Molekularna kuhinja i druge kulinarske primjene

Kratki vodič kroz načela

od 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, a više kulinarski način.

Ultrazvučni valovi i njihova primjena na hranu

Ultrazvučni homogenizator kao tehnika postoji već mnogo godina u različitim oblicima, ali tek pronalazi put u manje kulinarske primjene. Homogenizator sadrži neku 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 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 brzo kolaps mjehurića unutar tekućine. Sve se to događa na razini minute, ali stvara ogromne sile unutar tekućine zbog brzina, temperatura i pritisaka koje stvara kavitacija. Upravo te ogromne snage možemo okrenuti u našu korist u kuhinji za ekstrakcija okusa po pucanje stanica ili razgradnja čestica.

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 njegove izvedbe tako da odgovara primjeni. Za potrebe ovog vodiča korišten je model a 200 vata jedinica.

Veličina sonotrode

Veličina sonotroda ugrađen 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 a manja sonotroda zbog svoje površine će generirati veće fluktuacije tlaka i viši kavitacija intenziteta 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.
Unos intenzitet ultrazvuka (pri bilo kojoj danoj postavci snage) smanjuje se s povećanjem površine (veće sonotrode), gdje kako se intenzitet ultrazvučne snage povećava sa smanjenjem površine, ili drugim riječima, manja sonotroda stavlja puno ultrazvučne snage na malo područje, gdje kao veća sonotroda širi snagu na veće područje.

Kada se koristi homogenizator, ukupni rad obavljen na uzorku je kombinacija ulazna snaga homogenizatora, volumen uzorka i Vrijeme izloženo je. Kako bismo dobili ponovljive rezultate, moramo uzeti u obzir sva tri parametra. Nemojte očekivati 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 s malim veličinama uzorka i velikim unosom energije, temperatura uzorka će brzo porasti. Za temperaturno osjetljive uzorke bolje je koristiti niže postavke snage tijekom dužih razdoblja, omogućujući da se energija koju unese homogenizator kao toplina rasprši.
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 kod korištenja određenih ulja. Ulja kada su izložena visokom unosu energije na vrhu homogenizatora mogu se razgraditi što rezultira vrlo neugodnim okusom koji se može opisati samo kao okus električnog spaljivanja!
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 ciklusi, čije vrijeme postavlja korisnik od uključeno 10% vremena i isključeno 90% do uključeno 90% vremena i isključeno 10%. To daje učinak pulsiranja i korisno je i za ograničavanje ukupne ulazne snage u uzorak i za stvaranje dobrog miješanja unutar uzorka kako bi početni unos bio visok jer se elektronika stabilizira tijekom svakog radnog ciklusa.

Opći savjeti i trikovi

Kada koristite homogenizator za infuziju aroma, postižu se bolji rezultati kada se krutine prije homogenizacije smanje u veličini, što će povećati površinu izloženu sonotroda. Isti princip se primjenjuje kada se koristi homogenizator za smanjenje veličine čestica. Razmišljajte o homogenizatoru kao o alatu za finu završnu obradu, a ne kao o mlinu! U smanjenju veličine čestica velik dio posla obavljaju sudari čestica velikom brzinom ubrzani silama generiranim na sonotrodi. Puno bolji rezultati će se dobiti ako se dio redukcije čestica obavi prije sonikacije. Počevši od već izvršenog smanjenja veličine čestica znači da je veća površina izložena sonikaciji i da će se manje čestice brže ubrzati u tekućini, što će rezultirati većim sudarima sa silom za daljnje razbijanje 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 da se volumen oko sonotrode osvježi, osiguravajući potpunu sonikaciju uzorka. To se posebno odnosi na više viskozan uzorci. Dobra magnetska miješalica je koristan način da se to postigne. Mućkanje također pomaže u osiguravanju da se volumen tekućine oko sonotrode ne pregrije. Korištenje ledene kupelji ili komadića suhog leda u uzorku pomoći će u uklanjanju energije koju prenosi sonifikacija. Kao što je već spomenuto, ako je materijal osjetljiv na temperaturu, koristite niže postavke snage tijekom dužeg vremenskog razdoblja i/ili koristite pulsni način rada za ograničavanje temperatura koje se generiraju 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.

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.