Molekularna kuhinja i druge kulinarske primjene

Ultrazvučna obrada (sonikacija) mijenja način na koji kuhari i stručnjaci za prehrambene znanosti pripremaju hranu i pića: ultrazvučna ekstrakcija, infuzija, emulgiranje i homogenizacija ključne su primjene sonikatora u kulinarskom stvaralaštvu. Od brzih ekstrakcija do svilenkastijih emulzija i pojačanih aroma, ultrazvučni valovi razvijaju izvanredne okuse i teksture. U ovom članku saznat ćete kako kuhari i prehrambeni tehnolozi koriste ultrazvučnu kavitaciju za preoblikovanje svega, od koktela do konsomea.

Kratki vodič kroz osnovne principe

gostujući članak autora Marka Gastona

• Većina sadržaja ovog vodiča su informacije koje su lako dostupne, no ponekad su napisane na način koji nije uvijek lak za čitanje, osim ako ste upoznati s korištenim pojmovima.
• U nastavku se objašnjavaju važni pojmovi ultrazvučne obrade (sonikacije), poput sonotrode, amplitude itd., i njihovi učinci na kulinarske primjene.
• Ovaj vodič u nastavku pokušava objasniti upotrebu ultrazvučnog homogenizatora na manje znanstven i više kulinarski način.

Ultrazvučni valovi i njihova primjena na hranu

Ultrazvučni homogenizator kao tehnika postoji već mnogo godina u različitim oblicima, ali tek sada pronalazi put do kulinarskih primjena manjeg opsega. Homogenizator sadrži sofisticiranu elektroniku koja može pretvarati i kontrolirati električnu snagu u visokofrekventne vibracije metalnog vrha, odnosno sonotrode.
Sonotroda se kreće pretežno gore-dolje pri prilično visokoj frekvenciji iznad čujnog opsega (npr. 26.000 puta u sekundi ili 26Khz kod sonikatora UP200Ht). Iznos pomaka sonotrode gore-dolje naziva se amplituda i obično se može podešavati između 9 i 240 µm (prosječna ljudska vlas debela je oko 100 µm, radi usporedbe). Jednostavno rečeno, sonotroda se ponaša poput klipa koji se kreće gore-dolje u tekućini.
Dok se sonotroda kreće gore-dolje uronjena u tekućinu, u tekućini oko sonotrode stvara područja visokog i niskog tlaka, što pak stvara pojavu poznatu kao kavitacija. U kuhinji vidimo da snižavanje tlaka (npr. u vakuumskom aparatu za pakiranje) uzrokuje da tekućine ključaju na nižim temperaturama, a povišenje tlaka (npr. u ekspres-loncu) uzrokuje da tekućine ključaju na višoj temperaturi.
Brzo promjenjive tlačne pulsacije na vrhu sonotrode uzrokuju nastanak, a zatim i brzi kolaps mjehurića u tekućini. Sve se to događa na sitnoj skali, ali stvara ogromne sile u tekućini zbog brzina, temperatura i tlakova koje stvara kavitacija. Upravo te ogromne sile možemo iskoristiti u svoju korist u kuhinji za ekstrakciju okusa putem razgradnje ćelija, emulgiranje ili razgradnju čestica.

 

Pogledajte kako sonikator Hielscher UP200Ht pretvara čokoladnu emulziju na biljnoj bazi u svilenkast, stabilan veganski čokoladni mousse. Ultrazvučna kavitacija osigurava fino dispergovanje, veću stabilnost emulzije i optimalnu teksturu – stvarajući osnovu za savršen desert bez mliječnih sastojaka, bogat čokoladom. Stvaranjem stabilne emulzije čokoladnih masti i vode s kapljicama submikronske veličine, sonikacija doprinosi intenzivnom okusu i glatkom, ujednačenom osjećaju u ustima. Osim toga, ultrazvučna obrada razbija aglomerate škroba, proteina i čvrstih čestica kakaa za vrhunsku kremoznost i intenzivniji okus.

Saznajte više o ultrazvučnom emulgiranju veganske čokoladne pjene (mousse au chocolat)!

Jedan od izazova u upotrebi ove opreme jest, međutim, iskoristiti i kontrolirati tu snagu na način koji poboljšava hranu.
Kupljeni ultrazvučni homogenizator model UP200Ht određuje maksimalnu snagu dostupnu korisniku, a sam homogenizator ima niz varijabli kojima se njegov učinak može prilagoditi primjeni. Za potrebe ovog vodiča korišten je model Hielscher sonikator od 200 vata.

Veličina sonotrode

Veličina ugrađene sonotrode ima veliki utjecaj na to kako uređaj isporučuje svoju snagu.
Vrlo jednostavno rečeno, što je veća površina sonotrode, to će biti potrebno više snage za njezin pogon pri bilo kojoj zadanoj amplitudi. Viskoznost tekućine također ima veliki utjecaj na snagu potrebnu za pogon sonotrode pri zadanoj amplitudi.
Zamislite sonotrodu kao klip ili stap: ako se klip vrlo brzo pomiče gore-dolje u loncu s rijetkom tekućinom poput vode, to je relativno lako učiniti čak i pri razumnim brzinama, no napunite li lonac gustim umakom, isto neće vrijediti – bit će potrebno mnogo više snage da se klip brzo pomiče gore-dolje u tekućini zbog povećane viskoznosti. Povećate li veličinu klipa ili stapa, također će biti potrebno više napora da se pomiče gore-dolje u tekućini.
Isto vrijedi i za sonotrodu. S ugrađenom velikom sonotrodom uređaj će morati raditi znatno intenzivnije da bi proizveo zadanu amplitudu oscilacija ako tekućina ima visoku viskoznost nego kod tekućine niske viskoznosti.

Pri bilo kojoj zadanoj postavci snage manja sonotroda, zbog svoje površine, stvarat će veće tlačne fluktuacije i veće intenzitete kavitacije na vrhu nego veća sonotroda (jer je snaga usmjerena na manju površinu sonotrode).
Možda neće biti moguće pogoniti veću sonotrodu pri istoj amplitudi jer će za to biti potrebno znatno više snage, što može dovesti do isključivanja uređaja zbog preopterećenja. U tom slučaju treba smanjiti veličinu sonotrode ili nabaviti uređaj veće snage.
Intenzitet ultrazvuka (pri bilo kojoj zadanoj postavci snage) opada s povećanjem površine (veće sonotrode), dok intenzitet ultrazvučne snage raste sa smanjenjem površine, ili drugim riječima, manja sonotroda unosi mnogo ultrazvučne snage u malu površinu, dok veća sonotroda raspoređuje snagu na veću površinu.

Kada se koristi homogenizator, ukupni rad obavljen na uzorku kombinacija je ulazne snage homogenizatora, volumena uzorka i vremena izlaganja. Da bismo dobili ponovljive rezultate, moramo uzeti u obzir sva tri parametra. Ne očekujte da ćete uređaj staviti u malu šalicu punu tekućine na dvije minute i zatim dobiti isti rezultat u litri tekućine u istom vremenskom razdoblju! Isto tako imajte na umu da će se kod malih uzoraka i velike ulazne snage temperatura uzorka brzo povećati. Za uzorke osjetljive na temperaturu bolje je koristiti niže postavke snage tijekom duljih razdoblja, kako bi se energija koju homogenizator unosi u obliku topline mogla raspršiti.
Pregrijavanje uzorka može lako uzrokovati da neke od aroma koje pokušavate zadržati napuste sistem.
Velika ulazna snaga također može uzrokovati razgradnju uzorka, što se može vidjeti pri upotrebi određenih ulja. Ulja izložena visokim unosima energije na vrhu homogenizatora mogu se razgraditi, što rezultira vrlo neugodnim okusom koji se može opisati samo kao okus električnog paljenja!
Za materijale osjetljive na temperaturu hlađenje uzorka poboljšat će rezultate, primjerice upotrebom ledene kupelji ili dodavanjem malo suhog leda u uzorak. Korištenje niže ulazne snage tijekom duljeg razdoblja pomaže u raspršivanju energije oslobođene u sistemu, kao i korištenje uređaja u pulsnom načinu rada koji omogućuje određeno hlađenje između svakog impulsa ultrazvuka.
U okviru elektronike homogenizatora korisnik može odabrati rad uređaja u dva glavna načina upravljanja.

Upravljanje amplitudom

U ovom načinu rada korisnik bira % maksimalne amplitude potreban za sonotrodu. Elektronika će zatim pokušati pogoniti sonotrodu pri toj amplitudi i prilagodit će ulaznu snagu uređaja kako bi održala potrebnu amplitudu na sonotrodi. Ako je površina sonotrode prevelika da bi se pogonila pri toj amplitudi s raspoloživom snagom uređaja, amplituda neće dostići zadanu vrijednost, a uređaj se može isključiti ako se dostigne stanje preopterećenja.

Želite li proizvoditi vlastite ekstrakte začina ili umake? Bilo da su namijenjeni restoranskoj kuhinji, ambicioznom pomoćnom šefu kuhinje ili komercijalnim proizvođačima, uz ultrazvučnu opremu Hielscher možete za kratko vrijeme proizvesti visokokvalitetne ekstrakte i umake. Sami pravite organske ekstrakte! Izbacite konzervanse! Koristite samo sastojke koje sami odaberete!

Upravljanje ulaznom snagom

U ovom načinu rada korisnik postavlja potrebnu ulaznu snagu u vatima, a elektronika će prilagođavati amplitudu oscilacija kako bi ulaznu snagu regulirala prema postavci korisnika. Ovaj način rada omogućuje regulaciju snage prenesene na tekućinu, a time i ograničavanje topline stvorene u tekućini, čime se izbjegava oštećenje osjetljivijih uzoraka.

Pulsni način rada

Uz dva načina rada postoji i pulsni način rada, pri kojem se elektronika uključuje i isključuje u ciklusima, čije vrijeme postavlja korisnik, od uključenosti 10 % vremena i isključenosti 90 % do uključenosti 90 % vremena i isključenosti 10 %. To daje pulsirajući učinak i korisno je i za ograničavanje ukupne ulazne snage na uzorak i za stvaranje dobrog miješanja unutar uzorka zbog visokog početnog unosa dok se elektronika stabilizira tijekom svakog radnog ciklusa.

Opći savjeti i trikovi

Kada se homogenizator koristi za infuziju okusa, bolji se rezultati postižu ako su čvrste tvari prethodno usitnjene prije homogenizacije, čime se povećava površina izložena sonotrodi. Isti princip vrijedi kada se homogenizator koristi za smanjenje veličine čestica. Homogenizator zamislite kao alat za fino završno doterivanje, a ne kao grubi mlin! Pri smanjenju veličine čestica velik dio rada obavljaju sudari čestica velikom brzinom, ubrzanih silama koje se stvaraju na sonotrodi. Mnogo bolji rezultati postižu se ako se dio smanjenja čestica obavi prije ultrazvučne obrade. Ako je grubo smanjenje veličine čestica već obavljeno, to znači da je veća površina izložena ultrazvučnoj obradi i da će se manje čestice brže ubrzavati u tekućini, što dovodi do intenzivnijih sudara s većom silom za daljnje razgrađivanje čestica. Homogenizator će također morati obaviti manje rada, što omogućuje bolju kontrolu temperature.
Budući da homogenizator djeluje na prilično lokalnoj razini, korisno je pri radu s većim uzorcima, recimo od nekoliko stotina mililitara ili više, osigurati dodatno miješanje kako bi se obnavljao volumen oko sonotrode i time osigurala potpuna ultrazvučna obrada uzorka. To posebno vrijedi za viskoznije uzorke. Dobra magnetna miješalica koristan je način da se to postigne. Miješanje također pomaže da se volumen tekućine oko sonotrode ne pregrije. Upotreba ledene kupelji ili komadića suhog leda u uzorku pomoći će u odvođenju energije koja se unosi ultrazvučnom obradom. Kao što je već rečeno, ako je materijal osjetljiv na temperaturu, koristite niže postavke snage tijekom duljeg razdoblja i/ili koristite pulsni način rada kako biste ograničili temperature stvorene u uzorku, omogućujući uzorku da se hladi između ultrazvučnih impulsa.

---

---

Literatura

• Alex Patist, Darren Bates (2008): Ultrasonic innovations in the food industry: From the laboratory to commercial production. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 9, Issue 2, 2008. 147-154.
• Astráin-Redín, Leire; Ciudad-Hidalgo, Salomé; Raso, Javier; Condon, Santiago; Cebrián, Guillermo; Álvarez, Ignacio (2019): Application of High-Power Ultrasound in the Food Industry. InTechOpen 2019.
• Belgheisi S., Motamedzadegan A., Milani J.M., Rashidi L., Rafe A. (2021): Impact of ultrasound processing parameters on physical characteristics of lycopene emulsion. Journal of Food Science and Technology 58(2), 2021. 484-493.

 

U ovom videu Simon s portala GuerillaChefs.de prikazuje upotrebu ručnog sonikatora Hielscher UP200Ht za brzu aromatizaciju vode svježim gljivama – inovativnu tehniku koja se koristi u kulinarstvu i molekularnoj gastronomiji. Ultrazvučna obrada poboljšava ekstrakciju aroma i unosi nježne aromatske spojeve u vodenu fazu u roku od nekoliko sekundi, omogućavajući obradu bez zagrijavanja i bez dodataka koji bi narušili jednostavan sastav proizvoda, za profinjene temeljce, infuzije ili aromatske baze. Idealno za kuhare i inovatore u prehrani koji traže preciznost i intenzitet pri razvijanju prirodnih okusa.