Molekylært køkken og andre kulinariske anvendelser

En kort vejledning til principperne

af Mark Gaston

• Det meste af indholdet i denne vejledning er information, der er let tilgængelig, men den er nogle gange skrevet på en måde, der ikke altid er let at læse, medmindre du tilfældigvis er bekendt med de anvendte termer.
• Nedenfor forklares vigtige termer for sonikering såsom sonotrode, amplitude osv. og deres virkninger på kulinariske applikationer.
• Denne vejledning nedenfor forsøger at forklare brugen af ultralydshomogenisatoren på en mindre videnskabelig og mere kulinarisk relateret måde.

Ultralydsbølger og deres anvendelse på fødevarer

Ultralydshomogenisatoren som teknik har eksisteret i mange år i forskellige former, men er kun lige ved at finde vej til mindre kulinariske applikationer. Homogenisatoren indeholder noget sofistikeret elektronik, som kan omdanne og styre elektrisk strøm til højfrekvente vibrationer af metalspidsen eller sonotroden.
Sonotroden bevæger sig primært op og ned ved ret høj frekvens over det hørbare område (f.eks. 26000 gange i sekundet eller 26Khz med UP200Ht). Den mængde, som sonotroden bevæger sig op og ned, kaldes amplituden og kan typisk justeres mellem 9 og 240 μm (det gennemsnitlige menneskehår er omkring 100 μm tykt som reference). Enkelt sagt opfører sonotroden sig som et stempel, der bevæger sig op og ned i væsken.
Når sonotroden bevæger sig op og ned, mens den er nedsænket i en væske, skaber den områder med højt og lavt tryk i væsken omkring sonotroden, hvilket igen skaber et fænomen kendt som kavitation. Vi ser i køkkenet, at sænkning af trykket (såsom i en kammerforsegler) får væsker til at koge ved lavere temperaturer, og at forhøjelse af trykket (såsom en trykkoger) får væsker til at koge ved en højere temperatur.
De hurtigt svingende trykpulsationer i spidsen af sonotroden forårsager dannelse og derefter hurtigt kollaps af bobler i væsken. Dette sker alt sammen på en minutskala, men skaber enorme kræfter i væsken på grund af de hastigheder, temperaturer og tryk, der genereres af Kavitation. Det er disse enorme kræfter, der kan vendes til vores fordel i køkkenet for ekstraktion af smagsstoffer ved sprængte celler eller Nedbrydning af partikler.

En af udfordringerne ved brugen af dette udstyr er dog at udnytte og kontrollere denne kraft på en måde, der forbedrer fødevarer.
Den købte ultralydshomogenisatormodel UP200Ht dikterer den maksimale effekt, der er tilgængelig for brugeren, og homogenisatoren selv har en række variabler, der kan bruges til at justere dens ydeevne, så den passer til applikationen. I denne vejledning var den anvendte model en 200 watt enhed.

Sonotrode Størrelse

Størrelsen af Sonotrode monteret har stor indflydelse på, hvordan enheden leverer sin strøm.
Meget enkelt sagt, jo større overfladearealet af sonotroden er, jo mere kraft vil det kræve at drive den ved en given amplitude. Væskens viskositet vil også have stor indflydelse på den kraft, der kræves for at drive sonotroden ved en given amplitude.
Forestil dig sonotroden som et stempel eller stempel, hvis stemplet bevæges meget hurtigt op og ned i en gryde med tynd væske som vand, er det relativt nemt at gøre det selv ved rimelige hastigheder, men fyld gryden med en tyk sauce, og det samme vil ikke være sandt, det vil kræve meget mere kraft at bevæge stemplet hurtigt op og ned i væsken på grund af den øgede viskositet. Forøg størrelsen på stemplet eller stemplet, og det vil også kræve mere indsats at flytte det op og ned i væsken.
Det samme gælder for sonotroden. Med en stor sonotrode monteret skal enheden arbejde langt hårdere for at producere en given amplitude af svingning, hvis væsken har en høj viskositet end med en væske med lav viskositet.

Ved en given effektindstilling en Mindre Sonotrode på grund af dets overfladeareal vil generere større trykudsving og Højere Kavitation intensiteter i spidsen end en større sonotrode (da kraften er fokuseret på en mindre sonotrodes overfladeareal).
Det er muligvis ikke muligt at køre en større sonotrode med samme amplitude, da der kræves langt mere strøm for at gøre det, hvilket muligvis kan resultere i nedlukning af enheden på grund af overbelastning. I dette tilfælde skal størrelsen af sonotroden reduceres, eller der opnås en enhed med højere effekt.
Indgangen ultralyd intensitet (ved en given effektindstilling) falder med stigende overfladeareal (større sonotroder), hvor når ultralydseffektintensiteten stiger med faldende overfladeareal, eller for at sige det på en anden måde, sætter en mindre sonotrode en masse ultralydseffekt ind i et lille område, hvor som en større sonotrode spreder kraften over et større område.

Når homogenisatoren anvendes, er det samlede arbejde, der udføres på prøven, en kombination af Strømforbrug homogenisatoren, den lydstyrke af stikprøven og Tidspunkt den er blotlagt. For at få reproducerbare resultater skal vi overveje alle tre parametre. Forvent ikke at lægge enheden i en lille kop fuld af væske i to minutter og derefter få det samme resultat i en liter væske over samme tidsperiode! Husk ligeledes, at med små stikprøvestørrelser og høje effektindgange temperatur af prøven vil stige hurtigt. For temperaturfølsomme prøver er det bedre at bruge lavere effektindstillinger over længere perioder, så den energi, som homogenisatoren tilfører som varme, kan spredes.
Overophedning af prøven kan meget vel få nogle af de aromaer, du forsøger at fange, til at undslippe systemet.
Høje effektindgange kan også forårsage nedbrydning af prøven, som det kan ses ved brug af visse olier. Olier, der udsættes for de høje energitilførsler i spidsen af homogenisatoren, kan nedbrydes, hvilket resulterer i en meget ubehagelig smag, som kun kan beskrives som smagen af elektrisk forbrænding!
For temperaturfølsomme materialer vil afkøling af prøven forbedre resultaterne, f.eks. ved at bruge et isbad eller inkludere noget tøris i prøven. Brug af lavere strømindgange over en længere periode hjælper med at sprede den energi, der frigives i systemet, ligesom brug af enheden i pulstilstand, som tillader en vis afkøling mellem hvert ultralydsudbrud.
Inden for homogenisatorens elektronik kan brugeren vælge at betjene enheden i to hovedtilstande.

Amplitude kontrol

I denne tilstand vælger brugeren den % af maksimal amplitude, der kræves til sonotroden. Elektronikken vil derefter forsøge at drive sonotroden ved den amplitude og vil justere enhedens indgangseffekt for at opretholde den nødvendige amplitude ved sonotroden. Hvis sonotrodeoverfladearealet er for stort til at blive drevet med denne amplitude med enhedens tilgængelige effekt, vil amplituden vil ikke nå den indstillede værdi og kan lukke ned, hvis en overbelastningstilstand nås.

Kontrol af indgangseffekt

I denne tilstand indstiller brugeren den nødvendige effektindgang i watt, og elektronikken justerer amplituden af svingningerne for at regulere indgangseffekten til brugerens indstilling. Denne tilstand gør det muligt at regulere den effekt, der overføres til væsken, og derfor begrænses den varme, der genereres i væsken, og dermed undgås beskadigelse af mere følsomme prøver.

Puls-tilstand

Ud over de to driftstilstande er der en pulstilstand, hvor elektronikken tænder og slukker i Cykler, hvis timing indstilles af brugeren fra at være på 10 % af tiden og slukket 90 % til 90 % af tiden og slukket 10 %. Dette giver en pulserende effekt og er nyttigt både til at begrænse den samlede effekttilførsel til prøven og skabe god omrøring i prøven til det indledende input er højt, da elektronikken stabiliserer sig under hver driftscyklus.

Generelle råd og tricks

Når homogenisatoren anvendes til infusion af smagsstoffer, opnås der bedre resultater, når de faste stoffer er blevet reduceret i størrelse, før de homogeniseres, hvilket vil øge det overfladeareal, der udsættes for Sonotrode. Det samme princip gælder ved anvendelse af homogenisatoren til Reduktion af partikelstørrelse. Tænk på homogenisatoren som et fint efterbehandlingsværktøj, ikke en kurssliber! I reduktionen af partikelstørrelser udføres meget af arbejdet ved højhastighedskollisioner af partikler, der accelererede de kræfter, der genereres ved sonotroden. Meget bedre resultater opnås, hvis noget af partikelreduktionen udføres før sonikering. At starte med den allerede udførte reduktion af bulkpartikelstørrelse betyder, at et større overfladeareal udsættes for sonikering, og at de mindre partikler vil blive accelereret i væsken hurtigere, hvilket resulterer i højere kollisioner med en kraft til yderligere at nedbryde partikler. Homogenisatoren skal også udføre mindre arbejde, så temperaturen kan kontrolleres bedre.
Da homogenisatoren fungerer på et ganske lokaliseret niveau, er det nyttigt, når det bruges med større prøver på f.eks. flere hundrede milliliter eller mere for at give yderligere omrøring for at sikre, at volumenet omkring sonotroden opdateres, hvilket sikrer fuldstændig sonikering af prøven. Dette gælder især for mere tyk Prøver. En god magnetomrører er en nyttig måde at opnå dette på. Omrøringen hjælper også med at sikre, at væskemængden omkring sonotroden ikke overophedes. Brug af et isbad eller tørisstykker i prøven vil hjælpe med at fjerne den energi, der formidles af sonificeringen. Som allerede diskuteret, hvis materialet er temperaturfølsomt, skal du bruge lavere effektindstillinger over en længere periode og eller bruge pulstilstanden til at begrænse de temperaturer, der genereres i prøven, så prøven kan køle af mellem soniske impulser.

---

---

Litteratur

• 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, der er værd at vide

Ultralydsvævshomogenisatorer omtales ofte som sondesoniker / sonificator, sonisk lyser, ultralydsforstyrrer, ultralydssliber, sono-ruptor, sonifier, sonisk dismembrator, celleforstyrrer, ultralydsdisperger, emulgator eller opløser. De forskellige vilkår skyldes de forskellige applikationer, der kan opfyldes ved sonikering.