Cucina molecolare e altre applicazioni culinarie

La sonicazione sta trasformando il modo in cui chef e scienziati alimentari preparano alimenti e bevande: estrazione, infusione, emulsificazione e omogeneizzazione a ultrasuoni sono applicazioni fondamentali dei sonicatori per le creazioni culinarie. Dalle estrazioni rapide alle emulsioni più setose e agli aromi intensificati, le onde ultrasoniche sviluppano sapori e consistenze straordinari. In questo articolo scoprirete come chef e tecnologi alimentari utilizzano la cavitazione ultrasonica per ricreare preparazioni che spaziano dai cocktail ai consommé.

Breve guida ai principi

articolo a cura dell’autore ospite Mark Gaston

• Gran parte del contenuto di questa guida è costituita da informazioni facilmente reperibili, che tuttavia sono talvolta presentate in modo poco scorrevole per chi non ha familiarità con i termini utilizzati.
• Di seguito vengono spiegati importanti termini relativi alla sonicazione, come sonotrodo, ampiezza, ecc., e i loro effetti sulle applicazioni culinarie.
• Questa guida cerca di spiegare l’uso dell’omogeneizzatore a ultrasuoni in modo meno scientifico e più legato alla cucina.

Le onde ultrasoniche e la loro applicazione agli alimenti

L’omogeneizzazione a ultrasuoni esiste come tecnica da molti anni in varie forme, ma solo ora sta trovando spazio nelle applicazioni culinarie su scala più piccola. L’omogeneizzatore contiene un’elettronica sofisticata in grado di convertire la potenza elettrica in vibrazioni ad alta frequenza della punta metallica, o sonotrodo, e di controllarle.
Il sonotrodo si muove principalmente su e giù a una frequenza piuttosto elevata, superiore alla gamma udibile (ad esempio 26.000 volte al secondo o 26Khz con il sonicatore UP200Ht). L’entità dello spostamento del sonotrodo verso l’alto e verso il basso è chiamata ampiezza e in genere può essere regolata tra 9 e 240 µm (come riferimento, un capello umano ha uno spessore medio di circa 100 µm). In termini semplici, il sonotrodo si comporta come un pistone che si muove su e giù nel liquido.
Quando il sonotrodo si muove su e giù mentre è immerso in un liquido, crea zone di alta e bassa pressione nel liquido circostante; questo, a sua volta, genera un fenomeno noto come cavitazione. In cucina osserviamo che abbassare la pressione (come in una confezionatrice sottovuoto a campana) fa bollire i liquidi a temperature più basse, mentre aumentare la pressione (come in una pentola a pressione) li fa bollire a una temperatura più alta.
Le pulsazioni di pressione che variano rapidamente sulla punta del sonotrodo provocano la formazione e poi il rapido collasso di bolle all’interno del liquido. Tutto questo avviene su scala microscopica, ma genera enormi forze nel liquido a causa delle velocità, delle temperature e delle pressioni prodotte dalla cavitazione. Sono queste enormi forze che possiamo sfruttare a nostro vantaggio in cucina per l’ estrazione degli aromi mediante la rottura delle cellule, emulsificazione, oppure la frammentazione del particolato.

 

Osservate come il sonicatore Hielscher UP200Ht trasforma un’emulsione di cioccolato a base vegetale in una mousse al cioccolato vegana, setosa e stabile. La cavitazione ultrasonica garantisce una dispersione fine, una maggiore stabilità dell’emulsione e una consistenza ottimale, ponendo le basi per un dessert perfetto, ricco di cioccolato e privo di latticini. Creando un’emulsione stabile di dimensioni submicrometriche dei grassi del cioccolato e dell’acqua, la sonicazione contribuisce a un’esperienza gustativa intensa e a una sensazione in bocca liscia e coesa. Inoltre, la sonicazione disgrega gli agglomerati di amidi, proteine e solidi del cacao, per la massima cremosità e un sapore più intenso.

Scoprite di più sull’emulsificazione a ultrasuoni di una mousse au chocolat vegana!
 

Una delle sfide nell’uso di questa apparecchiatura consiste tuttavia nello sfruttare e controllare questa potenza in modo da migliorare gli alimenti.
L’ omogeneizzatore a ultrasuoni modello UP200Ht acquistato determina la potenza massima disponibile per l’utente, e l’omogeneizzatore stesso dispone di una serie di variabili che consentono di adattarne le prestazioni all’applicazione. Per questa guida è stato utilizzato il sonicatore Hielscher da 200 watt.

Dimensioni del sonotrodo

Le dimensioni del sonotrodo montato influiscono notevolmente sul modo in cui l’unità eroga la propria potenza.
In termini molto semplici, maggiore è la superficie del sonotrodo, maggiore sarà la potenza necessaria per azionarlo a una determinata ampiezza. Anche la viscosità del fluido influisce notevolmente sulla potenza necessaria per azionare il sonotrodo a una determinata ampiezza.
Immaginate il sonotrodo come un pistone o uno stantuffo: muovere il pistone su e giù molto rapidamente in una pentola contenente un liquido poco viscoso, come l’acqua, è relativamente facile anche a velocità sostenute. Se però riempite la pentola con una salsa densa, la situazione cambia: a causa della maggiore viscosità, servirà molta più potenza per muovere rapidamente il pistone su e giù nel liquido. Aumentando le dimensioni del pistone o dello stantuffo, sarà necessario anche uno sforzo maggiore per muoverlo su e giù nel liquido.
Lo stesso vale per il sonotrodo. Con un sonotrodo di grandi dimensioni montato, l’unità dovrà lavorare molto di più per produrre una determinata ampiezza di oscillazione in un liquido ad alta viscosità rispetto a un fluido a bassa viscosità.
 

 

A qualsiasi impostazione di potenza, un sonotrodo più piccolo, per via della sua superficie, genera sulla punta fluttuazioni di pressione maggiori e intensità di cavitazione più elevate rispetto a un sonotrodo più grande (poiché la potenza è concentrata sulla superficie più piccola del sonotrodo).
Potrebbe non essere possibile azionare un sonotrodo più grande alla stessa ampiezza, poiché sarebbe necessaria molta più potenza, con il possibile arresto dell’unità per sovraccarico. In questo caso occorre ridurre le dimensioni del sonotrodo oppure procurarsi un’unità di potenza superiore.
L’intensità degli ultrasuoni (a qualsiasi impostazione di potenza) diminuisce all’aumentare della superficie (sonotrodi più grandi), mentre l’intensità della potenza ultrasonica aumenta al diminuire della superficie. In altre parole, un sonotrodo più piccolo concentra molta potenza ultrasonica in un’area ridotta, mentre un sonotrodo più grande distribuisce la potenza su un’area più ampia.

Quando si utilizza l’omogeneizzatore, il lavoro totale compiuto sul campione dipende dalla combinazione della potenza immessa dall’omogeneizzatore, del volume del campione e del tempo di esposizione. Per ottenere risultati riproducibili, dobbiamo considerare tutti e tre i parametri. Non aspettatevi di inserire il dispositivo in una piccola tazza piena di liquido per due minuti e poi ottenere lo stesso risultato in un litro di liquido nello stesso intervallo di tempo! Ricordate inoltre che, con campioni di piccolo volume e potenze immesse elevate, la temperatura del campione aumenterà rapidamente. Per i campioni sensibili alla temperatura è preferibile utilizzare impostazioni di potenza più basse per periodi più lunghi, consentendo la dissipazione dell’energia immessa dall’omogeneizzatore sotto forma di calore.
Il surriscaldamento del campione può far disperdere nell’ambiente alcuni degli aromi che state cercando di catturare.
Potenze immesse elevate possono anche causare la degradazione del campione, come si può osservare utilizzando alcuni oli. Quando sono esposti agli elevati apporti energetici sulla punta dell’omogeneizzatore, gli oli possono degradarsi, sviluppando un sapore estremamente sgradevole che si può descrivere soltanto come un sapore di bruciato elettrico!
Per i materiali sensibili alla temperatura, il raffreddamento del campione migliora i risultati, ad esempio utilizzando un bagno di ghiaccio o aggiungendo del ghiaccio secco al campione. Utilizzare potenze immesse più basse per un periodo più lungo aiuta a disperdere l’energia rilasciata nel sistema, così come utilizzare l’unità in modalità pulsata, che consente un certo raffreddamento tra un impulso di ultrasuoni e l’altro.
Tramite l’elettronica dell’omogeneizzatore, l’utente può scegliere di utilizzare l’unità in due modalità principali di controllo.

Controllo dell’ampiezza

In questa modalità l’utente sceglie la % dell’ampiezza massima richiesta per il sonotrodo. L’elettronica tenterà quindi di azionare il sonotrodo a tale ampiezza e regolerà la potenza in ingresso del dispositivo per mantenere l’ampiezza richiesta sul sonotrodo. Se la superficie del sonotrodo è troppo grande perché possa essere azionato a questa ampiezza con la potenza disponibile dell’unità, l’ampiezza non raggiungerà il valore impostato e l’unità potrebbe arrestarsi qualora si verifichi una condizione di sovraccarico.

Desiderate produrre i vostri estratti di spezie o le vostre salse? Per la cucina di un ristorante, per un sous-chef ambizioso o per i produttori commerciali, le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consentono di produrre estratti e salse di alta qualità in breve tempo. Preparate voi stessi estratti biologici! Eliminate i conservanti! Utilizzate solo gli ingredienti che scegliete!

Controllo della potenza in ingresso

In questa modalità l’utente imposta la potenza in ingresso richiesta in watt e l’elettronica regola l’ampiezza delle oscillazioni per portare la potenza in ingresso al valore impostato dall’utente. Questa modalità consente di regolare la potenza trasferita al liquido e quindi di limitare il calore generato nel liquido, evitando di danneggiare i campioni più sensibili.

Modalità pulsata

Oltre alle due modalità operative, è disponibile una modalità pulsata, in cui l’elettronica si accende e si spegne ciclicamente. La temporizzazione viene impostata dall’utente, da un’accensione per il 10% del tempo e uno spegnimento per il 90% fino a un’accensione per il 90% del tempo e uno spegnimento per il 10%. Questo produce un effetto pulsante ed è utile sia per limitare la potenza complessiva immessa nel campione sia per creare una buona agitazione al suo interno, grazie all’elevata potenza iniziale mentre l’elettronica si stabilizza durante ciascun ciclo di lavoro.

Consigli e accorgimenti generali

Quando si utilizza l’omogeneizzatore per l’infusione degli aromi, si ottengono risultati migliori se le dimensioni dei solidi vengono ridotte prima dell’omogeneizzazione; questo aumenta la superficie esposta al sonotrodo. Lo stesso principio si applica quando si utilizza l’omogeneizzatore per la riduzione delle dimensioni delle particelle. Considerate l’omogeneizzatore come uno strumento di finitura fine, non come un macinatore grossolano! Nella riduzione delle dimensioni delle particelle, gran parte del lavoro viene svolta dalle collisioni ad alta velocità tra particelle accelerate dalle forze generate sul sonotrodo. Si otterranno risultati molto migliori se una parte della riduzione delle dimensioni delle particelle viene effettuata prima della sonicazione. Iniziare dopo aver già effettuato la riduzione principale delle dimensioni delle particelle significa esporre una superficie maggiore alla sonicazione e accelerare più rapidamente le particelle più piccole nel liquido, producendo collisioni più intense con una forza sufficiente a frammentare ulteriormente le particelle. Anche il lavoro richiesto all’omogeneizzatore sarà minore, consentendo un migliore controllo della temperatura.
Poiché l’omogeneizzatore agisce in modo piuttosto localizzato, quando si trattano campioni più grandi, ad esempio di diverse centinaia di millilitri o più, è utile fornire un’agitazione aggiuntiva per assicurare il ricambio del liquido attorno al sonotrodo e garantire la sonicazione completa del campione. Questo vale soprattutto per i campioni più viscosi. Un buon agitatore magnetico è un mezzo utile per ottenere questo risultato. L’agitazione contribuisce inoltre a evitare il surriscaldamento del volume di liquido attorno al sonotrodo. L’uso di un bagno di ghiaccio o di pezzi di ghiaccio secco nel campione aiuta a rimuovere l’energia fornita dalla sonicazione. Come già discusso, se il materiale è sensibile alla temperatura, utilizzate impostazioni di potenza più basse per un periodo più lungo e/o la modalità pulsata per limitare le temperature generate nel campione, permettendogli di raffreddarsi tra gli impulsi ultrasonici.

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Bibliografia

• 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.

 

In questo video, Simon di GuerillaChefs.de dimostra l’impiego del sonicatore manuale Hielscher UP200Ht per aromatizzare rapidamente l’acqua con funghi freschi – una tecnica innovativa utilizzata in cucina e nella gastronomia molecolare. La sonicazione migliora l’estrazione dei sapori e trasferisce delicati composti aromatici nella fase acquosa in pochi secondi, consentendo una lavorazione senza calore e con etichetta pulita per brodi raffinati, infusioni o basi aromatiche. Ideale per chef e innovatori del settore alimentare che cercano precisione e intensità nello sviluppo di sapori naturali.