Molekularna kuhinja i druge kulinarske primjene

Ultrazvuk mijenja način na koji kuhari i znanstvenici za hranu pripremaju hranu i piće: ultrazvučna ekstrakcija, infuzija, emulgiranje i homogenizacija ključne su primjene sonikatora za kulinarske kreacije. Od brze ekstrakcije do svilenkastih emulzija i pojačanih aroma, ultrazvučni valovi razvijaju izvanredne okuse i teksture. U ovom ćete članku naučiti kako kuhari i prehrambeni tehnolozi koriste ultrazvučnu kavitaciju za rekreiranje svega, od koktela do consomméa.

Kratki vodič kroz načela

gostujući članak Marka Gastona

• Većina sadržaja ovog vodiča su informacije koje su lako dostupne, no ponekad je napisan na način koji nije uvijek lak za čitanje osim ako slučajno niste upoznati s korištenim izrazima.
• U nastavku su objašnjeni važni pojmovi ultrazvuka kao što su sonotroda, amplituda itd. i njihovi učinci na kulinarske primjene.
• Ovaj vodič u nastavku pokušava objasniti upotrebu ultrazvučnog homogenizatora na manje znanstveni i više kulinarski način.

Ultrazvučni valovi i njihova primjena na hranu

Ultrazvučni homogenizator kao tehnika postoji već dugi niz godina u različitim oblicima, ali tek pronalazi put do manjih kulinarskih primjena. Homogenizator sadrži sofisticiranu elektroniku koja može pretvoriti i kontrolirati električnu energiju u visokofrekventne vibracije metalnog vrha ili sonotrode.
Sonotroda se prvenstveno kreće gore-dolje na prilično visokoj frekvenciji iznad čujnog raspona (npr. 26000 puta u sekundi ili 26 Khz s Sonikator UP200Ht). Količina koju sonotroda pomiče gore-dolje naziva se amplituda i obično se može podesiti između 9 i 240 µm (prosječna ljudska kosa debljine je oko 100 µm za referencu). Jednostavno rečeno, sonotroda se ponaša poput klipa koji se kreće gore-dolje u tekućini.
Kako se sonotroda pomiče gore-dolje dok je uronjena u tekućinu, stvara područja visokog i niskog tlaka unutar tekućine oko sonotrode, što zauzvrat stvara fenomen poznat kao kavitacija. U kuhinji vidimo da snižavanje tlaka (kao što je u komori za brtvljenje) uzrokuje ključanje tekućina na nižim temperaturama, a povećanje tlaka (kao što je ekspres lonac) uzrokuje ključanje tekućina na višoj temperaturi.
Brzo fluktuirajuće pulsacije tlaka na vrhu sonotrode uzrokuju stvaranje, a zatim brzi kolaps mjehurića unutar tekućine. Sve se to događa u maloj skali, ali stvara ogromne sile unutar tekućine zbog brzina, temperatura i tlakova koje stvara kavitacija. Upravo se te ogromne sile mogu okrenuti u našu korist u kuhinji za ekstrakcija okusa po pucanje stanica, emulgiranje, ili razgradnja čestica.

 

Saznajte više o ultrazvučnoj emulgaciji veganskog moussea au chocolat!
 

Međutim, jedan od izazova u korištenju ove opreme je iskoristiti i kontrolirati ovu snagu na način koji poboljšava hranu.
Kupljeni model ultrazvučnog homogenizatora UP200Ht diktira maksimalnu snagu dostupnu korisniku, a sam homogenizator ima niz varijabli koje se mogu koristiti za prilagodbu njegovih performansi kako bi odgovarale primjeni. Za potrebe ovog vodiča, korišteni model bio je Hielscher 200 W sonicator.

Veličina sonotrode

Veličina ugrađene sonotrode ima veliki utjecaj na to kako jedinica isporučuje svoju snagu.
Vrlo jednostavnim rječnikom rečeno, što je veća površina sonotrode, to će joj trebati više snage da bi je pokretao pri bilo kojoj zadanoj amplitudi. Viskoznost tekućine također će imati veliki utjecaj na snagu potrebnu za pokretanje sonotrode pri određenoj amplitudi.
Zamislite sonotrodu kao klip ili klip, ako se klip pomiče gore-dolje vrlo brzo u loncu s rijetkom tekućinom kao što je voda, to je relativno lako učiniti čak i pri razumnim brzinama, ali napunite lonac gustim umakom i isto neće biti točno, bit će potrebno puno više snage za brzo pomicanje klipa gore-dolje u tekućini zbog povećane viskoznosti. Povećajte veličinu klipa ili klipa i bit će potrebno više napora da se pomiču gore-dolje u tekućini.
Isto vrijedi i za sonotrodu. S ugrađenom velikom sonotrodom, jedinica će morati puno više raditi kako bi proizvela zadanu amplitudu oscilacija ako tekućina ima visoku viskoznost nego s tekućinom niske viskoznosti.
 

 

Pri bilo kojoj postavci snage, manja sonotroda zbog svoje površine generirat će veće fluktuacije tlaka i veće intenzitete kavitacije na vrhu od veće sonotrode (jer je snaga usmjerena na manju površinu sonotrode).
Možda neće biti moguće pokrenuti veću sonotrodu na istoj amplitudi jer će za to biti potrebno daleko više snage, što može rezultirati gašenjem jedinice zbog preopterećenja. U tom slučaju veličina sonotrode mora biti smanjena ili se mora nabaviti jedinica veće snage.
Intenzitet ultrazvuka (pri bilo kojoj postavci snage) opada s povećanjem površine (veće sonotrode), gdje kako se intenzitet ultrazvučne snage povećava sa smanjenjem površine, ili drugim riječima, manji sonotrode stavlja puno ultrazvučne snage u malo područje, gdje kao veći sonotroda širi snagu na veće područje.

Kada se upotrebljava homogenizator, ukupni rad na uzorku kombinacija je ulazna snaga homogenizatora, volumen uzorka i vrijeme izlaganja. Da bismo dobili ponovljive rezultate, moramo uzeti u obzir sva tri parametra. Ne očekujte da ćete uređaj staviti u malu šalicu punu tekućine na dvije minute, a zatim dobiti isti rezultat u litri tekućine u istom vremenskom razdoblju! Jednako tako zapamtite da će s malim veličinama uzoraka i velikim ulaznim snagama temperatura uzorka brzo porasti. Za uzorke osjetljive na temperaturu bolje je koristiti niže postavke snage tijekom duljih razdoblja, omogućujući rasipanje energije koju homogenizator unosi kao toplinu.
Pregrijavanje uzorka može uzrokovati da neke od samih aroma koje pokušavate uhvatiti pobjegnu iz sustava.
Velika ulazna snaga također može uzrokovati degradaciju uzorka, kao što se može vidjeti pri korištenju određenih ulja. Ulja kada su izložena visokim energetskim unosima na vrhu homogenizatora mogu se razgraditi što rezultira vrlo neugodnim okusom koji se može opisati samo kao okus električnog gorenja!
Za temperaturno osjetljive materijale hlađenje uzorka poboljšat će rezultate, primjerice korištenjem ledene kupelji ili dodavanjem malo suhog leda u uzorak. Korištenje manjih ulaznih snaga tijekom duljeg razdoblja pomaže u raspršivanju energije koja se oslobađa u sustav kao i korištenje jedinice u pulsnom načinu rada koji omogućuje malo hlađenja između svakog praska ultrazvuka.
Unutar elektronike homogenizatora, korisnik može odabrati rad jedinice u dva glavna načina upravljanja.

Kontrola amplitude

U ovom načinu rada korisnik odabire % maksimalne amplitude potrebne za sonotrodu. Elektronika će tada pokušati pokrenuti sonotrodu na toj amplitudi i prilagodit će ulaznu snagu uređaja kako bi održala potrebnu amplitudu na sonotrodi. Ako je površina sonotrode prevelika da bi se pokretala ovom amplitudom s dostupnom snagom jedinice, amplituda neće dosegnuti postavljenu vrijednost i može se isključiti ako se postigne stanje preopterećenja.

Kontrola ulazne snage

U ovom načinu rada korisnik postavlja potrebnu ulaznu snagu u vatima, a elektronika će prilagoditi amplitudu oscilacija kako bi regulirala ulaznu snagu korisničkim postavkama. Ovaj način rada omogućuje regulaciju snage koja se prenosi na tekućinu i stoga ograničava toplinu koja se stvara u tekućini izbjegavajući oštećenje osjetljivijih uzoraka.

pulsni način rada

Uz dva načina rada, postoji i pulsni način rada, pri čemu se elektronika uključuje i isključuje u ciklusima, čije vrijeme korisnik postavlja od uključenog 10% vremena i isključenog 90% do uključenog 90% vremena i isključenog 10%. To daje pulsirajući učinak i korisno je i za ograničavanje ukupne ulazne snage uzorka i stvaranje dobre miješanja unutar uzorka do početnog ulaza koji je visok jer se elektronika stabilizira tijekom svakog radnog ciklusa.

Opći savjeti i trikovi

Upotrebom homogenizatora za infuziju aroma postižu se bolji rezultati kada su krute tvari smanjene prije homogenizacije, čime će se povećati površina izložena sonotroda. Isti princip vrijedi i kada se homogenizator koristi za smanjenje veličine čestica. Zamislite homogenizator kao fini alat za završnu obradu, a ne kao brusilicu za tečajeve! U smanjenju veličine čestica velik dio posla obavljaju velike brzine sudara čestica, ubrzanih sila koje nastaju na sonotrodi. Mnogo bolji rezultati postići će se ako se dio redukcije čestica učini prije ultrazvučnog zračenja. Počevši od već učinjenog smanjenja veličine čestica znači da je veća površina izložena sonikaciji i da će se manje čestice brže ubrzati u tekućini, što rezultira većim sudarima sa silom daljnje razgradnje čestica. Homogenizator će također morati obaviti manje posla, što će omogućiti bolju kontrolu temperature.
Budući da homogenizator radi na prilično lokaliziranoj razini, korisno je kada se koristi s većim uzorcima od recimo nekoliko stotina mililitara ili više kako bi se osiguralo dodatno miješanje kako bi se osiguralo osvježavanje volumena oko sonotrode, osiguravajući potpunu ultrazvučnu obradu uzorka. To se posebno odnosi na viskoznije uzorke. Dobra magnetska miješalica koristan je način da se to postigne. Miješanje također pomaže u osiguravanju da se volumen tekućine oko sonotrode ne pregrije. Korištenje ledene kupke ili komadića suhog leda u uzorku pomoći će ukloniti energiju koju daje sonifikacija. Kao što je već spomenuto, ako je materijal osjetljiv na temperaturu, koristite niže postavke snage tijekom duljeg vremenskog razdoblja i ili koristite pulsni način rada kako biste ograničili temperature generirane u uzorku dopuštajući uzorku da se ohladi između zvučnih impulsa.

---

---

Književnost

• 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.

 

U ovom videu Simon iz GuerillaChefs.de demonstrira upotrebu ručnog sonikatora Hielscher UP200Ht za brzu aromatizaciju vode sa svježim gljivama – inovativnu tehniku koja se koristi u kulinarstvu i molekularnoj gastronomiji. Ultrazvuk pojačava ekstrakciju okusa i unosi osjetljive aromatične spojeve u vodenu fazu u roku od nekoliko sekundi, omogućujući čistu etiketu i obradu bez topline za rafinirane juhe, infuzije ili baze okusa. Idealno za kuhare i inovatore u hrani koji traže preciznost i intenzitet u prirodnom razvoju okusa.

Ultrazvučna aromatizacija: Stvorite juhu od gljiva intenzivnog okusa pomoću Hielscher UP200Ht

 

Činjenice koje vrijedi znati

Ultrazvučni homogenizatori tkiva često se nazivaju probe sonicator/sonificator, sonic lyser, ultrazvučni disruptor, ultrasonic brusilica, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, cell disruptor, ultrasonic disperser, emulgator ili dissolver. Različiti uvjeti proizlaze iz različitih primjena koje se mogu ispuniti sonikacijom.