Un approccio scientifico alla comprensione del processo di cottura della pasta

Nel seguito vi presento il mio lavoro di tesi sviluppato e presentato nell’ambito del corso Science & Cooking: From Haute Cuisine to Soft Matter Science dell’Università di Harvard.

Sommario

Per il mio lavoro di ricerca ho scelto il piatto italiano più conosciuto: la pasta. Nonostante gli ingredienti che si possono  utilizzare per condire la pasta siano praticamente infiniti, per prepararla si utilizza sempre lo stesso processo di cottura.
Tutti sanno molto sugli spaghetti e molti li cucinano regolarmente a casa. Ma sapete esattamente quali sono i processi fisici che avvengono nella pentola in cui la pasta cuoce e come si ottiene una pasta correttamente cotta?
La mia ipotesi è che cucinare la pasta non significa bollire, ma creare le condizioni per ottenere tre effetti diversi: reidratazione, gelatinizzazione dell’amido e denaturazione e conseguente coagulazione del glutine.
Durante la ricerca ho misurato la percentuale di acqua assorbita a diverse temperature, per diversi tempi di ammollo e con diverse procedure di cottura.
Il principale risultato della ricerca è che cuocere la pasta non significa “bollirla”. La ricetta tradizionale, basata sulla regola d’oro 1:10:100 non è l’unica possibilità o la migliore. La ricerca ha dimostrato che la cottura della pasta è un processo in tre fasi che coinvolge: idratazione, gelificazione dell’amido, denaturazione del glutine.
Durante l’ebollizione tutti e tre i processi sopra descritti avvengono in un tempo molto breve, ma possono essere suddivisi e svolti in tre momenti differenti anche a temperature diverse. Molte combinazioni di tempo e temperatura sono possibili per cucinare la pasta. Il cambiamento di colore, dal bianco al giallo dorato, è un buon indicatore del superamento della terza fase della denaturazione del glutine.
Un ulteriore passo avanti nella ricerca sarà correlare il modello fisico con i test organolettici della pasta con un panel di assaggiatori. Per il momento “Buon appetito!”

Domanda e motivazione

La ricetta più conosciuta al mondo per cucinare la pasta è quella basata sulla regola d’oro: 1, 10, 100, in altri termini: 1 litro d’acqua, 10 grammi di sale per ogni 100 grammi di pasta, convertita per cuochi americani, la regola dovrebbe essere 1/3 , 3, 30, riferendosi a 1/3 once di sale, 3 once di pasta e 30 once di acqua. L’acqua deve essere mantenuta al punto di ebollizione durante il processo di cottura.
Questo lavoro analizzerà il processo di cottura della pasta per ottenere una risposta alle domande:

  1. La ricetta della “regola d’oro” è l’unica possibile o quella che assicura i migliori risultati?
  2. La temperatura dell’acqua bollente è l’unica possibile per cucinare la pasta?

Un approccio più scientifico al processo di cottura della pasta è necessario per spiegare:

  1. Che cosa significa cucinare la pasta da un punto di vista scientifico.
  2. Cosa succede durante la cottura della pasta.
  3. Come si può migliorare o modificare il processo di cottura della pasta per creare nuove ricette.

Durante questo lavoro useremo fondamentalmente due equazioni:

Q = mc ΔT

La quantità di calore immagazzinata dall’acqua e dalla pasta, e

L = radice quadrata (4 Dt)

Distanza di diffusione dell’acqua nella pasta in base al coefficiente di diffusione e al tempo.

Ipotesi

La mia ipotesi è che cucinare la pasta non significa “bollirla” ma creare le condizioni per ottenere tre effetti diversi:

  • reidratazione,
  • gelatinizzazione dell’amido,
  • denaturazione e conseguente coagulazione del glutine.

Questi tre effetti sono guidati dalla temperatura, ma non è necessario raggiungere la temperatura di ebollizione dell’acqua. Molteplici combinazioni di valori di tempo e di temperatura sono possibili per ottenere una buona pasta.
Prima di tutto dobbiamo precisare che assumeremo che la temperatura di ebollizione dell’acqua è di 100 °C, ma sappiamo che la temperatura di ebollizione dipende dall’altitudine e diminuisce quando ci troviamo più in alto sopra il livello del mare.

Rispetto alla regola d’oro riportata nel paragrafo “Materiali e metodi”, ci sono alcuni aspetti che non sono chiaramente spiegati e che sembrano non avere una spiegazione scientifica:

  • Regola d’oro 1: 10: 100: perché abbiamo bisogno di quella quantità d’acqua (1 litro = 1000 g) o sale (10 g) per 100 grammi di pasta?
  • Perché la ricetta di riferimento consiglia di buttare la pasta in acqua bollente (non fredda) in modo che il calore possa raggiungere il centro della pasta il più rapidamente possibile e consentire alla pasta di cuocere in modo uniforme?
  • Perché dovremmo aggiungere sale all’acqua quando bolle?

L’ipotesi è verificabile stabilendo una serie di esperimenti per misurare: 1) la diffusione dell’acqua nella pasta a temperature diverse, 2) a quale temperatura avviene la gelatinizzazione dell’amido, 3) a quale temperatura si verifica la denaturazione e la conseguente coagulazione del glutine.
Lo studio assumerà come “ricetta di controllo” la “regola d’oro” per la quantità di pasta, acqua e sale e una temperatura dell’acqua di 100°C; il tempo di cottura è solitamente indicato sul pacco di pasta per ottenere una pasta perfettamente cotta al dente, nel nostro caso erano 10 min.
Lo studio esaminerà come variabili indipendenti: tipo e forma della pasta (spaghetti), temperatura di cottura consigliata (10 min), pressione ambiente (1 atm a livello del mare) e temperatura ambiente (T = 23 ° C), tipo di acqua.

Materiali e metodi

Istruzioni ricetta:

Come ricetta base userò quella fornita dal più noto marchio italiano di pasta (Barilla) tratto dal sito web di Accademia Barilla (http://www.academiabarilla.com/italian-recipes/how-to/cook-pasta.aspx) :

Sebbene cucinare la pasta possa sembrare abbastanza semplice, in realtà è facile commettere errori nel processo. Prima di tutto, bisogna essere sicuri di cucinare la pasta per il giusto tempo. Non bisogna credere a ciò che è scritto sul pacchetto. La pasta deve essere sempre cotta finché non è “al dente”, cioè cotta, ma non al punto di diventare appiccicosa. Dovreste sentire una leggera resistenza durante la masticazione. Per essere sicuri che la pasta sia cucinata correttamente, basta seguire alcune semplici regole.

Per cominciare, dovete tenere a mente le giuste quantità. In Italia, la regola d’oro per cucinare la pasta è 1, 10, 100 o 1 litro di acqua, 10 grammi di sale per ogni 100 grammi di pasta. Convertito per i cuochi americani, la regola dovrebbe essere 1/3, 3, 30, riferendosi a 1/3 once di sale, 3 once di pasta e 30 once di acqua. (Nota che l’ordine degli ingredienti cambia nella traduzione) Queste proporzioni garantiscono che la pasta abbia abbastanza acqua per muoversi durante la cottura e che l’acqua ritorni a bollire poco dopo l’aggiunta della pasta.

Per quanto riguarda il processo di cottura, ci si assicuri di seguire questi semplici passaggi:

  1. Riempite una pentola alta con acqua e mettetela sul fuoco alto.
  2. Quando l’acqua inizia a bollire, aggiungete il sale.
  3. Dopo che il sale si è sciolto, buttate la pasta. Mescolate dopo circa 1 minuto. Continuate a mescolare a intervalli regolari per i primi 4 minuti.
  4. Cuocete la pasta per 1 minuto in meno di quanto indicato sulla confezione. La pasta continuerà a cuocere in padella.
  5. Mettete da parte una piccola tazza di acqua di cottura.
  6. Scolate la pasta e terminate la preparazione: mantecate la pasta in una padella con la salsa che avete preparato. Aggiungete 1 cucchiaio di acqua di cottura e di Parmigiano Reggiano grattugiato, se necessario. Continuate a saltare la pasta e il sugo a fuoco vivo fino a renderlo liscio e cremoso.

E per finire, ecco un breve elenco di consigli aggiuntivi per fare una grande pasta:

  • La pasta cotta al dente dovrebbe essere leggermente resistente al morso. Se mordete la pasta, dovete  vedere un piccolo punto bianco al centro della pasta o un anello bianco se state cucinando una pasta a forma di tubo. Questa parte dura e bianca mostra che il centro della pasta è ancora crudo. Se invece si cuoce troppo la pasta, diventerà troppo morbida e più difficile da digerire.
  • La facilità con cui si cuoce la pasta dipende anche dalla qualità della pasta: per cuocere perfettamente la pasta industriale, è necessario scolarla pochi secondi prima di “al dente”. Con pasta di alta qualità artigianale si ha più tempo per lavorarla, rendendo meno probabile la sovra o sottocottura.
  • Non dimenticate che la pasta continuerà a cuocere fuori dalla pentola, quindi non siate troppo timorosi nello scolarla mentre è al dente.
  • La pasta va messa in acqua bollente (non fredda) in modo che il calore possa raggiungere il centro della pasta il più rapidamente possibile e consentire alla pasta di cuocere in modo uniforme. In effetti, il sale viene aggiunto all’acqua in modo che il punto di ebollizione sia più alto.
  • Il sale ha un altro ruolo importante: il sale deve essere sciolto nell’acqua prima di aggiungere la pasta per penetrare la pasta durante la cottura. In questo modo la pasta assorbe la giusta quantità di sale e cuoce in modo uniforme.

Attrezzature

Per gli esperimenti ho usato:

  • Termometro: digitale, risoluzione 0,1 °C
  • Bagno termostatico: fatto in casa con una friggitrice e un sistema di controllo della temperatura con sonda Pt100, precisione 0,8°C a 100 °C.
  • Pentola in acciaio inossidabile: volume 3 l
  • Controllo: Come controllo ho usato la ricetta della regola d’oro.

Durante gli esperimenti ho mantenuto costante: tipo e forma della pasta (spaghetti), pressione ambiente (1 atm a livello del mare) e temperatura ambiente (T = 23 °C), tipo di acqua.

Risultati

Risultati dell’esperimento 1: come cambia la temperatura dell’acqua nella pentola nel tempo?

Una pentola di acciaio inossidabile è stata riempita con 1 l o 2 l di acqua, portata a temperatura di ebollizione; il fornello è stato spento e la temperatura dell’acqua è stata registrata ogni minuto per 20-25 minuti. La pentola è stat tenuta chiusa con il coperchio.

I risultati in Figura 1 dipendono dal materiale della pentola, ma la perdita di calore (trasferimento attraverso la parete della pentola) non cambia in modo lineare con il volume dell’acqua. Se la pentola è riempita con 1 l di acqua la temperatura diminuisce più velocemente poiché abbiamo la stessa superficie di dispersione della pentola, ma meno quantità di calore immagazzinata. Dall’equazione Q = mc ΔT sappiamo che il calore (Q) immagazzinato dipende dalla massa d’acqua (m).

 

Figura 1

Risultati dell’esperimento 2: quanta acqua assorbe la pasta seguendo la ricetta della regola d’oro in funzione del tempo di ebollizione?

La Figura 2 mostra che nell’intervallo esplorato la percentuale di acqua assorbita è una funzione lineare del tempo di cottura alla temperatura di ebollizione di 100 °C. Alla durata di cottura consigliata di 10 minuti, la pasta assorbe il 117% di acqua.

Figura 2

Risultati dell’esperimento 3: quanta acqua assorbe la pasta con la procedura di cottura passiva?

Molti chef propongono un processo di cottura passiva. Il mio esperimento lo ha simulato. 1 litro d’acqua con 10 g di sale è stato portato al punto di ebollizione; ho messo la pasta, ho aspettato per 2 minuti e spento il fornello. L’acqua assorbita dalla pasta e la temperatura dell’acqua sono state registrate nel tempo.

La Figura 3 mostra che a 10 minuti la percentuale di acqua assorbita è pari al 115%.

Figura 3

Confrontiamo i risultati degli esperimenti 2 e 3 (Figura 4):

L’acqua assorbita è praticamente la stessa fino a 10 minuti, poi diminuisce nella cottura passiva, a causa della minore temperatura dell’acqua in cui rimane in ammollo. Ciò conferma che la cinetica della diffusione dell’acqua nella pasta è guidata dalla temperatura.

Figura 4

Risultati dell’esperimento 4: acqua assorbita a diverse temperature e tempo di immersione.

Se dividiamo il processo di cottura in tre intervalli di temperatura (Figura 5), possiamo esaminare ulteriormente la % di acqua assorbita dalla pasta a diverse temperature.

25 – 55 °C 55 – 60 °C 60 – 70 °C
Idratazione Gelatinizzazione dell’amido Denaturazione del glutine
22 50 °C 60 °C 80 °C
Pasta di colore bianco Pasta di colore bianco Pasta di colore giallo oro

I risultati sono riportati nelle figure 6, 7, 8, 9 e 10.

Figura 6

 

Figura 7

 

Figura 8

 

Figura 9

 

Figura 10

Discussione

Nel normale processo di cottura si possono osservare le seguenti fasi:

  1. Pochi secondi dopo l’immersione in acqua bollente gli spaghetti acquistano sufficiente flessibilità per essere leggermente piegati, in modo da essere completamente immersi nell’acqua. Nessun cambiamento di volume visibile si verifica in questa fase iniziale. Poiché gli spaghetti secchi sono piuttosto fragili, significa che dell’acqua è penetrata all’interno, nel senso che la capillarità ha spinto l’acqua a saturare il materiale senza modificare la sua porosità originale molto bassa o senza che l’improvviso aumento di temperatura abbia modificato le proprietà meccaniche.
  2. Durante i pochi minuti seguenti aumenta la flessibilità a un ritmo lento. Gli spaghetti sono ancora fragili oltre una certa curvatura. Più precisamente, si può vedere all’interno un nucleo di pasta non raggiunto dall’acqua, ancora relativamente rigido, che è responsabile della rottura. Il raggio del nucleo si riduce progressivamente, fino a quando non si raggiunge una buona flessibilità più o meno dopo la metà del tempo di cottura suggerito. Ciò significa che l’ammollo è progredito in modo significativo.
  3. Durante il processo di cottura le sezioni trasversali mostrano la seguente struttura: un nucleo biancastro, circondato da una regione di colore neutro, e un anello esterno che sembra più morbido e leggermente giallo. Le tre regioni sono separate da interfacce visibili. Possono essere identificati con la regione non ancora imbevuta (il nucleo), la regione intermedia, con un contenuto di umidità al di sotto della soglia di gelatinizzazione (alla temperatura dell’acqua di ebollizione, poiché il processo è fondamentalmente isotermico) e una regione esterna in cui la gelatinizzazione è in atto. Una tale struttura è ancora visibile alla fine del tempo di cottura, il che significa che gli spaghetti “al dente” sono ancora lontani dalla piena gelatinizzazione. Quando si “cuoce” la pasta non la si “bolle” ma si spezza la rete amidacea della farina. L’acqua è essenziale per questo, ma anche il calore è importante. Questo è il motivo per cui la pasta diventa morbida mentre la cucinate, e anche perché l’acqua diventa bianca quando l’amido esce. Se dividiamo il processo di cottura negli intervalli di temperatura, otteniamo i risultati nella Figura 11:
20-55°C 55-60°C 60-70°C
Idratazione Gelatinizzazione dell’amido Denaturazione del glutine
22°C

50°C

60°C 80°C
Colore della pasta: bianco Colore della pasta: bianco Colore della pasta: giasllo oro
Nell’intervallo 20-55°C, il processo principale è la diffusione dell’acqua nei pori della pasta e l’idratazione dell’amido. L’assorbimento dell’acqua raggiunge il 90% dopo 600’. Nell’intervallo 55-60°C, il processo principale è la gelatinizzazione dell’amido.

L’assorbimento dell’acqua raggiunge il  90% dopo 60’.

L’assorbimento della’acqua è spinto dalla gelatinizzazione dell’amido.

Nell’intervallo 60-70°C, la gelatinizzazione dell’amido è completa e si verifica la denaturazione del glutine.

L’assorbimento dell’acqua raggiunge il 140% dopo solo 30’.

Per ottenere la stessa percentuale di acqua assorbita possiamo tenere la pasta per 10′ a 100 °C o per 20′ a 80 ° C. La cottura a bassa temperatura può essere più sicura per ottenere una pasta cotta al dente e possiamo risparmiare il gas necessario per tenere acceso il fornello.

Se assumiamo che la pasta sia perfettamente cotta “al dente” quando viene preparata per il tempo raccomandato dal produttore (10′) otteniamo il 117% di acqua assorbita. È facile capire che possiamo raggiungere questo obiettivo dosando i tre campi di temperatura sopra menzionati.

Per esempio posso idratare la pasta a 50° C per 2 ore (75% di idratazione), aggiungendo 3′ a 80 °C. È possibile naturalmente un numero infinito di combinazioni.

Possibili fonti di errore?

Un’importante fonte di errore è la precisione dell’apparecchiatura di misurazione (bilancia) utilizzata per pesare la quantità di acqua assorbita.

La mia bilancia ha una risoluzione di 0,1 g.

Un singolo spaghetto pesa circa 1 g.

Con la bilancia utilizzata gli spaghetti usati per l’esperimento pesano tra 1,0 e 1,1 g.

Inoltre, a causa delle dimensioni del bagno termostatico, ho dovuto tagliare lo spaghetto in due parti e la singola metà dello spaghetto pesa circa 0,5 g. La risoluzione della bilancia è solo 5 volte minore del peso del singolo pezzo di spaghetto e questo può aumentare l’errore di misura.

Per ottenere una misura più precisa ho deciso di prendere 10 parti di spaghetto alla volta, equivalente a 5 spaghetti, ottenendo un peso medio di 0,52 g.

Lo studio del peso mostra che non vi è un aumento significativo della precisione utilizzando più campioni e una media del loro peso.

Numero di mezzi spaghetti Peso Peso medio/mezzo spaghetto
10 5,2 0,5200
20 10,5 0,5250
30 15,7 0,5233
40 20,9 0,5225
50 26 0,5200
60 31,1 0,5183
70 36,4 0,5200
80 41,6 0,5200
90 46,8 0,5200
100 51,9 0,5190
110 57 0,5182
120 62,3 0,5192
130 67,6 0,5200
140 72,7 0,5193
150 78 0,5200

Possiamo immergere la pasta in acqua fredda finché non si idrata con una consistenza simile a quella appena prima al dente, diventando flessibile pur mantenendo un colore opaco chiaro. Se completamente idratata, la pasta inizia a cuocere non appena viene a contatto con acqua bollente o salsa calda, è possibile vedere la pasta idratata cambiare colore mentre termina la cottura.

Conclusioni e sviluppi futuri

Abbiamo imparato che:

  • Cucinare la pasta non significa “bollirla”.
  • La ricetta della regola d’oro non è l’unica possibilità o l’unica ricetta.
  • Il processo di cottura della pasta è un processo in tre fasi che comprende: idratazione, gelificazione dell’amido, denaturazione del glutine.
  • Durante l’ebollizione tutti e tre i processi sopra descritti avvengono in un tempo molto breve, ma possono essere suddivisi e svolti in tre momenti diversi anche con una temperatura diversa.
  • È possibile utilizzare molte combinazioni di tempo e temperatura per cucinare la pasta.
  • Il cambiamento di colore dal bianco al giallo dorato è un buon indicatore del passaggio della terza fase della denaturazione del glutine.
  • In questo studio non ho considerato il sapore della pasta e la masticazione. Un’ulteriore esplorazione potrebbe essere quella di testare con un panel di assagiatori i risultati ottenuti. Inoltre, il modello in tre fasi dello studio dovrebbe essere testato con diverse forme di pasta.

Ringraziamenti

Voglio ringraziare mia moglie e i miei figli per avermi seguito mentre cucinavo la pasta e per aver aspettato prima di mangiare gli esperimenti!

Filippo

“Siciliano per nascita, Scienziato per passione e Cuoco per necessità”. Mi chiamo Filippo Cangialosi e sono di Palermo dove vivo e lavoro dopo aver girato per il mondo e l’Italia nelle mie molteplici attività ed interessi. La scienza è la mia passione, amo il buon cibo e considero la cucina di casa un laboratorio. Per necessità … di sopravvivenza, mi occupo di cibo da quando sono nato, cucino almeno due volte al giorno non solo con lo scopo di preparare qualcosa di commestibile, ma anche per capire quello che avviene in cucina.

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