Molekularküche und weitere kulinarische Anwendungen

Die Ultraschallbehandlung verändert die Art und Weise, wie Köche und Lebensmittelwissenschaftler Speisen und Getränke zubereiten: Ultraschallextraktion, Aromatisierung, Emulgierung und Homogenisierung sind zentrale Anwendungen von Ultraschallgeräten für kulinarische Kreationen. Von schnellen Extraktionen über seidigere Emulsionen bis hin zu intensiveren Aromen ermöglichen Ultraschallwellen außergewöhnliche Geschmackserlebnisse und Texturen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Köche und Lebensmitteltechnologen die Ultraschallkavitation nutzen, um alles von Cocktails bis zu Consommés neu zu gestalten.

Ein kurzer Leitfaden zu den Grundlagen

Gastbeitrag von Mark Gaston

• Die meisten Informationen in diesem Leitfaden sind frei zugänglich. Allerdings sind sie mitunter so formuliert, dass sie nur dann leicht verständlich sind, wenn man mit den verwendeten Begriffen vertraut ist.
• Im Folgenden werden wichtige Begriffe der Ultraschallbehandlung wie Sonotrode, Amplitude usw. sowie ihre Auswirkungen auf kulinarische Anwendungen erläutert.
• Dieser Leitfaden versucht, den Einsatz des Ultraschallhomogenisators weniger wissenschaftlich und mit stärkerem Bezug zur Küche zu erklären.

Ultraschallwellen und ihre Anwendung bei Lebensmitteln

Die Technik der Ultraschallhomogenisierung gibt es seit vielen Jahren in verschiedenen Formen, doch sie findet erst seit Kurzem Eingang in kulinarische Anwendungen im kleineren Maßstab. Der Homogenisator verfügt über eine ausgefeilte Elektronik, die elektrische Leistung in hochfrequente Schwingungen der Metallspitze, der sogenannten Sonotrode, umwandeln und diese regeln kann.
Die Sonotrode bewegt sich überwiegend mit einer hohen Frequenz oberhalb des hörbaren Bereichs auf und ab (z. B. 26.000 Mal pro Sekunde oder 26Khz beim Ultraschallgerät UP200Ht). Das Ausmaß dieser Auf- und Abbewegung der Sonotrode wird als Amplitude bezeichnet und lässt sich typischerweise zwischen 9 und 240 µm einstellen (zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist durchschnittlich etwa 100 µm dick). Vereinfacht ausgedrückt verhält sich die Sonotrode wie ein Kolben, der sich in der Flüssigkeit auf und ab bewegt.
Wenn sich die in eine Flüssigkeit eingetauchte Sonotrode auf und ab bewegt, erzeugt sie in der umgebenden Flüssigkeit Bereiche mit hohem und niedrigem Druck. Dadurch entsteht ein Phänomen, das als Kavitation bezeichnet wird. Aus der Küche wissen wir, dass eine Drucksenkung (etwa in einem Kammervakuumierer) dazu führt, dass Flüssigkeiten bei niedrigeren Temperaturen sieden, während eine Druckerhöhung (etwa in einem Schnellkochtopf) Flüssigkeiten erst bei einer höheren Temperatur sieden lässt.
Die rasch wechselnden Druckpulsationen an der Sonotrodenspitze führen dazu, dass sich in der Flüssigkeit Blasen bilden und anschließend schnell kollabieren. All dies geschieht in einem winzigen Maßstab. Aufgrund der durch die Kavitation erzeugten Geschwindigkeiten, Temperaturen und Drücke entstehen dabei jedoch enorme Kräfte in der Flüssigkeit. Diese enormen Kräfte lassen sich in der Küche nutzen: für die Extraktion von Aromen durch Zellaufschluss, für die Emulgierung oder für die Zerkleinerung von Partikeln.

 

Sehen Sie, wie das Hielscher Ultraschallgerät UP200Ht eine pflanzliche Schokoladenemulsion in eine seidig-glatte, stabile vegane Mousse au Chocolat verwandelt. Ultraschallkavitation sorgt für eine feine Dispergierung, verbesserte Emulsionsstabilität und optimale Textur – die Grundlage für ein perfektes, schokoladenreiches Dessert ohne Milchprodukte. Durch die Bildung einer stabilen Emulsion aus Schokoladenfetten und Wasser mit Tröpfchengrößen im Submikrometerbereich trägt die Beschallung zu einem intensiven Geschmackserlebnis und einem glatten, homogenen Mundgefühl bei. Darüber hinaus löst die Ultraschallbehandlung Agglomerate aus Stärke, Proteinen und Kakaofeststoffen auf und sorgt so für höchste Cremigkeit und intensiveren Geschmack.

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Eine der Herausforderungen beim Einsatz dieser Geräte besteht jedoch darin, diese Leistung so zu nutzen und zu regeln, dass sie Lebensmittel verbessert.
Das erworbene Ultraschallhomogenisatormodell UP200Ht bestimmt die maximale Leistung, die dem Anwender zur Verfügung steht. Der Homogenisator selbst verfügt über mehrere einstellbare Größen, mit denen sich sein Betriebsverhalten an die jeweilige Anwendung anpassen lässt. Für diesen Leitfaden wurde das Ultraschallgerät von Hielscher mit 200 Watt verwendet.

Sonotrodengröße

Die Größe der montierten Sonotrode hat einen wesentlichen Einfluss darauf, wie das Gerät seine Leistung abgibt.
Vereinfacht ausgedrückt gilt: Je größer die Oberfläche der Sonotrode, desto mehr Leistung ist erforderlich, um sie mit einer bestimmten Amplitude anzutreiben. Auch die Viskosität der Flüssigkeit hat einen großen Einfluss auf die Leistung, die zum Antrieb der Sonotrode mit einer bestimmten Amplitude benötigt wird.
Stellen Sie sich die Sonotrode als Kolben oder Stößel vor. Wird der Kolben in einem Topf mit einer dünnflüssigen Flüssigkeit wie Wasser sehr schnell auf und ab bewegt, ist dies auch bei beachtlichen Geschwindigkeiten relativ einfach. Füllen Sie den Topf jedoch mit einer dickflüssigen Sauce, gilt das nicht mehr: Aufgrund der höheren Viskosität ist deutlich mehr Leistung erforderlich, um den Kolben schnell in der Flüssigkeit auf und ab zu bewegen. Vergrößern Sie den Kolben oder Stößel, ist ebenfalls mehr Kraftaufwand erforderlich, um ihn in der Flüssigkeit auf und ab zu bewegen.
Dasselbe gilt für die Sonotrode. Bei einer großen montierten Sonotrode muss das Gerät in einer hochviskosen Flüssigkeit wesentlich mehr leisten, um eine bestimmte Schwingungsamplitude zu erzeugen, als in einer niedrigviskosen Flüssigkeit.
 

 

Bei gleicher Leistungseinstellung erzeugt eine kleinere Sonotrode aufgrund ihrer Oberfläche stärkere Druckschwankungen und höhere Kavitationsintensitäten an der Spitze als eine größere Sonotrode, da sich die Leistung auf die kleinere Sonotrodenoberfläche konzentriert.
Eine größere Sonotrode lässt sich möglicherweise nicht mit derselben Amplitude betreiben, da dafür deutlich mehr Leistung erforderlich ist. Dies kann zur Abschaltung des Geräts wegen Überlastung führen. In diesem Fall muss eine kleinere Sonotrode verwendet oder ein leistungsstärkeres Gerät angeschafft werden.
Die Ultraschallintensität nimmt bei gleicher Leistungseinstellung mit zunehmender Oberfläche (größeren Sonotroden) ab, während sie mit abnehmender Oberfläche zunimmt. Anders ausgedrückt: Eine kleinere Sonotrode bringt viel Ultraschallleistung auf eine kleine Fläche, während eine größere Sonotrode die Leistung auf eine größere Fläche verteilt.

Beim Einsatz des Homogenisators ergibt sich die insgesamt an der Probe verrichtete Arbeit aus dem Zusammenspiel des Leistungseintrags des Homogenisators, des Probenvolumens und der Beschallungsdauer. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, müssen wir alle drei Parameter berücksichtigen. Erwarten Sie nicht, dass Sie nach zwei Minuten Behandlung in einer kleinen Tasse voller Flüssigkeit dasselbe Ergebnis erhalten wie bei einem Liter Flüssigkeit im gleichen Zeitraum! Denken Sie außerdem daran, dass bei kleinen Probenvolumina und hohem Leistungseintrag die Probentemperatur schnell ansteigt. Bei temperaturempfindlichen Proben ist es besser, über einen längeren Zeitraum mit niedrigeren Leistungseinstellungen zu arbeiten, damit die vom Homogenisator eingetragene Energie als Wärme abgeführt werden kann.
Eine Überhitzung der Probe kann dazu führen, dass gerade einige der Aromen aus dem System entweichen, die Sie gewinnen möchten.
Ein hoher Leistungseintrag kann auch zur Zersetzung der Probe führen, wie sich bei der Verwendung bestimmter Öle beobachten lässt. Werden Öle dem hohen Energieeintrag an der Spitze des Homogenisators ausgesetzt, können sie sich zersetzen. Dabei entsteht ein äußerst unangenehmer Geschmack, der sich nur als Geschmack nach einem Elektrobrand beschreiben lässt!
Bei temperaturempfindlichen Materialien verbessert eine Kühlung der Probe die Ergebnisse, etwa durch ein Eisbad oder die Zugabe von etwas Trockeneis zur Probe. Ein geringerer Leistungseintrag über einen längeren Zeitraum hilft, die im System freigesetzte Energie zu verteilen. Dasselbe gilt für den Pulsbetrieb, der zwischen den einzelnen Ultraschallimpulsen eine gewisse Abkühlung ermöglicht.
Über die Elektronik des Homogenisators kann der Anwender zwischen zwei grundlegenden Regelungsarten wählen.

Amplitudenregelung

In diesem Modus wählt der Anwender die gewünschte Amplitude der Sonotrode in % der maximalen Amplitude. Die Elektronik versucht anschließend, die Sonotrode mit dieser Amplitude anzutreiben, und passt die Eingangsleistung des Geräts so an, dass die gewünschte Amplitude an der Sonotrode aufrechterhalten wird. Ist die Sonotrodenoberfläche zu groß, um mit der verfügbaren Geräteleistung bei dieser Amplitude betrieben zu werden, erreicht die Amplitude den eingestellten Wert nicht. Bei Überlastung kann sich das Gerät abschalten.

Möchten Sie Ihre eigenen Gewürzextrakte oder Saucen herstellen? Ob für die Restaurantküche, den ambitionierten Souschef oder gewerbliche Hersteller: Mit Hielscher Ultraschallgeräten können Sie in kurzer Zeit hochwertige Extrakte und Saucen herstellen. Stellen Sie Bio-Extrakte selbst her! Verzichten Sie auf Konservierungsstoffe! Verwenden Sie ausschließlich die von Ihnen ausgewählten Zutaten!

Regelung der Eingangsleistung

In diesem Modus stellt der Anwender die gewünschte Eingangsleistung in Watt ein. Die Elektronik passt die Schwingungsamplitude an, um die Eingangsleistung auf den eingestellten Wert zu regeln. Dieser Modus ermöglicht es, die auf die Flüssigkeit übertragene Leistung zu regeln und dadurch die Wärmeentwicklung in der Flüssigkeit zu begrenzen, sodass empfindlichere Proben nicht geschädigt werden.

Pulsbetrieb

Zusätzlich zu den beiden Betriebsarten gibt es einen Pulsbetrieb, bei dem die Elektronik zyklisch ein- und ausschaltet. Der Anwender legt die Zeitanteile fest: von 10% eingeschaltet und 90% ausgeschaltet bis zu 90% eingeschaltet und 10% ausgeschaltet. Dadurch entsteht eine pulsierende Wirkung, die sowohl zur Begrenzung des gesamten Leistungseintrags in die Probe als auch für eine gute Durchmischung der Probe nützlich ist, wobei der anfängliche Eintrag hoch ist, während sich die Elektronik in jedem Arbeitszyklus stabilisiert.

Allgemeine Tipps und Tricks

Wenn der Homogenisator zur Aromatisierung eingesetzt wird, lassen sich bessere Ergebnisse erzielen, wenn die Feststoffe vor dem Homogenisieren zerkleinert werden. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche, die der Sonotrode ausgesetzt ist. Dasselbe Prinzip gilt beim Einsatz des Homogenisators zur Partikelzerkleinerung. Betrachten Sie den Homogenisator als Werkzeug zur Feinbearbeitung und nicht als Grobmühle! Bei der Partikelzerkleinerung wird ein großer Teil der Arbeit durch Zusammenstöße mit hoher Geschwindigkeit geleistet: Die Partikel werden durch die an der Sonotrode erzeugten Kräfte beschleunigt. Deutlich bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn ein Teil der Partikelzerkleinerung bereits vor der Beschallung erfolgt. Ist die Grobzerkleinerung der Partikel schon abgeschlossen, steht der Beschallung eine größere Oberfläche zur Verfügung. Außerdem werden die kleineren Partikel in der Flüssigkeit schneller beschleunigt, wodurch stärkere Zusammenstöße entstehen, deren Kraft die Partikel weiter zerkleinert. Der Homogenisator muss dadurch auch weniger Arbeit verrichten, sodass sich die Temperatur besser kontrollieren lässt.
Da der Homogenisator sehr lokal wirkt, ist es bei größeren Proben von beispielsweise mehreren hundert Millilitern oder mehr sinnvoll, zusätzlich zu rühren. So wird die Flüssigkeit im Bereich der Sonotrode laufend ausgetauscht und die vollständige Beschallung der Probe sichergestellt. Dies gilt insbesondere für viskosere Proben. Ein guter Magnetrührer eignet sich dafür. Das Rühren trägt außerdem dazu bei, eine Überhitzung der Flüssigkeit im Bereich der Sonotrode zu verhindern. Ein Eisbad oder Trockeneisstücke in der Probe helfen, die durch die Beschallung eingetragene Energie abzuführen. Verwenden Sie bei temperaturempfindlichem Material, wie bereits erläutert, niedrigere Leistungseinstellungen über einen längeren Zeitraum und/oder den Pulsbetrieb. So begrenzen Sie die in der Probe entstehenden Temperaturen und ermöglichen eine Abkühlung zwischen den Ultraschallimpulsen.

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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 handgeführten Hielscher Ultraschallgeräts UP200Ht zur schnellen Aromatisierung von Wasser mit frischen Pilzen – eine innovative Technik für Küche und Molekulargastronomie. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Aromaextraktion und bringt feine Aromastoffe innerhalb von Sekunden in die wässrige Phase ein. Dies ermöglicht eine Verarbeitung ohne Wärmezufuhr nach dem Clean-Label-Prinzip für raffinierte Brühen, Aufgüsse oder Aromabasen. Ideal für Köche und Lebensmittelentwickler, die bei der Entfaltung natürlicher Aromen Präzision und Intensität anstreben.