Maxwell-Boltzmann II

[Terug naar deel 1]

Wat kunnen we nog meer leren van het videofragment, waarin Sadoway uitlegt dat deeltjes van circa 25 °C te weinig energie hebben om biochemische reacties mogelijk te maken? Onderaan de pagina is nog een andere video met uitleg over de Maxwell-Boltzmann distributie te vinden.

We zien dat de variatie in de temperatuur geen – eenvoudig –  lineair verband heeft met het aantal deeltjes dat beschreven wordt door de Maxwell-Boltzmann distributie. Een – kleine – verhoging van de temperatuur kan leiden tot veel meer warme deeltjes die dan  “opeens”  voldoende botsingsenergie hebben om aan reacties deel te nemen en vice versa. Dat hadden we natuurlijk wel kunnen aanvoelen, bijvoorbeeld als we even denken aan het ontwaken van al het leven in het voorjaar, of wanneer klimaatonderzoekers ons waarschuwen dat zelfs kleine variaties in de temperatuur grote gevolgen hebben voor het leven op onze planeet, of als we ziek zijn en zelf de gevolgen van kleine temperatuur schommelingen ervaren.

Over brooddeeg wordt wel vaak gezegd dat het leeft. Dat komt enerzijds doordat er levende cellen in het deeg zitten (gist en bacteriën) en anderzijds doordat gluten en zetmeel in combinatie met water een soort vlies vormen en dat samen verandert het deeg in een soort levend lichaam met een hoog aaibaarheidsfactor. In dit “lichaam” vinden complexe biochemische reacties plaats die net als al het leven op onze planeet sterk van de temperatuur en de werking van enzymen afhangen. Met een beetje fantasie vertoont het maken van brood dus ook overeenkomsten met de lente, klimaatveranderingen en de werking van ons eigen lichaam. Enzymen spelen een belangrijke rol in de bereiding van brood en de industrie maakt veelvuldig gebruik om van kunstmatige toevoegingen waaronder enzymen om het industriële  proces aan te sturen.

Biochemische reacties gaan gepaard met botsingen tussen moleculen. Enzymen helpen bij het stroomlijnen van deze botsingen (reacties) door gebruik te maken van veel lagere energieën (100 kj/mol temperaturen) dan die door Sadoway genoemd worden in het videofragment. Om deze reacties beter te begrijpen zouden we de bindingsenergieën van atomen moeten bespreken, maar dat voert voor nu veel te ver. Maar iets meer context lijkt op zijn plaats omdat we hier ten slotte de Maxwell-Boltzmann distributie door ons deeg hebben durven “kneden”.

De soort en sterkte van bindingen die atomen onderling aangaan variëren, sommige bindingen zijn sterk, andere relatief weer zwak. Bij biochemische reacties spelen deze verschillende krachten een belangrijke rol, waarbij het voor ons nu van belang is dat enzymen in staat zijn om juist met de zwakke krachten het verloop van de reactie grotendeels te regisseren. Enzymen zijn namelijk grote moleculen die meerdere zwakke bindingen aangaan met een molecuul en deze daardoor iets van vorm kunnen veranderen zodat een “soft spot” ontstaat, een plek die bepalend is voor de daaropvolgende reactie met een het “target” molecuul. De activatie-energie van de reactie wordt hierdoor verlaagd zodat uiteindelijk veel meer deeltjes aan deze type reactie deel kunnen nemen. De reacties verlopen hierdoor soms een miljoen keer (of meer) sneller. Zonder enzymen zou er bij kamertemperatuur chemisch gezien dus nauwelijks iets gebeuren. Enzymen maken dus slim gebruik van de relatief lagere temperaturen (vanaf circa 2.5 kj/mol  of  1/40 ev, 25 °C,  zie video) om de vervolgreactie waarvoor meer energie nodig is voor te bereiden en zo de gehele reactie te versnellen.

De asymmetrische Maxwell-Boltzmann distributie heeft een bijzondere energiebalans die opmerkelijk goed lijkt te passen bij scenario’s waarin zowel lage en hoge energieën het pad van de reactie bepalen. Bedenk dat te veel warme deeltjes, dus te hoge temperaturen, deze balans juist nadelig zouden verstoren ( “stuk koken”). Het is de moeite waard  om hier goed bij stil te staan. De magie van deze distributie zit hem namelijk in de specifieke verhouding tussen veel koude en relatief weinig warme deeltjes, die enzymen in staat stelt om ondanks de beperkte thermische energie het leven richting en snelheid te geven!

Bij het maken van brood reizen we als het ware door een landschap van temperaturen, waarbij telkens andere type reacties gaan domineren. Zodra we het brood bakken verlaten we de comfortzone van de biochemie. Enzymen worden gedeactiveerd en bacteriën en gisten sterven. In het brood worden reacties begrensd door water, waarvan het kookpunt 100 °C is. Daarentegen zal de korst uitdrogen en hogere temperaturen bereiken. Zodra we de 110 °C voorbij zijn is er voldoende thermische energie om suikers in de korst onderling te laten reageren. De verschillende suikers in de korst zijn bij 165 °C grotendeels gekarameliseerd. Boven de 140 °C beginnen deze suikers ook met eiwitfragmenten te reageren, de Maillard-reactie. Deze reacties vinden plaats tot ongeveer 180 °C. Boven de 200 °C worden de nieuw gevormde producten al weer voor een deel thermisch afgebroken door de zogenaamde pyrolyse reacties. Brood dat op 235 °C wordt gebakken heeft dus een korst die is samengesteld uit al deze verschillende type reacties. De bijbehorende temperaturen zien we regelmatig terugkomen in onze kookboeken.

Brood is bijzonder omdat het eenvoudig lijkt, maar weer niet zo eenvoudig is als het maken van soep of het roosteren van vlees. Brood maken is in ieder geval geen “piece of cake”. Naast smaak gaat het bereiden van brood ook over vorm en over het werk met levende organismen. Misschien herinnert het bereiden van brood ons daardoor op de een of andere manier aan de wonderbaarlijke chemie van het leven. Meer dan genoeg redenen om met veel plezier te blijven experimenteren met het afbakken van ons universum.

Jechiam Gural
Baking Lab Amsterdam