Молекулярная кухня и другие кулинарные применения

Обработка ультразвуком меняет способы приготовления продуктов и напитков, которыми пользуются повара и специалисты в области пищевых наук: ультразвуковая экстракция, настаивание, эмульгирование и гомогенизация – основные области применения ультразвуковых аппаратов для создания кулинарных произведений. От быстрой экстракции до более шелковистых эмульсий и усиленных ароматов – ультразвуковые волны позволяют получать выдающиеся вкусы и текстуры. В этой статье вы узнаете, как повара и пищевые технологи используют ультразвуковую кавитацию, чтобы по-новому создавать всё – от коктейлей до консоме.

Краткое руководство по основным принципам

гостевая статья Марка Гастона

• Большая часть содержания этого руководства представляет собой общедоступную информацию, однако иногда она изложена так, что её не всегда легко читать, если вы не знакомы с используемыми терминами.
• Ниже объясняются важные термины, связанные с обработкой ультразвуком, такие как сонотрод, амплитуда и т. д., а также их влияние на кулинарные применения.
• В приведённом ниже руководстве сделана попытка объяснить использование ультразвукового гомогенизатора с меньшим упором на науку и большей связью с кулинарией.

Ультразвуковые волны и их применение к пищевым продуктам

Технология ультразвуковой гомогенизации существует уже много лет в различных формах, но лишь сейчас начинает применяться в кулинарии в небольших масштабах. Гомогенизатор содержит сложную электронику, которая позволяет преобразовывать электрическую мощность в высокочастотные колебания металлического наконечника, или сонотрода, и управлять этим преобразованием.
Сонотрод движется преимущественно вверх и вниз с довольно высокой частотой, превышающей слышимый диапазон (например, 26 000 раз в секунду, или 26Khz, при использовании ультразвукового аппарата UP200Ht). Величина перемещения сонотрода вверх и вниз называется амплитудой и обычно может регулироваться в пределах от 9 до 240 µm (для сравнения: средняя толщина человеческого волоса составляет около 100 µm). Проще говоря, сонотрод действует как поршень, движущийся вверх и вниз в жидкости.
Когда погружённый в жидкость сонотрод движется вверх и вниз, он создаёт вокруг себя в жидкости области высокого и низкого давления, что, в свою очередь, вызывает явление, известное как кавитация. На кухне мы видим, что снижение давления (например, в камерном вакуумном упаковщике) заставляет жидкости кипеть при более низких температурах, а повышение давления (например, в скороварке) заставляет жидкости кипеть при более высокой температуре.
Быстро меняющиеся пульсации давления у наконечника сонотрода вызывают образование, а затем быстрое схлопывание пузырьков в жидкости. Всё это происходит в мельчайших масштабах, но создаёт в жидкости огромные силы благодаря скоростям, температурам и давлениям, возникающим при кавитации. Именно эти огромные силы можно использовать с пользой на кухне для извлечения вкусоароматических веществ путём разрушения клеток, эмульгирования или измельчения частиц.

 

Посмотрите, как ультразвуковой гомогенизатор Hielscher UP200Ht превращает шоколадную эмульсию на растительной основе в нежный, стабильный веганский шоколадный мусс. Ультразвуковая кавитация обеспечивает тонкое диспергирование, повышенную стабильность эмульсии и оптимальную текстуру – основу превосходного десерта без молочных продуктов с насыщенным шоколадным вкусом. Создавая стабильную эмульсию шоколадных жиров и воды с субмикронным размером капель, ультразвуковая обработка способствует насыщенному вкусу и гладкой, однородной консистенции во рту. Кроме того, ультразвуковая обработка разрушает агломераты крахмала, белков и твёрдых частиц какао, обеспечивая максимально нежную кремовую текстуру и более выраженный вкус.

Узнайте больше об ультразвуковом эмульгировании веганского шоколадного мусса!
 

Однако одна из задач при использовании этого оборудования – задействовать эту мощность и управлять ею так, чтобы улучшать пищевые продукты.
Приобретённый ультразвуковой гомогенизатор модели UP200Ht определяет максимальную мощность, доступную пользователю, а сам гомогенизатор имеет ряд регулируемых параметров, с помощью которых можно настроить его работу в соответствии с задачей. Для подготовки этого руководства использовался ультразвуковой аппарат Hielscher мощностью 200 ватт.

Размер сонотрода

Размер установленного сонотрода существенно влияет на то, как аппарат передаёт свою мощность.
Проще говоря, чем больше площадь поверхности сонотрода, тем больше мощности потребуется для его работы при любой заданной амплитуде. Вязкость жидкости также сильно влияет на мощность, необходимую для работы сонотрода при заданной амплитуде.
Представьте сонотрод в виде поршня или плунжера: если очень быстро перемещать поршень вверх и вниз в кастрюле с маловязкой жидкостью, например водой, это относительно легко делать даже при достаточно высоких скоростях. Однако если наполнить кастрюлю густым соусом, ситуация изменится: из-за повышенной вязкости потребуется гораздо больше мощности, чтобы быстро перемещать поршень вверх и вниз в жидкости. Увеличьте размер поршня или плунжера, и для его перемещения вверх и вниз в жидкости также потребуется больше усилий.
То же самое справедливо и для сонотрода. При установленном большом сонотроде аппарату придётся работать гораздо интенсивнее, чтобы обеспечить заданную амплитуду колебаний в жидкости с высокой вязкостью, чем в жидкости с низкой вязкостью.
 

 

При любой заданной настройке мощности меньший сонотрод благодаря площади своей поверхности создаёт у наконечника более сильные колебания давления и более высокую интенсивность кавитации, чем больший сонотрод (поскольку мощность сосредоточена на меньшей площади поверхности сонотрода).
Обеспечить работу большего сонотрода при той же амплитуде может оказаться невозможно, поскольку для этого потребуется гораздо больше мощности, что может привести к отключению аппарата из-за перегрузки. В этом случае необходимо уменьшить размер сонотрода или приобрести аппарат большей мощности.
Интенсивность ультразвука (при любой заданной настройке мощности) уменьшается с увеличением площади поверхности (при использовании более крупных сонотродов), тогда как интенсивность ультразвуковой мощности увеличивается с уменьшением площади поверхности. Иными словами, меньший сонотрод передаёт большую ультразвуковую мощность на небольшую площадь, тогда как больший сонотрод распределяет мощность по большей площади.

При использовании гомогенизатора общая работа, совершаемая над образцом, определяется сочетанием подводимой мощности гомогенизатора, объёма образца и времени воздействия на него. Для получения воспроизводимых результатов необходимо учитывать все три параметра. Не рассчитывайте, что, поместив аппарат в небольшую чашку с жидкостью на две минуты, вы затем получите такой же результат в литре жидкости за то же время! Также помните, что при небольших объёмах образцов и высокой подводимой мощности температура образца будет быстро повышаться. Для чувствительных к температуре образцов лучше использовать более низкие настройки мощности в течение более длительного времени, позволяя рассеиваться энергии, поступающей от гомогенизатора в виде тепла.
Перегрев образца вполне может привести к тому, что часть именно тех ароматических веществ, которые вы пытаетесь извлечь, улетучится из системы.
Высокая подводимая мощность также может вызывать разрушение образца, что наблюдается при использовании некоторых масел. Под воздействием высокой подводимой энергии у наконечника гомогенизатора масла могут разрушаться, приобретая крайне неприятный вкус, который можно описать только как вкус горящей электропроводки!
Для чувствительных к температуре материалов охлаждение образца улучшит результаты, например при использовании ледяной бани или добавлении в образец небольшого количества сухого льда. Использование более низкой подводимой мощности в течение более длительного времени помогает рассеивать энергию, выделяемую в системе; этому также способствует работа аппарата в импульсном режиме, который позволяет образцу немного охлаждаться между отдельными импульсами ультразвука.
Электроника гомогенизатора позволяет пользователю выбирать между двумя основными режимами управления аппаратом.

Управление амплитудой

В этом режиме пользователь выбирает требуемую для сонотрода амплитуду в % от максимальной. Затем электроника будет пытаться обеспечить работу сонотрода при этой амплитуде и регулировать подводимую мощность аппарата, чтобы поддерживать требуемую амплитуду сонотрода. Если площадь поверхности сонотрода слишком велика для работы при этой амплитуде с доступной мощностью аппарата, амплитуда не достигнет заданного значения, а при возникновении перегрузки аппарат может отключиться.

Хотите самостоятельно производить экстракты пряностей или соусы? Ультразвуковое оборудование Hielscher позволяет быстро получать высококачественные экстракты и соусы как на ресторанной кухне и в работе увлечённого су-шефа, так и в промышленном производстве. Готовьте органические экстракты самостоятельно! Откажитесь от консервантов! Используйте только выбранные вами ингредиенты!

Управление подводимой мощностью

В этом режиме пользователь задаёт требуемую подводимую мощность в ваттах, а электроника регулирует амплитуду колебаний, чтобы привести подводимую мощность в соответствие с заданным пользователем значением. Этот режим позволяет регулировать мощность, передаваемую жидкости, и тем самым ограничивать выделение тепла в жидкости, предотвращая повреждение более чувствительных образцов.

Импульсный режим

Помимо двух режимов работы, предусмотрен импульсный режим, в котором электроника циклически включается и выключается. Соотношение времени включения и выключения задаётся пользователем: от включения на 10% времени и выключения на 90% до включения на 90% времени и выключения на 10%. Это создаёт пульсирующее воздействие и полезно как для ограничения общей мощности, подводимой к образцу, так и для обеспечения хорошего перемешивания внутри образца при высоком начальном вводе, когда электроника стабилизируется в течение каждого рабочего цикла.

Общие советы и рекомендации

При использовании гомогенизатора для насыщения вкусоароматическими веществами лучшие результаты достигаются, если твёрдые компоненты предварительно измельчить перед гомогенизацией: это увеличит площадь поверхности, подвергающейся воздействию сонотрода. Тот же принцип действует при использовании гомогенизатора для уменьшения размера частиц. Рассматривайте гомогенизатор как инструмент для тонкой окончательной обработки, а не для грубого измельчения! При уменьшении размера частиц значительная часть работы выполняется за счёт высокоскоростных столкновений частиц, ускоряемых силами, возникающими у сонотрода. Значительно лучшие результаты будут получены, если часть измельчения провести до обработки ультразвуком. Если основное уменьшение размера частиц уже выполнено до начала обработки, воздействию ультразвука подвергается большая площадь поверхности, а меньшие частицы быстрее ускоряются в жидкости, что приводит к более интенсивным столкновениям с силой, достаточной для дальнейшего измельчения частиц. Гомогенизатору также потребуется выполнять меньше работы, что позволит лучше контролировать температуру.
Поскольку гомогенизатор действует довольно локально, при работе с более крупными образцами, скажем объёмом в несколько сотен миллилитров или более, полезно обеспечить дополнительное перемешивание, чтобы жидкость вокруг сонотрода обновлялась и весь образец подвергался обработке ультразвуком. Это особенно актуально для более вязких образцов. Хорошая магнитная мешалка – полезный способ добиться этого. Перемешивание также помогает предотвратить перегрев жидкости вокруг сонотрода. Использование ледяной бани или кусочков сухого льда в образце поможет отвести энергию, переданную при обработке ультразвуком. Как уже обсуждалось, если материал чувствителен к температуре, используйте более низкие настройки мощности в течение более длительного времени и/или импульсный режим, чтобы ограничить повышение температуры образца, позволяя ему охлаждаться между ультразвуковыми 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.
• 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.

 

В этом видео Симон из GuerillaChefs.de демонстрирует использование ручного ультразвукового процессора Hielscher UP200Ht для быстрой ароматизации воды свежими грибами – инновационного метода, применяемого в кулинарии и молекулярной гастрономии. Ультразвуковая обработка усиливает экстракцию вкусовых и ароматических веществ и за считаные секунды переносит тонкие ароматические соединения в водную фазу, позволяя получать изысканные бульоны, настои и вкусовые основы без нагревания и добавок, требующих указания на этикетке. Идеально подходит для поваров и разработчиков новых пищевых продуктов, которым важны точность и насыщенность при формировании натурального вкуса.