Cocina molecular y otras aplicaciones culinarias

Breve guía de principios

por Mark Gaston

• La mayor parte del contenido de esta guía es información de fácil acceso, pero a veces está redactada de un modo que no siempre facilita la lectura, a menos que se esté familiarizado con los términos utilizados.
• A continuación se explican términos importantes de la sonicación, como sonotrodo, amplitud, etc., y sus efectos en las aplicaciones culinarias.
• Esta guía intenta explicar el uso del homogeneizador ultrasónico de una forma menos científica y más relacionada con la cocina.

Las ondas ultrasónicas y su aplicación a los alimentos

La técnica de homogeneización por ultrasonidos existe desde hace muchos años en diversas formas, pero acaba de abrirse camino en las aplicaciones culinarias a pequeña escala. El homogeneizador contiene unos sofisticados componentes electrónicos que pueden convertir y controlar la energía eléctrica en vibraciones de alta frecuencia de la punta metálica o sonotrodo.
El sonotrodo se mueve principalmente hacia arriba y hacia abajo a una frecuencia bastante alta por encima del rango audible (por ejemplo, 26000 veces por segundo o 26Khz con el UP200Ht). La cantidad que el sonotrodo se mueve hacia arriba y hacia abajo se denomina amplitud y normalmente puede ajustarse entre 9 y 240 µm (el cabello humano medio tiene un grosor de unas 100 µm como referencia). En términos sencillos, el sonotrodo se comporta como un pistón que sube y baja en el líquido.
A medida que el sonotrodo se mueve hacia arriba y hacia abajo mientras está sumergido en un líquido, crea zonas de alta y baja presión dentro del líquido alrededor del sonotrodo, lo que a su vez crea un fenómeno conocido como cavitación. En la cocina, la reducción de la presión (por ejemplo, en una selladora de cámara) hace que los líquidos hiervan a temperaturas más bajas y el aumento de la presión (por ejemplo, en una olla a presión) hace que los líquidos hiervan a temperaturas más altas.
Las pulsaciones de presión que fluctúan rápidamente en la punta del sonotrodo provocan la formación y posterior colapso rápido de burbujas dentro del líquido. Todo esto ocurre a escala diminuta, pero crea enormes fuerzas dentro del líquido debido a las velocidades, temperaturas y presiones generadas por el sonotrodo. cavitación. Son estas enormes fuerzas las que pueden convertirse en nuestra ventaja en la cocina para el extracción de aromas por ruptura de células o descomposición de partículas.

Sin embargo, uno de los retos en el uso de estos equipos es aprovechar y controlar esta potencia de forma que mejore los alimentos.
El modelo de homogeneizador ultrasónico adquirido UP200Ht dicta la potencia máxima disponible para el usuario y el propio homogeneizador tiene una serie de variables que pueden utilizarse para ajustar su rendimiento a la aplicación. Para los fines de esta guía, el modelo utilizado fue un 200 vatios unidad.

Tamaño de la sonda

El tamaño del sonotrodo tiene un efecto importante en la forma en que la unidad suministra su potencia.
En términos muy sencillos, cuanto mayor sea la superficie del sonotrodo, mayor será la potencia necesaria para accionarlo con una amplitud determinada. La viscosidad del fluido también influye mucho en la potencia necesaria para accionar el sonotrodo con una amplitud determinada.
Imagina el sonotrodo como un pistón o émbolo, si el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo muy rápido en una olla de líquido fino como el agua es relativamente fácil hacerlo incluso a velocidades razonables, sin embargo llena la olla con una salsa espesa y no ocurrirá lo mismo, se requerirá mucha más potencia para mover el pistón rápidamente hacia arriba y hacia abajo en el líquido debido al aumento de la viscosidad. Aumente el tamaño del pistón o émbolo y también requerirá más esfuerzo moverlo arriba y abajo en el líquido.
Lo mismo ocurre con el sonotrodo. Con un sonotrodo grande instalado, la unidad tendrá que trabajar mucho más para producir una amplitud de oscilación dada si el líquido tiene una viscosidad alta que con un fluido de baja viscosidad.

En cualquier ajuste de potencia a sonotrodo más pequeño debido a su superficie generará mayores fluctuaciones de presión y superior cavitación en la punta que un sonotrodo más grande (ya que la potencia se concentra en una superficie de sonotrodo más pequeña).
Puede que no sea posible accionar un sonotrodo más grande con la misma amplitud, ya que se necesitará mucha más potencia para hacerlo, lo que posiblemente provoque el apagado de la unidad por sobrecarga. En este caso hay que reducir el tamaño del sonotrodo u obtener una unidad de mayor potencia.
La entrada intensidad del ultrasonido (en cualquier ajuste de potencia) disminuye al aumentar la superficie (sonotrodos más grandes), mientras que la intensidad de la potencia ultrasónica aumenta al disminuir la superficie o, dicho de otro modo, un sonotrodo más pequeño aplica mucha potencia ultrasónica en una superficie pequeña, mientras que un sonotrodo más grande distribuye la potencia en una superficie mayor.

Cuando se utiliza el homogeneizador, el trabajo total realizado sobre la muestra es una combinación del potencia de entrada del homogeneizador, el volumen de la muestra y el Tiempo se expone. Para obtener resultados reproducibles, debemos tener en cuenta los tres parámetros. No espere colocar el dispositivo en un pequeño vaso lleno de líquido durante dos minutos y obtener a continuación el mismo resultado en un litro de líquido durante el mismo periodo de tiempo. Del mismo modo, recuerde que con tamaños de muestra pequeños y entradas de potencia elevadas, el temperatura de la muestra aumentará rápidamente. Para las muestras sensibles a la temperatura, es mejor utilizar ajustes de potencia más bajos durante períodos más largos, lo que permite disipar la energía aportada por el homogeneizador en forma de calor.
El sobrecalentamiento de la muestra puede provocar que algunos de los aromas que intenta capturar escapen del sistema.
Las entradas de alta potencia también pueden provocar la degradación de la muestra, como puede observarse al utilizar determinados aceites. Los aceites, cuando se exponen a las altas entradas de energía en la punta del homogeneizador, pueden descomponerse, dando lugar a un sabor muy desagradable que sólo puede describirse como el sabor de la quema eléctrica.
En el caso de materiales sensibles a la temperatura, el enfriamiento de la muestra mejorará los resultados, por ejemplo mediante un baño de hielo o la inclusión de hielo seco en la muestra. El uso de potencias más bajas durante un período más largo ayuda a dispersar la energía liberada en el sistema, al igual que el uso de la unidad en modo de impulsos, que permite cierto enfriamiento entre cada ráfaga de ultrasonidos.
Dentro de la electrónica del homogeneizador, el usuario puede optar por manejar la unidad en dos modos principales de control.

Control de amplitud

En este modo el usuario elige el % de amplitud máxima requerida para el sonotrodo. La electrónica intentará entonces conducir el sonotrodo a esa amplitud y ajustará la potencia de entrada del aparato para mantener la amplitud requerida en el sonotrodo. Si la superficie del sonotrodo es demasiado grande para ser impulsada a esta amplitud con la potencia disponible de la unidad, la amplitud no alcanzará el valor establecido y puede apagarse si se alcanza una condición de sobrecarga.

Control de potencia de entrada

En este modo, el usuario establece la potencia de entrada necesaria en vatios y la electrónica ajustará la amplitud de las oscilaciones para regular la potencia de entrada a la configuración del usuario. Este modo permite regular la potencia transferida al líquido y, por tanto, limitar el calor generado en el líquido para evitar daños en las muestras más sensibles.

modo pulso

Además de los dos modos de funcionamiento, existe un modo de impulsos, por el que la electrónica se enciende y apaga en ciclosEl usuario puede programar el tiempo de encendido, que puede ser del 10% del tiempo y el 90% del tiempo apagado, o del 90% del tiempo encendido y el 10% apagado. Esto da un efecto pulsante y es útil tanto para limitar la entrada de potencia total a la muestra y la creación de una buena agitación dentro de la muestra a la entrada inicial es alta como la electrónica se estabiliza durante cada ciclo de trabajo.

Trucos y consejos generales

Cuando se utiliza el homogeneizador para la infusión de aromas, se obtienen mejores resultados si se ha reducido el tamaño de los sólidos antes de homogeneizarlos. sonotrodo. El mismo principio se aplica cuando se utiliza el homogeneizador para Reducción del tamaño de partículas. Piense en el homogeneizador como una herramienta de acabado fino, no como una amoladora. En la reducción del tamaño de las partículas, gran parte del trabajo lo realizan las colisiones a alta velocidad de las partículas aceleradas por las fuerzas generadas en el sonotrodo. Se obtendrán resultados mucho mejores si parte de la reducción de partículas se realiza antes de la sonicación. Comenzar con la reducción del tamaño de las partículas ya realizada significa que una mayor área de superficie está expuesta a la sonicación y que las partículas más pequeñas serán aceleradas en el líquido más rápidamente, resultando en mayores colisiones con una fuerza para romper aún más las partículas. El homogeneizador también tendrá que trabajar menos, lo que permitirá controlar mejor la temperatura.
Como el homogeneizador funciona a un nivel bastante localizado, resulta útil cuando se utilizan muestras más grandes, por ejemplo de varios cientos de mililitros o más, proporcionar agitación adicional para garantizar que el volumen alrededor del sonotrodo se refresca, asegurando la sonicación completa de la muestra. Esto es particularmente cierto en el caso de muestras más grandes. viscoso muestras. Un buen agitador magnético es una forma útil de conseguirlo. La agitación también ayuda a garantizar que el volumen de líquido alrededor del sonotrodo no se sobrecaliente. Utilizar un baño de hielo o trozos de hielo seco en la muestra ayudará a eliminar la energía impartida por la sonificación. Como ya se ha comentado, si el material es sensible a la temperatura, utilice ajustes de potencia más bajos durante un período de tiempo más largo o utilice el modo de pulso para limitar las temperaturas generadas en la muestra y permitir que ésta se enfríe entre los pulsos sónicos.

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Referencias

• 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.

Información interesante

A los homogeneizadores ultrasónicos también se los denomina frecuentemente como sonicador de sonda, sonolisador, fraccionador por ultrasonidos, pulverizador ultrasónico, sonoruptor, sonificador, disgregador ultrasónico, fraccionador celular, dispersor ultrasónico o mezclador por ultrasonidos. Estos términos provienen de las distintas aplicaciones que se pueden llevar a cabo por sonicación.