Molekularküche und andere kulinarische Anwendungen

Die Beschallung verändert die Art und Weise, wie Köche und Lebensmittelwissenschaftler Speisen und Getränke zubereiten: Extraktion, Infusion, Emulgierung und Homogenisierung mit Ultraschall sind die wichtigsten Anwendungen von Ultraschallgeräten für kulinarische Kreationen. Von schnellen Extraktionen bis hin zu seidigeren Emulsionen und intensiveren Aromen entwickeln Ultraschallwellen herausragende Geschmäcker und Texturen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Köche und Lebensmitteltechnologen die Ultraschallkavitation einsetzen, um alles von Cocktails bis zu Consommés zu kreieren.

Eine Einführung in die Grundlagen des Ultraschalls in der Kulinarik

Gastbeitrag 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.
• In diesem Leitfaden wird versucht, die Verwendung des Ultraschallhomogenisators auf eine weniger wissenschaftliche und eher kulinarische Weise zu erklären.

Ultraschallwellen und die Beschallung von Lebensmitteln

Die Technik des Ultraschallhomogenisierers gibt es schon seit vielen Jahren in verschiedenen Formen, aber sie findet erst jetzt ihren Weg in kleinere kulinarische Anwendungen. Der Homogenisator enthält eine hochentwickelte Elektronik, die elektrische Energie in Hochfrequenzschwingungen der Metallspitze oder Sonotrode umwandeln und steuern 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 Sonicator 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.
Wenn sich die Sonotrode auf und ab bewegt, während sie in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, entstehen in der Flüssigkeit um die Sonotrode herum Bereiche mit hohem und niedrigem Druck, was wiederum zu einem Phänomen führt, das als Kavitation bekannt ist. In der Küche kann man beobachten, dass Flüssigkeiten bei niedrigerem Druck (z. B. in einem Kammersiegelgerät) bei niedrigeren Temperaturen kochen und bei höherem Druck (z. B. in einem Schnellkochtopf) bei höherer Temperatur kochen.
Die schnell schwankenden Druckpulsationen an der Spitze der Sonotrode bewirken die Bildung und den anschließenden schnellen Zerfall von Blasen in der Flüssigkeit. Dies alles geschieht in einem winzigen Maßstab, erzeugt aber aufgrund der durch die Kavitation erzeugten Geschwindigkeiten, Temperaturen und Drücke enorme Kräfte in der Flüssigkeit. Diese enormen Kräfte können in der Küche zu unserem Vorteil genutzt werden, um die Extraktion von Aromen durch Zellaufschluss, Emulgierung oder das Zerschlagen von Partikeln.

 

Erfahren Sie mehr über die Ultraschall-Emulgierung einer veganen Mousse au Chocolat!
 

Eine der Herausforderungen bei der Verwendung dieser Geräte besteht jedoch darin, diese Leistung so zu nutzen und zu steuern, dass die Lebensmittel verbessert werden.
Die gekauften Ultraschall-Homogenisator Modell UP200Ht bestimmt die maximale Leistung, die dem Benutzer zur Verfügung steht, und der Homogenisator selbst verfügt über eine Reihe von Variablen, mit denen seine Leistung an die jeweilige Anwendung angepasst werden kann. Für die Zwecke dieses Leitfadens wurde das Modell Hielscher 200-Watt-Sonicator verwendet.

Sonotrodengröße

Die Größe der eingebauten Sonotrode hat einen großen Einfluss auf die Leistungsabgabe des Geräts.
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.
 

 

Bei einer bestimmten Leistungseinstellung erzeugt eine kleinere Sonotrode aufgrund ihrer Oberfläche größere Druckschwankungen und höhere Kavitationsintensitäten an der Spitze als eine größere Sonotrode (da die Leistung auf die kleinere Sonotrodenoberfläche konzentriert wird).
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 Ultraschallintensität (bei einer bestimmten Leistungseinstellung) nimmt mit zunehmender Oberfläche (größere Sonotroden) ab, während die Intensität der Ultraschallenergie mit abnehmender Oberfläche zunimmt, oder anders ausgedrückt: Eine kleinere Sonotrode bringt viel Ultraschallenergie in einen kleinen Bereich ein, während eine größere Sonotrode die Energie über einen größeren Bereich verteilt.

Bei Verwendung des Homogenisators setzt sich die an der Probe geleistete Gesamtarbeit zusammen aus Leistungsaufnahme des Homogenisators, das Volumen der Probe und die Expositionszeit. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, müssen wir alle drei Parameter berücksichtigen. Erwarten Sie nicht, dass Sie das Gerät zwei Minuten lang in einen kleinen Becher mit Flüssigkeit halten und dann das gleiche Ergebnis in einem Liter Flüssigkeit über den gleichen Zeitraum erhalten! Denken Sie auch daran, dass die Temperatur der Probe bei kleinen Probengrößen und hoher Leistungsaufnahme schnell ansteigt. Bei temperaturempfindlichen Proben ist es besser, über einen längeren Zeitraum eine niedrigere Leistungsstufe zu verwenden, damit die vom Homogenisator in Form von Wärme abgegebene Energie abgeführt werden kann.
Durch eine Überhitzung können nämlich unerwünschte Aromen oder Beigeschmack entstehen, welche durch eine kontrollierte Beschallung vermieden werden können.
Eine hohe Energiezufuhr kann auch zu einer Zersetzung der Probe führen, wie dies bei der Verwendung bestimmter Öle zu beobachten ist. Öle, die der hohen Energiezufuhr an der Spitze des Homogenisators ausgesetzt sind, können sich zersetzen, was zu einem äußerst unangenehmen Geschmack führt, der nur als der Geschmack von elektrischem Brennen beschrieben werden kann!
Bei temperaturempfindlichen Materialien können die Ergebnisse durch Kühlung der Probe verbessert werden, z. B. durch Verwendung eines Eisbads oder durch Einbringen von Trockeneis in die Probe. Die Verwendung geringerer Leistungen über einen längeren Zeitraum trägt zur Verteilung der im System freigesetzten Energie bei, ebenso wie die Verwendung des Geräts im Impulsmodus, der eine gewisse Abkühlung zwischen den einzelnen Ultraschallimpulsen ermöglicht.
Innerhalb der Elektronik des Homogenisators kann der Benutzer zwischen zwei Hauptsteuerungsmodi wählen.

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

Zusätzlich zu den beiden Betriebsarten gibt es einen Impulsmodus, bei dem die Elektronik zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, wobei das Timing vom Benutzer eingestellt werden kann: 10 % der Zeit an und 90 % aus, 90 % der Zeit an und 10 % aus. Dies führt zu einem pulsierenden Effekt und ist sowohl für die Begrenzung der Gesamtenergiezufuhr zur Probe als auch für die Erzeugung einer guten Bewegung innerhalb der Probe nützlich, da die anfängliche Zufuhr hoch ist und sich die Elektronik während jedes Arbeitszyklus stabilisiert.

Allgemeine Tipps und Tricks

Bei der Verwendung des Homogenisators für die Infusion von Aromen werden bessere Ergebnisse erzielt, wenn die Feststoffe vor dem Homogenisieren zerkleinert werden, wodurch sich die Oberfläche, die der Sonotrode. Das gleiche Prinzip gilt für die Verwendung des Homogenisators für Partikelgrößenreduktion. Betrachten Sie den Homogenisator als ein Werkzeug für die Feinbearbeitung, nicht als einen Grobschleifer! Bei der Zerkleinerung der Partikelgröße wird ein Großteil der Arbeit durch die Hochgeschwindigkeitskollisionen der Partikel erledigt, die durch die an der Sonotrode erzeugten Kräfte beschleunigt werden. Wesentlich bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn ein Teil der Partikelzerkleinerung vor der Beschallung durchgeführt wird. Die bereits erfolgte Zerkleinerung der Partikel bedeutet, dass eine größere Oberfläche der Beschallung ausgesetzt ist und die kleineren Partikel in der Flüssigkeit schneller beschleunigt werden, was zu mehr Zusammenstößen mit einer Kraft führt, die die Partikel weiter aufspaltet. Außerdem muss der Homogenisator weniger Arbeit verrichten, so dass die Temperatur besser kontrolliert werden kann.
Da der Homogenisator recht lokal arbeitet, ist es bei größeren Proben von mehreren hundert Millilitern oder mehr sinnvoll, für zusätzliche Bewegung zu sorgen, um sicherzustellen, dass das Volumen um die Sonotrode herum aufgefrischt wird, damit die Probe vollständig beschallt wird. Dies gilt insbesondere für zähflüssigere Proben. Ein guter Magnetrührer ist ein nützliches Hilfsmittel, um dies zu erreichen. Das Rühren trägt auch dazu bei, dass das Flüssigkeitsvolumen um die Sonotrode nicht überhitzt wird. Die Verwendung eines Eisbads oder von Trockeneisstücken in der Probe hilft, die durch die Beschallung übertragene Energie abzubauen. Wenn das Material temperaturempfindlich ist, sollten Sie, wie bereits erwähnt, niedrigere Leistungseinstellungen über einen längeren Zeitraum verwenden oder den Impulsmodus nutzen, um die in der Probe erzeugten Temperaturen zu begrenzen, damit die Probe zwischen den Schallimpulsen abkühlen kann.

---

---

Literatur

• 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.

 

In diesem Video demonstriert Simon von GuerillaChefs.de den Einsatz des Hielscher UP200Ht Handschallgerätes für die schnelle Aromatisierung von Wasser mit frischen Pilzen - eine innovative Technik, die in der kulinarischen und molekularen Gastronomie eingesetzt wird. Die Ultraschallextraktion verbessert die Geschmacksextraktion und fügt der wässrigen Phase innerhalb von Sekunden empfindliche Aromastoffe zu, was eine saubere, hitzefreie Verarbeitung für raffinierte Brühen, Aufgüsse oder Geschmacksgrundlagen ermöglicht. Ideal für Köche und Lebensmittelinnovatoren, die Präzision und Intensität bei der Entwicklung natürlicher Aromen suchen.

Aromatisierung mit Ultraschall: Mit dem Hielscher UP200Ht eine geschmacksintensive Pilzbrühe herstellen

 

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.