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Wärme und Temperatur

Ein Kochrezept besteht neben einer Liste von Zutaten und Mengenangaben aus einer Prozedur, die beschreibt wie die Zutaten nacheinander verarbeitet werden müssen. Dennoch garantieren genaues Abwiegen und Umsetzen der Anweisungen nicht identische Resultate. Die Anweisung "fein geschnittene Zwiebeln 5 min in 1 EL Butter leicht Farbe nehmen lassen" wird beim Nachkochen zu unterschiedlich Resultaten führen. Das Ergebnis, zum Beispiel der Bräunungsgrad der Zwiebeln, ist im Rezept ungenau beschrieben, denn was bedeutet "leicht" in diesem Kontext? Außerdem ist die Prozedur, die zu einer Bräunung führen soll, lückenhaft und setzen ein gewissen Grundverständnis voraus. Die Frage ist, wie groß sind die Unterschiede, die sich beim Nachkochen ergeben? Sind sie überhaupt für den Geschmack relevant? Beim Kochen wird im Gegensatz zum Backen aus der Unschärfe der Rezepte oft eine Tugend: der Koch hat immer eine gewisse Freiheit, er kann bis zum Schluss noch "nachbessern" oder seine eigenen Vorstellungen umsetzen, die nicht notwendig mit denen des Urhebers des Rezeptes übereinstimmen müssen.

Eigentlich sollten strenge, naturwissenschaftliche Kenntnisse die Reproduzierbarkeit beim Kochen erhöhen, denn das Kochen verändert Nahrungsmittel auf molekularer Ebene nach Gesetzen der Physik und Chemie. Zwiebeln könnten beispielsweise auch in einem Versuchsaufbau in einem Labor gebräunt werden. Die Pfannen sähen vielleicht aus wie große Reagenzgläser, auch gäbe es die Möglichkeit, Parameter wie Temperatur, Wassergehalt und Röstgrad der Zwiebeln mit Messfühlern genau zu bestimmen. Ein Chemiker würde gemäß der wissenschaftlichen Methodik das Bräunen der Zwiebeln beobachten, es durch bekannte Theorien versuchen zu erklären, gegebenenfalls neue Hypothesen aufstellen und diese durch Experimente bestätigen oder widerlegen. Der gewünschte Bräunungsgrad würde sich im Idealfall durch eine Formel genau beschreiben lassen.

Lebensmittelchemie ist ein Studienfach, das an vielen Universitäten und Fachhochschulen in Deutschland gelehrt wird. Die Lebensmittelindustrie bedient einen der umsatzstärksten Märkte weltweit. Es ist eine Illusion zu glauben, in Supermärkten gebe es Produkte, die wissenschaftlich betrachtet nicht genau verstanden wären. Beispielsweise "Röstzwiebeln" aus der Dose. Mit Sicherheit gibt es zu diesem Thema eine Reihe akademischer Veröffentlichungen in einschlägigen Fachjournalen. Das Produkt muss schließlich immer gleich schmecken und gleich aussehen, selbst wenn die Qualität der Rohware schwankt. Eine begleitende Marktanalyse hätte vorher natürlich auch gezeigt, welchen Röstgrad ein durchschnittlicher Verbraucher am liebsten mag.

Die Küche zu Hause ist natürlich kein Versuchslabor und Ihre Familie und Gäste sind keine Durchschnittsverbraucher, dennoch lassen sich aus der industriellen Herstellung von Lebensmitteln zwei Dinge auf die Küche übertragen. Zum einen hilft die Naturwissenschaft beim Verständnis der Vorgänge beim Kochen. Wenn Sie wissen, wodurch die Maillard-Reaktion, die für den Geschmack und Bräunung beim Rösten von Zwiebeln verantwortlich ist, beeinflusst werden kann, dann sollte das Bräunen von Zwiebeln in der Pfanne zu Hause leichter zu bewerkstelligen sein. Wenn Sie wissen, wie Stärkemoleküle aufgebaut sind, dann verstehen Sie, was Kartoffeln und Getreide miteinander gemeinsam haben und warum bestimme Aussagen in Rezepten, die für Kartoffeln gelten, auch beim Brotbacken eine Rolle spielen. Und Sie können erklären, warum bei der Zubereitung von Sorbets machmal von Glukose und Gelatine die Rede ist.

Zum anderen wird in der Küche zu Hause zu wenig "gemessen". Natürlich werden Zutaten oft mit eine Waage abgewogen, aber wäre es beispielsweise beim Marmeladekochen nicht sinnvoll, den Pektin- und Zuckergehalt der Früchte vor dem Einkochen zu bestimmen, um so die optimale Menge an Geliermittel daraus zu berechnen, damit das Gelee später die richtige Konsistenz hat? Schließlich könnte man die Marmelade so lange kochen, bis das Thermometer eine bestimmte Temperatur erreicht, die Rückschlüsse auf das Verhältnis von Zucker und Wasser zulässt. Die 1:1 Regel, die Gelierprobe und das notwendige Fingerspitzengefühl, das sich mit der Zeit durch individuelles Wiederholen als Erfahrung einstellt, sind nur ein Ersatz für die genaue Bestimmung von Zuckergehalt und Temperatur und setzen der Genauigkeit einer Reproduktion gewisse Grenzen. Im schlimmsten Fall ist die Marmelade in diesem Jahr dann etwas fester als sonst. Die Anschaffung teuerer Messgeräte ist vielleicht wirklich fragwürdig, wenn nur ein paar Gläser Marmelade im Jahr eingekocht werden, aber Sie werden beim Weiterlesen sehen wie hilfreich neben Waage und Uhr ein einfaches Thermometer sein kann.

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Sterne-Küche

Die Küchen der Sterne-Köche erfüllen alle Voraussetzungen für ein "Versuchslabor". Köche wissen sehr gut Bescheid über die Hintergründe beim Kochen. Menüs werden häufig über Wochen in kurzen Abständen gekocht und verglichen, so dass diese immer sicherer gelingen und ausgefeilter werden. Ich bin mir sicher, dass oft auch "nachgemessen" wird. Dennoch profitiert meiner Meinung nach die Küche zu Hause viel zu wenig von diesem enormen Wissen und Können. Beim Schreiben dieser Anleitung habe ich viele Grundkochbücher und Lehrbücher für Auszubildende gelesen und war fast immer enttäuscht. Die strenge naturwissenschaftliche Methode zur Erklärung und Strukturierung spielt nur eine verhältnismäßig geringe Rolle. Es wird nur erklärt wie man etwas macht, aber nicht warum. Darüber hinaus sind viele Techniken für die besondere Situation einer Restaurantküche, in der in kurzer Zeit eine Bestellung von einer Karte abgewickelt werden muss, zugeschnitten ("Tisch 5 kann weiter!"). Diese Situation lässt sich nur bedingt auf die Küche zu Hause übertragen. Aus diesem Grund sind Kochbücher, die von Sterne-Köchen geschrieben werden, fast immer Rezeptsammlungen, die sich an einer klassischen Menüabfolge und Restaurantbedingungen orientieren und (heutzutage) vor allem durch ein ausgefallenes Foodstyling und Fotografie bestechen. Im Kontext der eigenen Küche lassen sich diese Rezepte nur schwer reproduzieren. Leider bleibt das Wissen um das "richtige Kochen" in den Küchen der Profiköche und wird nur dort auf die nächste Generation von Köchen weitergegeben.

Kochchemie und Messphysik

Um meine beiden Anliegen, Hilfen bei der Strukturierung des Rezeptdschungels zu geben und die Reproduzierbarkeit beim Nachkochen zu verbessern, umzusetzen, werde ich die Chemie zur Erklärung der Vorgänge beim Kochen heranziehen und neben Gewicht und Zeit zusätzlich die Temperatur beim Kochen und Garen messen. Durch das Verschmelzung von "Wissen" und "Messen" lässt sich das Kochen zu Hause wesentlich verbessern. Dabei wird aus Ihrer Küche kein Labor, aber ich werde im weiteren Verlauf den einen oder anderen Kochversuch vorschlagen. Sie brauchen dazu unbedingt ein digitales Thermometer, aber dazu gleich mehr.

Eine chemische und physikalische Betrachtungsweise des Kochens ist nicht neu. Der Franzose Herve This, der Engländer Peter Barham und allen voran der Amerikaner Harold McGee haben Anfang der 90er die Lebensmittelchemie auf die Größe eines Kochtopfs herunter skaliert. Sie haben das Kochen in einen wissenschaftlichen Kontext gebracht und gleichzeitig mit ihren Büchern und Vorträgen einem großen Publikum zugänglich gemacht. In den letzen Jahren hat Thomas Vilgis, Professor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, zu diesem Thema zwei weitere, sehr lesenswerte Bücher veröffentlicht, in denen Kochphänomene mit Hilfe der Physik erklärt werden. Es ist erstaunlich, wie sich mit wenig Kenntnis dieser Disziplinen viele Vorgänge beim Kochen auf verblüffend konsistente und einfache Weise plausibel erklären lassen. Sie werden in dieser Kochanleitung kaum etwas finden, was nicht schon an anderer Stelle gesagt worden wäre, aber der auf Struktur und Reproduzierbarkeit von Rezepten gerichtete Blickwinkel wird viele Fakten in einer anderen Art und Weise beschreiben.

Temperatur

In der Küche wird dem Messen der tatsächlichen Temperatur viel zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Eigentlich lässt sich nur bei einem Backofen eine Temperatur einstellen, und zwar in Form einer "Solltemperatur". Aber kann man auch sicher sein, dass ein auf "200 Grad Celsius" eingestellter Ofen auch tatsächlich 200 Grad heiß wird? Ist die Temperatur über die Zeit konstant und im Ofen überall gleich groß? Beim Kühlschrank lässt sich die Solltemperatur oft nur in Form von "Kältestufen" regeln. Bei einer Herdplatte ist es noch schwieriger, hier gibt es nur wenige Einstellungen ohne explizite Angabe einer Temperatur. Wo sollte man sie auch messen? Auf der Herdplatte, im Topf? Die Angabe der Leistung (in Watt) jeder Kochplatte wäre hilfreich, um zumindest die Platten verschiedener Herde vergleichen zu können. Ein einfaches Back- oder Bratthermometer ist bereits ausreichend, um die eingestellte Temperatur von Öfen und Kühlschränken zu überprüfen. Ich habe in meinem Kühlschrank immer ein kleines Thermometer griffbereit.

Die Temperatur ist meiner Meinung nach der wichtigste Parameter beim Kochen, denn Kochen hat fast immer mit dem Erhitzen von Nahrungsmitteln zu tun. Aber es ist schwer, ein intuitives Gefühl für Temperatur zu entwickeln. Wie fühlt sich 80 Grad heißes Wasser an? Wie breitet sich im Ofen die Temperatur in einem Braten aus? Und wie werden Muskelfasern gar oder wie "schmilzt" Bindegewebe? Die aktive Bestimmung der Temperatur ist der wichtigste Schritt zum "sicheren" Nachkochen. Wenn Sie zusätzlich noch wissen, was bestimmte Temperaturen bewirken, dann können Sie schon viel "Gefühl" durch Wissen und Messen ersetzen. Zeitangaben für einen Braten von "2-3 h" können Sie mit einer aktiven Kontrolle der Temperatur viel genauer vorhersagen. Sie "wissen" dann einfach, wann das Fleisch im Ofen den optimalen Gargrad hat und müssen sich weder auf Ihr Glück noch auf die Angaben im Rezept verlassen.

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Thermometer

Bratthermometer gibt es heute in jedem Küchengeschäft. Sie sind hitzebeständig und können deshalb zusammen mit dem Braten auch in einen 200 Grad heißen Ofen geschoben werden. Auch beim Kuchen- und Brotbacken sind diese Thermometer nützlich! Die innere Temperatur des Bratens, seine Kerntemperatur, kann so kontinuierlich gemessen werden. Auch Thermometer zum Milchschäumen sind nicht nur für Cappuccino praktische Helfer. Sie haben in der Regel einen Klipp und lassen sich damit auch an Kopftöpfen leicht befestigen. Ich kontrolliere damit zum Beispiel die Temperatur, wenn ich einen Fond zubereite. Digitale Messgeräte haben den Vorteil, dass sie die Temperatur genauer bestimmen. Bei Laborausstattern, zum Beispiel bei NeoLab, Omnilab und Testo oder im Elektronikhandel wie etwa Conrad, gibt es digitale Thermometer unter 50 Euro.

Digitale Geräte messen Temperaturen in der Regel im Abstand von 1 Grad in einem Bereich, beispielsweise von -50 Grad bis 300 Grad. Bei Temperaturschwankungen reagieren die Geräte meist etwas langsam, also etwas Geduld ist nötig, bis sich der Wert im Display nicht mehr ändert. Das kann machmal auch ein Vorteil sein, zum Beispiel bei der Kontrolle eines Wasserbads, weil das Thermometer nicht sofort auf jede kleine Turbulenz reagiert und über mehrere Messwerte mittelt. Wichtig ist, dass die Messsonde spitz zuläuft und dass der Durchmesser der Sonde möglichst klein ist. So können Sie leicht in ein Stück Fleisch oder Fisch einstechen und es bleibt nur ein kleines Loch zurück. Spitze Sonden können natürlich auch die Temperatur von Flüssigkeiten und Luft messen. Die besten Sonden sind solche, die eine Messung beim Vakuumgaren zulassen. Sie haben extrem dünne Nadeln und reagieren aufgrund ihrer Bauart sehr schnell auf Temperaturänderungen (innerhalb einer Sekunde). Sie können diese Sonden (und ein passendes Messgerät dazu) beispielsweise bei Meilleur du Chef bestellen.

Leider haben die meisten Sonden eine Kabelverbindung, die nicht hitzebeständig ist. Bei Gasherden kann es schnell passieren, dass das Kabel dem Gasbrenner zu nahe kommt und schmilzt. Besser sind Kabel, die gegen hohe Temperaturen geschützt sind. In diesem Fall können Sie die Sonde in einen Braten stechen, das Kabel mit dem schließen der Backofentür einklemmen, mit dem Messgerät verbinden und bequem ablesen. Sonst müssen Sie den Braten jedes Mal aus dem Ofen holen, um die Kerntemperatur zu bestimmen.

Ich habe zu Hause einen Backofen von Gaggenau, der von Haus aus mit zwei Messsonden ausgestattet ist. Die eine misst die tatsächliche Ofentemperatur und die zweite die einer Messspitze, die sich über ein flexibles, hitzebeständiges Kabel direkt im Ofen anschließen lässt. Das Ofendisplay zeigt beide Temperaturen an, die Ofentür kann beim Messen die ganze Zeit geschlossen bleiben. Jeder moderne Backofen sollte diese Möglichkeit bieten!

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Meine Helfer, die ich beim Kochen benutze.

Merke

Wärme tritt nur dann auf, wenn Stoffe unterschiedliche Temperaturen haben.

Wärme wird auf 3 Arten übertragen: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung.

Wasser leitet die Wärme 10 mal besser als Luft.

Wie Wärme übertragen wird

Stellen Sie sich vor, Sie erhitzen Wasser in einem Topf. Je höher die Temperatur des Wassers ansteigt, desto schneller schwingen und bewegen sich die Wassermoleküle und umso häufiger stoßen sie aneinander. Durch die Zusammenstöße ändern die Wassermoleküle wie Billardkugeln ihre Bewegungsrichtung und tauschen Bewegungsenergie aus. Es gibt deshalb immer Moleküle, die sich praktisch nicht bewegen und andere, die sehr schnell unterwegs sind. Die mittlere Geschwindigkeit aller Moleküle nimmt beim Erhitzen zu. Bei etwa 65 Grad steigen die ersten Dampfwolken aus dem Topf auf. Die Wassermoleküle bewegen sich bei dieser Temperatur im Mittel schon so heftig, dass viele der sich schneller bewegenden Moleküle die Wasseroberfläche verlassen, um in der kälteren Luft zu Dampf zu kondensieren. Wasser verdunstet auch bei geringeren Temperaturen, allerdings wesentlich langsamer (und "unsichtbar"), weil sich bei der geringeren Durchschnittsgeschwindigkeit nur wenige Moleküle genügend schnell bewegen, um den Topf verlassen zu können.

Die ungeordnete Bewegung der Moleküle und Atome eines Stoffes wird oft mit der Temperatur oder Wärme des Stoffes in Verbindung gebracht, was physikalisch betrachtet nicht ganz richtig ist. Die Temperatur eines Stoffes kann mit einem Thermometer gemessen werden, sie wird in Kelvin, Fahrenheit, Grad Celsius (in dieser Kochanleitung, wenn auch physikalisch nicht ganz korrekt, kurz als "Grad") angegeben. Wärme dagegen tritt nur bei einem Temperaturunterschied auf und bestimmt die thermische Energie, die von dem Stoff mit der höheren Temperatur zu dem Stoff mit der niedereren Temperatur transportiert wird, solange bis die beiden Stoffe schließlich die gleiche Temperatur haben.

Wärme kann auf drei Arten übertragen werden, durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Alle Arten spielen beim Kochen eine Rolle. Steht der Topf auf einer heißen Herdplatte, so führt diese dem Topf durch Wärmeleitung Wärmeenergie zu. Dadurch, dass die Herdplatte und der Topfboden miteinander Kontakt haben, regen die energiereichen Moleküle der Herdplatte die benachbarten Moleküle des Topfes an und übertragen so ihre Bewegungsenergie: der Boden des Topfes wird warm. Mit dem gleichen Prinzip wird die Wärme zunächst an die Innenseite des Topfes weitergeleitet und schließlich an das Wasser abgegeben: die Wassermoleküle beginnen sich (im Mittel) schneller zu bewegen. Ein guter Kontakt des Topfbodens mit der Herdplatte ist für eine effiziente Wärmeleitung wichtig, der Topf muss eben auf der Platte stehen. Edelstahltöpfe haben deshalb oft einen Sandwichboden mit einer zusätzlichen Schicht aus Kupfer. Kupfer leitet die Wärme schneller und gleichmäßiger als Stahl. Bei einem Induktionsherd gibt es keine Heizplatte mehr, hier wird der Topfboden direkt durch elektrische Wirbelströme erwärmt, die von einem magnetischen Wechselfeld erzeugt werden. Ein "wackeliger" Topf funktioniert auch auf einem Induktionsherd einwandfrei.

Im Vergleich zu Metallen sind Flüssigkeiten und insbesondere Gase schlechte Wärmeleiter. In einen 100 Grad heißen Ofen kann man noch gut die Hand hineinstecken, während man in 100 Grad heißem Wasser schmerzhafte Verbrühungen bekommt. Die unterschiedliche Leitfähigkeit von Luft und Wasser erklärt auch unterschiedliche Garzeiten: eine Ofenkartoffel muss bei 200 Grad in der heißeren Ofenluft wesentlich länger garen als eine Pellkartoffel bei 100 Grad im siedenden Wasser.

Ohne die zweite Art der Wärmeübertragung, der Konvektion, würde es sehr lange dauern, bis sich Flüssigkeiten erwärmen. Durch Konvektion wird Wärme an eine Flüssigkeit oder ein Gas übertragen, als Energie beim "Fließen" mitgeführt und wieder abgegeben. Dadurch wird mehr Wärme transportiert als durch reine Wärmeleitung. Die Strömungsvorgänge werden von lokalen Temperatur- und Dichteunterschieden ausgelöst. Das warme Wasser am Topfboden dehnt sich aus und steigt im Topf wegen der geringeren Dichte nach oben, während kälteres Wasser von der Oberfläche nach unten strömt. Kühlere und wärmere Bereiche im Topf werden so ständig vermischt, was die Erwärmung wesentlich beschleunigt. Bei der Zubereitung von sehr zähfließenden oder inhomogenen Flüssigkeiten, wie zum Beispiel einer Polenta oder einem Gulasch, muss der Vermengung durch Umrühren mit einem Kochlöffel nachgeholfen werden, ansonsten kann es zu heftigem Spritzen und zum Anbrennen am Topfboden kommen.

Der Topf mit Wasser kann auch in einem heißen Backofen erwärmt werden. Hier sorgt Konvektion der Luft und vor allem des Wasserdampfes, der sich nach einiger Zeit durch Verdunstung im Backofen gebildet hat, für die Übertagung der Wärme. Die Luft wird an den Seiten des Backofens durch Wärmeleitung erhitzt und strömt von Dichteunterschieden geleitet durch den Backofen. Dabei gibt die Luft die aufgenommene Wärme wieder durch Wärmeleitung ab, wenn sie an der kühleren Außenseite des Topfes vorbei strömt, um schließlich wieder an heißen Backofenseiten erneut erhitzt zu werden. Die Umschichtung zwischen der kalten und heißen Luft kann durch ein Gebläse, ähnlich dem Umrühren mit einem Kochlöffel in einem Topf, gesteigert werden. Sie müssen deshalb die im Rezept angegebene Ofentemperatur für Unter- und Oberhitze um etwa 20 Grad verringern, wenn Sie Umluft zuschalten. Ein weiterer Vorteil der zusätzlichen Verwirbelung ist, dass man zwei Blechkuchen auf einmal fertig backen kann. Auch Wasserdampf aus dem Gargut (oder einem Schälchen mit Wasser) im Backofen trägt zur Wärmeübertragung bei. Das Öffnen der Ofentür stört das Gleichgewicht, das sich im Ofen gebildet hat. Warme und feuchte Luft strömen aus dem Backofen, die Ofentemperatur sinkt etwas ab und unter Umständen schaltet der Thermostat den Ofen wieder an. Ich öffne die Ofentür immer nur dann, wenn es unbedingt sein muss.

Im Backofen trägt auch Wärmestrahlung zur Wärmeübertragung bei. Wärmestrahlung spielt beim Grillen und Überbacken eine wichtige Rolle. Die Übertragung erfolgt direkt durch elektromagnetische Wellen im infraroten Spektrum. Bei Temperaturen im Backofen unter 250 Grad trägt die Wärmestrahlung aber nur zu einem kleinen Teil bei. Die Strahlung nimmt außerdem stark mit der Entfernung ab und dringt nur wenige Millimeter in das Gargut ein. Deshalb muss ein Auflauf dicht unter die glühenden Heizdrähte des Backofengrills platziert werden und der Ofen muss gut heiß sein. Innerhalb weniger Minuten verdampft das Wasser in der Nähe der Oberfläche und der Auflauf bekommt eine Kruste. Ein Stück Aluminiumfolie reflektiert einen Großteil der Strahlung und schützt so vor einem Verbrennen der Oberfläche. Aus diesem Grund nimmt man für die Zubereitung eines Bratens meistens dunkle, schwere Bräter aus Gusseisen, die viel Wärme speichern und wenig strahlen und so Unterschiede der Ofentemperatur noch besser ausgleichen können. Für Kuchen nimmt man besser dünne Blechformen, die sich schnell aufheizen und nach dem Backen wieder abkühlen und so den Kuchen nicht unnötig austrocknen.

Bei Backöfen können Sie sich nie ganz sicher sein, ob der Backinnenraum genau den gewünschten eingestellten Temperatursollwert hat. Zum einen liegt das an Messungenauigkeiten, zum anderen aber auch an der Art und Weise wie der Thermostat die Ofentemperatur regelt. Der Ofen heizt sich zunächst so lange auf, bis der Thermostat die Ofenheizung nach Erreichen des Sollwertes abschaltet. In der Regel steigt die Temperatur danach noch etwas weiter an, um dann wieder zu sinken, weil der Ofen trotz guter Isolierung Wärme an die Umgebung abgibt. Die Frage ist nun, wie weit die Temperatur sinken muss, bevor der Thermostat die Ofenheizung wieder einschaltet. Die eingestellte Temperatur ist deshalb nur ein Mittelwert, die tatsächliche Ofentemperatur kann um diesen Wert beträchtlich schwanken. In der Regel ist es in einem Ofen unten auch immer etwas kühler als oben, bei einem guten Ofen machen das allerdings nur ein paar Grad aus. Auch schadet es nicht, den Ofen lange vorzuheizen bis sich alle Komponenten gut erwärmt haben. Wenn Sie Ihrem Ofen nicht trauen, dann nehmen Sie einfach mit Ihrem Thermometer eine Ofenkurve auf.

Versuch

Ofenkurve

Nun endlich das erste Experiment: nehmen Sie alle Bleche bis auf den Grillrost aus dem Ofen. Setzen Sie ein Ofenthermometer so auf den Rost, dass Sie die Temperatur gut von außen ablesen können. Wärmen Sie den Ofen zunächst auf 100 Grad vor, dabei lesen Sie alle 5 min die Temperatur im Ofen ab. Nach 45 min erhöhen Sie den Sollwert um 20 Grad, wieder alle 5 min die Temperatur ablesen. Notieren Sie sich in 25 min insgesamt 5 Messpunkte. Nach dem letzten Ablesen den Sollwert um 20 Grad erhöhen und wieder von neuem 5 Messpunkte aufnehmen. Diese Prozedur wiederholen, bis Sie schließlich bei 200 Grad angelangt sind. Dann weitere 10 Messpunkte bei 200 Grad aufnehmen und schließlich den Ofen ausschalten, dabei weiter messen bis der Ofen wieder auf etwa 100 Grad abgekühlt hat. Sie sollten für Ihren Ofen eine ähnliche Kurve erhalten wie in der Grafik für meinen Gaggenau-Ofen zu sehen ist.

Sehr schön ist das "Einschwingen" der Kurve bei einer Temperaturerhöhung zu sehen. Auch zeigt die Kurve nach dem Ausschalten des Ofens, dass es lange dauert bis sich der Ofen wieder abkühlt. Brotbackrezepte schreiben manchmal vor, die Ofentemperatur während des Backens zu reduzieren. Gut isolierte Öfen brauchen dazu oft länger als die noch verbleibende Backzeit zulässt.

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Temperaturkurve meines Gaggenau-Backofens

Versuch

Wärmeübertragung im Backofen

Füllen Sie ein 1 Liter fassendes Becherglas mit zimmerwarmen Wasser und stellen Sie es in den auf 120 Grad vorgeheizten Backofen (auf ein Gitter, untere Einschubleiste). Messen Sie mit einem ofenfesten Thermometer alle 10 min die Wassertemperatur im Becherglas, lassen Sie die ganze Zeit die Tür geschlossen. Nach mehr als 2 h hat das Wasser die 95 Grad Marke erreicht. Selbst 5 h reichen nicht aus, um das Wasser zum Kochen zu bringen, das Thermometer zeigt nur um die 97 Grad. Ein kleineres Becherglas mit 0,5 Liter Fassungsvermögen hat dagegen schon nach 2 h die 99 Grad Marke erreicht.

Warum erhitzt sich das Wasser im dem kleineren Gefäß schneller? Sollte sich das Wasser nicht gleich schnell erwärmen? Wärme wird über die Oberfläche des gesamten Glases auf das Wasser übertragen. Die Wassermenge hat sich im Becherglas halbiert, die Oberfläche des kleineren Becherglases ist aber nur etwa 30% kleiner geworden, wie man über Durchmesser und Höhe nachrechnen kann. Deshalb geht die Erwärmung beim kleineren Becherglas schneller. Genauer gilt: die Erhitzungszeit ist proportional zum Quadrat der Größe (Oberfläche) des Becherglases, das Volumen (oder das Gewicht) ist dabei nicht entscheidend. Ein doppelt so schwerer Braten (der aus fast 70% Wasser besteht) braucht im Ofen deshalb nicht doppelt so lange, sondern deutlich länger bis er den gleichen Garzustand erreicht hat.

Warum kocht das Wasser im Becherglas bei 120 Grad Ofentemperatur nicht? Das Becherglas strahlt einen Teil der Wärme wieder ab und es verdunstet zusätzlich Wasser aus dem Glas, was die Temperatur an der Oberfläche etwas reduziert. Die "Verdunstungskälte" kann man im Sommer nach einem Bad auf der nassen Haut spüren: sie fühlt sich frisch und angenehm kühl an. Bei einem Experiment mit 160 Grad Ofentemperatur beginnt aber das Wasser allerdings nach einiger Zeit tatsächlich zu blubbern und zu dampfen. Hier sind die Verluste an Wärme geringer als die Wärme, die durch die heiße Backofenluft zugeführt wird.

Wiederholen Sie nun den Versuch mit dem 1 Liter Becherglas, doch jetzt stellen Sie die Ofentemperatur auf 80 Grad ein. Nach 5 h zeigt das Thermometer nur 71 Grad im Becherglas. Auch das ist ein sehr interessantes Ergebnis, das das Prinzip des Niedertemperaturgarens, also des Garens von Fleisch bei Ofentemperaturen zwischen 70 Grad und 100 Grad, illustriert. Das Fleisch gart bei diesem Verfahren über einen langen Zeitraum bei etwa 70 Grad Kerntemperatur, die ideal zum Schmelzen von Bindegewebe ist, wie in Kapitel über Fleisch noch genauer erklärt werden wird. Das Interessante dabei ist: ob Sie das Fleisch noch 1 h länger im Ofen lassen spielt keine Rolle, denn nach einer weitere Stunde hat sich die Kerntemperatur kaum mehr erhöht. Der Braten bleibt deshalb zart und saftig.

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Die Ofenkurven zeigen sehr schön, dass Erwärmen kein linearer Prozess ist. Doppelt so langes Erwärmen bedeutet nicht, dass sich dabei auch die Wassertemperatur im Becherglas verdoppelt.

Merke

Lebensmittel bestehen fast nur aus Wasser.

Je höher die Temperatur, desto schneller laufen chemische Reaktionen ab.

Wie Wärme wirkt

Alles was in der Küche verarbeitet wird besteht aus Wasser, Fetten, Kohlenhydraten und Proteinen und in geringen Mengen aus Vitaminen, Aromamolekülen und Mineralstoffen. Wenn man versteht, wie Wärme auf die entsprechenden Moleküle dieser Grundbausteine wirkt und man weiß, wie sich Fleisch, Gemüse und Brot aus diesen Bausteinen zusammensetzen, dann sollten sich daraus auf einfache, logische Weise Hinweise für das Kochen gewinnen lassen.

Zum Beispiel Wasser. Es ist der am meisten verwendete Stoff in der Küche, denn Nahrungsmittel bestehen im Wesentlichen aus Wasser. Spargel hat einen Wasseranteil von etwa 95%, bei magerem Fleisch sind es um die 70%, Brot enthält bis zu 45% Wasser, Butter enthält noch fast 20% Wasser und selbst Kaffeebohnen sind mit einem Anteil von 5% durch das Rösten nicht vollständig ausgetrocknet. Durch seine elektrischen Eigenschaften ist Wasser Lösungsmittel für feste und flüchtige Stoffe, wie Zucker, Proteine und Aromen. Wasser sorgt dafür, dass Stärke aufquillt und dass Fleisch in einem Fond langsam auslaugt. Wasser überträgt Wärme und wirkt durch seine Siedetemperatur von 100 Grad gleichzeitig als ein "Temperaturbegrenzer": ein Topf mit Wasser lässt sich nicht über 100 Grad erwärmen, unabhängig davon auf welche Stufe die Herdplatte eingestellt ist. Natürlich wird das Wasser heftig sieden, dennoch bleibt die Temperatur im Topf unter 100 Grad. In Kapitel über das Anbraten werde ich erklären, wie man diese Eigenschaft nutzen kann, um beim Anschwitzen und Anbraten entweder gezielt eine "Bräunungsreaktion" hervorzurufen oder durch kontrollierte Zugabe von "Lösch"-Flüssigkeit zu verhindern.

Chemisch betrachtet besteht ein Wassermolekül aus zwei Wasserstoff- und und einem Sauerstoffatom. Die Bindungselektronen werden vom Sauerstoffatom dabei etwas angezogen, was dazu führt, dass das Wassermolekül zwar elektrisch gesehen neutral bleibt, aber ein negatives und ein positives Ende bekommt. Diese Dipol-Eigenschaft verleiht Wassermolekülen ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte. Über so genannte Wasserstoffbrücken lagern sich Wassermoleküle zu räumlichen Strukturen zusammen und können andere Moleküle entlang polarisierter Stellen wie Magnete miteinander verbinden und stabilisieren.

Eine interessante Eigenschaft von Wasser ist die Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Luftdruck. Auf der Zugspitze in knapp 3000 m beispielsweise siedet Wasser wegen des geringen Luftdrucks bereits bei einer Temperatur von etwa 90 Grad. Wenn Sie ein Frühstücksei kochen, dauert es ein bisschen länger. Die Druckabhängigkeit des Siedepunktes wird beim Schnellkochtopf (oder Dampfkochtopf) ausgenutzt, allerdings um den Siedepunkt von Wasser zu erhöhen und dadurch die Garzeiten zu verkürzen (und dadurch Energie beim Kochen zu sparen). Über einen besonderen Verschlussmechanismus wird der Deckel luft- und wasserdicht verschlossen. Im Betrieb verdoppelt sich dadurch der Druck, was die Siedetemperatur des Kochwasser auf etwa 120 Grad erhöht. Dadurch laufen alle Reaktionen schneller ab und das Gargut wird rascher gar.

Grundsätzlich gilt, dass die Aktivität der Moleküle bei Zufuhr von Wärmeenergie zunimmt: sie beginnen stärker zu schwingen, sich schneller zu bewegen. Gleichzeitig nimmt auch die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen zu. Eine Faustregel, das Van't Hoffsche Gesetz, besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung von 10 Grad verdoppelt bis verdreifacht. Für hohe Temperaturen oder drastische Temperaturänderungen wird die Regel allerdings sehr ungenau.

Durch das Van't Hoffsche Gesetz und durch die Physik der Wärmeausbreitung sind Zeit und Temperatur beim Kochen oft korreliert. Bei weniger Temperatur dauert es länger, um einen gewünschten Gargrad oder die Kerntemperatur zu erreichen, bei höherer Temperatur geht es schneller, denn die Reaktionen, die beim Garen eine Rolle spielen, laufen schneller ab und auch das Gargut erwärmt sich schneller. Ein Filet, das im Ofen bei 160 Grad gar zieht, ist übergart, wenn es 5 min zu lange im Ofen bleibt, bei 80 Grad spielen 5 min mehr oder weniger keine große Rolle.

Beim Kochen ist es wichtig, ein Gefühl zu entwickeln, wie sich Wärme von außen nach innen vor arbeitet, wie sie sich ausbreitet. Zeitangaben, wie zum Beispiel "das Filet 40 min bei 120 Grad im Ofen lassen" sind in Wirklichkeit Angaben über eine erwünschte, optimale Kerntemperatur. Die Physik kennt für die Ausbreitung von Wärme Differentialgleichungen und abgeleitete, vereinfachte Formeln, die unter bestimmten Bedingungen Gültigkeit haben. "40 min bei 120 Grad" ist nichts anders als die Lösung eine dieser Gleichungen, die nach der Unbekannten "Zeit" aufgelöst und in die die Temperatur (außen und innen) als Parameter eingesetzt wird. Auch die Materialkonstante "Fleisch" wird dabei entsprechend berücksichtigt. Oder aber "40 min bei 120 Grad" ist nichts anderes als das Ergebnis aus systematischen Experimenten und den gesammelten Erfahrungen beim Kochen. Wie auch immer, messen Sie einfach die Temperatur und nehmen Sie die 40 min als ungefähre Angabe, wann Sie das Fleisch in den Ofen geben müssen.

In den verbleibenden Kapiteln dieser Kochanleitung werde ich systematisch erklären, wie Wärme auf die Grundbausteine der Nahrungsmittel wirkt. Im nächsten Kapitel geht es wieder um Wasser und zwar um heißes Wasser und das Lösen von Aromastoffen. Im darauf folgenden Kapitel wird gebraten und das geht am besten, wenn alles Wasser zuvor "verdampft" ist, denn nur so wird das Bratgut in einer Pfanne richtig heiß, eine wichtige Voraussetzung für eine schmackhafte braune Bratenkruste. Dann gibt es einige Kapitel zum Thema Fleisch und Fisch, Proteine und die Art und Weise wie Wärme zu ihrer "Denaturierung" stehen hier im Mittelpunkt. Nach einem Exkurs über Fette und Öle folgt ein langes Kapitel über Kohlenhydrate (Pasta!) und das letzte Kapitel rundet die Anleitung ab. Dann geht es darum, was Erhitzen bei Gemüse und Früchten für Folgen hat.

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Literatur

Ich habe in dieser Kochanleitung mit Absicht auf die konsequente Angabe von Quellen verzichtet, denn ich wollte keine Abhandlung über das Kochen schreiben, die strengen wissenschaftlichen Ansprüchen genügt. Ich habe gründlich recherchiert, viel selbst ausprobiert und mich natürlich bemüht, möglichst keinem Küchenlatein auf den Leim zu gehen, was mir hoffentlich auch gelungen ist. Ich möchte an dieser Stelle jedoch die wichtigsten Bücher nennen, die ich immer wieder herangezogen habe, wenn es mir beim Forschen und Aufschreiben nicht gelungen ist, alle möglichen Erklärungen für ein Kochphänomen unter einen Hut zu bekommen. Interessante Links aus dem Internet und weiterführende Literatur habe ich oft direkt an entsprechender Stelle in den einzelnen Abschnitten angegeben. Und wie bereits erwähnt, es gibt nichts, was bereits an anderer, kompetenter Stelle beschrieben wurde.

Doch zurück zu den Büchern, die sich wie diese Anleitung mit den physikalischen und chemischen Grundlagen beim Kochen auseinandersetzen. Allen voran möchte ich Die letzten Geheimnisse der Kochkunst von Peter Barham nennen. Das kleine Taschenbuch für 12 Euro ist eines meiner Lieblingsbücher, wenn es um die Hintergründe beim Kochen geht. Insbesondere das Kapitel über das Gelingen und Nichtgelingen eines Soufflés ist sehr unterhaltsam und für jegliche Art von Experimenten zu Hause eine Inspiration. Die kulinarischen Geheimnisse und Rätsel der Kochkunst von Hervé This sind zwei etwas "betagte" Klassiker aus Frankreich, aber immer noch sehr lesenswerte Bücher. On Food and Cooking von Harold McGee und das erste Buch Cookwise von Shirley Corriher sind zwar nur in englischer Sprache zu haben, dennoch sollte insbesondere das Buch von McGee in keinem Kochbuchregal fehlen. Und natürlich die aktuellen Bücher von Thomas Vilgis, zum Beispiel Die Molekül-Küche und Das Molekül-Menü. Thomas Vilgis ist Professor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung und bekannt aus zahlreichen Kolumnen, wie zum Beispiel die Küchen-Uni in der Essen&Trinken. Und wenn nichts mehr hilft, dann bleibt nur noch das Lehrbuch der Lebensmittelchemie, ein Buch für das Studium mit über 1000 Seiten voller Moleküle.

Nun zu den Grundkochbüchern. Hier findet man wenig Wissenschaftliches zum Thema Kochen, leider. Die Bücher begreifen Kochen eher als Handwerk aus der Sicht einer Restaurantküche. Dennoch bekommt man einen guten Überblick über grundlegende Techniken und Basisrezepte. Eine umfassende Darstellung neuerer Methoden wie etwa Sous Vide oder Niedertemperaturgaren sucht man hier aber vergeblich. Die "Bibel der Köche", so die Amazon Kurzbeschreibung, ist das Lehrbuch der Küche von Philip Pauli. Das Buch gibt es seit 75 Jahren und kommt aus der Schweiz. Seit einem Jahr ist es auch als iPhone App mit Rezepten und Videos erhältlich. Sehr zu empfehlen sind auch die Bücher Der junge Koch, die junge Köchin und Das Handbuch der Küche, die den Unterrichtsstoff für die Kochlehre aufbereiten. Letzteres kommt ohne ein einziges Bild aus. Vollständige und reich bebilderte Darstellungen der Grundlagen für den Hobbykoch sind Die große Schule des Kochens von Anne Willan, die in Frankreich seit 1975 eine Kochschule betreibt, und das Buch von Jill Norman Kochen: Grundtechniken, Rezepte und Profitipps internationaler Meisterköche. Aus dem Amerikanischen kann ich die beiden dicken Wälzer Culinary Fundamentals der American Culinary Federation und The Professsional Chef des Culinary Institute of America sehr empfehlen. Beide Bücher zeichnen sich durch eine klare Darstellung aus, die Fundamentals haben sogar eine beiliegende DVD, die gar nicht mal so schlecht ist. Und nicht zu vergessen "Das Buch mit dem Löffel", 1984 erschienen und damals seiner Zeit nicht nur wegen der Fotos weit voraus. Dieses Buch hat mich zum Kochen gebracht.

Natürlich könnte ich auch einige schöne Rezeptsammlungen empfehlen, aber von Rezepten soll in dieser Anleitung ja gar nicht die Rede sein!

Temperaturtabelle

Zum Schluss dieses Kapitels habe ich einige Ereignisse, die beim Kochen eine wichtige Rolle spielen, in eine Temperaturskala eingeordnet:

  • 30 Grad: Butter schmilzt
  • 37 Grad: menschliche Körpertemperatur
  • 40 Grad: explosionsartige Vermehrung von Keimen
  • 45 Grad: Muskelproteine im Fisch beginnen zu denaturieren
  • 50 Grad: Muskelproteine in Fleisch beginnen zu denaturieren
  • 55 Grad: Muskelproteine im Fleisch kontrahieren, werden fester, Wasser wird herausgepresst
  • 60 Grad: flüssiges Eiklar beginnt zu denaturieren
  • 60 Grad: zum Baden zu heiß, aber die Hand hält das noch aus
  • 60 Grad: Stärke beginnt zu quellen und zu verkleistern
  • 65 Grad: Denaturierung von Muskelproteinen in Fleisch ist weitgehend abgeschlossen
  • 65 Grad: fast alle Salmonellen sind nach 5 min gestorben, gleiches gilt für andere Bakterien
  • 65 Grad: aus einem Kochtopf mit Wasser steigen erste Dampfwolken auf
  • 70 Grad: Bindegewebe schmilzt zu Gelatine, das dauert aber einige Zeit
  • 70 Grad: Eigelb denaturiert
  • 75 Grad: Alkohol verdampft
  • 79 Grad: flüssiges Eiklar wird fest
  • 80 Grad: Eigelb wird fest
  • 100 Grad: Wasser kocht
  • 120 Grad: Innentemperatur des Schnellkochtopfes
  • 140 Grad: Maillard-Reaktion wird stark beschleunigt
  • 170 Grad: ideale Temperatur zum Frittieren von Pommes Frites
  • 190 Grad: Zucker karamellisiert
  • 200 Grad: Öl beginnt zu Rauchen, es bilden sich krebserregende Stoffe
  • 200 Grad: Zucker beginnt zu braunem Karamell zu schmelzen