Molekularna kuhinja i druge kulinarske primjene

Kratak vodič kroz principe

od Marka Gastona

• Većina sadržaja ovog vodiča su informacije koje su lako dostupne, međutim ponekad su napisane na način koji nije uvijek lak za čitanje osim ako slučajno niste upoznati s korištenim terminima.
• U nastavku su objašnjeni važni pojmovi sonikacije kao što su sonotroda, amplituda itd. i njihovi efekti na kulinarske primjene.
• Ovaj vodič u nastavku pokušava objasniti upotrebu ultrazvučnog homogenizatora na manje znanstveni i više kulinarski način.

Ultrazvučni talasi i njihova primena na hranu

Ultrazvučni homogenizator kao tehnika postoji već dugi niz godina u različitim oblicima, ali tek pronalazi svoj put u kulinarskim aplikacijama manjeg obima. Homogenizator sadrži neku sofisticiranu elektroniku koja može pretvoriti i kontrolirati električnu snagu u visokofrekventne vibracije metalnog vrha ili sonotrode.
Sonotroda se prvenstveno kreće gore-dolje na prilično visokoj frekvenciji iznad čujnog raspona (npr. 26000 puta u sekundi ili 26Khz sa UP200Ht). Količina kojom se sonotroda pomiče gore-dolje naziva se amplituda i obično se može podesiti između 9 i 240 µm (prosječna ljudska kosa je debela oko 100 µm za referencu). Jednostavno rečeno, sonotroda se ponaša kao klip koji se kreće gore-dolje u tekućini.
Kako se sonotroda kreće gore-dolje dok je uronjena u tekućinu, stvara područja visokog i niskog tlaka unutar tekućine oko sonotrode, što zauzvrat stvara fenomen poznat kao kavitacija. U kuhinji vidimo da snižavanje pritiska (kao u zaptivaču komore) uzrokuje ključanje tečnosti na nižim temperaturama, a povećanje pritiska (kao što je ekspres lonac) uzrokuje da tečnosti ključaju na višoj temperaturi.
Brze fluktuirajuće pulsacije pritiska na vrhu sonotrode uzrokuju stvaranje, a zatim i brzo kolaps mjehurića unutar tekućine. Sve se to događa na maloj skali, ali stvara ogromne sile unutar tekućine zbog brzina, temperatura i pritisaka koje stvara kavitacija. Upravo te ogromne snage mogu se okrenuti u našu korist u kuhinji za ekstrakcija aroma by pucanje ćelija ili razlaganje čestica.

Međutim, jedan od izazova u korištenju ove opreme je iskoristiti i kontrolirati ovu moć na način koji poboljšava hranu.
Kupljeni model ultrazvučnog homogenizatora UP200Ht diktira maksimalnu snagu koja je dostupna korisniku, a sam homogenizator ima niz varijabli koje se mogu koristiti za prilagođavanje njegovih performansi kako bi odgovarale aplikaciji. Za potrebe ovog vodiča korišćen je model a 200 vati jedinica.

Sonotrode Size

Veličina sonotrode ugrađeno ima veliki uticaj na to kako jedinica isporučuje svoju snagu.
Vrlo jednostavno rečeno, što je veća površina sonotrode, to će joj trebati više snage da bi je pokrenuo pri bilo kojoj datoj amplitudi. Viskoznost tečnosti će takođe imati veliki uticaj na snagu potrebnu za pokretanje sonotrode pri datoj amplitudi.
Zamislite sonotrodu kao klip ili klip, ako se klip pomiče gore-dole vrlo brzo u loncu s tankom tekućinom kao što je voda, to je relativno lako učiniti čak i pri razumnim brzinama, međutim napunite lonac gustim umakom i isto neće biti tačno, biće potrebno mnogo više snage za brzo pomeranje klipa gore-dole u tečnosti zbog povećanog viskoziteta. Povećajte veličinu klipa ili klipa i takođe će biti potrebno više napora da se pomera gore-dole u tečnosti.
Isto važi i za sonotrodu. Sa ugrađenom velikom sonotrodom, jedinica će morati raditi daleko više da bi proizvela datu amplitudu oscilacije ako tekućina ima visoku viskoznost nego s tekućinom niskog viskoziteta.

Pri bilo kojoj postavci snage a manja sonotroda zbog svoje površine stvarat će veće fluktuacije tlaka i viši kavitacija intenziteta na vrhu od veće sonotrode (pošto je snaga fokusirana na manju površinu sonotrode).
Možda neće biti moguće pokretati veću sonotrodu pri istoj amplitudi jer će za to biti potrebna daleko veća snaga, što može rezultirati gašenjem jedinice zbog preopterećenja. U tom slučaju se veličina sonotrode mora smanjiti ili se dobiti jedinica veće snage.
Ulaz intenzitet ultrazvuka (u bilo kojoj datoj postavci snage) opada s povećanjem površine (veće sonotrode), gdje kako se intenzitet ultrazvučne snage povećava sa smanjenjem površine, ili drugačije rečeno, manja sonotroda stavlja mnogo ultrazvučne snage u malo područje, gdje kao veća sonotroda širi snagu na veću površinu.

Kada se koristi homogenizator, ukupan rad obavljen na uzorku je kombinacija ulazna snaga homogenizatora, volumen uzorka i Vrijeme izloženo je. Da bismo dobili ponovljive rezultate, moramo uzeti u obzir sva tri parametra. Nemojte očekivati da ćete uređaj staviti u malu šolju punu tečnosti na dva minuta, a zatim dobiti isti rezultat u litri tečnosti u istom vremenskom periodu! Jednako tako zapamtite da s malim veličinama uzoraka i velikom ulaznom snagom Temperatura uzorka će brzo porasti. Za temperaturno osjetljive uzorke bolje je koristiti niže postavke snage tokom dužih perioda, omogućavajući da se energija koju homogenizator unese kao toplina rasipa.
Pregrijavanje uzorka može uzrokovati da neke od aroma koje pokušavate uhvatiti pobjegnu iz sistema.
Unosi velike snage također mogu uzrokovati degradaciju uzorka, što se može vidjeti kada se koriste određena ulja. Ulja kada su izložena visokim energetskim unosima na vrhu homogenizatora mogu se razgraditi što rezultira vrlo neugodnim okusom koji se može opisati samo kao okus električnog gorenja!
Za materijale osjetljive na temperaturu hlađenje uzorka će poboljšati rezultate kao što je korištenje ledene kupke ili uključivanje malo suhog leda u uzorak. Korištenje manje ulazne snage tokom dužeg perioda pomaže u raspršivanju energije koja se oslobađa u sustavu, kao i korištenje jedinice u pulsnom načinu rada koji omogućava hlađenje između svakog rafala ultrazvuka.
Unutar elektronike homogenizatora, korisnik može izabrati da upravlja jedinicom u dva glavna načina upravljanja.

kontrola amplitude

U ovom načinu rada korisnik bira % maksimalne amplitude potrebne za sonotrodu. Elektronika će tada pokušati pokrenuti sonotrodu na toj amplitudi i podesiti ulaznu snagu uređaja kako bi održala potrebnu amplitudu na sonotrodi. Ako je površina sonotrode prevelika da bi se mogla pokrenuti ovom amplitudom s dostupnom snagom jedinice, amplituda neće dostići postavljenu vrijednost i može se isključiti ako se postigne stanje preopterećenja.

Kontrola ulazne snage

U ovom načinu rada korisnik postavlja potrebnu ulaznu snagu u vatima, a elektronika će podesiti amplitudu oscilacija kako bi regulisala ulaznu snagu prema podešavanjima korisnika. Ovaj način rada omogućava regulaciju snage koja se prenosi na tekućinu, a samim tim i ograničavanje topline koja se stvara u tekućini izbjegavajući oštećenje osjetljivijih uzoraka.

pulsni mod

Pored dva načina rada, postoji i pulsni režim, pri čemu se elektronika uključuje i isključuje ciklusa, čije vrijeme postavlja korisnik od uključenog 10% vremena i isključenog 90% do uključenog 90% vremena i isključenog 10%. Ovo daje pulsirajući efekat i korisno je i za ograničavanje ukupnog unosa snage za uzorak i za stvaranje dobrog miješanja unutar uzorka da bi početni ulaz bio visok kako se elektronika stabilizuje tokom svakog radnog ciklusa.

Opći savjeti i trikovi

Kada se koristi homogenizator za infuziju aroma, postižu se bolji rezultati kada su čvrste tvari smanjene u veličini prije homogenizacije, što će povećati površinu izloženu sonotrode. Isti princip se primjenjuje kada se koristi homogenizator za smanjenje veličine čestica. Zamislite homogenizator kao fini alat za završnu obradu, a ne kao brusilicu! U smanjenju veličine čestica veliki dio posla obavljaju velike brzine sudara čestica koje ubrzavaju sile generirane na sonotrodi. Mnogo bolji rezultati će se dobiti ako se dio redukcije čestica obavi prije ultrazvuka. Počevši sa već učinjenim smanjenjem veličine krupnih čestica znači da je veća površina izložena sonikaciji i da će se manje čestice brže ubrzati u tekućini, što rezultira većim sudarima sa silom za dalje razbijanje čestica. Manje posla će takođe morati da obavi homogenizator, što omogućava bolju kontrolu temperature.
Kako homogenizator radi na prilično lokaliziranom nivou, korisno je kada se koristi s većim uzorcima od recimo nekoliko stotina mililitara ili više da se osigura dodatno miješanje kako bi se osiguralo da se volumen oko sonotrode osvježi, osiguravajući potpunu sonikaciju uzorka. Ovo se posebno odnosi na više viskozna uzorci. Dobra magnetna mješalica je koristan način da se to postigne. Agitacija također pomaže u osiguravanju da se volumen tekućine oko sonotrode ne pregrije. Korištenje ledene kupke ili komadića suhog leda u uzorku pomoći će u uklanjanju energije koju daje sonifikacija. Kao što je već diskutovano, ako je materijal osjetljiv na temperaturu, koristite niže postavke snage tokom dužeg vremenskog perioda i ili koristite pulsni način da ograničite temperature generirane u uzorku omogućavajući uzorku da se ohladi između zvučnih impulsa.

---

---

Književnost

• 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.

Činjenice koje vrijedi znati

Ultrazvučni homogenizatori tkiva se često nazivaju sonifikatorom sonde/sonifikatorom, zvučnim lizerom, ultrazvučnim disruptorom, ultrazvučnim mlincem, sono-ruptorom, sonifikatorom, zvučnim dismembratorom, disruptorom ćelija, ultrazvučnim disperzerom, emulgatorom ili rastvaračem. Različiti pojmovi proizlaze iz različitih primjena koje se mogu ispuniti ultrazvukom.