Kuchnia molekularna i inne zastosowania kulinarne

Krótki przewodnik po zasadach

Mark Gaston

• 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 próbuje wyjaśnić zastosowanie homogenizatora ultradźwiękowego w mniej naukowy i bardziej kulinarny sposób.

Fale ultradźwiękowe i ich zastosowanie w żywności

Homogenizator ultradźwiękowy jako technika istnieje od wielu lat w różnych formach, ale dopiero teraz znajduje zastosowanie w mniejszych zastosowaniach kulinarnych. Homogenizator zawiera zaawansowaną elektronikę, która może przekształcać i kontrolować energię elektryczną w drgania 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). 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 sonotrodę. kawitacja. To właśnie te ogromne siły można obrócić na naszą korzyść w kuchni. ekstrakcja aromatów przez pękające komórki lub rozkład cząstek stałych.

Jednym z wyzwań w korzystaniu z tego sprzętu jest jednak wykorzystanie i kontrolowanie tej mocy w sposób, który poprawia jakość żywności.
Zakupiony model homogenizatora ultradźwiękowego 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 200 W jednostka.

Rozmiar sonotrody

Rozmiar sonotrody Dopasowanie ma duży wpływ na sposób, w jaki urządzenie dostarcza 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 dowolnym ustawieniu mocy a mniejsza sonotroda ze względu na swoją powierzchnię będzie generować większe wahania ciśnienia i wyższy kawitacja intensywności na końcówce niż większa sonotroda (ponieważ moc jest skupiona 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.
Wejście intensywność ultradźwięków (przy dowolnym ustawieniu mocy) zmniejsza się wraz ze wzrostem powierzchni (większe sonotrody), gdzie intensywność mocy ultradźwiękowej wzrasta wraz ze zmniejszaniem się powierzchni, lub mówiąc inaczej, mniejsza sonotroda umieszcza dużo mocy ultradźwiękowej na małym obszarze, gdzie jako większa sonotroda rozprowadza moc na większym obszarze.

Gdy używany jest homogenizator, całkowita praca wykonana na próbce jest kombinacją następujących czynników wejście zasilania homogenizatora objętość próbki i Czas jest odsłonięty. Aby uzyskać powtarzalne wyniki, musimy wziąć pod uwagę wszystkie trzy parametry. Nie oczekuj, że umieścisz urządzenie w małym kubku pełnym płynu na dwie minuty, a następnie uzyskasz ten sam wynik w litrze płynu w tym samym okresie czasu! Należy również pamiętać, że przy małych rozmiarach próbek i wysokiej mocy wejściowej temperatura próbki szybko wzrośnie. W przypadku próbek wrażliwych na temperaturę lepiej jest używać niższych ustawień mocy przez dłuższy czas, umożliwiając rozproszenie energii wprowadzanej przez homogenizator w postaci ciepła.
Przegrzanie próbki może spowodować, że część aromatów, które próbujesz wychwycić, wydostanie się z systemu.
Wysoka moc wejściowa może również powodować degradację próbki, co można zaobserwować podczas stosowania niektórych olejów. Oleje wystawione na działanie wysokiej energii wejściowej na końcówce homogenizatora mogą ulec rozkładowi, powodując bardzo nieprzyjemny smak, który można opisać jedynie 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 wybrać dwa główne tryby sterowania urządzeniem.

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 następujących odstępach czasu cyklektórego czas jest ustawiany przez użytkownika od włączenia na 10% czasu i wyłączenia na 90% do włączenia na 90% czasu i wyłączenia na 10%. Daje to efekt pulsowania i jest przydatne zarówno do ograniczania całkowitego poboru mocy do próbki, jak i do tworzenia dobrego mieszania w próbce, gdy początkowy pobór jest wysoki, ponieważ elektronika stabilizuje się podczas każdego cyklu pracy.

Ogólne wskazówki i triki

Podczas korzystania z homogenizatora do infuzji aromatów lepsze wyniki uzyskuje się, gdy substancje stałe zostały zmniejszone przed homogenizacją, co zwiększy powierzchnię wystawioną na działanie aromatu. sonotrody. Ta sama zasada obowiązuje w przypadku używania homogenizatora do rozdrabiani komórek. Homogenizator należy traktować jako narzędzie do precyzyjnego wykańczania, a nie szlifierkę! W redukcji wielkości cząstek większość pracy jest wykonywana przez zderzenia cząstek o dużej prędkości przyspieszane siłami generowanymi na sonotrodzie. Znacznie lepsze wyniki zostaną uzyskane, jeśli część redukcji cząstek zostanie wykonana przed sonikacją. Rozpoczęcie od redukcji wielkości cząstek już wykonanych 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. Mniej pracy będzie również musiał wykonać homogenizator, co pozwoli na lepszą kontrolę temperatury.
Ponieważ homogenizator działa na dość lokalnym poziomie, przydatne jest, gdy jest używany z większymi próbkami, powiedzmy kilkaset mililitrów lub więcej, aby zapewnić dodatkowe mieszanie, aby zapewnić, że objętość wokół sonotrody jest odświeżana, zapewniając całkowitą sonikację próbki. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku lepki próbki. Dobrym sposobem na osiągnięcie tego celu jest dobre mieszadło magnetyczne. Mieszanie pomaga również w zapewnieniu, że objętość cieczy wokół sonotrody nie jest 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 w dłuższym okresie czasu i lub użyć trybu impulsowego, aby ograniczyć temperatury generowane w próbce, umożliwiając schłodzenie 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.

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.