Molekyyligastronomia ja muut kulinaariset sovellukset

Ultraäänikäsittely muuttaa tapaa, jolla kokit ja elintarviketutkijat valmistavat ruokia ja juomia: ultraääniuutto, maustaminen, emulgointi ja homogenointi ovat ultraäänilaitteiden keskeisiä käyttökohteita kulinaaristen luomusten valmistuksessa. Nopeasta uuttamisesta silkkisempiin emulsioihin ja voimakkaampiin aromeihin – ultraääniaallot tuottavat erinomaisia makuja ja rakenteita. Tässä artikkelissa opit, miten kokit ja elintarviketeknologit hyödyntävät ultraäänikavitaatiota luodakseen uudelleen kaikkea cocktaileista kirkkaisiin consommé-liemiin.

Lyhyt opas toimintaperiaatteisiin

Mark Gastonin vierasartikkeli

• Suurin osa tämän oppaan sisällöstä on helposti saatavilla olevaa tietoa, mutta se on toisinaan kirjoitettu tavalla, jota ei aina ole helppo lukea, elleivät käytetyt termit ole entuudestaan tuttuja.
• Alla selitetään ultraäänikäsittelyn tärkeitä termejä, kuten sonotrodi ja amplitudi, sekä niiden vaikutuksia kulinaarisiin sovelluksiin.
• Tässä oppaassa pyritään selittämään ultraäänihomogenisaattorin käyttöä vähemmän tieteellisesti ja enemmän ruoanvalmistuksen näkökulmasta.

Ultraääniaallot ja niiden käyttö elintarvikkeiden käsittelyssä

Ultraäänihomogenisaattoriin perustuva tekniikka on ollut olemassa eri muodoissa jo monia vuosia, mutta se on vasta nyt löytämässä tiensä pienimuotoisempiin kulinaarisiin sovelluksiin. Homogenisaattorissa on edistynyttä elektroniikkaa, joka pystyy muuntamaan sähkötehon metallikärjen eli sonotrodin suurtaajuiseksi värähtelyksi ja säätelemään sitä.
Sonotrodi liikkuu pääasiassa ylös ja alas melko suurella, kuuloalueen ylittävällä taajuudella (esim. 26 000 kertaa sekunnissa eli 26Khz käytettäessä ultraäänilaitetta UP200Ht). Sonotrodin ylös- ja alaspäin suuntautuvan liikkeen suuruutta kutsutaan amplitudiksi, ja sitä voidaan yleensä säätää välillä 9–240 µm (vertailun vuoksi ihmisen hiuksen keskimääräinen paksuus on noin 100 µm). Yksinkertaisesti ilmaistuna sonotrodi toimii kuin nesteessä ylös ja alas liikkuva mäntä.
Kun nesteeseen upotettu sonotrodi liikkuu ylös ja alas, se synnyttää ympäröivään nesteeseen korkean ja matalan paineen alueita. Tämä puolestaan aiheuttaa kavitaatioksi kutsutun ilmiön. Keittiössä voidaan havaita, että paineen alentaminen (esimerkiksi kammiovakuumikoneessa) saa nesteet kiehumaan matalammissa lämpötiloissa ja paineen nostaminen (esimerkiksi painekattilassa) saa nesteet kiehumaan korkeammassa lämpötilassa.
Sonotrodin kärjen nopeasti vaihtelevat painepulssit aiheuttavat kuplien muodostumisen ja niiden nopean luhistumisen nesteessä. Kaikki tämä tapahtuu hyvin pienessä mittakaavassa, mutta synnyttää nesteeseen valtavia voimia kavitaation tuottamien nopeuksien, lämpötilojen ja paineiden vuoksi. Juuri näitä valtavia voimia voidaan hyödyntää keittiössä makujen uuttamiseen hajottamalla soluja, emulgointiin, tai hiukkasten pilkkomiseen.

 

Katso, miten Hielscher UP200Ht -sonikaattori muuttaa kasvipohjaisen suklaaemulsion silkkiseksi ja stabiiliksi vegaaniseksi suklaamousseksi. Ultraäänikavitaatio varmistaa hienojakoisen dispersion, parantaa emulsion stabiilisuutta ja tuottaa optimaalisen rakenteen – näin syntyy täydellinen, täyteläisen suklainen ja maidoton jälkiruoka. Ultraäänikäsittely muodostaa suklaan rasvoista ja vedestä stabiilin emulsion, jonka pisarakoko on alle mikrometrin, ja edistää siten voimakasta makuelämystä sekä sileää, yhtenäistä suutuntumaa. Lisäksi ultraäänikäsittely hajottaa tärkkelysten, proteiinien ja kaakaon kiintoaineiden agglomeraatteja, mikä tekee rakenteesta erityisen kermaisen ja voimistaa makua.

Lue lisää vegaanisen suklaamoussen ultraääniemulgoinnista!
 

Yksi tämän laitteen käytön haasteista on kuitenkin tämän tehon hyödyntäminen ja hallinta tavalla, joka parantaa elintarvikkeita.
Hankittu ultraäänihomogenisaattorimalli UP200Ht määrittää käyttäjän käytettävissä olevan enimmäistehon, ja itse homogenisaattorissa on useita muuttujia, joiden avulla sen suorituskykyä voidaan säätää käyttökohteeseen sopivaksi. Tässä oppaassa käytettiin Hielscherin 200 watin ultraäänilaitetta.

Sonotrodin koko

Asennetun sonotrodin koko vaikuttaa merkittävästi siihen, miten laite siirtää tehonsa.
Hyvin yksinkertaisesti ilmaistuna mitä suurempi sonotrodin pinta-ala on, sitä enemmän tehoa tarvitaan sen käyttämiseen tietyllä amplitudilla. Myös nesteen viskositeetti vaikuttaa suuresti tehoon, joka tarvitaan sonotrodin käyttämiseen tietyllä amplitudilla.
Kuvittele sonotrodi männäksi tai painimeksi. Jos mäntää liikutetaan hyvin nopeasti ylös ja alas kattilassa, jossa on juoksevaa nestettä, kuten vettä, se on suhteellisen helppoa varsin suurillakin nopeuksilla. Jos kattila kuitenkin täytetään paksulla kastikkeella, tilanne muuttuu: männän nopea liikuttaminen ylös ja alas nesteessä vaatii huomattavasti enemmän tehoa kasvaneen viskositeetin vuoksi. Jos männän tai painimen kokoa kasvatetaan, myös sen liikuttaminen ylös ja alas nesteessä vaatii enemmän voimaa.
Sama pätee sonotrodiin. Kun laitteeseen on asennettu suuri sonotrodi, laitteen on työskenneltävä paljon kovemmin tietyn värähtelyamplitudin tuottamiseksi, jos nesteen viskositeetti on suuri, kuin jos nesteen viskositeetti on pieni.
 

 

Millä tahansa tietyllä tehoasetuksella pienempi sonotrodi tuottaa pinta-alansa vuoksi kärjessään suurempia painevaihteluita ja voimakkaampaa kavitaatiota kuin suurempi sonotrodi (koska teho keskittyy pienemmän sonotrodin pinta-alalle).
Suuremman sonotrodin käyttäminen samalla amplitudilla ei välttämättä ole mahdollista, sillä siihen tarvitaan huomattavasti enemmän tehoa, mikä voi johtaa laitteen sammumiseen ylikuormituksen vuoksi. Tällöin sonotrodin kokoa on pienennettävä tai on hankittava tehokkaampi laite.
Ultraäänen intensiteetti (millä tahansa tietyllä tehoasetuksella) pienenee pinta-alan kasvaessa (suuremmat sonotrodit), kun taas ultraäänen tehotiheys kasvaa pinta-alan pienentyessä. Toisin sanoen pienempi sonotrodi kohdistaa paljon ultraäänitehoa pienelle alueelle, kun taas suurempi sonotrodi jakaa tehon laajemmalle alueelle.

Homogenisaattoria käytettäessä näytteeseen kohdistuvan työn kokonaismäärä muodostuu homogenisaattorin syöttötehon , näytteen tilavuuden ja käsittelyajan yhdistelmästä. Toistettavien tulosten saamiseksi on otettava huomioon kaikki kolme parametria. Älä odota saavasi samoja tuloksia, jos käytät laitetta kaksi minuuttia pienessä kupillisessa nestettä ja käsittelet sitten litran nestettä saman ajan! Muista myös, että pienten näytemäärien ja suurten syöttötehojen yhteydessä näytteen lämpötila nousee nopeasti. Lämpöherkille näytteille on parempi käyttää pienempiä tehoasetuksia pidempään, jotta homogenisaattorin syöttämä energia pääsee poistumaan lämpönä.
Näytteen ylikuumentaminen saattaa hyvinkin aiheuttaa sen, että osa juuri niistä aromeista, joita yrität ottaa talteen, karkaa järjestelmästä.
Suuret syöttötehot voivat myös aiheuttaa näytteen hajoamista, kuten voidaan havaita tiettyjä öljyjä käytettäessä. Homogenisaattorin kärjen suurelle energiansyötölle altistuvat öljyt voivat hajota, jolloin syntyy erittäin epämiellyttävä maku, jota voi kuvailla vain sähkölaitteen palamisen mauksi!
Lämpöherkkien materiaalien kohdalla näytteen jäähdyttäminen parantaa tuloksia esimerkiksi käyttämällä jäähaudetta tai lisäämällä näytteeseen hieman kuivajäätä. Pienempien syöttötehojen käyttäminen pidempään auttaa hajauttamaan järjestelmään vapautuvaa energiaa. Samoin auttaa laitteen käyttäminen pulssitilassa, jossa näyte pääsee hieman jäähtymään ultraäänipulssien välillä.
Homogenisaattorin elektroniikan avulla käyttäjä voi valita laitteen käyttöön kaksi pääasiallista säätötilaa.

Amplitudin säätö

Tässä tilassa käyttäjä valitsee sonotrodille tarvittavan amplitudin %-osuutena enimmäisamplitudista. Elektroniikka pyrkii sitten käyttämään sonotrodia tällä amplitudilla ja säätää laitteen syöttötehoa ylläpitääkseen sonotrodin vaaditun amplitudin. Jos sonotrodin pinta-ala on liian suuri, jotta sitä voitaisiin käyttää tällä amplitudilla laitteen käytettävissä olevalla teholla, amplitudi ei saavuta asetettua arvoa ja laite saattaa sammua ylikuormitustilanteessa.

Haluatteko valmistaa omia mausteuutteita tai kastikkeita? Hielscher-ultraäänilaitteilla voi valmistaa laadukkaita uutteita ja kastikkeita lyhyessä ajassa niin ravintolakeittiössä, kunnianhimoisen keittiömestarin apulaisen työssä kuin kaupallisessa tuotannossakin. Valmistakaa luomu-uutteita itse! Jättäkää säilöntäaineet pois! Käyttäkää vain itse valitsemianne ainesosia!

Syöttötehon säätö

Tässä tilassa käyttäjä asettaa tarvittavan syöttötehon watteina, ja elektroniikka säätää värähtelyjen amplitudia sovittaakseen syöttötehon käyttäjän asetukseen. Tässä tilassa nesteeseen siirtyvää tehoa voidaan säädellä ja siten rajoittaa nesteessä syntyvää lämpöä, jolloin herkemmät näytteet eivät vaurioidu.

Pulssitila

Kahden toimintatilan lisäksi käytettävissä on pulssitila, jossa elektroniikka kytkeytyy päälle ja pois jaksoittain. Käyttäjä säätää ajoituksen välillä, jonka toisessa päässä laite on päällä 10 % ajasta ja pois päältä 90 % ajasta ja toisessa päässä päällä 90 % ajasta ja pois päältä 10 % ajasta. Tämä tuottaa sykkivän vaikutuksen ja auttaa sekä rajoittamaan näytteen kokonaissyöttötehoa että aikaansaamaan näytteessä tehokasta sekoittumista alkuvaiheen syötön ollessa suuri elektroniikan vakiintuessa kunkin toimintajakson aikana.

Yleisiä vinkkejä ja neuvoja

Kun homogenisaattoria käytetään makujen siirtämiseen nesteeseen, saadaan parempia tuloksia, jos kiinteiden aineiden kokoa on pienennetty ennen homogenointia. Tämä kasvattaa pinta-alaa, joka altistuu sonotrodille. Sama periaate pätee, kun homogenisaattoria käytetään hiukkaskoon pienentämiseen. Ajattele homogenisaattoria hienon viimeistelyn työkaluna, älä karkeajauhimena! Hiukkaskokoa pienennettäessä suuri osa työstä tapahtuu sonotrodin synnyttämien voimien kiihdyttämien hiukkasten törmätessä toisiinsa suurella nopeudella. Huomattavasti parempia tuloksia saadaan, jos osa hiukkaskoon pienentämisestä tehdään ennen ultraäänikäsittelyä. Kun pääosa hiukkaskoon pienentämisestä on tehty jo ennen aloittamista, suurempi pinta-ala altistuu ultraäänikäsittelylle ja pienemmät hiukkaset kiihtyvät nesteessä nopeammin. Tämä johtaa voimakkaampiin törmäyksiin, joiden voima pilkkoo hiukkasia edelleen. Myös homogenisaattorin on tehtävä vähemmän työtä, jolloin lämpötilaa voidaan hallita paremmin.
Koska homogenisaattori toimii varsin paikallisesti, suurempia, esimerkiksi useiden satojen millilitrojen tai sitä suurempia näytteitä käsiteltäessä on hyödyllistä käyttää lisäsekoitusta. Näin varmistetaan, että sonotrodia ympäröivä neste vaihtuu ja koko näyte saa ultraäänikäsittelyn. Tämä pätee erityisesti viskoosimpiin näytteisiin. Hyvä magneettisekoitin on hyödyllinen tapa toteuttaa tämä. Sekoitus auttaa myös varmistamaan, ettei sonotrodia ympäröivä neste ylikuumene. Jäähauteen tai näytteeseen lisättyjen kuivajääpalojen käyttö auttaa poistamaan ultraäänikäsittelyn siirtämää energiaa. Kuten jo todettiin, jos materiaali on lämpöherkkää, käytä pienempiä tehoasetuksia pidemmän ajan ja/tai käytä pulssitilaa näytteessä syntyvien lämpötilojen rajoittamiseksi, jotta näyte pääsee jäähtymään ultraäänipulssien välillä.

---

---

Kirjallisuus

• 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.

 

Tässä videossa GuerillaChefs.de-sivuston Simon esittelee Hielscher UP200Ht -käsikäyttöisen ultraäänilaitteen käyttöä veden nopeaan aromatisointiin tuoreilla sienillä – innovatiivista tekniikkaa, jota käytetään ruoanvalmistuksessa ja molekyyligastronomiassa. Ultraäänikäsittely tehostaa makuaineiden uuttumista ja siirtää hienovaraiset aromiyhdisteet vesifaasiin sekunneissa, mikä mahdollistaa hienostuneiden liemien, haudukkeiden ja makupohjien valmistamisen ilman lisäaineita ja kuumennusta. Menetelmä soveltuu erinomaisesti keittiömestareille ja elintarvikealan innovaattoreille, jotka tavoittelevat tarkkuutta ja voimakkuutta luonnollisten makujen kehittämisessä.