Molekulárna kuchyňa a ďalšie kulinárske aplikácie

Sonikácia mení spôsob, akým kuchári a potravinárski vedci pripravujú jedlá a nápoje: ultrazvuková extrakcia, infúzia, emulgácia a homogenizácia sú kľúčovými aplikáciami sonikátorov pri tvorbe kulinárskych kreácií. Od rýchlej extrakcie až po hodvábnejšie emulzie a intenzívnejšie arómy prinášajú ultrazvukové vlny výnimočné chute a textúry. V tomto článku sa dozviete, ako kuchári a potravinárski technológovia využívajú ultrazvukovú kavitáciu na vytváranie nových podôb všetkého od koktailov až po consommé.

Stručný sprievodca základnými princípmi

hosťovský článok od Marka Gastona

• Väčšinu obsahu tohto sprievodcu tvoria bežne dostupné informácie, niekedy sú však napísané spôsobom, ktorý sa nečíta ľahko, pokiaľ nepoznáte používané pojmy.
• Nižšie sú vysvetlené dôležité pojmy zo sonikácie, ako sú sonotróda, amplitúda atď., a ich vplyv na kulinárske aplikácie.
• Nasledujúci sprievodca sa pokúša vysvetliť používanie ultrazvukového homogenizátora menej vedeckým spôsobom, ktorý je viac spätý s kulinárskou praxou.

Ultrazvukové vlny a ich využitie pri spracovaní potravín

Ultrazvuková homogenizácia ako technika existuje už mnoho rokov v rôznych podobách, ale do kulinárskych aplikácií menšieho rozsahu si nachádza cestu až teraz. Homogenizátor obsahuje sofistikovanú elektroniku, ktorá dokáže premieňať elektrický výkon na vysokofrekvenčné vibrácie kovového hrotu alebo sonotródy a riadiť ich.
Sonotróda sa pohybuje predovšetkým nahor a nadol pri pomerne vysokej frekvencii nad hranicou počuteľnosti (napr. 26 000-krát za sekundu alebo 26Khz pri použití sonikátora UP200Ht). Veľkosť pohybu sonotródy nahor a nadol sa nazýva amplitúda a zvyčajne sa dá nastaviť v rozmedzí od 9 do 240 µm (na porovnanie, priemerný ľudský vlas má hrúbku približne 100 µm). Zjednodušene povedané, sonotróda sa správa ako piest pohybujúci sa v kvapaline nahor a nadol.
Keď sa sonotróda ponorená do kvapaliny pohybuje nahor a nadol, vytvára v kvapaline okolo seba oblasti vysokého a nízkeho tlaku, čo následne vyvoláva jav známy ako kavitácia. V kuchyni môžeme pozorovať, že zníženie tlaku (napríklad v komorovej vákuovej baličke) spôsobuje var kvapalín pri nižších teplotách a zvýšenie tlaku (napríklad v tlakovom hrnci) spôsobuje var kvapalín pri vyššej teplote.
Rýchlo sa meniace tlakové pulzácie na hrote sonotródy spôsobujú vznik a následný rýchly kolaps bublín v kvapaline. To všetko sa deje vo veľmi malej mierke, ale v dôsledku rýchlostí, teplôt a tlakov vznikajúcich pri kavitácii sa v kvapaline vytvárajú obrovské sily. Práve tieto obrovské sily môžeme v kuchyni využiť vo svoj prospech na extrakciu chutí a aróm prostredníctvom rozrušenia buniek, emulgáciu alebo rozrušovanie častíc.

 

Pozrite sa, ako sonikátor Hielscher UP200Ht premieňa rastlinnú čokoládovú emulziu na hodvábne jemnú, stabilnú vegánsku čokoládovú penu. Ultrazvuková kavitácia zabezpečuje jemnú disperziu, vyššiu stabilitu emulzie a optimálnu textúru – vytvára tak základ dokonalého dezertu s bohatou čokoládovou chuťou bez mliečnych zložiek. Vytvorením stabilnej emulzie čokoládových tukov a vody s veľkosťou kvapôčok pod jeden mikrometer prispieva sonikácia k intenzívnemu chuťovému zážitku a hladkému, súdržnému pocitu v ústach. Ultrazvuk navyše rozrušuje aglomeráty škrobov, bielkovín a pevných kakaových častíc, čím zabezpečuje maximálnu krémovosť a zvýrazňuje chuť.

Zistite viac o ultrazvukovej emulgácii vegánskej čokoládovej peny mousse au chocolat!
 

Jednou z výziev pri používaní tohto zariadenia je však využiť a riadiť tento výkon tak, aby zlepšoval vlastnosti potravín.
Zakúpený ultrazvukový homogenizátor model UP200Ht určuje maximálny výkon dostupný používateľovi a samotný homogenizátor má niekoľko premenných, pomocou ktorých možno jeho činnosť prispôsobiť danej aplikácii. Na účely tohto sprievodcu bol použitý sonikátor Hielscher s výkonom 200 wattov.

Veľkosť sonotródy

Veľkosť nasadenej sonotródy má zásadný vplyv na to, ako zariadenie prenáša svoj výkon.
Veľmi zjednodušene povedané, čím väčšia je plocha povrchu sonotródy, tým väčší výkon bude potrebný na jej pohon pri akejkoľvek danej amplitúde. Viskozita kvapaliny bude mať takisto veľký vplyv na výkon potrebný na pohon sonotródy pri danej amplitúde.
Predstavte si sonotródu ako piest alebo piestový tŕň. Ak sa piest pohybuje veľmi rýchlo nahor a nadol v nádobe s riedkou kvapalinou, ako je voda, je to pomerne jednoduché aj pri primeraných rýchlostiach. Ak však nádobu naplníte hustou omáčkou, už to tak nebude. V dôsledku zvýšenej viskozity bude na rýchly pohyb piesta nahor a nadol v kvapaline potrebný oveľa väčší výkon. Ak zväčšíte piest alebo piestový tŕň, jeho pohyb nahor a nadol v kvapaline si takisto vyžiada väčšie úsilie.
To isté platí pre sonotródu. Ak je nasadená veľká sonotróda, zariadenie bude musieť na vytvorenie danej amplitúdy kmitania v kvapaline s vysokou viskozitou vynaložiť oveľa väčší výkon než v kvapaline s nízkou viskozitou.
 

 

Pri akomkoľvek danom nastavení výkonu bude menšia sonotróda vzhľadom na svoju plochu povrchu vytvárať na hrote väčšie výkyvy tlaku a vyššiu intenzitu kavitácie než väčšia sonotróda (pretože výkon sa sústreďuje na menšiu plochu povrchu sonotródy).
Pohon väčšej sonotródy pri rovnakej amplitúde nemusí byť možný, pretože si bude vyžadovať oveľa väčší výkon, čo môže viesť k vypnutiu zariadenia v dôsledku preťaženia. V takom prípade je potrebné zmenšiť sonotródu alebo zaobstarať zariadenie s vyšším výkonom.
Intenzita ultrazvuku (pri akomkoľvek danom nastavení výkonu) klesá so zväčšujúcou sa plochou povrchu (väčšie sonotródy), zatiaľ čo intenzita ultrazvukového výkonu rastie so zmenšujúcou sa plochou povrchu. Inými slovami, menšia sonotróda prenáša veľký ultrazvukový výkon do malej plochy, zatiaľ čo väčšia sonotróda rozkladá výkon na väčšiu plochu.

Pri použití homogenizátora je celková práca vykonaná na vzorke výsledkom kombinácie príkonu homogenizátora, objemu vzorky a času jej pôsobenia ultrazvuku. Na dosiahnutie reprodukovateľných výsledkov musíme zohľadniť všetky tri parametre. Neočakávajte, že keď zariadenie vložíte na dve minúty do malého pohára plného kvapaliny, dosiahnete rovnaký výsledok aj v litri kvapaliny za rovnaký čas! Takisto pamätajte na to, že pri malých objemoch vzoriek a vysokých príkonoch bude teplota vzorky rýchlo stúpať. Pri vzorkách citlivých na teplotu je lepšie používať nižšie nastavenia výkonu počas dlhšieho času, aby sa energia dodávaná homogenizátorom vo forme tepla mohla odvádzať.
Prehriatie vzorky môže ľahko spôsobiť, že zo systému uniknú niektoré z aróm, ktoré sa snažíte zachytiť.
Vysoké príkony môžu tiež spôsobiť degradáciu vzorky, ako možno pozorovať pri použití určitých olejov. Oleje sa pri vystavení vysokému prísunu energie na hrote homogenizátora môžu rozkladať, čo vedie k veľmi nepríjemnej chuti, ktorú možno opísať iba ako chuť spálenej elektroinštalácie!
Pri materiáloch citlivých na teplotu zlepší výsledky chladenie vzorky, napríklad použitím ľadového kúpeľa alebo pridaním trochy suchého ľadu do vzorky. Používanie nižších príkonov počas dlhšieho času pomáha rozptýliť energiu uvoľnenú do systému, rovnako ako používanie zariadenia v pulznom režime, ktorý umožňuje určité ochladenie medzi jednotlivými ultrazvukovými impulzmi.
V elektronickom ovládaní homogenizátora si používateľ môže zvoliť prevádzku zariadenia v dvoch hlavných režimoch regulácie.

Regulácia amplitúdy

V tomto režime používateľ zvolí požadované % maximálnej amplitúdy sonotródy. Elektronika sa potom pokúsi rozkmitať sonotródu s touto amplitúdou a bude upravovať príkon zariadenia tak, aby sa na sonotróde udržala požadovaná amplitúda. Ak je plocha povrchu sonotródy príliš veľká na to, aby bolo možné dosiahnuť túto amplitúdu s dostupným výkonom zariadenia, amplitúda nedosiahne nastavenú hodnotu a pri preťažení sa zariadenie môže vypnúť.

Chcete vyrábať vlastné extrakty z korenín alebo omáčky? Či už ide o reštauračnú kuchyňu, ambiciózneho zástupcu šéfkuchára alebo komerčných výrobcov, s ultrazvukovými zariadeniami Hielscher môžete v krátkom čase vyrábať vysokokvalitné extrakty a omáčky. Vyrobte si vlastné bio extrakty! Vynechajte konzervačné látky! Používajte iba suroviny, ktoré si sami vyberiete!

Regulácia príkonu

V tomto režime používateľ nastaví požadovaný príkon vo wattoch a elektronika upraví amplitúdu kmitov tak, aby regulovala príkon podľa nastavenia používateľa. Tento režim umožňuje regulovať výkon prenášaný do kvapaliny, a tým obmedziť teplo vznikajúce v kvapaline, čím sa predchádza poškodeniu citlivejších vzoriek.

Pulzný režim

Okrem dvoch prevádzkových režimov je k dispozícii aj pulzný režim, v ktorom elektronika cyklicky zapína a vypína zariadenie. Časovanie cyklov nastavuje používateľ v rozsahu od zapnutia počas 10% času a vypnutia počas 90% času až po zapnutie počas 90% času a vypnutie počas 10% času. Tým sa vytvára pulzujúci účinok, ktorý je užitočný na obmedzenie celkového príkonu dodávaného do vzorky aj na jej dobré premiešavanie vďaka vysokému počiatočnému príkonu, kým sa elektronika počas každého pracovného cyklu stabilizuje.

Všeobecné rady a tipy

Pri použití homogenizátora na aromatizáciu lúhovaním sa dosahujú lepšie výsledky, keď sa pevné zložky pred homogenizáciou zmenšia, čím sa zväčší plocha povrchu vystavená pôsobeniu sonotródy. Rovnaký princíp platí pri použití homogenizátora na zmenšovanie veľkosti častíc. Homogenizátor vnímajte ako nástroj na jemné dokončovacie spracovanie, nie ako mlynček na hrubé mletie! Pri zmenšovaní veľkosti častíc vykonávajú veľkú časť práce vysokorýchlostné zrážky častíc urýchľovaných silami vznikajúcimi pri sonotróde. Oveľa lepšie výsledky sa dosiahnu, ak sa časť zmenšovania častíc vykoná pred sonikáciou. Ak sa hlavné zmenšenie veľkosti častíc vykoná už vopred, sonikácii bude vystavená väčšia plocha povrchu a menšie častice sa budú v kvapaline urýchľovať rýchlejšie, čo povedie k intenzívnejším zrážkam so silou schopnou ďalej rozrušovať častice. Homogenizátor bude musieť vykonať aj menej práce, čo umožní lepšie regulovať teplotu.
Keďže homogenizátor pôsobí pomerne lokálne, pri práci s väčšími vzorkami, napríklad s objemom niekoľkých stoviek mililitrov alebo viac, je užitočné zabezpečiť dodatočné miešanie, aby sa obsah v okolí sonotródy priebežne vymieňal a zabezpečila sa sonikácia celej vzorky. To platí najmä pre viskóznejšie vzorky. Dobrým spôsobom, ako to dosiahnuť, je kvalitné magnetické miešadlo. Miešanie tiež pomáha zabezpečiť, aby sa kvapalina v okolí sonotródy neprehrievala. Použitie ľadového kúpeľa alebo kúskov suchého ľadu vo vzorke pomôže odvádzať energiu dodanú sonikáciou. Ako už bolo uvedené, ak je materiál citlivý na teplotu, používajte nižšie nastavenia výkonu počas dlhšieho času a/alebo používajte pulzný režim na obmedzenie teplôt vznikajúcich vo vzorke, aby mohla vzorka medzi ultrazvukovými pulzmi chladnúť.

---

---

Literatúra

• 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.

 

V tomto videu Simon z GuerillaChefs.de predvádza použitie ručného sonikátora Hielscher UP200Ht na rýchlu aromatizáciu vody čerstvými hubami – inovatívnu techniku využívanú v kulinárstve a molekulárnej gastronómii. Ultrazvukové spracovanie zlepšuje extrakciu chutí a v priebehu niekoľkých sekúnd prenáša jemné aromatické zlúčeniny do vodnej fázy, čo umožňuje prípravu vycibrených vývarov, výluhov alebo chuťových základov bez zahrievania a bez prídavných látok. Ideálne pre šéfkuchárov a inovátorov v potravinárstve, ktorí pri vytváraní prirodzených chutí hľadajú presnosť a intenzitu.