Cuisine moléculaire et autres applications culinaires

La sonication transforme la manière dont les chefs et les scientifiques de l’alimentation préparent les aliments et les boissons : l’extraction, l’infusion, l’émulsification et l’homogénéisation par ultrasons sont des applications clés des sonicateurs pour les créations culinaires. Des extractions rapides aux émulsions plus soyeuses en passant par des arômes intensifiés, les ondes ultrasonores développent des goûts et des textures exceptionnels. Dans cet article, vous découvrirez comment les chefs et les technologues alimentaires utilisent la cavitation ultrasonore pour recréer tout ce qui va des cocktails aux consommés.

Petit guide des principes

article invité de Mark Gaston

• La plupart des contenus de ce guide sont des informations facilement accessibles ; cependant, elles sont parfois rédigées d’une manière qui n’en facilite pas toujours la lecture, à moins d’être familiarisé avec les termes employés.
• Ci-dessous sont expliqués des termes importants de la sonication, tels que sonotrode, amplitude, etc., ainsi que leurs effets sur les applications culinaires.
• Le guide ci-dessous tente d’expliquer l’utilisation de l’homogénéisateur à ultrasons d’une manière moins scientifique et davantage orientée vers la cuisine.

Les ondes ultrasonores et leur application aux aliments

En tant que technique, l’homogénéisateur à ultrasons existe depuis de nombreuses années sous diverses formes, mais il commence seulement à faire son entrée dans les applications culinaires à plus petite échelle. L’homogénéisateur contient une électronique sophistiquée capable de convertir et de contrôler l’énergie électrique pour la transformer en vibrations haute fréquence de l’embout métallique, ou sonotrode.
La sonotrode se déplace principalement de haut en bas à une fréquence assez élevée, au-delà du domaine audible (p. ex. 26 000 fois par seconde, soit 26Khz, avec le sonicateur UP200Ht). L’ampleur du déplacement de haut en bas de la sonotrode est appelée amplitude et peut généralement être réglée entre 9 et 240 µm (à titre de comparaison, un cheveu humain moyen mesure environ 100 µm d’épaisseur). Pour simplifier, la sonotrode se comporte comme un piston qui monte et descend dans le liquide.
Lorsque la sonotrode monte et descend en étant immergée dans un liquide, elle crée des zones de haute et de basse pression dans le liquide qui l’entoure, ce qui engendre à son tour un phénomène appelé cavitation. Nous constatons en cuisine qu’une baisse de pression (comme dans une machine sous vide à cloche) fait bouillir les liquides à des températures plus basses et qu’une hausse de pression (comme dans un autocuiseur) les fait bouillir à une température plus élevée.
Les pulsations de pression qui fluctuent rapidement à l’extrémité de la sonotrode provoquent la formation puis l’effondrement rapide de bulles dans le liquide. Tout cela se produit à une échelle minuscule, mais génère des forces énormes dans le liquide en raison des vitesses, des températures et des pressions produites par la cavitation. Ce sont ces forces énormes que nous pouvons mettre à profit en cuisine pour l’extraction des arômes par rupture des cellules, l’émulsification, ou la désagrégation des particules.

 

Découvrez comment le sonicateur Hielscher UP200Ht transforme une émulsion de chocolat à base végétale en une mousse au chocolat végane, soyeuse et stable. La cavitation ultrasonore assure une dispersion fine, une meilleure stabilité de l’émulsion et une texture optimale, réunissant ainsi les conditions d’un dessert parfait, riche en chocolat et sans produits laitiers. En créant une émulsion de graisses de chocolat et d’eau dont les gouttelettes sont de taille submicronique, la sonication contribue à une expérience gustative intense et à une sensation en bouche lisse et homogène. De plus, les ultrasons désagrègent les agglomérats d’amidons, de protéines et de matières solides du cacao pour une onctuosité maximale et une saveur intensifiée.

Découvrez-en plus sur l’émulsification par ultrasons d’une mousse au chocolat végane !

L’un des défis liés à l’utilisation de cet équipement consiste toutefois à exploiter et à maîtriser cette puissance de manière à sublimer les aliments.
Le modèle d’homogénéisateur à ultrasons UP200Ht acheté détermine la puissance maximale dont dispose l’utilisateur, et l’homogénéisateur lui-même présente un certain nombre de variables permettant d’ajuster ses performances en fonction de l’application. Pour les besoins de ce guide, le modèle utilisé était le sonicateur Hielscher de 200 watts.

Taille de la sonotrode

La taille de la sonotrode montée a un effet majeur sur la manière dont l’appareil délivre sa puissance.
Pour simplifier, plus la surface de la sonotrode est grande, plus il faut de puissance pour l’entraîner à une amplitude donnée. La viscosité du fluide a également une grande influence sur la puissance nécessaire pour entraîner la sonotrode à une amplitude donnée.
Imaginez la sonotrode comme un piston ou un poussoir : si l’on déplace le piston de haut en bas très rapidement dans une casserole remplie d’un liquide fluide comme l’eau, c’est relativement facile, même à des vitesses raisonnables ; en revanche, si l’on remplit la casserole d’une sauce épaisse, il n’en va plus de même : il faudra beaucoup plus de puissance pour déplacer rapidement le piston de haut en bas dans le liquide en raison de la viscosité accrue. Si l’on augmente la taille du piston ou du poussoir, il faudra également plus d’effort pour le déplacer de haut en bas dans le liquide.
Il en va de même pour la sonotrode. Avec une grande sonotrode montée, l’appareil devra fournir un effort bien plus important pour produire une amplitude d’oscillation donnée si le liquide présente une viscosité élevée qu’avec un fluide de faible viscosité.

Pour un réglage de puissance donné, une sonotrode plus petite génère, en raison de sa surface, des fluctuations de pression plus importantes et des intensités de cavitation plus élevées à son extrémité qu’une sonotrode plus grande (car la puissance est concentrée sur la surface plus réduite de la petite sonotrode).
Il peut s’avérer impossible d’entraîner une sonotrode plus grande à la même amplitude, car cela exigerait bien plus de puissance, ce qui pourrait entraîner l’arrêt de l’appareil pour cause de surcharge. Dans ce cas, il faut réduire la taille de la sonotrode ou se procurer un appareil plus puissant.
L’intensité des ultrasons (pour un réglage de puissance donné) diminue lorsque la surface augmente (sonotrodes plus grandes), tandis que l’intensité de la puissance ultrasonore augmente lorsque la surface diminue ; autrement dit, une petite sonotrode concentre une grande puissance ultrasonore sur une petite surface, tandis qu’une sonotrode plus grande répartit la puissance sur une surface plus étendue.

Lors de l’utilisation de l’homogénéisateur, le travail total effectué sur l’échantillon résulte de la combinaison de la puissance d’entrée de l’homogénéisateur, du volume de l’échantillon et de la durée d’exposition. Pour obtenir des résultats reproductibles, nous devons tenir compte de ces trois paramètres. Ne vous attendez pas, après avoir plongé l’appareil pendant deux minutes dans un petit gobelet rempli de liquide, à obtenir le même résultat dans un litre de liquide sur la même durée ! N’oubliez pas non plus qu’avec de petits volumes d’échantillon et des puissances d’entrée élevées, la température de l’échantillon augmente rapidement. Pour les échantillons sensibles à la température, il est préférable d’utiliser des réglages de puissance plus faibles sur des durées plus longues, afin de permettre à l’énergie apportée par l’homogénéisateur sous forme de chaleur de se dissiper.
Une surchauffe de l’échantillon peut fort bien faire s’échapper du système certains des arômes mêmes que vous cherchez à capter.
Des puissances d’entrée élevées peuvent également provoquer la dégradation de l’échantillon, comme on peut le constater avec certaines huiles. Exposées aux apports d’énergie élevés à l’extrémité de l’homogénéisateur, les huiles peuvent se décomposer et donner un goût très désagréable, que l’on ne peut décrire que comme un goût de brûlé électrique !
Pour les matières sensibles à la température, le refroidissement de l’échantillon améliorera les résultats, par exemple au moyen d’un bain de glace ou en ajoutant un peu de glace carbonique dans l’échantillon. L’utilisation de puissances d’entrée plus faibles sur une durée plus longue aide à disperser l’énergie libérée dans le système, tout comme l’utilisation de l’appareil en mode pulsé, qui permet un certain refroidissement entre chaque salve d’ultrasons.
Au niveau de l’électronique de l’homogénéisateur, l’utilisateur peut choisir de faire fonctionner l’appareil selon deux principaux modes de régulation.

Régulation de l’amplitude

Dans ce mode, l’utilisateur choisit le pourcentage de l’amplitude maximale requis pour la sonotrode. L’électronique tente alors d’entraîner la sonotrode à cette amplitude et ajuste la puissance d’entrée de l’appareil afin de maintenir l’amplitude requise au niveau de la sonotrode. Si la surface de la sonotrode est trop grande pour être entraînée à cette amplitude avec la puissance disponible de l’appareil, l’amplitude n’atteindra pas la valeur réglée et un arrêt peut se produire si une situation de surcharge est atteinte.

Souhaitez-vous produire vos propres extraits d’épices ou sauces ? Que ce soit pour une cuisine de restaurant, un sous-chef ambitieux ou des fabricants commerciaux, les équipements à ultrasons Hielscher permettent de produire rapidement des extraits et des sauces de haute qualité. Réalisez vous-même des extraits biologiques ! Éliminez les conservateurs ! Utilisez uniquement les ingrédients que vous choisissez !

Régulation de la puissance d’entrée

Dans ce mode, l’utilisateur règle la puissance d’entrée requise en watts et l’électronique ajuste l’amplitude des oscillations afin d’adapter la puissance d’entrée au réglage de l’utilisateur. Ce mode permet de réguler la puissance transmise au liquide et donc de limiter la chaleur générée dans celui-ci, évitant ainsi d’endommager les échantillons plus sensibles.

Mode pulsé

Outre ces deux modes de fonctionnement, il existe un mode pulsé, dans lequel l’électronique s’allume et s’éteint par cycles, dont la durée est réglée par l’utilisateur, depuis 10 % du temps en marche et 90 % à l’arrêt jusqu’à 90 % du temps en marche et 10 % à l’arrêt. Cela produit un effet pulsé, utile à la fois pour limiter la puissance d’entrée globale dans l’échantillon et pour créer une bonne agitation au sein de l’échantillon, en lien avec l’apport initial élevé pendant que l’électronique se stabilise au cours de chaque cycle de service.

Conseils et astuces généraux

Lorsque l’on utilise l’homogénéisateur pour infuser des arômes, on obtient de meilleurs résultats si la taille des solides a été réduite avant l’homogénéisation, car cela augmente la surface exposée à la sonotrode. Le même principe s’applique lorsque l’on utilise l’homogénéisateur pour la réduction de la taille des particules. Considérez l’homogénéisateur comme un outil de finition fine, et non comme un broyeur grossier ! Lors de la réduction de la taille des particules, une grande partie du travail est accomplie par les collisions à grande vitesse de particules accélérées par les forces générées au niveau de la sonotrode. On obtiendra de bien meilleurs résultats si une partie de la réduction des particules est effectuée avant la sonication. Commencer avec la réduction grossière de la taille des particules déjà effectuée signifie qu’une plus grande surface est exposée à la sonication et que les particules plus petites seront accélérées plus rapidement dans le liquide, ce qui entraîne des collisions plus intenses dotées d’une force suffisante pour fragmenter davantage les particules. L’homogénéisateur aura également moins de travail à fournir, ce qui permet de mieux maîtriser la température.
Comme l’homogénéisateur agit à un niveau assez localisé, il est utile, avec des échantillons plus importants – disons plusieurs centaines de millilitres ou plus –, d’assurer une agitation supplémentaire afin que le volume entourant la sonotrode soit renouvelé, garantissant ainsi une sonication complète de l’échantillon. Cela vaut particulièrement pour les échantillons plus visqueux. Un bon agitateur magnétique est un moyen utile d’y parvenir. L’agitation contribue également à éviter la surchauffe du volume de liquide autour de la sonotrode. L’utilisation d’un bain de glace ou de morceaux de glace carbonique dans l’échantillon aidera à évacuer l’énergie apportée par la sonication. Comme indiqué précédemment, si la matière est sensible à la température, utilisez des réglages de puissance plus faibles sur une durée plus longue et/ou utilisez le mode pulsé afin de limiter les températures générées dans l’échantillon, en permettant à celui-ci de refroidir entre les impulsions sonores.

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Bibliographie

• 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.

 

Dans cette vidéo, Simon de GuerillaChefs.de présente l’utilisation du sonicateur portatif Hielscher UP200Ht pour aromatiser rapidement de l’eau avec des champignons frais – une technique innovante utilisée en cuisine et en gastronomie moléculaire. La sonication améliore l’extraction des saveurs et fait passer les composés aromatiques délicats dans la phase aqueuse en quelques secondes, permettant un traitement sans chaleur pour des bouillons raffinés, des infusions ou des bases aromatiques à l’étiquetage épuré. Idéal pour les chefs et les acteurs de l’innovation alimentaire qui recherchent précision et intensité dans le développement de saveurs naturelles.