Cucina molecolare e altre applicazioni culinarie

Breve guida ai principi

di Mark Gaston

• La maggior parte del contenuto di questa guida è costituito da informazioni facilmente reperibili, ma a volte sono scritte in un modo che non sempre facilita la lettura, a meno che non si abbia familiarità con i termini utilizzati.
• Di seguito vengono spiegati i termini importanti della sonicazione, come sonotrodo, ampiezza, ecc. e i loro effetti sulle applicazioni culinarie.
• Questa guida tenta di spiegare l'uso dell'omogeneizzatore a ultrasuoni in modo meno scientifico e più legato alla cucina.

Onde ultrasonore e loro applicazione agli alimenti

L'omogeneizzatore a ultrasuoni è una tecnica che esiste da molti anni in varie forme, ma che si sta diffondendo solo ora nelle applicazioni culinarie su scala ridotta. L'omogeneizzatore contiene un'elettronica sofisticata in grado di convertire e controllare l'energia elettrica in vibrazioni ad alta frequenza della punta metallica o del sonotrodo.
Il sonotrodo si muove principalmente verso l'alto e verso il basso ad una frequenza piuttosto elevata, al di sopra della gamma udibile (ad esempio 26000 volte al secondo o 26Khz con il UP200Ht). La quantità di movimento del sonotrodo verso l'alto e verso il basso è chiamata ampiezza e in genere può essere regolata tra 9 e 240 µm (un capello umano medio ha uno spessore di circa 100 µm come riferimento). In termini semplici, il sonotrodo si comporta come un pistone che si muove su e giù nel liquido.
Quando il sonotrodo si muove verso l'alto e verso il basso mentre è immerso in un liquido, crea aree di alta e bassa pressione all'interno del liquido intorno al sonotrodo, creando un fenomeno noto come cavitazione. In cucina, l'abbassamento della pressione (ad esempio in una sigillatrice a camera) provoca l'ebollizione dei liquidi a temperature più basse e l'aumento della pressione (ad esempio in una pentola a pressione) provoca l'ebollizione dei liquidi a temperature più elevate.
Le pulsazioni di pressione rapidamente fluttuanti sulla punta del sonotrodo provocano la formazione e poi il rapido collasso delle bolle all'interno del liquido. Tutto questo avviene su scala minima, ma crea forze enormi all'interno del liquido a causa delle velocità, delle temperature e delle pressioni generate dal sonotrodo. cavitazione. Sono queste forze enormi che possono essere sfruttate a nostro vantaggio in cucina per la estrazione di aromi da rottura delle cellule o scomposizione del particolato.

Una delle sfide nell'uso di queste apparecchiature è tuttavia quella di sfruttare e controllare questa potenza in modo da migliorare gli alimenti.
Il modello di omogeneizzatore a ultrasuoni acquistato UP200Ht La potenza massima disponibile per l'utente è dettata da una serie di variabili che possono essere utilizzate per regolare le prestazioni dell'omogeneizzatore in base all'applicazione. Ai fini di questa guida, il modello utilizzato è stato un 200 watt unità.

Dimensione del sonotrodo

La dimensione del sonotrodo montato ha un effetto importante sul modo in cui l'unità eroga la sua 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: se il pistone viene mosso su e giù molto velocemente in una pentola con un liquido sottile come l'acqua, è relativamente facile farlo anche a velocità ragionevoli, ma se si riempie la pentola con una salsa densa, non sarà lo stesso: sarà necessaria molta più energia per muovere rapidamente il pistone su e giù nel liquido a causa della maggiore viscosità. Aumentando le dimensioni del pistone o dello stantuffo, sarà necessario uno sforzo maggiore per muoverlo su e giù nel liquido.
Lo stesso vale per il sonotrodo. Con un sonotrodo di grandi dimensioni, l'unità dovrà lavorare molto di più per produrre una determinata ampiezza di oscillazione se il liquido ha una viscosità elevata rispetto a un fluido a bassa viscosità.

A qualsiasi impostazione di potenza un sonotrodo più piccolo a causa della sua superficie, genererà fluttuazioni di pressione maggiori e più alto cavitazione intensità sulla punta rispetto a un sonotrodo più grande (poiché la potenza è concentrata su una superficie più piccola del sonotrodo).
Potrebbe non essere possibile pilotare un sonotrodo più grande alla stessa ampiezza, in quanto sarà necessaria una potenza molto maggiore, che potrebbe causare lo spegnimento dell'unità per sovraccarico. In questo caso, è necessario ridurre le dimensioni del sonotrodo o procurarsi un'unità di maggiore potenza.
L'ingresso intensità degli ultrasuoni (a qualsiasi impostazione di potenza) diminuisce con l'aumentare dell'area superficiale (sonotrodi più grandi), mentre l'intensità della potenza ultrasonica aumenta con la diminuzione dell'area superficiale o, per dirla in altro modo, un sonotrodo più piccolo distribuisce molta potenza ultrasonica in una piccola area, mentre un sonotrodo più grande distribuisce la potenza su un'area più ampia.

Quando si utilizza l'omogeneizzatore, il lavoro totale svolto sul campione è la combinazione dei seguenti fattori ingresso di potenza dell'omogeneizzatore, il Volume del campione e il Tempo è esposto. Per ottenere risultati riproducibili, è necessario considerare tutti e tre i parametri. Non aspettatevi di mettere il dispositivo in una piccola tazza piena di liquido per due minuti e poi di ottenere lo stesso risultato in un litro di liquido nello stesso periodo di tempo! Allo stesso modo, ricordate che con campioni di piccole dimensioni e con potenze elevate, la Temperatura del campione aumenterà rapidamente. Per i campioni sensibili alla temperatura è meglio utilizzare impostazioni di potenza più basse per periodi più lunghi, consentendo di dissipare l'energia immessa dall'omogeneizzatore sotto forma di calore.
Il surriscaldamento del campione può causare la fuoriuscita dal sistema di alcuni degli aromi che si sta cercando di catturare.
Gli elevati input di potenza possono anche causare la degradazione del campione, come si può notare quando si utilizzano alcuni oli. Gli oli, quando sono esposti agli elevati input di energia sulla punta dell'omogeneizzatore, possono rompersi dando luogo a un sapore estremamente sgradevole che può essere descritto solo come il sapore della combustione elettrica!
Per i materiali sensibili alla temperatura, il raffreddamento del campione migliorerà i risultati, ad esempio utilizzando un bagno di ghiaccio o inserendo del ghiaccio secco nel campione. L'uso di potenze più basse per un periodo più lungo aiuta a disperdere l'energia rilasciata nel sistema, così come l'uso dell'unità in modalità a impulsi, che consente un certo raffreddamento tra ogni raffica di ultrasuoni.
All'interno dell'elettronica dell'omogeneizzatore, l'utente può scegliere di far funzionare l'unità in due modalità principali di controllo.

controllo dell'ampiezza

In questa modalità l'utente sceglie la percentuale di ampiezza massima richiesta per il sonotrodo. L'elettronica tenterà quindi di pilotare il sonotrodo a tale ampiezza e regolerà la potenza di ingresso del dispositivo per mantenere l'ampiezza richiesta al sonotrodo. Se la superficie del sonotrodo è troppo grande per essere pilotata a questa ampiezza con la potenza disponibile dell'unità, l'ampiezza non raggiungerà il valore impostato e potrebbe spegnersi in caso di sovraccarico.

Controllo della potenza di ingresso

In questa modalità l'utente imposta la potenza di ingresso richiesta in watt e l'elettronica regolerà l'ampiezza delle oscillazioni per regolare la potenza di ingresso in base alle impostazioni dell'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 a impulsi

Oltre alle due modalità di funzionamento, esiste anche una modalità a impulsi, che prevede l'accensione e lo spegnimento dell'elettronica in cicliLa temporizzazione viene impostata dall'utente in modo da essere accesa per il 10% del tempo e spenta per il 90%, oppure accesa per il 90% del tempo e spenta per il 10%. L'effetto pulsante è utile sia per limitare la potenza complessiva assorbita dal campione, sia per creare una buona agitazione all'interno del campione, in quanto l'input iniziale è elevato e l'elettronica si stabilizza durante ogni ciclo di lavoro.

Suggerimenti e trucchi generali

Quando si utilizza l'omogeneizzatore per l'infusione di aromi, si ottengono risultati migliori se i solidi sono stati ridotti di dimensioni prima dell'omogeneizzazione, in modo da aumentare la superficie esposta alla sonotrodo. Lo stesso principio si applica quando si usa l'omogeneizzatore per Riduzione delle dimensioni delle particelle. Considerate l'omogeneizzatore come uno strumento di finitura fine, non come una smerigliatrice! Nella riduzione delle dimensioni delle particelle, gran parte del lavoro viene svolto dalle collisioni ad alta velocità delle particelle accelerate dalle forze generate dal sonotrodo. Si otterranno risultati molto migliori se una parte della riduzione delle particelle viene effettuata prima della sonicazione. Iniziare con la riduzione delle dimensioni delle particelle già effettuata significa che una maggiore area superficiale è esposta alla sonicazione e che le particelle più piccole saranno accelerate nel liquido più rapidamente, con conseguenti collisioni più elevate con una forza che rompe ulteriormente le particelle. Anche l'omogeneizzatore dovrà svolgere un lavoro minore, consentendo un migliore controllo della temperatura.
Come l'omogeneizzatore funziona a un livello localizzato è utile quando è in uso con i più grandi campioni di dire diversi millilitri di centinaia o più per fornire ulteriore agitazione per assicurarsi che il volume intorno il sonotrodo viene aggiornato, garantendo completa sonicazione della campione. Ciò è particolarmente vero di più viscoso campioni. Un agitatore magnetico buono è un modo utile per raggiungere questo obiettivo. L'agitazione si aiuta anche con garantendo che il volume di liquido intorno il sonotrodo non è surriscaldato. Utilizzando un bagno di ghiaccio, o pezzi di ghiaccio secco nel campione aiuterà a rimuovere l'energia impartita dalla sonificazione. Come già discusso se il materiale è sensibile, uso temperatura inferiore impostazioni di risparmio energia per un maggiore periodo di tempo e o utilizzare la modalità a impulsi per limitare le temperature generate nel campione facendo il campione di raffreddare tra impulsi di sonic.

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Letteratura

• 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.

Particolarità / Cose da sapere

Gli omogeneizzatori di tessuti a ultrasuoni sono spesso indicati come sonicatore/sonificatore a sonda, lisatore sonico, disgregatore a ultrasuoni, macinatore a ultrasuoni, sono-rotturatore, sonificatore, smembratore sonico, disgregatore cellulare, dispersore a ultrasuoni, emulsionatore o dissolutore. I diversi termini derivano dalle varie applicazioni che possono essere realizzate con la sonicazione.