatten in i stärkelsekornen. Den kristallina strukturen går då förlorad. Blockeras amylosläckaget kan hela gelatiniseringen avstanna.

En färdigsvälld gel består av kraftigt förstorade stärkelsekorn vilka i sig har en gelstruktur dominerad av amylopektin i vatten. Mellan kornen finns en kontinuerlig vattenfas med lösta amylosmolekyler. Stärkelsegelen är en aggregatgel - aggregaten är de svällda stärkelsekornen - i en kontinuerlig amyloslösning. Gelens reologiska egenskaper (= nästan fast, nästan flytande tillstånd) beror främst på aggregatens konsistensförhållanden och tätpackning samt den kontinuerliga amyloslösningens viskositet.

Fördjupad teori om gelatinisering av stärkelse
Övriga termiska omvandlingar

Vid uppvärmning av stärkelse i vatten förekommer - förutom gelatiniseringen - ytterligare två omvandlingar.

Den första toppen i kurvan är den irreversibla gelatiniseringen, och ytan under toppen är proportionell mot entalpin i omvandlingen. Toppen därefter förekommer endast när vattenmängden är otillräcklig för total gelatinisering, och anses motsvara en form av "smältning" av icke-gelatiniserade stärkelsegranuler. För potatisstärkelse krävs minst fyra vattenmolekyler per glukosenhet för att gelatinisering över huvud taget skall ske, och fullständig gelatinisering kräver 14 molekyler vatten/glukosenhet. Motsvarande siffror för vetestärkelse är 4 resp 20 vattenmolekyler/glukosenhet.

Diagrammet visar hur mycket värme som måste tillföras vid olika temperaturer för att värma en blandning av 1 del vatten + 1 del vätestärkelse. En topp i diagrammet visar att det pågår en energikrävande process vid den aktuella temperaturen.

Gelatiniseringstemperaturen är relativt konstant medan temperaturen för den andra omvandlingen ökar med avtagande vattenhalt (när vattenhalten i vetestärkelse varierar från 35 % till 45 % minskar temperaturen från 107 °C till 88 °C). Under ca 30 % vatten förekommer ingen gelatinisering.

Vid ännu högre temperatur kan den tredje omvandlingen observeras. Denna omvandling är en slags "smältning" av amylos-lipidkomplexet, och omvandlingen är reversibel (omvändbar; som kan återgå till det ursprungliga tillståndet).

Stärkelsegelens åldrande

När en stärkelsegel lagras ändras den relativt snabbt på grund av tendensen till kristallisation. En gel med hög vattenhalt kan därför spricka, och geler med lägre vattenhalt, t ex ett brödinkråm, hårdnar vid lagring på grund av denna kristallisationsprocess. Kristallisationen går snabbast vid kylskåpstemperatur. Man bör därför inte lagra bröd i kylskåpet.

Kristallisationen tycks ske av amylopektin inuti de gelatiniserade granulerna. Processen är reversibel vilket bl a framgår av att bröd som blivit hårt kan "färskas upp" genom uppvärmning till ca 70 °C.

Polära lipiders effekt på stärkelsegelen

Lipider, med endast en kedja och en polär grupp, har drastiska effekter på stärkelsegeler. En krämliknande stärkelsegel med klistrig (lång) konsisten förlorar omedelbart sin klistrighet genom tillsats av en liten mängd monostearin utspädd i vatten. Orsaken till detta fenomen är bildning av amylos-lipidkomplex. Effekten av denna komplexbildning blir att amylosmolekylerna i gelens kontinuerliga medium (kemiska miljö, lösning) fälls ut. Komplexet förlorar nämligen sin vattenlöslighet vid en viss kritisk mängd av lipidmolekyler per amylosmolekyl. Monoglycerider används som funktionell tillsats just för att reducera klistrighet i bl a pastaprodukter och i potatispulver.

En annan effekt uppnås om lipiden tillsätts före gelatiniseringen.

Modifierad stärkelse

Det förekommer även vissa kemiska derivat (derivat = kemiskt förändrad variant) av stärkelse inom livsmedelsindustrin.

Kallsvällande stärkelse är en vanlig stärkelseform i pulverprodukter som skall kunna färdigställas direkt genom blandning med vatten, t ex välling-, sopp- och såspulver. Den utgörs helt enkelt av gelatiniserad stärkelse som torkats. När vatten sedan tillsätts återbildas stärkelsegelen momentant.

Ett flertal olika stärkelsetyper används inom livsmedelsindustrin. Potatisstärkelse ger en transparent gel och den bildar gel även vid mycket låga koncentrationer (ca 0,1 %). Vetestärkelse ger en ogenomskinlig gel, men till skillnad från potatisstär kelse krävs flera procent vetestärkelse för att man skall få en gel.

Om man vill åstadkomma en stabil, klar och tjockflytande lösning som inte sätter sig till en gel bör man använda arrowrotens speciella stärkelse.

Slutligen bör nämnas att huvuddelen av den stärkelse som tillverkas ur potatis och vete har tekniska användningar även utanför livsmedelsindustrin. Limning av papper är den dominerande användningen i vårt land, och etanoltillverkning är ett expanderande användningsområde ("Absolut" vodka bland annat).

Vatten

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Den kemiska formeln är alltså H2O. Vatten är det enda kemiska ämne som naturligt förekommer både i fast, flytande och gasform. Det är också ett av de absolut vanligaste ämnena på jorden.

Vattnets ovanliga egenskaper

Vatten har en ovanligt stor förmåga att lagra värme. Oceanerna spelar en viktig roll i jordens klimat genom att stabilisera temperaturerna. Vattenströmmarna i haven transporterar varmt vatten från ekvatorn mot polerna och kallt vatten från polerna tillbaka mot varmare områden. Dessa strömmar djupt ned i havet är som gigantiska osynliga floder som slingrar sig runt hela jordklotet. Strömmarna bidrar också till att transportera näring till områden där djur- och växtliv frodas i överflöd.

Vattnet är tyngst vid +4 °C.
Bild: © Svante Åberg

Vatten har den ovanliga egenskapen att när det fryser (stelnar), så får den fasta formen av ämnet lägre densitet än den flytande. Den lägre densiteten gör att is flyter ovanpå vatten. Tack vare det bottenfryser inte sjöar. I stället lägger sig isen som ett värmeisolerande täcke ovanpå sjöarna och fiskar, grodor och växter kan leva vidare i väntan på nästa vår. Snön som lägger sig ovanpå isen är extra värmeisolerande på grund av att den innehåller mycket luft. Snön är också fruset vatten, men snökristallerna gör att den inte packas så tätt.

Vatten är också ett ovanligt bra lösningsmedel. Det är ett polärt lösningsmedel, vilket innebär att det har förmågan att lösa ämnen som är mer eller mindre laddade. Det medför att vatten kan lösa salter ur jorden och berggrunden, men också att vatten kan lösa de många olika biologiska molekyler som finns i cellerna i djur och växter. Lösta ämnen kan diffundera, dvs. spridas ut i vätskan. Tack vare det kan olika molekyler träffa på varandra i cellvätskorna och reagera. Om molekylerna inte hade denna rörlighet skulle de biokemiska reaktionerna i kroppen stanna av och vi skulle varken kunna röra oss, tänka eller växa.

Vatten har ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen gör vattendroppar runda, gör så att skräddare kan gå på vattenytan. Ytspänningen ger också kapillärkraft som hjälper träden kan "dra" upp vatten via sina kärl flera 10-tals meter. Det är mycket mer än när man har en vanlig sugpump. Då är 10 m den maximala höjden man kan pumpa vatten (beroende på att atmosfärstrycket inte motsvarar en högre vattenpelare än så).

Vattnet är livsnödvändigt

Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena på jorden. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Vatten är en mycket stabilt ämne. Det vatten som finns på vår planet är därför till stora delar mycket gammalt, speciellt det som finns på stort djup i marken och bergen. Men trots att vatten är mycket stabilt så deltar det i de kemiska reaktioner som sker i samband med fotosyntes och respiration. Fotosyntes och respiration fungerar som ett kretslopp i naturen. I fotosyntesen kopplas vatten samman med koldioxid när sockerarter och andra organiska ämnen byggs upp. Stärkelse är exempel på en sockerart som växterna bildar för att lagra energi. Cellulosa och lignin som finns i veden är ett annat exempel.

När djur och människor äter växter förbränns maten och sönderdelas till vatten och koldioxid igen. Kretsloppet i naturen är ett nollsummespel där mängden vatten i stort sett inte ändras. Vattnet som binds i växter och djur kommer snart tillbaka ut i naturen igen och bildar moln, regn och vattendrag.

Eftersom vi är så beroende av vatten för att dricka och laga mat, tvätta oss, för bevattning av odlingsmark, i olika industriella processer med mera, så är vattenkvalitén viktig. Vanligen duger bara sötvatten. Men av allt vatten på jorden är bara en mycket liten del sötvatten. Och av sötvattnet är det mesta bundet i glaciärer. Visserligen har vi gott om rent sötvatten i vårt land, men i många länder är rent vatten en bristvara. Det är därför väldigt viktigt att vi inte förorenar det rena sötvatten som finns, utan är rädd om det och använder det på ett förståndigt sätt.

Vattnet blev referens för temperaturskalan

Vattnets fryspunkt är 0 °C och kokpunkten 100 °C vid normalt lufftryck. Det är ju praktiskt och enkelt med så jämna siffror. Det blev så därför att man valde vatten som referens när temperaturskalan skulle definieras på förslag av Anders Celsius åt 1742. I själva verket satte Anders Celsuis 0 °C vid kokpunkten och 100 °C vid fryspunkten, men senare insåg man att det var mer logiskt att ha det högre värdet när det var varmare. På förslag av Carl von Linné vände man på skalan efter Celsius död, så han Anders Celsius fick själv inte veta att det hade hänt.

När man sedan insåg att det finns en absolut nollpunkt på temperaturskalan definierade man Kelvin-skalan. Avståndet mellan värdena i Kelvin-skalan är exakt lika stort som i Celsius-skalan, men de har olika nollpunkter:
0 K = -273.15 °C och 0 °C = + 273.15 K

Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vattnets polaritet är mycket hög. Polariteten beror på vätebindningar. Vätebindningen är en extra stark dipolbindning som håller samman de olika laddade ändarna hos två vattenmolekyler. Vattenmolekylens syre är lite minusladdad på grund av att syret drar till sig elektronerna i molekylen effektivt. De två vätena är lite plusladdade eftersom de inte drar till sig elektronerna lika bra och den positiva laddningen väteatomens kärna då överväger. Men som helhet är vattenmolekylen oladdad.

Vätebindningarna ger hög ytspänning

Tack vare vätebindningen attraherar vattenmolekylerna varandra extra mycket. Vätebindningarna får vattenmolekylerna att hålla samman i långa kedjor och nätverk, men det är bindningar som hela tiden bryts och återbildas. Styrkan i vätebindningen gör att både smältpunkten och kokpunkten är betydligt högre än man annars skulle förvänta sig.

Vätebindningen gör också att vatten har en ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen är ett mått på den sammanhållande energin i vätskeytan.

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

I flytande vatten (vänster) är strukturen oordnad. I fast is (höger) är strukturen ordnad hexagonal och tar då större plats.
Bild: © Svante Åberg

Vätebindningen och det faktum att vattenmolekylen är vinklad gör att vatten i kristallform, dvs. is, har en hexagonal (sexkantig) struktur med tomrum inuti sexhörningarna. Dessa tomrum gör att isen har lägre densitet än flytande vatten.

Det normala är att densiteten hos en vätska ökar när temperaturen sjunker. Det beror på att molekylrörelserna blir mindre häftiga och molekylerna därför inte knuffar bort varandra lika mycket. Även vatten ökar sin densitet när temperaturen sjunker, men bara ned till +4 °C. Blir det ännu kallare minskar densiteten igen. Det beror på att den hexagonala strukturen som vätebindningarna och den vinklade vattenmolekylen orsakar börjar bildas så smått redan innan vattnet fryser till is.

Vattnets syra-basegenskaper

Vatten är ett amfotert ämne. Det betyder att vatten kan fungera både som syra och som bas. Vatten deltar därför i många syra-basreaktioner. Till exempel reagerar vatten med koldioxid och bildar kolsyra som sedan bildar vätekarbonat och karbonat. Det finns flera gaser som bildar syror tillsammans med vatten. Till exempel reagerar svaveltrioxid till svavelsyra och kvävedioxid reagerar med vatten till salpetersyra.

Surhetsgraden anges med pH. pH är definierat bara i en vattenlösning, så vatten är i praktiken universallösningsmedlet för syror och baser i kemiskt arbete.

Litteratur

  1. P.W. Atkins, Molecules, 1987, W.H. Freeman and Company, New York.
  2. T. Coultate och J. Davies, Food, The definitive guide, 1994, The Royal Society of Chemistry, Cambridge.
  3. T. Coultate, Food, The Chemistry of Its Components, Second edition, 1990, The Royal Society of Chemistry, London.
  4. What is popcorn anyway?, The popcorn Institute
    http://www.tooter4kids.com/Popcorn/what_is_popcorn.htm (2003-06-06)
  5. Popcorn!, The Popcorn Board
    http://www.popcorn.org/ (2003-06-06)
  6. Ett recept på Nacho-cheese popcorn, OLW
    http://www.chips.fi/olw/popcorn.html (2003-06-06)
  7. Ingredienslista, Estrella
    http://www.estrella.se/template/generator.cfm?d_id=107 (2003-06-06)

Fler experiment


aggregationsformer
Avdunstning och temperatur
Badbomber
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
En märklig planta
Ett glas luft
Exempelfil_Försvinnande bläck (Erik Lövbom)
Fryspunktsnedsättning
Förtenning
Gore-Tex, materialet som andas
Gör ditt eget läppcerat
Gör ett avtryck från papper till stearin
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Kemi i en brustablett
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Lödtenn 60
Molnet i flaskan
Myggmedel - hur funkar det?
Osynlig gas
Platta yoghurtburkar
Salta isen
Saltat islyft
Slime
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Studsboll
Syrehalten i luft
Tillverka en parfym och gör doftande skraplotter
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenvulkan
Ägget i flaskan

livsmedel
Bjud din jäst på mat
Blev disken ren?
Blå himmel och röd solnedgång
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Diska med äggula
Doft och stereoisomeri
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Flyter isen i matoljan?
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Fruktmörade proteiner
Gelégodis i vatten
Göra lim av kasein
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur mycket vatten finns i maten?
Höna med gummiben?
Innehåller koksaltet jod?
Kallrörd vaniljkräm och saliv
Kan man tapetsera med abborrar?
Koka Cola
Koka knäck
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Modellmassa av mjölk
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Pektin och marmeladkokning
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Skär sig majonnäsen?
Släcka fett på rätt sätt
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Syror och baser i konsumentprodukter
Testa C-vitamin i maten
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Äta frusen potatis