Kuchnia molekularna i inne zastosowania kulinarne

Sonikacja zmienia sposób, w jaki szefowie kuchni i naukowcy zajmujący się żywnością przygotowują potrawy i napoje: ekstrakcja, infuzja, emulgowanie i homogenizacja ultradźwiękowa to kluczowe zastosowania sonikatorów w tworzeniu kompozycji kulinarnych. Od szybkiej ekstrakcji po bardziej jedwabiste emulsje i intensywniejsze aromaty – fale ultradźwiękowe pozwalają uzyskać wyjątkowe smaki i tekstury. W tym artykule dowiesz się, jak szefowie kuchni i technolodzy żywności wykorzystują kawitację ultradźwiękową do przygotowywania na nowo wszystkiego, od koktajli po consommé.

Krótki przewodnik po podstawowych zasadach

artykuł gościnny autorstwa Marka Gastona

• Większość treści tego przewodnika stanowią łatwo dostępne informacje, jednak czasami są one napisane w sposób, który nie zawsze ułatwia lekturę osobom nieznającym używanych terminów.
• Poniżej wyjaśniono ważne terminy związane z sonikacją, takie jak sonotroda, amplituda itp., oraz ich wpływ na zastosowania kulinarne.
• Poniższy przewodnik ma na celu wyjaśnienie zastosowania homogenizatora ultradźwiękowego w sposób mniej naukowy, a bardziej związany z praktyką kulinarną.

Fale ultradźwiękowe i ich zastosowanie w przetwarzaniu żywności

Technika homogenizacji ultradźwiękowej istnieje od wielu lat w różnych formach, ale dopiero teraz zaczyna znajdować zastosowanie w praktyce kulinarnej na mniejszą skalę. Homogenizator zawiera zaawansowane układy elektroniczne, które mogą przekształcać moc elektryczną w drgania metalowej końcówki, czyli sonotrody, o wysokiej częstotliwości oraz sterować tym procesem.
Sonotroda porusza się głównie w górę i w dół z dość wysoką częstotliwością, przekraczającą zakres słyszalności (np. 26 000 razy na sekundę, czyli 26Khz, w przypadku sonikatora UP200Ht). Wielkość przemieszczenia sonotrody w górę i w dół nazywa się amplitudą i zazwyczaj można ją regulować w zakresie od 9 do 240 µm (dla porównania: przeciętny ludzki włos ma około 100 µm grubości). Mówiąc prościej, sonotroda zachowuje się jak tłok poruszający się w górę i w dół w cieczy.
Gdy zanurzona w cieczy sonotroda porusza się w górę i w dół, w otaczającej ją cieczy tworzy obszary wysokiego i niskiego ciśnienia, co z kolei wywołuje zjawisko zwane kawitacją. W kuchni obserwujemy, że obniżenie ciśnienia (np. w pakowarce komorowej) powoduje wrzenie cieczy w niższych temperaturach, a podwyższenie ciśnienia (np. w szybkowarze) powoduje wrzenie cieczy w wyższej temperaturze.
Gwałtowne pulsacje ciśnienia na końcówce sonotrody powodują powstawanie, a następnie szybkie zapadanie się pęcherzyków w cieczy. Wszystko to zachodzi w bardzo małej skali, ale wywołuje w cieczy ogromne siły wynikające z prędkości, temperatur i ciśnień generowanych przez kawitację. To właśnie te ogromne siły możemy wykorzystać w kuchni do ekstrakcji substancji smakowych i aromatycznych poprzez rozbijanie komórek, emulgowania lub rozdrabniania cząstek.

 

Zobacz, jak sonikator Hielscher UP200Ht przekształca roślinną emulsję czekoladową w jedwabisty, stabilny wegański mus czekoladowy. Kawitacja ultradźwiękowa zapewnia drobne rozproszenie składników, większą stabilność emulsji i optymalną konsystencję – tworząc podstawę doskonałego deseru bez nabiału o bogatym czekoladowym smaku. Dzięki wytworzeniu stabilnej emulsji tłuszczów czekoladowych i wody o rozmiarach kropelek poniżej mikrometra sonikacja nadaje deserowi intensywny smak oraz gładką, jednolitą konsystencję odczuwaną w ustach. Ponadto ultradźwięki rozbijają aglomeraty skrobi, białek i stałych składników kakao, zapewniając wyjątkową kremowość i intensywniejszy smak.

Dowiedz się więcej o ultradźwiękowym emulgowaniu wegańskiego musu czekoladowego!
 

Jednym z wyzwań związanych z użytkowaniem tego sprzętu jest jednak wykorzystanie i kontrolowanie tej mocy w sposób poprawiający właściwości żywności.
Zakupiony homogenizator ultradźwiękowy model UP200Ht określa maksymalną moc dostępną dla użytkownika, a sam homogenizator ma szereg zmiennych parametrów, które można wykorzystać do dostosowania jego działania do danego zastosowania. Na potrzeby tego przewodnika użyto sonikatora Hielscher o mocy 200 watów.

Rozmiar sonotrody

Rozmiar zamontowanej sonotrody ma istotny wpływ na sposób przekazywania mocy przez urządzenie.
Mówiąc najprościej, im większa powierzchnia sonotrody, tym więcej mocy potrzeba do wprawienia jej w drgania o danej amplitudzie. Lepkość cieczy również ma duży wpływ na moc potrzebną do wprawienia sonotrody w drgania o danej amplitudzie.
Wyobraź sobie sonotrodę jako tłok lub tłoczek: bardzo szybkie poruszanie tłokiem w górę i w dół w garnku z rzadką cieczą, taką jak woda, jest stosunkowo łatwe nawet przy dość dużych prędkościach. Jeśli jednak napełnisz garnek gęstym sosem, sytuacja będzie inna – ze względu na większą lepkość szybkie poruszanie tłokiem w górę i w dół w cieczy będzie wymagać znacznie większej mocy. Zwiększenie rozmiaru tłoka lub tłoczka również sprawi, że poruszanie nim w górę i w dół w cieczy będzie wymagało większego wysiłku.
To samo dotyczy sonotrody. Po zamontowaniu dużej sonotrody urządzenie musi pracować znacznie intensywniej, aby uzyskać daną amplitudę drgań w cieczy o wysokiej lepkości niż w cieczy o niskiej lepkości.
 

 

Przy dowolnym ustawieniu mocy mniejsza sonotroda, ze względu na swoją powierzchnię, będzie generować większe wahania ciśnienia i większą intensywność kawitacji na końcówce niż większa sonotroda (ponieważ moc jest skupiona na mniejszej powierzchni sonotrody).
Wprawienie większej sonotrody w drgania o tej samej amplitudzie może nie być możliwe, ponieważ będzie wymagało znacznie większej mocy, co może spowodować wyłączenie urządzenia z powodu przeciążenia. W takim przypadku należy zmniejszyć rozmiar sonotrody lub zastosować urządzenie o większej mocy.
Natężenie ultradźwięków (przy dowolnym ustawieniu mocy) maleje wraz ze wzrostem powierzchni (większe sonotrody), natomiast gęstość mocy ultradźwiękowej rośnie wraz ze zmniejszaniem się powierzchni. Innymi słowy, mniejsza sonotroda przekazuje dużą moc ultradźwiękową na małą powierzchnię, podczas gdy większa sonotroda rozkłada moc na większej powierzchni.

Podczas korzystania z homogenizatora całkowita praca wykonana na próbce jest wynikiem łącznego wpływu mocy wejściowej homogenizatora, objętości próbki i czasu jej poddawania działaniu ultradźwięków. Aby uzyskać powtarzalne wyniki, musimy uwzględnić wszystkie trzy parametry. Nie oczekuj, że umieszczenie urządzenia na dwie minuty w małej filiżance pełnej cieczy da taki sam wynik jak przetwarzanie litra cieczy przez ten sam czas! Pamiętaj również, że przy małych objętościach próbek i dużej mocy wejściowej temperatura próbki będzie szybko wzrastać. W przypadku próbek wrażliwych na temperaturę lepiej stosować niższe ustawienia mocy przez dłuższy czas, umożliwiając odprowadzanie energii dostarczanej przez homogenizator w postaci ciepła.
Przegrzanie próbki może spowodować ulatnianie się z układu części właśnie tych aromatów, które próbujesz wydobyć.
Duża moc wejściowa może również powodować degradację próbki, co można zaobserwować podczas stosowania niektórych olejów. Oleje poddane dużemu dopływowi energii na końcówce homogenizatora mogą ulegać rozkładowi, co prowadzi do powstania bardzo nieprzyjemnego smaku, który można opisać jedynie jako smak spalenizny elektrycznej!
W przypadku materiałów wrażliwych na temperaturę chłodzenie próbki poprawi wyniki, na przykład przez zastosowanie kąpieli lodowej lub dodanie do próbki niewielkiej ilości suchego lodu. Stosowanie niższej mocy wejściowej przez dłuższy czas pomaga rozpraszać energię uwalnianą do układu, podobnie jak praca urządzenia w trybie impulsowym, który umożliwia pewne chłodzenie pomiędzy kolejnymi impulsami ultradźwięków.
Układ elektroniczny homogenizatora umożliwia użytkownikowi wybór dwóch głównych trybów sterowania pracą urządzenia.

Sterowanie amplitudą

W tym trybie użytkownik wybiera wymagany dla sonotrody % amplitudy maksymalnej. Układ elektroniczny będzie następnie próbował wprawić sonotrodę w drgania o tej amplitudzie i będzie regulował moc wejściową urządzenia, aby utrzymać wymaganą amplitudę sonotrody. Jeśli powierzchnia sonotrody jest zbyt duża, aby przy dostępnej mocy urządzenia uzyskać drgania o tej amplitudzie, amplituda nie osiągnie ustawionej wartości, a urządzenie może się wyłączyć w przypadku przeciążenia.

Czy chcą Państwo wytwarzać własne ekstrakty z przypraw lub sosy? Zarówno w kuchni restauracyjnej, w pracy ambitnego zastępcy szefa kuchni, jak i w produkcji komercyjnej urządzenia ultradźwiękowe Hielscher pozwalają w krótkim czasie wytwarzać wysokiej jakości ekstrakty i sosy. Proszę samodzielnie wytwarzać ekstrakty ekologiczne! Wyeliminować konserwanty! Stosować wyłącznie wybrane przez siebie składniki!

Sterowanie mocą wejściową

W tym trybie użytkownik ustawia wymaganą moc wejściową w watach, a układ elektroniczny reguluje amplitudę drgań, aby dostosować moc wejściową do ustawienia użytkownika. Tryb ten umożliwia regulowanie mocy przekazywanej do cieczy, a tym samym ograniczenie ilości wytwarzanego w niej ciepła, co pozwala uniknąć uszkodzenia bardziej wrażliwych próbek.

Tryb impulsowy

Oprócz dwóch trybów pracy dostępny jest tryb impulsowy, w którym układ elektroniczny cyklicznie włącza się i wyłącza. Użytkownik ustawia czas tych cykli w zakresie od włączenia przez 10% czasu i wyłączenia przez 90% do włączenia przez 90% czasu i wyłączenia przez 10%. Daje to efekt pulsacyjny i jest przydatne zarówno do ograniczania całkowitej mocy dostarczanej do próbki, jak i do zapewniania dobrego mieszania próbki, w związku z wysokim początkowym dopływem i stabilizowaniem się układu elektronicznego podczas każdego cyklu pracy.

Ogólne wskazówki i porady

Podczas stosowania homogenizatora do infuzji substancji smakowych i aromatycznych lepsze wyniki uzyskuje się, gdy przed homogenizacją rozdrobniono składniki stałe, ponieważ zwiększa to powierzchnię poddaną działaniu sonotrody. Ta sama zasada obowiązuje podczas stosowania homogenizatora do zmniejszania wielkości cząstek. Traktuj homogenizator jako narzędzie do precyzyjnej obróbki końcowej, a nie do zgrubnego mielenia! Podczas zmniejszania wielkości cząstek dużą część pracy wykonują zderzenia z dużą prędkością cząstek przyspieszanych przez siły generowane przy sonotrodzie. Znacznie lepsze wyniki uzyska się, jeśli część rozdrabniania cząstek zostanie przeprowadzona przed sonikacją. Rozpoczęcie procesu po wcześniejszym wstępnym rozdrobnieniu cząstek oznacza, że większa powierzchnia jest poddawana sonikacji, a mniejsze cząstki będą szybciej przyspieszane w cieczy, co prowadzi do intensywniejszych zderzeń z siłą umożliwiającą dalsze rozdrabnianie cząstek. Homogenizator będzie też musiał wykonać mniej pracy, co pozwoli lepiej kontrolować temperaturę.
Ponieważ homogenizator działa dość lokalnie, podczas przetwarzania większych próbek, na przykład o objętości kilkuset mililitrów lub większej, warto zapewnić dodatkowe mieszanie, aby ciecz w otoczeniu sonotrody była stale wymieniana, co zapewnia pełną sonikację próbki. Dotyczy to szczególnie próbek o większej lepkości. Dobrym sposobem osiągnięcia tego celu jest użycie odpowiedniego mieszadła magnetycznego. Mieszanie pomaga również zapobiegać przegrzewaniu się cieczy w otoczeniu sonotrody. Zastosowanie kąpieli lodowej lub kawałków suchego lodu w próbce pomoże odprowadzać energię dostarczaną podczas sonikacji. Jak już wspomniano, jeśli materiał jest wrażliwy na temperaturę, stosuj niższe ustawienia mocy przez dłuższy czas i/lub korzystaj z trybu impulsowego, aby ograniczyć temperatury osiągane w próbce, umożliwiając jej chłodzenie pomiędzy impulsami ultradźwiękowymi.

---

---

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 pokazuje zastosowanie ręcznego sonikatora Hielscher UP200Ht do szybkiej aromatyzacji wody świeżymi grzybami – innowacyjnej techniki stosowanej w sztuce kulinarnej i gastronomii molekularnej. Sonikacja wspomaga ekstrakcję smaku i w ciągu kilku sekund wprowadza delikatne związki aromatyczne do fazy wodnej, umożliwiając obróbkę bez podgrzewania i uzyskiwanie produktów z czystą etykietą, takich jak wykwintne buliony, napary czy bazy smakowe. Idealne rozwiązanie dla szefów kuchni i twórców innowacyjnej żywności, którym zależy na precyzji i intensywności w kształtowaniu naturalnego smaku.