Hielscher Ultraschalltechnik

Molekulare Küche und andere kulinarische Anwendungen

Eine Einführung in die Grundlagen des Ultraschalls in der Kulinarik

von Mark Gaston

  • Bei den meisten Inhalten dieser Einführung handelt es sich um wissenschaftliche Informationen, welche jedem leicht zugänglich sind. Allerdings sind diese Informationen häufig so geschrieben, dass sie nicht immer einfach zu lesen und verstehen sind, wenn Sie mit dem verwendeten Fachvokabular nicht vertraut sein sollten.
  • Im Folgenden werden wichtige Begriffe der Beschallung, wie z.B. Sonotrode, Amplitude etc. und deren Einfluss auf die kulinarischen Anwendungen erläutert.
  • Dieser kurze Leitfaden versucht Ihnen zu erklären, wie Sie Ihren Ultraschallhomogenisator einfach und erfolgreich in der Küche einsetzen können.

Ultraschallwellen und die Beschallung von Lebensmitteln

Der Ultraschall-Homogenisator wird schon seit vielen Jahren für zahlreiche verschiedene Anwendungen eingesetzt. In der Kulinarik ist er allerdingsbisher nur in die Spitzengastronomie und Molekularküche vorgedrungen. Der Ultraschallhomogenisator besitzt eine hochentwickelte Elektronik, wodurch es möglich wird, elektrische Energie in hochfrequente Schwingungen umzuwandeln, welche über die Metallspitze bzw. Sonotrode in Flüssigkeiten übertragen werden kann.
Die Sonotrode bewegt sich mit sehr hoher Frequenz über dem hörbaren Bereich auf und ab (z.B. 26000 Mal pro Sekunde bzw. mit 26kHz beim Ultraschallgerät UP200Ht). Die Auslenkung, d.h, der Weg, den sich die Sonotrode rauf und runter bewegt, wird als Amplitude bezeichnet. Normalerweise lässt sich bei einem Ultraschallhomogenisator eine Amplitude zwischen 9 und 240 µm einstellen (zum Vergleich: ein menschliches Haar ist ca. 100 µm dick). Mit einfachen Worten beschrieben verhält sich die Sonotrode wie eine Lautsprechermembran, welche sich sich nach oben und unten bewegt und die Schwingungen überträgt.
Da die Sonotrode bewegt sich nach oben und nach unten, während in einer Flüssigkeit eingetaucht ist, erzeugt es Bereiche mit hohem und niedrigen Druck innerhalb der Flüssigkeit um die Sonotrode Dies wiederum erzeugt ein Phänomen, das als Kavitation bekannt. Wir sehen in der Küche, die einen Druck (wie beispielsweise in einer Kammer sealer) Absenken bewirkt Flüssigkeiten bei niedrigeren Temperaturen sieden und Erhöhen des Drucks (wie etwa eine Druckkocher) bewirkt, dass Flüssigkeiten mit einer höheren Temperatur sieden.
Die schnell fluktuierenden Druckpulsationen an der Spitze der Sonotrode bewirkt die Bildung und dann raschen Kollaps der Blasen innerhalb der Flüssigkeit. Das alles geschieht auf einem winzigen Maßstab, sondern schafft enorme Kräfte innerhalb der Flüssigkeit aufgrund der Geschwindigkeiten, Temperaturen und Drücke, die durch die erzeugte Kavitationwerden extrem hohe Temperaturen, Heiz- und Kühlraten, Drücke sowie Flüssigkeitsstrahlen mit hohen Geschwindigkeiten erzeugt. Diese hochintensiven Kräfte nutzen wir in der Küche z.B. für die Extraktion von Aromen durch Zellaufschluss oder das Zerschlagen von Partikeln.
Der Einsatz eines Ultraschallhomogenisators erfordert einen kontrollierte Leistungsabgabe, so dass der Ultraschall den Geschmack der Lebensmittel verbessert. Durch eine zu intensive oder zu lange Beschallung können nämlich Geschmacks- und Nährstoffe zersetzt werden.
Der (vom Autor) gekaufte Ultraschallhomogenisator UP200Ht hat eine maximale Leistung 200Watt. Der Homogenisator selbst verfügt über eine Reihe von Variablen, welche verwendet werden können, um die Ultraschallleistung entsprechend an die Anwendung anpassen zu können. In dieser Einführung wird das Ultraschallgerät UP200Ht mit 200 Watt verwendet.

Sonotrodengröße

Die Größe der Sonotrode hat einen großen Effekt darauf, welche Beschallungsintensität Ihr Ultraschallgerät liefert.
Um es einfach auszudrücken: Je größer die Strinfläche der Sonotrode ist, umso mehr Energie ist notwendig, um eine bestimmte Amplitude zu erzielen. Auch die Viskosität der beschallten Flüssigkeit hat großen Einfluss auf die benötigte Kraft, um die Sonotrode bei einer bestimmten Amplitude zu betreiben.
Stellen Sie sich die Sonotrode als einen Kolben vor: Wenn Sie den Kolben in einen Topf mit dünnen bzw. wässrigen Flüssigkeit sehr schnell nach oben und unten bewegen, so ist dies relativ einfach und ohne großen Kraftaufwand zu tun. Füllen Sie den Topf allerdings mit einer dicken Sauce und so wird die gleiche Bewegung des Kolbens deutlich anstrengender, da es mehr Kraft erfordert, den Kolben im dickflüssigen Medium bei gleicher Geschwindigkeit auf und ab zu bewegen. Nehmen Sie zusätzlich einen größeren Kolben, so ist noch mehr Kraft notwendig, um die gleiche Bewegung zu vollziehen.
Das gleiche Prinzip gilt für die Sonotrode. Wenn Sie Ihren Ultraschallhomogenisator mit einer großen Sonotrode ausgestatten, so muss das Gerät mehr Leistung aufbringen, um mit der großen Sonotrode eine bestimmte Amplitude zu erzeugen. Ebenso wird für die Beschallung von hochviskosen, pastösen Flüssigkeiten mehr Leistung benötigt als bei der Ultraschallverarbeitung von niederviskosen, wässrigen Flüssigkeiten.

Verschiedene Sonotrode Größen und Formen für verschiedene Anwendungen.

Sonotroden mit verschiedenen Größen und Formen für das UP200Ht

Bei einer bestimmten gewählten Leistungseinstellung des Ultraschallgerätes erzeugt eine kleinere Sonotrode aufgrund der geringeren Stirnfläche höhere Auslenkungen, d.h. eine höhere Amplitude, und somit größere Druckschwankungen und höhere Kavitation sintensitäten als eine größere Sonotrode (da sich dieselbe Kraft auf eine kleinere Sonotrodefläche verteilt und dadurch intensiver wirkt).
Daher kann es passieren, dass es bei einer bestimmten Gerätekonfiguration nicht möglich ist, eine größere Sonotrode mit der gleichen Amplitude zu betreiben, da für die größere Sonotrodenfläohe deutlich mehr Leistung erforderlich ist, so dass das Gerät möglicherweise aufgrund von Überlast abschaltet. In diesem Fall müssen Sie eine kleinere Sonotrode oder ein leistungsstärkeres Ultraschallgerät wählen.
Die eingetragene Ultraschallintensität (bei einer bestimmten Leistungseinstellung) verringert sich mit der zunehmenden Stirnfläche (= größere Sonotroden), wohingegen die Beschallungsintensität bei einer kleineren Sonotrode zunimmt. Mit anderen Worten ausgedrückt: eine kleinere Sonotrode gibt hochintensiven Ultraschall fokussiert über eine kleine Oberfläche ab, während eine größere Sonotrode die Ultraschallenergie auf eine größere Fläche verteilt und somit bei gleicher Leistungseinstellung eine mildere Beschallung erreicht wird .
Beim Einsatz eines Ultraschallhomogenisators ergibt sich die Gesamtleistung aus der Kombination von Leistungsaufnahme des Homogenisators, dem Volumen der beschallten Flüssigkeit sowie der Zeit (Beschallungsdauer). Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, müssen wir alle drei Parameter berücksichtigen. Wenn Sie mit Ihrem Ultraschallgerät eine kleine Tasse mit Flüssigkeit für zwei Minuten beschallen und danach einen großen Topf Flüssigkeit über den gleichen Zeitraum beschallen, können Sie nicht dieselben Ergebnisse erwarten! Ebenso müssen Sie beachten, dass es bei kleinen Volumina und hohem Ultraschalleintrag zu einem raschen Temperatur kommen kann. Bei temperaturempfindlichen Lebensmitteln ist es daher besser, diese lieber bei einer niedrigeren Leistungsstufe und dafür etwas länger zu beschallen, so dass die Wärme wieder abgegeben werden kann.
Durch eine Überhitzung können nämlich unerwünschte Aromen oder Beigeschmack entstehen, welche durch eine kontrollierte Beschallung vermieden werden können.
Hochleistungseingänge können auch den Abbau der Probe verursachen, wie man sehen kann, wenn bestimmte Öle. Öle, wenn der hohe Energieeinsatz an der Spitze des Homogenisators ausgesetzt ist, können in einem sehr unangenehmen Geschmack resultierende brechen, die nur als den Geschmack von elektrischer Verbrennung beschrieben werden können!
Für temperaturempfindliche Materialien Kühlung der Probe werden die Ergebnisse, wie beispielsweise durch Verwendung eines Eisbades oder die Aufnahme von etwas Trockeneis in die Probe verbessern. Verwendung von niedrigeren Stromeingängen über einen längeren Zeitraum hilft, die Energie in das System freigesetzt zu dispergieren, da das Gerät in Pulsmodus nicht verwendet, die zwischen jedem Burst von Ultraschall gewisse Kühlung ermöglicht.
Über das digitale Menü des Ultraschallhomogenisators kann der Benutzer ganz einfach zwischen kontinuierlicher und pulsender Beschallung wählen. Zudem kann die Dauer der Pulszyklen individuell eingestellt werden.

Amplitudenregelung

Über die Amplitudenregelung kann der Nutzer den gewünschten Prozentsatz der Gesamtamplitudenleistung und dadurch die Beschallungsintensität regulieren. Die Elektronik steuert die Amplitude an der Sonotrode und sorgt für den genauen Leistungseintrag. Wenn die Sonotrodenstirnfläche bei einer gewissen Amplitude die verfügbare Leistungsgrenze des Gerätes überschreitet, so schaltet das Gerät wegen Überlast ab und vermeidet dadurch Schäden am Gerät. Sie sollten dann entweder eine kleinere Sonotrode wählen, die Amplitude verringern oder eine weniger viskose Flüssigkeit wählen.

Kontrolle des Ultraschall-Leistungseintrags

Im digitalen Menü des Ultraschallgerätes UP200Ht kann der Benutzer die gewünschte Leistungsabgabe des Gerätes festlegen. Der Benutzer gibt den gewünschten Ultraschalleintrag in Watt an; die elektronische Steuerung des Ultraschallhomogenisators schaltet automatisch ab, sobald die voreingestellte Ultraschallleistung in die Flüssigkeit eingetragen wurde. Durch diese Geräteeinstellung ist es möglich, die Flüssigkeit präzise zu bearbeiten und somit bspw. eine Hitzeschädigung des Lebensmittels zu vermeiden.

Pulsmodus

Bei dem bereits erwähnten Pulsmodus steuert die Elektronik die Beschallungphasen. Die Beschallung wird regelmäßig durch Pausen unterbrochen. Die Zyklen der Beschallung und Pausen kann der Benutzer exakt festlegen, indem er im Menü den Wert zwischen 10% und 90% festlegt. Eine pulsierende Beschallung ist ideal, um den Ultraschallleistungseintrag zu begrenzen.

Allgemeine Tipps und Tricks

Wenn Sie Ihren Ultraschallhomogenisator dafür verwenden wollen, um Geschmachsstoffe zu extrahieren und eine Flüssigkeit mit Aromen zu versetzen, so erzielen Sie bessere Ergebnisse, wenn Sie die Feststoffe, z.B. Pflanzenblätter, Früchte etc., vorher zerkleinern und mazerieren. Je feiner das zu extrahierende Material ist, umso größer ist die Oberfläche, an welcher die Ultraschallkräfte wirken können, und dadurch den Extraktionsprozess verbessern. Wählen Sie eine geeignete Sonotrode. Das Gleiche gilt auch, wenn Sie den Ultraschallhomogenisator für die Partikelgrößenreduktionverwenden wollen. Ihr ultraschallhomogenisator ist mehr Feinmahlwerkzeug, kein grober Küchenmixer! Bei der Zerkleinerung von Feststoffen (z.B. Chili, Beeren, Obst- und Gemüsepürees etc.), wird die Zerkleinerung vor allem durch die interpartikuläre Kollision erzeugt. D.h. die Feststoffteilchen prallen durch die hohe Geschwindigkeit der Flüssigkeitsstrahlen aufeinander und werden dadurch zerschmettert. Daher erzielen Sie deutlich bessere Ergebnisse, wenn Sie Ihre infusion, Ihr Püree oder Flüssigkeit vorher grob vormischen (z.B. mit einem herkömmlichen Küchenmixer). Wenn die groben Feststoffe bereits vorab zerkleinert wurden, kann der Ultraschall die Partikel besser bearbeiten, denn die kleineren Feststoffteilchen können deutlich besser beschleunigt werden, wodurch es zu einer höheren Kollision zwischen den Festtoffteilchen kommt und diese schneller auf winzige Größe zerkleinert werden. Dadurch lässt sich wiederum der Energieeintrag des Ultraschallhomogenisator besser regulieren, wodurch auch die Prozesstemperatur problemlos niedrig gehalten werden kann.
Da die Kräfte eines Ultraschallhomogenisators relativ fokussiert wirken, ist es bei einer Beschallung von größeren Flüssigkeitsmengen (>200ml) empfehlenswert, die zu beschallende Flüssigkeit zusätzlich zu rühren und durchmischen (z.B. mit einem Magnetrührer), um dadurch sicherzustellen, dass die gesamte Flüssigkeit in die Zone der Ultraschallkavitation unter der Sonotrodenstirnfläche gelangt. Dies gilt vor allem für hoch- viskose und pastöse Flüssigkeiten. Ein guter Magnetrührer tut hier nützliche Dienste, um eine gleichmäßige Beschallung zu erreichen. Diese Makrobewegung hilft auch sicherzustellen, dass die Flüssigkeit direkt unter der Sonotrode nicht überhitzt. Ein Eisbad oder Trockeneis helfen zusätzlich, die Temperatur während der Ultraschallverarbeitung zu kontrollieren. Wie bereits erläutert, ist es empfehlenswert, temperaturempfindliche Substanzen lieber bei niedrigerer Leistungsstufe etwas länger zu beschallen und/oder den Pulsmodus zu wählen.

Christian Mitter eine Gurke Emulsion unter Verwendung des Hielscher Ultraschallvorrichtung vorbereitet UP200Ht

Christian Mittermeier vom mit dem Michelin-Stern ausgezeichneten Restaurant Villa Mittermeier mit dem UP200Ht während der Ultraschall-Emulgierung

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Wissenswertes

Ultraschall-Homogenisatoren werden oft als Sonicator, Ultraschall-Lysegerät, Ultraschall-Disruptor, Ultraschall-Labormühle, Sono-Ruptor, Sonifier, Dismembrator, Zell-Disruptor, Ultraschall-Dispergierer oder Ultraschallemulgiergerät bezeichnet. Die unterschiedlichen Bezeichnungen ergeben sich aus den zahlreichen unterschiedlichen Anwendungen, für die Ultraschallgeräte eingesetzt werden.