Молекулярная кухня и другие кулинарные приложения

Краткое руководство по принципам

Марк Гастон

• Большая часть содержания этого руководства – это легкодоступная информация, однако иногда она написана таким образом, что не всегда облегчает чтение, если вы не знакомы с используемыми терминами.
• Ниже объясняются важные термины ультразвука, такие как сонотрод, амплитуда и т.д., и их влияние на кулинарное применение.
• В этом руководстве ниже предпринята попытка объяснить использование ультразвукового гомогенизатора менее научным и более кулинарным способом.

Ультразвуковые волны и их применение в пищевых продуктах

Ультразвуковой гомогенизатор как метод существует уже много лет в различных формах, но только сейчас находит свое применение в кулинарии небольших масштабов. Гомогенизатор содержит сложную электронику, которая может преобразовывать и контролировать электрическую энергию в высокочастотные колебания металлического наконечника или сонотрода.
Сонотрод движется в основном вверх и вниз на довольно высокой частоте выше слышимого диапазона (например, 26000 раз в секунду или 26 кГц с помощью УП200Хт). Величина, на которую сонотрод движется вверх и вниз, называется амплитудой и обычно может регулироваться в диапазоне от 9 до 240 мкм (средняя толщина человеческого волоса составляет около 100 мкм для справки). Говоря простым языком, сонотрод ведет себя как поршень, движущийся вверх и вниз в жидкости.
Когда сонотрод движется вверх и вниз во время погружения в жидкость, он создает области высокого и низкого давления внутри жидкости вокруг сонотрода, что, в свою очередь, создает явление, известное как кавитация. На кухне мы видим, что понижение давления (например, в камерном герметике) приводит к тому, что жидкости закипают при более низких температурах, а повышение давления (например, в скороварке) приводит к тому, что жидкости закипают при более высокой температуре.
Быстро колеблющиеся пульсации давления на кончике сонотрода вызывают образование, а затем быстрое схлопывание пузырьков в жидкости. Все это происходит в мельчайшем масштабе, но создает огромные силы внутри жидкости из-за скоростей, температур и давлений, создаваемых кавитация. Именно эти огромные силы могут быть обращены в нашу пользу на кухне для Экстракция ароматизаторов около Разрывные клетки или Разложение твердых частиц.

Однако одна из проблем при использовании этого оборудования заключается в том, чтобы использовать и контролировать эту силу таким образом, чтобы улучшить продукты питания.
Приобретенная модель ультразвукового гомогенизатора УП200Хт определяет максимальную мощность, доступную пользователю, а сам гомогенизатор имеет ряд переменных, которые можно использовать для регулировки его производительности в соответствии с областью применения. Для целей данного руководства использовалась модель 200 Вт единица.

Размер сонотрода

Размер Сонотрод Установленная установка оказывает значительное влияние на то, как устройство подает свою мощность.
Проще говоря, чем больше площадь поверхности сонотрода, тем больше энергии потребуется для его приведения в движение с любой заданной амплитудой. Вязкость жидкости также будет оказывать большое влияние на мощность, необходимую для приведения сонотрода в движение с заданной амплитудой.
Представьте себе сонотрод в виде поршня или поршня, если поршень перемещается вверх и вниз очень быстро в кастрюле с жидкой жидкостью, такой как вода, это относительно легко сделать даже с разумной скоростью, однако наполните кастрюлю густым соусом и то же не будет правдой, потребуется гораздо больше мощности для быстрого перемещения поршня вверх и вниз в жидкости из-за повышенной вязкости. Увеличьте размер поршня или поршня, и вам также потребуется больше усилий, чтобы перемещать его вверх и вниз в жидкости.
То же самое относится и к сонотроду. При установке большого сонотрода устройству придется работать гораздо усерднее, чтобы создать заданную амплитуду колебаний, если жидкость имеет высокую вязкость, чем при жидкости с низкой вязкостью.

При любой заданной настройке мощности меньший сонотрод из-за своей площади поверхности будет генерировать большие колебания давления и верхний кавитация интенсивность на кончике, чем у большего сонотрода (так как мощность сосредоточена на меньшей площади поверхности сонотрода).
Возможно, будет невозможно управлять большим сонотродом с той же амплитудой, так как для этого потребуется гораздо больше энергии, что может привести к отключению устройства из-за перегрузки. В этом случае приходится уменьшать размер сонотрода или получать агрегат большей мощности.
Входные данные Интенсивность ультразвука (при любой заданной настройке мощности) уменьшается с увеличением площади поверхности (большие сонотроды), где по мере увеличения интенсивности ультразвуковой мощности с уменьшением площади поверхности, или, другими словами, меньший сонотрод вкладывает много ультразвуковой мощности в небольшую область, в то время как больший сонотрод распределяет мощность на большую площадь.

При использовании гомогенизатора общая работа, проделанная над образцом, представляет собой комбинацию подводимая мощность гомогенизатора, том образца и Время Он обнажен. Для того, чтобы получить воспроизводимые результаты, мы должны учитывать все три параметра. Не ожидайте, что вы поместите устройство в маленькую чашку, полную жидкости, на две минуты, а затем получите тот же результат в литре жидкости за тот же период времени! Также помните, что при небольших размерах выборки и высокой потребляемой мощности температура образца будет быстро подниматься. Для чувствительных к температуре образцов лучше использовать более низкие настройки мощности в течение более длительных периодов времени, что позволяет рассеивать энергию, поступающую гомогенизатором в виде тепла.
Перегрев образца вполне может привести к тому, что некоторые из тех самых ароматов, которые вы пытаетесь уловить, выйдут из системы.
Высокая потребляемая мощность также может привести к ухудшению качества образца, что можно заметить при использовании некоторых масел. Масла при воздействии высоких энергетических ресурсов на кончике гомогенизатора могут разрушиться, что приведет к крайне неприятному вкусу, который можно описать только как вкус электрического горения!
Для чувствительных к температуре материалов охлаждение образца улучшит результаты, например, с помощью ледяной бани или добавления в образец небольшого количества сухого льда. Использование более низкой потребляемой мощности в течение более длительного периода времени помогает рассеять энергию, высвобождаемую в системе, как и использование устройства в импульсном режиме, что позволяет некоторое охлаждение между каждым всплеском ультразвука.
В электронике гомогенизатора пользователь может выбрать работу установки в двух основных режимах управления.

Регулировка амплитуды

В этом режиме пользователь выбирает % от максимальной амплитуды, необходимой для сонотрода. Затем электроника попытается управлять сонотродом с этой амплитудой и отрегулирует входную мощность устройства для поддержания требуемой амплитуды на сонотроде. Если площадь поверхности сонотрода слишком велика для движения с такой амплитудой с доступной мощностью устройства, амплитуда не достигнет заданного значения и может отключиться при достижении условия перегрузки.

Управление входной мощностью

В этом режиме пользователь устанавливает требуемую входную мощность в ваттах, а электроника регулирует амплитуду колебаний, чтобы регулировать входную мощность в соответствии с пользовательской настройкой. Этот режим позволяет регулировать мощность, передаваемую жидкости, и, следовательно, ограничивать тепло, выделяемое в жидкости, что позволяет избежать повреждения более чувствительных образцов.

импульсный режим

В дополнение к двум режимам работы существует импульсный режим, при котором электроника включается и выключается в Циклов, время работы которого устанавливается пользователем от включения: 10% времени и выключения 90% до 90% времени и выключения 10%. Это дает пульсирующий эффект и полезно как для ограничения общей потребляемой мощности на образце, так и для создания хорошего перемешивания внутри образца до начального напряжения, которое должно быть высоким, поскольку электроника стабилизируется во время каждого рабочего цикла.

Общие советы и хитрости

При использовании гомогенизатора для настаивания ароматизаторов лучшие результаты достигаются, когда твердые вещества были уменьшены в размерах перед гомогенизацией, что приведет к увеличению площади поверхности, подверженной воздействию гомогенизатора. Сонотрод. Тот же принцип применим и при использовании гомогенизатора для уменьшение размера частиц. Думайте о гомогенизаторе как о тонком отделочном инструменте, а не как о шлифовальной машине! При уменьшении размеров частиц большая часть работы выполняется за счет высокоскоростных столкновений частиц, ускоренных силами, возникающими на сонотроде. Гораздо лучшие результаты будут получены, если часть редукции частиц будет выполнена перед ультразвуковой обработкой. Начиная с уже выполненного уменьшения размера объемных частиц, большая площадь поверхности подвергается воздействию ультразвука и что более мелкие частицы будут ускоряться в жидкости быстрее, что приведет к более высоким столкновениям с силой дальнейшего разрушения частиц. Гомогенизатор также должен будет выполнять меньше работы, что позволит лучше контролировать температуру.
Поскольку гомогенизатор работает на довольно локализованном уровне, он полезен при использовании с большими образцами, скажем, в несколько сотен миллилитров или более, для обеспечения дополнительного перемешивания, чтобы гарантировать обновление объема вокруг сонотрода, обеспечивая полную ультразвуковую обработку образца. Это особенно верно в отношении более вязкий Образцы. Хорошая магнитная мешалка — полезный способ добиться этого. Перемешивание также помогает предотвратить перегрев объема жидкости вокруг сонотрода. Использование ледяной ванны или кусочков сухого льда в образце поможет удалить энергию, передаваемую сонификацией. Как уже говорилось, если материал чувствителен к температуре, используйте более низкие настройки мощности в течение увеличенного периода времени и/или используйте импульсный режим для ограничения температуры, генерируемой в образце, позволяя образцу охлаждаться между звуковыми импульсами.

---

---

Литература

• 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.

Факты, которые стоит знать

Ультразвуковые тканевые гомогенизаторы часто называют зондовым ультразвуковым аппаратом, звуковым лизером, ультразвуковым разрушителем, ультразвуковым измельчителем, соноразрывом, сонификатором, звуковым дисмембраном, клеточным разрушителем, ультразвуковым диспергатором, эмульгатором или растворителем. Различные термины являются результатом различных применений, которые могут быть выполнены с помощью ультразвуковой обработки.