Molekularna kuhinja in druge kulinarične aplikacije

Kratek vodnik po načelih

avtor Mark Gaston

• Večina vsebine tega priročnika so informacije, ki so na voljo, vendar so včasih napisane na način, ki ne omogoča vedno enostavnega branja, razen če ste slučajno seznanjeni z uporabljenimi izrazi.
• V nadaljevanju so razloženi pomembni izrazi ultrazvočnega razbijanja, kot so sonotroda, amplituda itd. in njihovi učinki na kulinarično uporabo.
• Ta priročnik spodaj poskuša razložiti uporabo ultrazvočnega homogenizatorja na manj znanstven in bolj kulinarični način.

Ultrazvočni valovi in njihova uporaba v hrani

Ultrazvočni homogenizator kot tehnika obstaja že vrsto let v različnih oblikah, vendar šele najde pot v manjše kulinarične aplikacije. Homogenizator vsebuje nekaj sofisticirane elektronike, ki lahko pretvori in nadzoruje električno energijo v visokofrekvenčne vibracije kovinske konice ali sonotrode.
Sonotrode se premika predvsem navzgor in navzdol pri precej visoki frekvenci nad slišnim območjem (npr. 26000-krat na sekundo ali 26 kHz z UP200Ht). Količina, ki jo sonotroda premika navzgor in navzdol, se imenuje amplituda in se običajno lahko prilagodi med 9 in 240 μm (povprečni človeški las je debel okoli 100 μm za referenco). Preprosto povedano, sonotroda se obnaša kot bat, ki se giblje gor in dol v tekočini.
Ko se sonotroda premika navzgor in navzdol, medtem ko je potopljena v tekočino, ustvarja območja visokega in nizkega tlaka v tekočini okoli sonotrode, kar ustvarja pojav, znan kot kavitacija. V kuhinji vidimo, da znižanje tlaka (na primer v tesnilu komore) povzroči, da tekočine zavrejo pri nižjih temperaturah, zvišanje tlaka (kot je lonec pod pritiskom) pa povzroči, da tekočine zavrejo pri višji temperaturi.
Hitro nihajoče tlačne pulzacije na konici sonotrode povzročijo nastanek in nato hiter kolaps mehurčkov v tekočini. Vse to se zgodi v majhnem obsegu, vendar ustvarja ogromne sile v tekočini zaradi hitrosti, temperatur in tlakov, ki jih ustvarja Kavitacija. Prav te ogromne sile lahko obrnemo v našo korist v kuhinji za ekstrakcija arom avtor raztrgane celice ali razgradnja delcev.

Eden od izzivov pri uporabi te opreme pa je izkoristiti in nadzorovati to moč na način, ki izboljšuje hrano.
Kupljeni model ultrazvočnega homogenizatorja UP200Ht narekuje največjo moč, ki je na voljo uporabniku, homogenizator pa ima številne spremenljivke, ki jih je mogoče uporabiti za prilagoditev njegove zmogljivosti, da ustreza aplikaciji. Za namene tega priročnika je bil uporabljen model 200 vatov enota.

Velikost Sonotrode

Velikost Sonotrode Fit ima velik vpliv na to, kako enota zagotavlja svojo moč.
Zelo preprosto povedano, večja kot je površina sonotrode, več moči bo potrebno za pogon pri kateri koli amplitudi. Viskoznost tekočine bo imela tudi velik vpliv na moč, ki je potrebna za pogon sonotrode pri dani amplitudi.
Predstavljajte si sonotrode kot bat ali bat, če se bat zelo hitro premika navzgor in navzdol v loncu z tanko tekočino, kot je voda, je to razmeroma enostavno storiti tudi pri razumnih hitrostih, vendar napolnite lonec z gosto omako in enako ne bo veljalo, potrebno bo veliko več moči za hitro premikanje bata navzgor in navzdol v tekočini zaradi povečane viskoznosti. Povečajte velikost bata ali bata, prav tako pa bo potrebno več napora, da ga premaknete navzgor in navzdol v tekočini.
Enako velja za sonotrodo. Z nameščeno veliko sonotrodo bo morala enota delati veliko težje, da bi ustvarila dano amplitudo nihanja, če ima tekočina visoko viskoznost kot pri tekočini z nizko viskoznostjo.

Pri kateri koli nastavitvi moči manjši sonotrode zaradi svoje površine bo ustvaril večja nihanja tlaka in Višje Kavitacija intenzivnosti na konici kot večja sonotroda (saj je moč osredotočena na manjšo površino sonotrode).
Morda ne bo mogoče voziti večjega sonotrode z enako amplitudo, saj bo za to potrebno veliko več moči, kar lahko povzroči zaustavitev enote zaradi preobremenitve. V tem primeru je treba velikost sonotrode zmanjšati ali pridobiti večjo pogonsko enoto.
Vhod intenzivnost ultrazvoka (pri kateri koli nastavitvi moči) se zmanjšuje z naraščajočo površino (večji sonotrodi), kjer se intenzivnost ultrazvočne moči povečuje z zmanjševanjem površine, ali drugače povedano, manjši sonotrode daje veliko ultrazvočne moči na majhno območje, kjer kot večji sonotrode širi moč na večje območje.

Kadar se uporabi homogenizator, je celotno delo, opravljeno na vzorcu, kombinacija Vhodna moč homogenizatorja, glasnost vzorca in Čas izpostavljen je. Da bi dobili ponovljive rezultate, moramo upoštevati vse tri parametre. Ne pričakujte, da boste napravo dali v majhno skodelico polno tekočine za dve minuti in nato dobili enak rezultat v litru tekočine v istem časovnem obdobju! Prav tako ne pozabite, da z majhnimi velikostmi vzorcev in visoko vhodno močjo temperatura vzorca se bo hitro dvignil. Za temperaturno občutljive vzorce je bolje uporabiti nižje nastavitve moči v daljših obdobjih, kar omogoča, da se energija, ki jo homogenizator vnese kot toplota, razprši.
Pregrevanje vzorca lahko povzroči, da nekatere arome, ki jih poskušate ujeti, pobegnejo iz sistema.
Visoka vhodna moč lahko povzroči tudi razgradnjo vzorca, kot je razvidno iz uporabe nekaterih olj. Olja, ko so izpostavljena visokim energetskim vložkom na konici homogenizatorja, se lahko razgradijo, kar povzroči zelo neprijeten okus, ki ga lahko opišemo le kot okus električnega gorenja!
Pri temperaturno občutljivih materialih bo hlajenje vzorca izboljšalo rezultate, na primer z uporabo ledene kopeli ali vključitvijo suhega ledu v vzorec. Uporaba nižjih vhodov moči v daljšem obdobju pomaga razpršiti energijo, ki se sprosti v sistem, kot tudi uporaba enote v impulznem načinu, ki omogoča nekaj hlajenja med vsakim izbruhom ultrazvoka.
V elektroniki homogenizatorja lahko uporabnik izbere delovanje enote v dveh glavnih načinih nadzora.

Nadzor amplitude

V tem načinu uporabnik izbere % največje amplitude, ki je potrebna za sonotrodo. Elektronika bo nato poskušala poganjati sonotrodo pri tej amplitudi in prilagodila vhodno moč naprave, da ohrani zahtevano amplitudo na sonotrodi. Če je površina sonotrode prevelika, da bi jo lahko vozili s to amplitudo z razpoložljivo močjo enote, amplituda ne bo dosegla nastavljene vrednosti in se lahko izklopi, če je doseženo stanje preobremenitve.

Nadzor vhodne moči

V tem načinu uporabnik nastavi zahtevano vhodno moč v vatih, elektronika pa bo prilagodila amplitudo nihanja, da bi uravnavala vhodno moč na uporabniško nastavitev. Ta način omogoča uravnavanje moči, ki se prenaša na tekočino, in zato je toplota, ki nastane v tekočini, omejena, da bi se izognili poškodbam občutljivejših vzorcev.

Impulzni način

Poleg obeh načinov delovanja je na voljo tudi impulzni način, pri katerem se elektronika vklopi in izklopi Ciklov, katerega čas uporabnik nastavi tako, da je vklopljen 10 % časa in izklopljen 90 % na 90 % časa in izklopljen 10 %. To daje utripajoč učinek in je uporabno tako za omejevanje celotne vhodne moči vzorca kot za ustvarjanje dobrega mešanja v vzorcu, pri čemer je začetni vhod visok, ko se elektronika stabilizira med vsakim delovnim ciklom.

Splošni namigi in triki

Pri uporabi homogenizatorja za infundiranje arom se dosežejo boljši rezultati, če se trdne snovi pred homogenizacijo zmanjšajo, s čimer se poveča površina, ki je izpostavljena Sonotrode. Enako načelo velja pri uporabi homogenizatorja za zmanjšanje velikosti delcev. Homogenizator si predstavljajte kot fino orodje za končno obdelavo in ne kot mlinček! Pri zmanjševanju velikosti delcev je velik del dela opravljen z visokimi hitrostmi trkov delcev, pospešenih sil, ki nastanejo na sonotrodi. Veliko boljši rezultati bodo doseženi, če se nekaj zmanjšanja delcev opravi pred ultrazvočnim razbijanjem. Začetek z že opravljenim zmanjšanjem velikosti delcev pomeni, da je večja površina izpostavljena ultrazvočnemu razbijanju in da se bodo manjši delci hitreje pospešili v tekočini, kar bo povzročilo večje trke s silo za nadaljnjo razgradnjo delcev. Manj dela bo moral opraviti tudi homogenizator, kar bo omogočilo boljši nadzor temperature.
Ker homogenizator deluje na precej lokalizirani ravni, je pri uporabi z večjimi vzorci, na primer nekaj sto mililitrov ali več, koristno, da se zagotovi dodatno mešanje, da se zagotovi osvežitev prostornine okoli sonotrode, kar zagotavlja popolno ultrazvočno razbijanje vzorca. To še posebej velja za več Viskozna Vzorcev. Dober magnetni mešalnik je koristen način za dosego tega. Mešanje pomaga tudi pri zagotavljanju, da se količina tekočine okoli sonotrode ne pregreje. Uporaba ledene kopeli ali suhih kosov ledu v vzorcu bo pomagala odstraniti energijo, ki jo daje sonifikacija. Kot smo že omenili, če je material občutljiv na temperaturo, uporabite nižje nastavitve moči v daljšem časovnem obdobju in ali uporabite impulzni način, da omejite temperature, ki nastanejo v vzorcu, kar omogoča, da se vzorec ohladi med zvočnimi impulzi.

---

---

Književnost

• 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.

Dejstva, ki jih je vredno vedeti

Ultrazvočni homogenizatorji tkiva se pogosto imenujejo sondni sonikator / sonifikator, zvočni lizator, ultrazvočni motilec, ultrazvočni mlinček, sono-ruptor, sodonosnik, zvočni dismembrator, motilec celic, ultrazvočni dispergator, emulgator ali raztapljač. Različni izrazi izhajajo iz različnih aplikacij, ki jih je mogoče izpolniti z ultrazvočnim razbijanjem.