Molekylær gastronomi og andre kulinariske anvendelser

Sonikering forandrer den måde, kokke og fødevareforskere tilbereder mad og drikkevarer på: ultralydsekstraktion, infusion, emulgering og homogenisering er centrale anvendelser af sonikeringsapparater til kulinariske kreationer. Fra hurtige ekstraktioner til mere silkebløde emulsioner og intensiverede aromaer udvikler ultralydsbølger fremragende smage og teksturer. I denne artikel lærer du, hvordan kokke og fødevareteknologer udnytter ultralydskavitation til at genskabe alt fra cocktails til consomméer.

En kort vejledning i principperne

gæsteartikel af Mark Gaston

• Det meste af indholdet i denne vejledning er lettilgængelig information, men den er undertiden skrevet på en måde, som ikke altid er let at læse, medmindre man er fortrolig med de anvendte begreber.
• Nedenfor forklares vigtige begreber inden for sonikering såsom sonotrode, amplitude osv. og deres virkninger i kulinariske anvendelser.
• Denne vejledning forsøger at forklare brugen af ultralydshomogenisatoren på en mindre videnskabelig og mere kulinarisk orienteret måde.

Ultralydsbølger og deres anvendelse på fødevarer

Ultralydshomogenisering som teknik har eksisteret i mange år i forskellige former, men er først nu ved at finde vej til kulinariske anvendelser i mindre skala. Homogenisatoren indeholder avanceret elektronik, som kan omdanne elektrisk effekt til højfrekvente vibrationer i metalspidsen eller sonotroden og styre dem.
Sonotroden bevæger sig primært op og ned med en ret høj frekvens over det hørbare område (f.eks. 26.000 gange i sekundet eller 26Khz med sonikeringsapparatet UP200Ht). Den afstand, som sonotroden bevæger sig op og ned, kaldes amplituden og kan typisk indstilles mellem 9 og 240 µm (til sammenligning er et gennemsnitligt menneskehår omkring 100 µm tykt). 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. Dette skaber igen et fænomen, der kaldes kavitation. I køkkenet ser vi, at et lavere tryk (som i en kammervakuumpakker) får væsker til at koge ved lavere temperaturer, og at et højere tryk (som i en trykkoger) får væsker til at koge ved en højere temperatur.
De hurtigt varierende trykpulsationer ved sonotrodens spids får bobler til at dannes og derefter hurtigt kollapse i væsken. Alt dette sker i meget lille skala, men skaber enorme kræfter i væsken på grund af de hastigheder, temperaturer og tryk, som kavitationen genererer. Det er disse enorme kræfter, vi kan udnytte til vores fordel i køkkenet til ekstraktion af smagsstoffer ved at sprænge celler, emulgering, eller nedbrydning af partikler.

 

Se, hvordan Hielscher UP200Ht-ultralydsapparatet omdanner en plantebaseret chokoladeemulsion til en silkeblød, stabil vegansk chokolademousse. Ultralydskavitation sikrer fin dispergering, øget emulsionsstabilitet og optimal konsistens – og skaber dermed grundlaget for en perfekt mælkefri dessert med fyldig chokoladesmag. Ved at danne en stabil emulsion af chokoladefedt og vand med dråbestørrelser under en mikrometer bidrager ultralydsbehandlingen til en intens smagsoplevelse og en glat, sammenhængende mundfølelse. Desuden nedbryder ultralydsbehandlingen agglomerater af stivelse, proteiner og kakaotørstof og giver dermed maksimal cremethed og intensiveret smag.

Læs mere om ultralydsemulgering af en vegansk mousse au chocolat!
 

En af udfordringerne ved brugen af dette udstyr er dog at udnytte og styre denne effekt på en måde, der forbedrer fødevarerne.
Den indkøbte ultralydshomogenisator model UP200Ht bestemmer den maksimale effekt, der er til rådighed for brugeren, og selve homogenisatoren har en række variabler, som kan bruges til at tilpasse dens ydeevne til anvendelsen. Til denne vejledning blev Hielschers sonikeringsapparat på 200 watt anvendt.

Sonotrodens størrelse

Størrelsen på den monterede sonotrode har stor betydning for, hvordan apparatet leverer sin effekt.
Helt enkelt sagt kræver det mere effekt at drive sonotroden ved en given amplitude, jo større dens overfladeareal er. Væskens viskositet har også stor indflydelse på den effekt, der kræves for at drive sonotroden ved en given amplitude.
Forestil dig sonotroden som et stempel eller en stempelstang. Hvis stemplet bevæges meget hurtigt op og ned i en gryde med en tyndtflydende væske som vand, er det forholdsvis let at gøre, selv ved rimelige hastigheder. Fyldes gryden derimod med en tyk sauce, gælder det samme ikke længere. Det vil kræve meget mere effekt at bevæge stemplet hurtigt op og ned i væsken på grund af den øgede viskositet. Hvis størrelsen på stemplet eller stempelstangen øges, vil det også kræve større kraft at bevæge det op og ned i væsken.
Det samme gælder for sonotroden. Med en stor sonotrode monteret skal apparatet arbejde langt hårdere for at frembringe en given svingningsamplitude, hvis væsken har en høj viskositet, end hvis den har en lav viskositet.
 

 

Ved enhver given effektindstilling vil en mindre sonotrode på grund af sit overfladeareal generere større trykudsving og højere kavitationsintensiteter ved spidsen end en større sonotrode (fordi effekten koncentreres på den mindre sonotrodes overfladeareal).
Det er muligvis ikke muligt at drive en større sonotrode ved samme amplitude, da det vil kræve langt mere effekt og muligvis medføre, at apparatet slukker på grund af overbelastning. I dette tilfælde skal sonotrodens størrelse reduceres, eller der skal anskaffes et apparat med højere effekt.
Ultralydsintensiteten (ved enhver given effektindstilling) falder med stigende overfladeareal (større sonotroder), mens ultralydens effektintensitet stiger med faldende overfladeareal. Sagt på en anden måde tilfører en mindre sonotrode meget ultralydseffekt til et lille område, mens en større sonotrode fordeler effekten over et større område.

Når homogenisatoren anvendes, er det samlede arbejde, der udføres på prøven, en kombination af den tilførte effekt fra homogenisatoren, prøvens volumen og den tid, den udsættes for behandlingen. For at opnå reproducerbare resultater skal vi tage højde for alle tre parametre. Forvent ikke at sætte apparatet i en lille kop fyldt med væske i to minutter og derefter få samme resultat i en liter væske i samme tidsrum! Husk også, at prøvens temperatur stiger hurtigt ved små prøvevolumener og høj tilført effekt. For temperaturfølsomme prøver er det bedre at bruge lavere effektindstillinger over længere tid, så den energi, homogenisatoren tilfører som varme, kan bortledes.
Overophedning af prøven kan meget vel få nogle af netop de aromaer, du forsøger at indfange, til at undslippe systemet.
Høj tilført effekt kan også medføre nedbrydning af prøven, som det ses ved brug af visse olier. Når olier udsættes for den høje energitilførsel ved homogenisatorens spids, kan de nedbrydes og få en meget ubehagelig smag, som kun kan beskrives som smagen af noget elektrisk, der brænder!
For temperaturfølsomme materialer vil køling af prøven forbedre resultaterne, eksempelvis ved at bruge et isbad eller tilsætte lidt tøris til prøven. Lavere tilført effekt over længere tid hjælper med at fordele den energi, der frigives i systemet. Det samme gør brug af apparatet i pulstilstand, som giver mulighed for en vis køling mellem hver ultralydspuls.
Via homogenisatorens elektronik kan brugeren vælge at betjene apparatet med to hovedformer for styring.

Amplitudestyring

I denne tilstand vælger brugeren den ønskede procentdel (%) af sonotrodens maksimale amplitude. Elektronikken vil derefter forsøge at drive sonotroden ved denne amplitude og justere apparatets tilførte effekt for at opretholde den ønskede amplitude ved sonotroden. Hvis sonotrodens overfladeareal er for stort til, at den kan drives ved denne amplitude med apparatets tilgængelige effekt, vil amplituden ikke nå den indstillede værdi, og apparatet kan slukke, hvis der opstår overbelastning.

Ønsker De at fremstille Deres egne krydderiekstrakter eller saucer? Uanset om det er til restaurantkøkkenet, den ambitiøse souschef eller kommercielle producenter, kan De med ultralydsudstyr fra Hielscher fremstille ekstrakter og saucer af høj kvalitet på kort tid. Fremstil selv økologiske ekstrakter! Undgå konserveringsmidler! Brug kun de ingredienser, De selv vælger!

Styring af tilført effekt

I denne tilstand indstiller brugeren den ønskede tilførte effekt i watt, og elektronikken justerer svingningernes amplitude for at regulere den tilførte effekt efter brugerens indstilling. Denne tilstand gør det muligt at regulere den effekt, der overføres til væsken, og dermed begrænse den varme, der genereres i væsken, så skader på mere følsomme prøver undgås.

Pulstilstand

Ud over de to driftstilstande findes der en pulstilstand, hvor elektronikken tænder og slukker i cyklusser, hvis tidsfordeling indstilles af brugeren fra tændt 10% af tiden og slukket 90% til tændt 90% af tiden og slukket 10%. Dette giver en pulserende virkning og er nyttigt både til at begrænse den samlede effekttilførsel til prøven og til at skabe god omrøring i prøven, med en høj indledende tilførsel, mens elektronikken stabiliseres i hver driftscyklus.

Generelle tips og tricks

Når homogenisatoren bruges til infusion af smagsstoffer, opnås bedre resultater, hvis de faste bestanddele er blevet findelt før homogeniseringen. Dette øger det overfladeareal, der udsættes for sonotroden. Det samme princip gælder, når homogenisatoren bruges til reduktion af partikelstørrelse. Betragt homogenisatoren som et værktøj til finbearbejdning og ikke som en grovkværn! Ved reduktion af partikelstørrelse udføres en stor del af arbejdet gennem højhastighedskollisioner mellem partikler, der accelereres af de kræfter, som genereres ved sonotroden. Der opnås langt bedre resultater, hvis en del af partikelstørrelsesreduktionen udføres før sonikeringen. Når størstedelen af partikelstørrelsesreduktionen allerede er udført ved starten, udsættes et større overfladeareal for sonikering, og de mindre partikler accelereres hurtigere i væsken. Det medfører kraftigere kollisioner med tilstrækkelig kraft til at nedbryde partiklerne yderligere. Homogenisatoren skal også udføre mindre arbejde, hvilket giver bedre mulighed for at styre temperaturen.
Da homogenisatoren virker ret lokalt, er det nyttigt ved større prøver på eksempelvis flere hundrede milliliter eller mere at tilføre yderligere omrøring for at sikre, at væsken omkring sonotroden udskiftes, så hele prøven sonikeres. Dette gælder især for mere viskøse prøver. En god magnetomrører er en nyttig måde at opnå dette på. Omrøringen hjælper også med at sikre, at væskevolumenet omkring sonotroden ikke overophedes. Brug af et isbad eller tørisstykker i prøven hjælper med at bortlede den energi, der tilføres ved sonikeringen. Som allerede omtalt bør du, hvis materialet er temperaturfølsomt, bruge lavere effektindstillinger over længere tid og/eller bruge pulstilstanden til at begrænse de temperaturer, der opstår i prøven, så prøven kan køle mellem ultralydspulserne.

---

---

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.
• 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.

 

I denne video demonstrerer Simon fra GuerillaChefs.de brugen af det håndholdte Hielscher UP200Ht ultralydsapparat til hurtig aromatisering af vand med friske svampe – en innovativ teknik inden for madlavning og molekylær gastronomi. Ultralydsbehandling forbedrer smagsekstraktionen og overfører delikate aromastoffer til vandfasen på få sekunder, hvilket muliggør forarbejdning uden varme og tilsætningsstoffer til raffinerede bouilloner, udtræk eller smagsbaser. Ideel til kokke og fødevareudviklere, der søger præcision og intensitet i udviklingen af naturlig smag.