Cuisine moléculaire et autres applications culinaires

La sonication transforme la façon dont les chefs et les scientifiques 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 l'intensification des arômes, les ondes ultrasoniques développent des goûts et des textures exceptionnels. Dans cet article, vous apprendrez comment les chefs et les technologues alimentaires utilisent la cavitation ultrasonique pour recréer toutes sortes de produits, des cocktails aux consommés.

Un bref guide des principes

article de Mark Gaston

• La majeure partie du contenu de ce guide est constituée d'informations facilement disponibles, mais elles sont parfois rédigées d'une manière qui n'en facilite pas la lecture, à moins que vous ne soyez familiarisé avec les termes utilisés.
• Les termes importants de la sonication, tels que la sonotrode, l'amplitude, etc. et leurs effets sur les applications culinaires sont expliqués ci-dessous.
• Le guide ci-dessous tente d'expliquer l'utilisation de l'homogénéisateur à ultrasons d'une manière moins scientifique et plus culinaire.

Les ondes ultrasonores et leur application à l'alimentation

La technique de l'homogénéisateur à ultrasons existe depuis de nombreuses années sous diverses formes, mais elle commence tout juste à trouver sa place dans les applications culinaires à plus petite échelle. L'homogénéisateur contient des composants électroniques sophistiqués qui peuvent convertir et contrôler l'énergie électrique en vibrations à haute fréquence de la pointe métallique ou sonotrode.
La sonotrode se déplace principalement de haut en bas à une fréquence assez élevée au-dessus de la plage audible (par exemple 26 000 fois par seconde ou 26Khz avec le Sonicator UP200Ht). La quantité de mouvement de haut en bas de la sonotrode est appelée amplitude et peut généralement être réglée entre 9 et 240 µm (à titre de référence, un cheveu humain moyen a une épaisseur d'environ 100 µm). En termes simples, la sonotrode se comporte comme un piston qui monte et descend dans le liquide.
Lorsque la sonotrode se déplace de haut en bas alors qu'elle est immergée dans un liquide, elle crée des zones de haute et de basse pression dans le liquide autour de la sonotrode, ce qui crée un phénomène connu sous le nom de cavitation. Dans la cuisine, nous constatons que l'abaissement de la pression (comme dans une soudeuse à cloche) fait bouillir les liquides à des températures plus basses et que l'augmentation de la pression (comme dans un autocuiseur) fait bouillir les liquides 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 passe à une échelle minuscule, mais crée des forces énormes dans le liquide en raison des vitesses, des températures et des pressions générées par la cavitation. Ce sont ces forces considérables qui peuvent être mises à profit dans la cuisine pour la fabrication de produits alimentaires. l'extraction d'arômes par rupture des cellules, émulsification ou décomposition des particules.

 

En savoir plus sur l'émulsification par ultrasons d'une mousse au chocolat végétalienne !
 

L'un des défis liés à l'utilisation de cet équipement consiste toutefois à exploiter et à contrôler cette puissance de manière à améliorer les aliments.
Les produits achetés homogénéisateur ultrasonique modèle UP200Ht dicte la puissance maximale disponible pour l'utilisateur et l'homogénéisateur lui-même possède un certain nombre de variables qui peuvent être utilisées pour 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 installée a un effet majeur sur la manière dont l'appareil délivre sa puissance.
En termes très simples, plus la surface de la sonotrode est grande, plus il faudra de puissance pour l'actionner 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 plongeur, si le piston est déplacé très rapidement de haut en bas dans une casserole contenant un liquide fin tel que de l'eau, il est relativement facile de le faire même à des vitesses raisonnables, mais remplissez la casserole avec une sauce épaisse et il n'en sera pas de même, il faudra beaucoup plus de puissance pour déplacer le piston rapidement de haut en bas dans le liquide en raison de la viscosité accrue. Si l'on augmente la taille du piston ou du plongeur, il faudra également plus d'efforts pour le faire monter et descendre dans le liquide.
Il en va de même pour la sonotrode. Avec une sonotrode de grande taille, l'appareil devra travailler beaucoup plus fort pour produire une amplitude d'oscillation donnée si le liquide a une viscosité élevée qu'avec un fluide de faible viscosité.
 

 

Pour un réglage de puissance donné, une sonotrode plus petite, en raison de sa surface, générera des fluctuations de pression plus importantes et des intensités de cavitation plus élevées à la pointe qu'une sonotrode plus grande (car la puissance est concentrée sur une surface de sonotrode plus petite).
Il peut s'avérer impossible de faire fonctionner une sonotrode plus grande à la même amplitude, car il faudra beaucoup plus de puissance pour y parvenir, ce qui peut entraîner l'arrêt de l'appareil en raison d'une surcharge. Dans ce cas, la taille de la sonotrode doit être réduite ou un appareil plus puissant doit être obtenu.
L'intensité des ultrasons (à une puissance donnée) diminue avec l'augmentation de la surface (sonotrodes plus grandes), alors que l'intensité de la puissance ultrasonore augmente avec la diminution de la surface, ou, pour le dire autrement, une sonotrode plus petite concentre beaucoup de puissance ultrasonore sur une petite surface, alors qu'une sonotrode plus grande répartit la puissance sur une plus grande surface.

Lorsque l'homogénéisateur est utilisé, le travail total effectué sur l'échantillon est une combinaison des éléments suivants alimentation électrique de l'homogénéisateur, le volume de l'échantillon et le temps d'exposition. Pour obtenir des résultats reproductibles, il faut tenir compte de ces trois paramètres. Ne vous attendez pas à placer l'appareil dans une petite tasse remplie de liquide pendant deux minutes et à obtenir le même résultat dans un litre de liquide pendant la même période ! N'oubliez pas non plus qu'avec des échantillons de petite taille 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 périodes plus longues, ce qui permet de dissiper l'énergie dégagée par l'homogénéisateur sous forme de chaleur.
La surchauffe de l'échantillon risque de faire s'échapper du système une partie des arômes que vous essayez de capturer.
Des apports d'énergie élevés peuvent également entraîner la dégradation de l'échantillon, comme on peut le constater lors de l'utilisation de certaines huiles. Les huiles, lorsqu'elles sont exposées à des apports d'énergie élevés à l'extrémité de l'homogénéisateur, peuvent se décomposer, ce qui donne un goût très désagréable que l'on ne peut décrire que comme le goût d'une brûlure électrique !
Pour les matériaux sensibles à la température, le refroidissement de l'échantillon améliore les résultats, par exemple en utilisant un bain de glace ou en ajoutant de la glace sèche à l'échantillon. L'utilisation d'une puissance plus faible sur une période plus longue permet de disperser l'énergie libérée dans le système, tout comme l'utilisation de l'appareil en mode pulsé, qui permet un refroidissement entre chaque salve d'ultrasons.
L'électronique de l'homogénéisateur permet à l'utilisateur de choisir entre deux modes de contrôle.

Contrôle de l'amplitude

Dans ce mode, l'utilisateur choisit le % de l'amplitude maximale requise pour la sonotrode. L'électronique tente alors de piloter la sonotrode à cette amplitude et ajuste la puissance d'entrée de l'appareil pour 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 définie et peut s'arrêter si une condition de surcharge est atteinte.

Contrôle de la puissance d'entrée

Dans ce mode, l'utilisateur définit la puissance requise en watts et l'électronique ajuste l'amplitude des oscillations afin de réguler la puissance d'entrée en fonction du réglage de l'utilisateur. Ce mode permet de réguler la puissance transférée au liquide et donc de limiter la chaleur générée dans le liquide afin d'éviter d'endommager les échantillons les plus sensibles.

mode d'impulsion

Outre les 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, de 10 % du temps à 90 %, à 90 % du temps et 10 % du temps. Cela donne un effet de pulsation et est utile à la fois pour limiter la puissance globale absorbée par l'échantillon et pour créer une bonne agitation à l'intérieur de l'échantillon, l'entrée initiale étant élevée car l'électronique se stabilise pendant chaque cycle de fonctionnement.

Conseils généraux et astuces

Lors de l'utilisation de l'homogénéisateur pour l'infusion d'arômes, de meilleurs résultats sont obtenus lorsque la taille des solides a été réduite avant l'homogénéisation, ce qui augmente la surface exposée à l'eau. sonotrode. Le même principe s'applique lors de l'utilisation de l'homogénéisateur pour réduction de taille de particules. Considérez l'homogénéisateur comme un outil de finition fine et non comme une meuleuse ! Lors de la réduction de la taille des particules, une grande partie du travail est effectuée par les collisions à grande vitesse des particules accélérées par les forces générées par la sonotrode. De bien meilleurs résultats seront obtenus si une partie de la réduction de la taille des particules est effectuée avant la sonication. En commençant par la réduction de la taille des particules en vrac, une plus grande surface est exposée à la sonication et les particules plus petites seront accélérées dans le liquide plus rapidement, ce qui entraînera des collisions plus importantes avec une force qui décomposera davantage les particules. Le travail de l'homogénéisateur sera également moins important, ce qui permettra de mieux contrôler la température.
Comme l'homogénéisateur fonctionne à un niveau assez localisé, il est utile, lorsqu'il est utilisé avec des échantillons plus importants, de plusieurs centaines de millilitres ou plus, de fournir une agitation supplémentaire pour s'assurer que le volume autour de la sonotrode est rafraîchi, garantissant ainsi une sonication complète de l'échantillon. Ceci est particulièrement vrai pour les échantillons plus visqueux. Un bon agitateur magnétique est un bon moyen d'y parvenir. L'agitation permet également de s'assurer que le volume de liquide autour de la sonotrode n'est pas surchauffé. L'utilisation d'un bain de glace ou de morceaux de glace sèche dans l'échantillon permet d'éliminer l'énergie transmise par la sonification. Comme nous l'avons déjà mentionné, si le matériau est sensible à la température, il convient d'utiliser des réglages de puissance plus faibles sur une période de temps plus longue ou d'utiliser le mode d'impulsion pour limiter les températures générées dans l'échantillon, ce qui permet à ce dernier de refroidir entre les impulsions soniques.

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Littérature

• 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 montre l'utilisation du sonicateur portable Hielscher UP200Ht pour l'aromatisation rapide de l'eau avec des champignons frais - une technique innovante utilisée dans la gastronomie culinaire et moléculaire. Les ultrasons améliorent l'extraction des saveurs et infusent de délicats composés aromatiques dans la phase aqueuse en quelques secondes, ce qui permet un traitement propre et sans chaleur pour les bouillons raffinés, les infusions ou les bases aromatiques. Idéal pour les chefs et les innovateurs alimentaires qui recherchent la précision et l'intensité dans le développement d'arômes naturels.

Aromatisation par ultrasons : Créer un bouillon de champignons intense en goût avec le Hielscher UP200Ht

 

Qu'il faut savoir

Les homogénéisateurs de tissus à ultrasons sont souvent appelés sonicateurs/ sonificateurs à sonde, lysers soniques, perturbateurs à ultrasons, broyeurs à ultrasons, sono-rupteurs, sonificateurs, démembreurs soniques, perturbateurs cellulaires, disperseurs à ultrasons, émulsifiants ou dissolvants. Les différents termes résultent des diverses applications qui peuvent être réalisées par la sonication.