Moleculaire keuken en andere culinaire toepassingen

Een korte handleiding voor de principes

door Mark Gaston

• Het grootste deel van de inhoud van deze gids is informatie die direct beschikbaar is, maar soms is het op een manier geschreven die het lezen niet altijd gemakkelijk maakt, tenzij je toevallig bekend bent met de gebruikte termen.
• Hieronder worden belangrijke termen van sonicatie uitgelegd, zoals sonotrode, amplitude enz. en hun effecten op culinaire toepassingen.
• Deze gids hieronder probeert het gebruik van de ultrasone homogenisator op een minder wetenschappelijke en meer culinair gerelateerde manier uit te leggen.

Ultrageluidsgolven en hun toepassing op voedsel

De ultrasone homogenisator als techniek bestaat al vele jaren in verschillende vormen, maar vindt nog maar net zijn weg naar culinaire toepassingen op kleinere schaal. De homogenisator bevat een aantal geavanceerde elektronica die elektrische stroom kan omzetten en regelen in hoogfrequente trillingen van de metalen punt of sonotrode.
De sonotrode beweegt voornamelijk op en neer met een vrij hoge frequentie boven het hoorbare bereik (bijv. 26000 keer per seconde of 26Khz met de UP200Ht). De hoeveelheid die de sonotrode op en neer beweegt wordt de amplitude genoemd en kan meestal ingesteld worden tussen 9 en 240 µm (de gemiddelde menselijke haar is ongeveer 100 µm dik ter referentie). Eenvoudig gezegd gedraagt de sonotrode zich als een zuiger die op en neer beweegt in de vloeistof.
Als de sonotrode op en neer beweegt terwijl hij in een vloeistof is ondergedompeld, creëert hij gebieden van hoge en lage druk in de vloeistof rond de sonotrode, wat op zijn beurt een fenomeen creëert dat bekend staat als cavitatie. In de keuken zien we dat het verlagen van de druk (zoals in een kamerafsluiter) ervoor zorgt dat vloeistoffen bij een lagere temperatuur koken en dat het verhogen van de druk (zoals in een snelkookpan) ervoor zorgt dat vloeistoffen bij een hogere temperatuur koken.
De snel fluctuerende drukpulsaties aan het uiteinde van de sonotrode veroorzaken de vorming en vervolgens het snelle uiteenvallen van bellen in de vloeistof. Dit gebeurt allemaal op een minuscule schaal, maar creëert enorme krachten in de vloeistof door de snelheden, temperaturen en drukken die door de sonotrode worden gegenereerd. cavitatie. Het zijn deze enorme krachten die in de keuken in ons voordeel kunnen worden aangewend voor de extractie van smaken door scheurende cellen of afbraak van deeltjes.

 
Caution: Video "title" is missing

 

Een van de uitdagingen bij het gebruik van deze apparatuur is echter om deze kracht te benutten en te beheersen op een manier die de voedingsmiddelen verbetert.
Het aangeschafte model ultrasone homogenisator UP200Ht dicteert het maximale vermogen dat beschikbaar is voor de gebruiker en de homogenisator zelf heeft een aantal variabelen die kunnen worden gebruikt om de prestaties aan te passen aan de toepassing. Voor het doel van deze handleiding was het gebruikte model een 200 watt eenheid.

Sonotrode-grootte

De grootte van de sonotrode heeft een groot effect op hoe het apparaat zijn vermogen levert.
Eenvoudig gezegd: hoe groter het oppervlak van de sonotrode, hoe meer vermogen er nodig is om de sonotrode aan te drijven bij een gegeven amplitude. De viscositeit van de vloeistof heeft ook een grote invloed op het vermogen dat nodig is om de sonotrode bij een bepaalde amplitude aan te drijven.
Stel je de sonotrode voor als een zuiger of plunjer, als de zuiger heel snel op en neer wordt bewogen in een pot met dunne vloeistof zoals water dan is het relatief eenvoudig om dit te doen, zelfs met redelijke snelheden, vul de pot echter met een dikke saus en hetzelfde zal niet waar zijn, het zal veel meer kracht kosten om de zuiger snel op en neer te bewegen in de vloeistof vanwege de toegenomen viscositeit. Vergroot de grootte van de zuiger of plunjer en het zal ook meer moeite kosten om hem op en neer in de vloeistof te bewegen.
Hetzelfde geldt voor de sonotrode. Met een grote sonotrode gemonteerd zal het apparaat veel harder moeten werken om een bepaalde oscillatieamplitude te produceren als de vloeistof een hoge viscositeit heeft dan bij een vloeistof met een lage viscositeit.

Bij elke vermogensinstelling is a kleinere sonotrode zal door zijn oppervlakte grotere drukschommelingen genereren en hoger cavitatie intensiteiten bij de tip dan bij een grotere sonotrode (omdat het vermogen wordt gericht op een kleiner oppervlak van de sonotrode).
Het kan zijn dat het niet mogelijk is om een grotere sonotrode met dezelfde amplitude aan te sturen, omdat hiervoor veel meer vermogen nodig is. In dit geval moet de grootte van de sonotrode worden verkleind of moet een apparaat met een hoger vermogen worden aangeschaft.
De ultrasone intensiteit (bij een bepaalde vermogensinstelling) neemt af met een toenemend oppervlak (grotere sonotrodes), terwijl naarmate de ultrasone vermogensintensiteit toeneemt met een afnemend oppervlak, of om het anders te zeggen, een kleinere sonotrode veel ultrasoon vermogen in een klein gebied brengt, waar een grotere sonotrode het vermogen over een groter gebied verspreidt.

Wanneer de homogenisator wordt gebruikt, is het totale werk dat op het monster wordt gedaan een combinatie van de stroomingang van de homogenisator, het volume van het monster en de tijd dat het wordt blootgesteld. Om reproduceerbare resultaten te krijgen, moeten we rekening houden met alle drie de parameters. Verwacht niet dat u het apparaat twee minuten in een klein kopje vol vloeistof doet en vervolgens hetzelfde resultaat krijgt in een liter vloeistof over dezelfde periode! Onthoud ook dat bij kleine monstergroottes en hoge stroomtoevoer de temperatuur van het monster snel zal stijgen. Voor temperatuurgevoelige monsters is het beter om over langere perioden lagere vermogensinstellingen te gebruiken, zodat de energie die door de homogenisator als warmte wordt ingevoerd, kan worden afgevoerd.
Oververhitting van het monster kan ervoor zorgen dat juist die aroma's die je probeert op te vangen, uit het systeem ontsnappen.
Een hoog vermogen kan ook de degradatie van het monster veroorzaken, zoals te zien is bij het gebruik van bepaalde oliën. Oliën kunnen, wanneer ze worden blootgesteld aan de hoge energie-input aan het uiteinde van de homogenisator, afbreken, wat resulteert in een zeer onaangename smaak die alleen kan worden omschreven als de smaak van elektrische verbranding!
Voor temperatuurgevoelige materialen zal koeling van het monster de resultaten verbeteren, bijvoorbeeld door een ijsbad te gebruiken of door wat droogijs in het monster te doen. Het gebruik van lagere vermogens over een langere periode helpt bij het verspreiden van de energie die vrijkomt in het systeem, net als het gebruik van het apparaat in de pulsmodus die enige koeling tussen elke ultrasone uitbarsting mogelijk maakt.
Binnen de elektronica van de homogenisator kan de gebruiker ervoor kiezen om de unit in twee hoofdmodi te bedienen.

Amplituderegeling

In deze modus kiest de gebruiker het % van de maximale amplitude dat nodig is voor de sonotrode. De elektronica zal dan proberen de sonotrode aan te sturen op die amplitude en zal het ingangsvermogen van het apparaat aanpassen om de vereiste amplitude op de sonotrode te handhaven. Als het oppervlak van de sonotrode te groot is om bij deze amplitude te worden aangestuurd met het beschikbare vermogen van het apparaat, zal de amplitude de ingestelde waarde niet bereiken en kan het apparaat uitschakelen als een overbelastingsconditie wordt bereikt.

Ingangsvermogensregeling

In deze modus stelt de gebruiker het vereiste ingangsvermogen in watt in en past de elektronica de amplitude van de oscillaties aan om het ingangsvermogen aan de instelling van de gebruiker aan te passen. In deze modus kan het vermogen dat aan de vloeistof wordt doorgegeven worden geregeld en daarmee de warmte die in de vloeistof wordt opgewekt worden beperkt, waardoor schade aan gevoeligere monsters wordt voorkomen.

pulsmodus

Naast de twee werkingsmodi is er een pulsmodus, waarbij de elektronica in cycli in- en uitschakelt, waarvan de timing door de gebruiker wordt ingesteld van 10% van de tijd aan en 90% uit tot 90% van de tijd aan en 10% uit. Dit geeft een pulserend effect en is zowel nuttig voor het beperken van het totale vermogen dat naar het monster wordt gestuurd als voor het creëren van een goede agitatie in het monster tot de initiële invoer hoog is omdat de elektronica zich tijdens elke inschakelduur stabiliseert.

Algemene tips en trucs

Bij gebruik van de homogenisator voor de infusie van aroma's worden betere resultaten verkregen wanneer de vaste stoffen in omvang zijn verkleind voordat ze worden gehomogeniseerd, dit zal het oppervlak dat wordt blootgesteld aan de sonotrode. Hetzelfde principe is van toepassing bij het gebruik van de homogenisator voor deeltjesgrootte reductie. Beschouw de homogenisator als een fijn afwerkingsgereedschap, niet als een grove slijper! Bij het verkleinen van de deeltjesgrootte wordt veel van het werk gedaan door de botsingen van deeltjes met hoge snelheid, waardoor de krachten die bij de sonotrode worden gegenereerd, worden versneld. Veel betere resultaten zullen worden verkregen als een deel van de deeltjesreductie wordt gedaan vóór sonicatie. Beginnen met de reeds uitgevoerde vermindering van de deeltjesgrootte in bulk betekent dat een groter oppervlak wordt blootgesteld aan sonicatie en dat de kleinere deeltjes sneller in de vloeistof worden versneld, wat resulteert in hogere botsingen met een kracht om deeltjes verder af te breken. Ook zal er minder werk gedaan hoeven te worden door de homogenisator, waardoor de temperatuur beter geregeld kan worden.
Aangezien de homogenisator op een vrij gelokaliseerd niveau werkt, is het nuttig om, wanneer het wordt gebruikt met grotere monsters van bijvoorbeeld enkele honderden milliliters of meer, extra agitatie te bieden om ervoor te zorgen dat het volume rond de sonotrode wordt ververst, waardoor volledige sonicatie van het monster wordt gegarandeerd. Dit geldt met name voor meer viskeuze monsters. Een goede magneetroerder is een handige manier om dit te bereiken. De agitatie helpt er ook voor te zorgen dat het vloeistofvolume rond de sonotrode niet oververhit raakt. Het gebruik van een ijsbad of stukjes droogijs in het monster zal helpen de energie te verwijderen die door de sonificatie wordt verleend. Zoals reeds besproken, als het materiaal temperatuurgevoelig is, gebruik dan lagere energie-instellingen over een langere periode en/of gebruik de pulsmodus om de temperaturen die in het monster worden gegenereerd te beperken, zodat het monster tussen sonische pulsen kan afkoelen.

---

---

Literatuur

• 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.

 

In deze video demonstreert Simon uit GuerillaChefs.de het gebruik van de Hielscher UP200Ht handheld sonicator voor de snelle aromatisering van water met verse paddenstoelen - een innovatieve techniek die wordt gebruikt in de culinaire en moleculaire gastronomie. Ultrasoonbehandeling verbetert de smaakextractie en brengt binnen enkele seconden delicate aromatische verbindingen in de waterige fase, waardoor een clean-label, hittevrije verwerking mogelijk is voor geraffineerde bouillons, infusies of smaakbases. Ideaal voor chef-koks en voedselvernieuwers die op zoek zijn naar precisie en intensiteit in natuurlijke smaakontwikkeling.

Ultrasone aromatisering: creëer een smaakvolle champignonbouillon met behulp van de Hielscher UP200Ht

 

Wetenswaardigheden

Ultrasone weefselhomogenisatoren worden vaak aangeduid als sonde-sonicator/ sonificator, sonische lyser, ultrasone disruptor, ultrasone vermaler, sono-ruptor, sonifier, sonische dismembrator, celdispergeerder, ultrasone dispergeerder, emulgator of oplosser. De verschillende termen komen voort uit de verschillende toepassingen die sonicatie kan vervullen.