Molekulární kuchyně a další kulinářské aplikace

Stručný průvodce zásadami

napsal(a) Mark Gaston

• Většina obsahu této příručky jsou informace, které jsou snadno dostupné, ale někdy jsou napsány způsobem, který ne vždy usnadňuje čtení, pokud náhodou nejste obeznámeni s použitými pojmy.
• Níže jsou vysvětleny důležité pojmy sonikace, jako je sonotroda, amplituda atd., a jejich účinky na kulinářské aplikace.
• Tato níže uvedená příručka se pokouší vysvětlit použití ultrazvukového homogenizátoru méně vědeckým a více kulinářským způsobem.

Ultrazvukové vlny a jejich aplikace v potravinách

Ultrazvukový homogenizátor jako technika existuje již mnoho let v různých formách, ale teprve si nachází cestu do menších kulinářských aplikací. Homogenizátor obsahuje sofistikovanou elektroniku, která dokáže převádět a řídit elektrickou energii na vysokofrekvenční vibrace kovového hrotu nebo sonotrody.
Sonotroda se pohybuje především nahoru a dolů na poměrně vysoké frekvenci nad slyšitelným rozsahem (např. 26000krát za sekundu nebo 26kHz s UP200Ht). Velikost, o kterou se sonotroda pohybuje nahoru a dolů, se nazývá amplituda a obvykle ji lze nastavit mezi 9 a 240 μm (průměrný lidský vlas má pro referenci tloušťku kolem 100 μm). Jednoduše řečeno, sonotroda se chová jako píst pohybující se v kapalině nahoru a dolů.
Jak se sonotroda pohybuje nahoru a dolů, když je ponořena do kapaliny, vytváří oblasti vysokého a nízkého tlaku v kapalině kolem sonotrody, což zase vytváří jev známý jako kavitace. V kuchyni vidíme, že snížení tlaku (například v těsnicím prostředku komory) způsobí, že se tekutiny vaří při nižších teplotách, a zvýšení tlaku (jako je tlakový hrnec) způsobí, že se tekutiny vaří při vyšší teplotě.
Rychle kolísající tlakové pulzace na špičce sonotrody způsobují tvorbu a následné rychlé zhroucení bublin v kapalině. To vše se děje v nepatrném měřítku, ale vytváří obrovské síly v kapalině v důsledku rychlostí, teplot a tlaků generovaných kavitace. Jsou to právě tyto obrovské síly, které můžeme v kuchyni využít ve svůj prospěch. extrakce chutí vedle praskající články nebo odbourávání pevných částic.

Jednou z výzev při používání tohoto zařízení je však využití a ovládání této síly způsobem, který vylepšuje potraviny.
Zakoupený model ultrazvukového homogenizátoru UP200Ht Určuje maximální výkon, který má uživatel k dispozici, a samotný homogenizátor má řadu proměnných, které lze použít k úpravě jeho výkonu tak, aby vyhovoval aplikaci. Pro účely této příručky byl použit model 200 wattů jednotka.

Velikost Sonotrody

Velikost Sonotrode řekl: Fitted má zásadní vliv na to, jak jednotka dodává svůj výkon.
Velmi zjednodušeně řečeno, čím větší je povrchová plocha sonotrody, tím více energie bude vyžadovat k jejímu pohonu při jakékoli dané amplitudě. Viskozita kapaliny bude mít také velký vliv na výkon potřebný k pohonu sonotrody v dané amplitudě.
Představte si sonotrodu jako píst nebo píst, pokud se píst pohybuje nahoru a dolů velmi rychle v hrnci s řídkou tekutinou, jako je voda, je to relativně snadné i při rozumných rychlostech, ale naplňte hrnec hustou omáčkou a totéž nebude pravda, bude to vyžadovat mnohem více energie k rychlému pohybu pístu nahoru a dolů v kapalině kvůli zvýšené viskozitě. Zvětšete velikost pístu nebo pístu a bude také vyžadovat větší úsilí k jeho pohybu nahoru a dolů v kapalině.
Totéž platí o sonotrodě. S namontovanou velkou sonotrodou bude muset jednotka pracovat mnohem tvrději, aby vytvořila danou amplitudu oscilace, pokud má kapalina vysokou viskozitu než kapalina s nízkou viskozitou.

Při jakémkoliv daném nastavení výkonu a menší sonotroda díky své ploše bude generovat větší kolísání tlaku a vyšší kavitace intenzity na špičce než u větší sonotrody (protože síla je zaměřena na menší povrch sonotrody).
Může se stát, že nebude možné pohánět větší sonotrodu se stejnou amplitudou, protože k tomu bude zapotřebí mnohem více energie, což může mít za následek vypnutí jednotky z důvodu přetížení. V tomto případě musí být zmenšena velikost sonotrody nebo musí být získána jednotka s vyšším výkonem.
Vstup intenzita ultrazvuku (při jakémkoli daném nastavení výkonu) klesá s rostoucí plochou povrchu (větší sonotrody), kde jak se intenzita ultrazvukového výkonu zvyšuje s klesající plochou povrchu, nebo jinak řečeno, menší sonotroda vkládá hodně ultrazvukové energie do malé oblasti, kde jako větší sonotroda šíří energii na větší plochu.

Při použití homogenizátoru je celková práce vykonaná na vzorku kombinací Příkon homogenizátoru, hlasitost vzorku a Čas Je vystavena. Abychom získali reprodukovatelné výsledky, musíme vzít v úvahu všechny tři parametry. Neočekávejte, že dáte přístroj na dvě minuty do malého kelímku plného tekutiny a poté dosáhnete stejného výsledku v litru tekutiny za stejnou dobu! Stejně tak pamatujte, že s malými velikostmi vzorků a vysokými příkony teplota vzorku rychle stoupne. U vzorků citlivých na teplotu je lepší použít nižší nastavení výkonu po delší dobu, což umožňuje odvádět energii vstupovanou homogenizátorem ve formě tepla.
Přehřátí vzorku může způsobit, že některé z aromat, které se snažíte zachytit, uniknou ze systému.
Vysoké příkony mohou také způsobit degradaci vzorku, jak je vidět při použití určitých olejů. Oleje, které jsou vystaveny vysokým energetickým vstupům na špičce homogenizátoru, se mohou rozpadnout, což má za následek velmi nepříjemnou chuť, kterou lze popsat pouze jako chuť elektrického spalování!
U materiálů citlivých na teplotu zlepší výsledky chlazení vzorku, například použitím ledové lázně nebo přidáním suchého ledu do vzorku. Použití nižších příkonů po delší dobu pomáhá rozptýlit energii uvolněnou do systému, stejně jako použití jednotky v pulzním režimu, který umožňuje určité chlazení mezi každým výbuchem ultrazvuku.
V rámci elektroniky homogenizátoru si uživatel může vybrat, zda bude jednotka provozována ve dvou hlavních režimech řízení.

Ovládání amplitudy

V tomto režimu si uživatel zvolí % maximální amplitudy požadované pro sonotrodu. Elektronika se pak pokusí pohánět sonotrodu v této amplitudě a upraví vstupní výkon zařízení tak, aby udržovala požadovanou amplitudu na sonotrodě. Pokud je plocha sonotrody příliš velká na to, aby mohla být poháněna touto amplitudou s dostupným výkonem jednotky, amplituda nedosáhne nastavené hodnoty a může se vypnout, pokud je dosaženo stavu přetížení.

Řízení vstupního výkonu

V tomto režimu uživatel nastaví požadovaný příkon ve wattech a elektronika upraví amplitudu kmitů tak, aby regulovala vstupní výkon podle nastavení uživatele. Tento režim umožňuje regulovat výkon přenášený na kapalinu, a proto je teplo generované v kapalině omezeno, aby se zabránilo poškození citlivějších vzorků.

Pulzní režim

Kromě dvou provozních režimů je k dispozici pulzní režim, ve kterém se elektronika zapíná a vypíná v jednom okamžiku cykly, jejichž načasování je nastaveno uživatelem z 10 % času zapnuto a vypnuto 90 % času na zapnuto 90 % času a vypnuto 10 %. To poskytuje pulzující efekt a je užitečné jak pro omezení celkového příkonu vzorku, tak pro vytvoření dobrého míchání ve vzorku, přičemž počáteční vstup je vysoký, protože elektronika se stabilizuje během každého pracovního cyklu.

Obecné rady a triky

Při použití homogenizátoru pro infuzi aromatických látek se lepších výsledků dosáhne, když se velikost pevných látek před homogenizací zmenší, čímž se zvětší plocha povrchu vystavená působení Sonotrode řekl:. Stejný princip platí i při použití homogenizátoru pro Zmenšení velikosti částic. Přemýšlejte o homogenizátoru jako o jemném dokončovacím nástroji, ne jako o běžném mlýnku! Při zmenšování velikosti částic je velká část práce vykonávána vysokorychlostními srážkami částic urychlenými silami generovanými na sonotrodě. Mnohem lepších výsledků bude dosaženo, pokud se část redukce částic provede před sonikací. Začít s již provedeným snížením velikosti hromadných částic znamená, že větší plocha povrchu je vystavena sonikaci a že menší částice budou v kapalině urychlovány rychleji, což má za následek vyšší srážky se silou k dalšímu rozkladu částic. Méně práce bude muset odvést také homogenizátor, což umožní lepší regulaci teploty.
Vzhledem k tomu, že homogenizátor pracuje na poměrně lokalizované úrovni, je užitečný při použití s většími vzorky, řekněme několika stovkami mililitrů nebo více, aby se zajistilo další míchání, aby se zajistilo, že objem kolem sonotrody bude obnoven, čímž se zajistí úplná sonikace vzorku. To platí zejména pro více viskózní vzorky. Dobré magnetické míchadlo je užitečný způsob, jak toho dosáhnout. Míchání také pomáhá zajistit, aby objem kapaliny kolem sonotrody nebyl přehřátý. Použití ledové lázně nebo kousků suchého ledu ve vzorku pomůže odstranit energii předávanou sonifikací. Jak již bylo zmíněno, pokud je materiál citlivý na teplotu, používejte nižší nastavení výkonu po delší dobu a nebo použijte pulzní režim k omezení teplot generovaných ve vzorku, což umožní vzorku vychladnout mezi zvukovými pulzy.

---

---

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.

Fakta, která stojí za to vědět

Ultrazvukové tkáňové homogenizátory jsou často označovány jako sonda sonikátor / sonifikátor, sonický lyzér, ultrazvukový disruptor, ultrazvuková bruska, sono-ruptor, sonifikátor, sonický dezmembrátor, buněčný disruptor, ultrazvukový dispergátor, emulgátor nebo rozpouštěč. Různé termíny vyplývají z různých aplikací, které mohou být splněny sonikací.