Moleculaire keuken en andere culinaire toepassingen

Sonicatie verandert de manier waarop chef-koks en voedingswetenschappers voedsel en dranken bereiden: ultrasone extractie, infusie, emulgering en homogenisatie zijn belangrijke toepassingen van sonicators voor culinaire creaties. Van snelle extracties tot zijdezachtere emulsies en intensere aroma’s: ultrasone golven ontwikkelen uitzonderlijke smaken en texturen. In dit artikel leert u hoe chef-koks en voedingstechnologen ultrasone cavitatie gebruiken om alles van cocktails tot consommés opnieuw vorm te geven.

Een korte gids over de principes

gastartikel van Mark Gaston

• Het grootste deel van deze gids bestaat uit informatie die gemakkelijk beschikbaar is. Soms is deze echter zo geschreven dat ze niet altijd gemakkelijk te lezen is, tenzij u vertrouwd bent met de gebruikte termen.
• Hieronder worden belangrijke termen uit de sonicatie, zoals sonotrode, amplitude enz., en hun effecten op culinaire toepassingen uitgelegd.
• Deze gids probeert het gebruik van de ultrasone homogenisator op een minder wetenschappelijke en meer op de keuken gerichte manier uit te leggen.

Ultrasone golven en hun toepassing op voedsel

De ultrasone homogenisator bestaat als techniek al vele jaren in verschillende vormen, maar vindt pas sinds kort zijn weg naar kleinschaligere culinaire toepassingen. De homogenisator bevat geavanceerde elektronica die elektrisch vermogen kan omzetten in hoogfrequente trillingen van de metalen punt of sonotrode en deze trillingen kan regelen.
De sonotrode beweegt voornamelijk op en neer met een vrij hoge frequentie boven het hoorbare bereik (bijv. 26.000 keer per seconde of 26Khz met de sonicator UP200Ht). De afstand waarover de sonotrode op en neer beweegt, wordt de amplitude genoemd en kan doorgaans worden ingesteld tussen 9 en 240 µm (ter vergelijking: een gemiddelde menselijke haar is ongeveer 100 µm dik). Eenvoudig gezegd gedraagt de sonotrode zich als een zuiger die in de vloeistof op en neer beweegt.
Wanneer de sonotrode op en neer beweegt terwijl deze in een vloeistof is ondergedompeld, ontstaan in de vloeistof rond de sonotrode gebieden met hoge en lage druk. Dit veroorzaakt op zijn beurt een verschijnsel dat cavitatie wordt genoemd. In de keuken zien we dat een lagere druk (zoals in een kamervacuümmachine) vloeistoffen bij lagere temperaturen laat koken, terwijl een hogere druk (zoals in een snelkookpan) vloeistoffen bij een hogere temperatuur laat koken.
De snel wisselende drukpulsen aan de punt van de sonotrode veroorzaken de vorming en vervolgens het snelle imploderen van bellen in de vloeistof. Dit gebeurt allemaal op een zeer kleine schaal, maar veroorzaakt enorme krachten in de vloeistof door de snelheden, temperaturen en drukken die door de cavitatie worden opgewekt. Het zijn deze enorme krachten die we in de keuken in ons voordeel kunnen gebruiken voor het extraheren van smaken door cellen open te breken, emulgering, of het verkleinen van deeltjes.

 

Bekijk hoe de Hielscher UP200Ht-sonicator een plantaardige chocolade-emulsie omzet in een zijdezachte, stabiele veganistische chocolademousse. Ultrasone cavitatie zorgt voor een fijne dispersie, een hogere emulsiestabiliteit en een optimale textuur – de basis voor een perfect zuivelvrij dessert met een rijke chocoladesmaak. Door een stabiele emulsie van chocoladevetten en water met druppels kleiner dan een micrometer te vormen, draagt sonicatie bij aan een intense smaakbeleving en een glad, samenhangend mondgevoel. Bovendien breekt ultrasone behandeling agglomeraten van zetmeel, eiwitten en vaste cacaobestanddelen af voor ultieme romigheid en een intensere smaak.

Lees meer over ultrasone emulgering van een veganistische mousse au chocolat!
 

Een van de uitdagingen bij het gebruik van deze apparatuur is echter om dit vermogen te benutten en te beheersen op een manier die het voedsel verbetert.
De aangeschafte ultrasone homogenisator van het model UP200Ht bepaalt het maximale vermogen dat de gebruiker ter beschikking heeft. De homogenisator zelf heeft een aantal variabelen waarmee de prestaties aan de toepassing kunnen worden aangepast. Voor deze gids werd de sonicator van Hielscher met een vermogen van 200 watt gebruikt.

Grootte van de sonotrode

De grootte van de gemonteerde sonotrode heeft een grote invloed op de manier waarop het apparaat zijn vermogen afgeeft.
Heel eenvoudig gezegd: hoe groter het oppervlak van de sonotrode, hoe meer vermogen nodig is om deze met een bepaalde amplitude aan te drijven. De viscositeit van de vloeistof heeft eveneens een grote invloed op het vermogen dat nodig is om de sonotrode met een bepaalde amplitude aan te drijven.
Stel u de sonotrode voor als een zuiger of plunjer. Als de zuiger zeer snel op en neer wordt bewogen in een pan met een dunne vloeistof zoals water, gaat dat relatief gemakkelijk, ook bij behoorlijke snelheden. Vul de pan echter met een dikke saus en dat geldt niet meer: door de hogere viscositeit is veel meer vermogen nodig om de zuiger snel op en neer te bewegen in de vloeistof. Maak de zuiger of plunjer groter en het kost eveneens meer moeite om deze in de vloeistof op en neer te bewegen.
Hetzelfde geldt voor de sonotrode. Als een grote sonotrode is gemonteerd, moet het apparaat veel harder werken om een bepaalde trillingsamplitude te produceren in een vloeistof met een hoge viscositeit dan in een vloeistof met een lage viscositeit.
 

 

Bij elke gegeven vermogensinstelling veroorzaakt een kleinere sonotrode door zijn oppervlak grotere drukschommelingen en hogere cavitatie-intensiteiten aan de punt dan een grotere sonotrode (omdat het vermogen op het kleinere oppervlak van de sonotrode wordt geconcentreerd).
Het is mogelijk dat een grotere sonotrode niet met dezelfde amplitude kan worden aangedreven, omdat daarvoor veel meer vermogen nodig is. Hierdoor kan het apparaat wegens overbelasting worden uitgeschakeld. In dat geval moet een kleinere sonotrode worden gebruikt of een apparaat met een hoger vermogen worden aangeschaft.
De ultrasone intensiteit neemt (bij elke gegeven vermogensinstelling) af naarmate het oppervlak toeneemt (grotere sonotrodes), terwijl de ultrasone vermogensintensiteit toeneemt naarmate het oppervlak afneemt. Anders gezegd: een kleinere sonotrode brengt veel ultrasoon vermogen over op een klein oppervlak, terwijl een grotere sonotrode het vermogen over een groter oppervlak verspreidt.

Bij het gebruik van de homogenisator is de totale arbeid die op het monster wordt verricht een combinatie van het toegevoerde vermogen van de homogenisator, het volume van het monster en de blootstellingsduur. Om reproduceerbare resultaten te verkrijgen, moeten we rekening houden met alle drie de parameters. Verwacht niet dat u het apparaat twee minuten in een klein kopje vol vloeistof kunt plaatsen en vervolgens in dezelfde tijd hetzelfde resultaat krijgt in een liter vloeistof! Bedenk ook dat bij kleine monstervolumes en een hoog toegevoerd vermogen de temperatuur van het monster snel zal stijgen. Voor temperatuurgevoelige monsters is het beter om gedurende langere perioden lagere vermogensinstellingen te gebruiken, zodat de energie die de homogenisator als warmte toevoert, kan worden afgevoerd.
Oververhitting van het monster kan ertoe leiden dat juist een deel van de aroma’s die u probeert te vangen, uit het systeem ontsnapt.
Een hoog toegevoerd vermogen kan ook afbraak van het monster veroorzaken, zoals te zien is bij het gebruik van bepaalde oliën. Wanneer oliën aan de punt van de homogenisator aan een hoge energietoevoer worden blootgesteld, kunnen ze afbreken. Dit resulteert in een zeer onaangename smaak die alleen kan worden omschreven als de smaak van verbrande elektrische apparatuur!
Bij temperatuurgevoelige materialen verbetert het koelen van het monster de resultaten, bijvoorbeeld met een ijsbad of door wat droogijs aan het monster toe te voegen. Een lager toegevoerd vermogen gedurende een langere periode helpt de energie die in het systeem vrijkomt te verspreiden. Dat geldt ook voor het gebruik van het apparaat in de pulsmodus, die enige afkoeling tussen de ultrasone pulsen mogelijk maakt.
Via de elektronica van de homogenisator kan de gebruiker kiezen uit twee hoofdmodi voor de regeling van het apparaat.

Amplituderegeling

In deze modus kiest de gebruiker het % van de maximale amplitude dat voor de sonotrode nodig is. De elektronica probeert vervolgens de sonotrode met die amplitude aan te drijven en past het ingangsvermogen van het apparaat aan om de vereiste amplitude van de sonotrode te handhaven. Als het oppervlak van de sonotrode te groot is om met het beschikbare vermogen van het apparaat op deze amplitude te worden aangedreven, bereikt de amplitude de ingestelde waarde niet en kan het apparaat worden uitgeschakeld bij overbelasting.

Wilt u uw eigen specerijenextracten of sauzen produceren? Of het nu gaat om een restaurantkeuken, een ambitieuze souschef of commerciële producenten, met ultrasone apparatuur van Hielscher kunt u in korte tijd hoogwaardige extracten en sauzen produceren. Maak zelf biologische extracten! Laat conserveermiddelen achterwege! Gebruik uitsluitend de ingrediënten die u zelf kiest!

Regeling van het ingangsvermogen

In deze modus stelt de gebruiker het vereiste ingangsvermogen in watt in. De elektronica past de amplitude van de trillingen aan om het ingangsvermogen op de instelling van de gebruiker te regelen. Met deze modus kan het vermogen dat aan de vloeistof wordt overgedragen worden geregeld en daardoor de in de vloeistof opgewekte warmte worden beperkt, zodat schade aan gevoeligere monsters wordt voorkomen.

Pulsmodus

Naast de twee bedrijfsmodi is er een pulsmodus waarbij de elektronica cyclisch in- en uitschakelt. De gebruiker stelt de tijdsverdeling in, 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 nuttig voor zowel het beperken van het totale aan het monster toegevoerde vermogen als het creëren van een goede beweging in het monster, in samenhang met de hoge initiële toevoer terwijl de elektronica zich tijdens elke bedrijfscyclus stabiliseert.

Algemene tips en trucs

Wanneer de homogenisator wordt gebruikt voor het infuseren van smaken, worden betere resultaten verkregen als de vaste stoffen vóór het homogeniseren zijn verkleind. Hierdoor neemt het oppervlak toe dat wordt blootgesteld aan de sonotrode. Hetzelfde principe geldt wanneer de homogenisator wordt gebruikt voor deeltjesverkleining. Beschouw de homogenisator als een hulpmiddel voor fijne afwerking, niet als een grove molen! Bij het verkleinen van deeltjes wordt een groot deel van het werk verricht door de snelle botsingen van deeltjes die worden versneld door de krachten die bij de sonotrode worden opgewekt. Er worden veel betere resultaten verkregen als een deel van de deeltjesverkleining vóór de sonicatie plaatsvindt. Wanneer het grootste deel van de deeltjesverkleining vooraf al is uitgevoerd, wordt een groter oppervlak aan sonicatie blootgesteld en worden de kleinere deeltjes sneller in de vloeistof versneld. Dit resulteert in intensere botsingen met voldoende kracht om de deeltjes verder te verkleinen. De homogenisator hoeft ook minder werk te verrichten, waardoor de temperatuur beter kan worden geregeld.
Omdat de homogenisator vrij plaatselijk werkt, is het bij grotere monsters van bijvoorbeeld enkele honderden milliliters of meer nuttig om voor extra beweging te zorgen. Zo wordt de vloeistof rond de sonotrode ververst en wordt het monster volledig gesoniceerd. Dit geldt vooral voor monsters met een hogere viscositeit. Een goede magneetroerder is een nuttig hulpmiddel om dit te bereiken. De beweging helpt ook te voorkomen dat de vloeistof rond de sonotrode oververhit raakt. Een ijsbad of stukjes droogijs in het monster helpen de door sonicatie toegevoerde energie af te voeren. Zoals al besproken: gebruik bij temperatuurgevoelig materiaal lagere vermogensinstellingen gedurende een langere periode en/of gebruik de pulsmodus om de temperaturen in het monster te beperken en het monster tussen de ultrasone pulsen te laten 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.
• 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 deze video demonstreert Simon van GuerillaChefs.de hoe de draagbare Hielscher-sonicator UP200Ht wordt gebruikt om water snel te aromatiseren met verse paddenstoelen – een innovatieve techniek in de culinaire en moleculaire gastronomie. Ultrasone behandeling verbetert de smaakextractie en brengt binnen enkele seconden delicate aromatische verbindingen in de waterfase. Dit maakt verwerking zonder verhitting en zonder declaratieplichtige toevoegingen mogelijk voor verfijnde bouillons, infusies of smaakbasissen. Ideaal voor chefs en voedingsinnovatoren die streven naar precisie en intensiteit bij de ontwikkeling van natuurlijke smaken.