Kuchnia molekularna i inne zastosowania kulinarne

Sonikacja zmienia sposób, w jaki szefowie kuchni i naukowcy zajmujący się żywnością przygotowują żywność i napoje: ekstrakcja ultradźwiękowa, infuzja, emulgowanie i homogenizacja to kluczowe zastosowania sonikatorów w kreacjach kulinarnych. Od szybkich ekstrakcji do jedwabistych emulsji i zintensyfikowanych aromatów, fale ultradźwiękowe rozwijają wyjątkowe smaki i tekstury. W tym artykule dowiesz się, w jaki sposób szefowie kuchni i technolodzy żywności wykorzystują kawitację ultradźwiękową do odtwarzania wszystkiego, od koktajli po consommés.

Krótki przewodnik po zasadach

Artykuł gościnny autorstwa Marka Gastona

• Większość treści tego przewodnika to informacje, które są łatwo dostępne, jednak czasami są one napisane w sposób, który nie zawsze ułatwia czytanie, chyba że użytkownik jest zaznajomiony z używanymi terminami.
• Poniżej wyjaśniono ważne terminy sonikacji, takie jak sonotroda, amplituda itp. oraz ich wpływ na zastosowania kulinarne.
• Poniższy przewodnik jest próbą wyjaśnienia zastosowania homogenizatora ultradźwiękowego w sposób mniej naukowy, a bardziej związany z kulinariami.

Fale ultradźwiękowe i ich zastosowanie w żywności

Homogenizator ultradźwiękowy jako technika istnieje od wielu lat w różnych formach, ale dopiero znajduje drogę do zastosowań kulinarnych na mniejszą skalę. Homogenizator zawiera wyrafinowaną elektronikę, która może przekształcać i kontrolować energię elektryczną w wibracje o wysokiej częstotliwości metalowej końcówki lub sonotrody.
Sonotroda porusza się głównie w górę i w dół z dość wysoką częstotliwością powyżej zakresu słyszalnego (np. 26000 razy na sekundę lub 26Khz z sonometrem). Sonicator UP200Ht). Wielkość, z jaką sonotroda porusza się w górę i w dół, nazywana jest amplitudą i zazwyczaj można ją regulować w zakresie od 9 do 240 µm (przeciętny ludzki włos ma grubość około 100 µm). Mówiąc prościej, sonotroda zachowuje się jak tłok poruszający się w górę i w dół w cieczy.
Gdy sonotroda porusza się w górę i w dół, gdy jest zanurzona w cieczy, tworzy obszary wysokiego i niskiego ciśnienia w cieczy wokół sonotrody, co z kolei powoduje zjawisko znane jako kawitacja. W kuchni widzimy, że obniżenie ciśnienia (np. w zgrzewarce komorowej) powoduje wrzenie cieczy w niższych temperaturach, a podniesienie ciśnienia (np. w szybkowarze) powoduje wrzenie cieczy w wyższej temperaturze.
Szybko zmieniające się pulsacje ciśnienia na końcu sonotrody powodują powstawanie, a następnie szybkie zapadanie się pęcherzyków w cieczy. Wszystko to dzieje się w skali minutowej, ale wytwarza ogromne siły w cieczy ze względu na prędkości, temperatury i ciśnienia generowane przez kawitację. To właśnie te ogromne siły mogą być wykorzystane na naszą korzyść w kuchni do ekstrakcja aromatów przez pękające komórki, emulgowanie. rozkład cząstek stałych.

 

Dowiedz się więcej o emulgowaniu ultradźwiękowym wegańskiego musu czekoladowego!
 

Jednym z wyzwań w korzystaniu z tego sprzętu jest jednak wykorzystanie i kontrolowanie tej mocy w sposób, który poprawia jakość żywności.
Zakupiony homogenizator ultradźwiękowy model UP200Ht dyktuje maksymalną moc dostępną dla użytkownika, a sam homogenizator ma wiele zmiennych, które można wykorzystać do dostosowania jego wydajności do danego zastosowania. Do celów niniejszego przewodnika wykorzystano model sonikatora Hielscher o mocy 200 W.

Rozmiar sonotrody

Rozmiar zamontowanej sonotrody ma duży wpływ na to, w jaki sposób urządzenie dostarcza swoją moc.
Mówiąc najprościej, im większa powierzchnia sonotrody, tym większa moc będzie wymagana do jej napędzania przy danej amplitudzie. Lepkość płynu będzie miała również duży wpływ na moc wymaganą do napędzania sonotrody przy danej amplitudzie.
Wyobraź sobie sonotrodę jako tłok lub tłok, jeśli tłok porusza się bardzo szybko w górę iw dół w garnku z cienką cieczą, taką jak woda, jest to stosunkowo łatwe nawet przy rozsądnych prędkościach, jednak napełnij garnek gęstym sosem, a to samo nie będzie prawdą, będzie wymagało znacznie większej mocy, aby szybko poruszać tłokiem w górę iw dół w cieczy ze względu na zwiększoną lepkość. Zwiększenie rozmiaru tłoka lub nurnika również będzie wymagało większego wysiłku, aby przesuwać go w górę i w dół w cieczy.
To samo dotyczy sonotrody. Przy zamontowanej dużej sonotrodzie urządzenie będzie musiało pracować znacznie ciężej, aby wytworzyć daną amplitudę oscylacji, jeśli ciecz ma wysoką lepkość niż w przypadku cieczy o niskiej lepkości.
 

 

Przy danym ustawieniu mocy mniejsza sonotroda ze względu na swoją powierzchnię będzie generować większe wahania ciśnienia i wyższą intensywność kawitacji na końcówce niż większa sonotroda (ponieważ moc koncentruje się na mniejszej powierzchni sonotrody).
Może nie być możliwe napędzanie większej sonotrody przy tej samej amplitudzie, ponieważ wymagana będzie do tego znacznie większa moc, co może spowodować wyłączenie urządzenia z powodu przeciążenia. W takim przypadku należy zmniejszyć rozmiar sonotrody lub uzyskać jednostkę o większej mocy.
Natężenie ultradźwięków (przy dowolnym ustawieniu mocy) zmniejsza się wraz ze wzrostem powierzchni (większe sonotrody), gdzie wraz ze wzrostem intensywności mocy ultradźwiękowej wraz ze zmniejszaniem się powierzchni, lub innymi słowy, mniejsza sonotroda umieszcza dużą moc ultradźwiękową na małym obszarze, podczas gdy większa sonotroda rozkłada moc na większy obszar.

Gdy używany jest homogenizator, całkowita praca wykonana na próbce jest kombinacją wejście zasilania homogenizatora, objętość próbki i czas jej wystawienia. Aby uzyskać powtarzalne wyniki, musimy wziąć pod uwagę wszystkie trzy parametry. Nie oczekuj, że umieścisz urządzenie w małej filiżance pełnej płynu na dwie minuty, a następnie uzyskasz ten sam wynik w litrze płynu w tym samym czasie! Należy również pamiętać, że przy małych rozmiarach próbek i dużej mocy wejściowej temperatura próbki szybko wzrośnie. W przypadku próbek wrażliwych na temperaturę lepiej jest stosować niższe ustawienia mocy przez dłuższy czas, co pozwala na rozproszenie energii wprowadzanej przez homogenizator w postaci ciepła.
Przegrzanie próbki może spowodować, że część aromatów, które próbujesz wychwycić, wydostanie się z systemu.
Wysokie pobory mocy mogą również powodować degradację próbki, co można zaobserwować w przypadku stosowania niektórych olejów. Oleje wystawione na działanie wysokich nakładów energii na końcówce homogenizatora mogą się rozkładać, powodując bardzo nieprzyjemny smak, który można opisać tylko jako smak spalania elektrycznego!
W przypadku materiałów wrażliwych na temperaturę chłodzenie próbki poprawi wyniki, na przykład poprzez zastosowanie kąpieli lodowej lub dodanie suchego lodu do próbki. Używanie niższych mocy wejściowych przez dłuższy czas pomaga rozproszyć energię uwalnianą do systemu, podobnie jak używanie urządzenia w trybie impulsowym, co pozwala na pewne chłodzenie między każdą serią ultradźwięków.
W elektronice homogenizatora użytkownik może zdecydować się na pracę urządzenia w dwóch głównych trybach sterowania.

Kontrola amplitudy

W tym trybie użytkownik wybiera % maksymalnej amplitudy wymaganej dla sonotrody. Elektronika będzie następnie próbowała napędzać sonotrodę przy tej amplitudzie i dostosuje moc wejściową urządzenia, aby utrzymać wymaganą amplitudę na sonotrodzie. Jeśli powierzchnia sonotrody jest zbyt duża, aby mogła być napędzana przy tej amplitudzie z dostępną mocą urządzenia, amplituda nie osiągnie ustawionej wartości i może się wyłączyć, jeśli zostanie osiągnięty stan przeciążenia.

Kontrola mocy wejściowej

W tym trybie użytkownik ustawia wymaganą moc wejściową w watach, a elektronika dostosowuje amplitudę oscylacji w celu regulacji mocy wejściowej do ustawień użytkownika. Tryb ten umożliwia regulację mocy przekazywanej do cieczy, a tym samym ograniczenie ciepła generowanego w cieczy, unikając uszkodzenia bardziej wrażliwych próbek.

tryb impulsowy

Oprócz dwóch trybów pracy dostępny jest tryb impulsowy, w którym elektronika włącza się i wyłącza w cyklach, których czas jest ustawiany przez użytkownika od 10% czasu i wyłączonego 90% do włączonego 90% czasu i wyłączonego 10%. Daje to efekt pulsacji i jest przydatne zarówno do ograniczania całkowitej mocy wejściowej do próbki, jak i do tworzenia dobrego mieszania w próbce, aż do początkowego wejścia będącego wysokim, gdy elektronika stabilizuje się podczas każdego cyklu pracy.

Ogólne wskazówki i triki

W przypadku stosowania homogenizatora do naparu aromatów lepsze wyniki uzyskuje się, gdy cząstki stałe zostały zmniejszone przed homogenizacją, co zwiększy powierzchnię narażoną na działanie sonotrody. Ta sama zasada ma zastosowanie w przypadku stosowania homogenizatora do rozdrabiani komórek. Pomyśl o homogenizatorze jako o precyzyjnym narzędziu do wykańczania, a nie szlifierce! Przy zmniejszaniu rozmiarów cząstek większość pracy jest wykonywana przez szybkie zderzenia cząstek, które przyspieszają siły generowane przez sonotrodę. Znacznie lepsze wyniki zostaną uzyskane, jeśli część redukcji cząstek zostanie wykonana przed sonikacją. Rozpoczęcie od już dokonanej redukcji wielkości cząstek masowych oznacza, że większa powierzchnia jest narażona na sonikację i że mniejsze cząstki będą szybciej przyspieszane w cieczy, co spowoduje większe zderzenia z siłą do dalszego rozbijania cząstek. Homogenizator będzie również musiał wykonać mniej pracy, co pozwoli na lepszą kontrolę temperatury.
Ponieważ homogenizator działa na dość lokalnym poziomie, jest przydatny w przypadku stosowania z większymi próbkami, powiedzmy kilkuset mililitrów lub więcej, aby zapewnić dodatkowe mieszanie w celu zapewnienia, że objętość wokół sonotrody zostanie odświeżona, zapewniając pełną sonikację próbki. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku próbek o większej lepkości. Dobre mieszadło magnetyczne to przydatny sposób na osiągnięcie tego. Mieszanie pomaga również w zapewnieniu, że objętość płynu wokół sonotrody nie zostanie przegrzana. Użycie kąpieli lodowej lub kawałków suchego lodu w próbce pomoże usunąć energię przekazywaną przez sonifikację. Jak już wspomniano, jeśli materiał jest wrażliwy na temperaturę, należy użyć niższych ustawień mocy przez dłuższy czas i/lub użyć trybu impulsowego, aby ograniczyć temperatury generowane w próbce, umożliwiając ochłodzenie próbki między impulsami dźwiękowymi.

---

---

Literatura

• 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.

 

W tym filmie Simon z GuerillaChefs.de demonstruje zastosowanie ręcznego sonikatora Hielscher UP200Ht do szybkiego aromatyzowania wody świeżymi grzybami - innowacyjnej techniki stosowanej w gastronomii kulinarnej i molekularnej. Ultradźwięki zwiększają ekstrakcję smaku i wprowadzają delikatne związki aromatyczne do fazy wodnej w ciągu kilku sekund, umożliwiając czyste, bez użycia ciepła przetwarzanie wyrafinowanych bulionów, naparów lub baz smakowych. Idealny dla szefów kuchni i innowatorów żywności poszukujących precyzji i intensywności w naturalnym rozwoju smaku.

Aromatyzacja ultradźwiękowa: Stwórz intensywny w smaku bulion grzybowy za pomocą Hielscher UP200Ht

 

Fakty, które warto znać

Ultradźwiękowe homogenizatory tkanek są często określane jako sonikator soniczny / sonifikator, lizak soniczny, zakłócacz ultradźwiękowy, szlifierka ultradźwiękowa, sono-ruptor, sonifikator, demembrator soniczny, zakłócacz komórek, dyspergator ultradźwiękowy, emulgator lub rozpuszczalnik. Różne terminy wynikają z różnych zastosowań, które mogą być spełnione przez sonikację.