Molekylär matlagning och andra kulinariska tillämpningar

En kortfattad guide till principerna

av Mark Gaston

• Det mesta av innehållet i den här guiden är information som är lättillgänglig, men den är ibland skriven på ett sätt som inte alltid är lätt att läsa om du inte råkar vara bekant med de termer som används.
• Nedan, viktiga termer för ultraljudsbehandling såsom sonotrode, amplitud etc. och deras effekter på kulinariska tillämpningar förklaras.
• Den här guiden nedan försöker förklara användningen av ultraljudshomogenisatorn på ett mindre vetenskapligt och mer kulinariskt relaterat sätt.

Ultraljudsvågor och deras tillämpning på mat

Ultraljudshomogenisatorn som teknik har funnits i många år i olika former, men har bara hittat sin väg in i mindre skala kulinariska tillämpningar. Homogenisatorn innehåller en del sofistikerad elektronik som kan omvandla och styra elektrisk kraft till högfrekventa vibrationer från metallspetsen eller sonotroden.
Sonotroden rör sig främst upp och ner vid ganska hög frekvens över det hörbara området (t.ex. 26000 gånger per sekund eller 26Khz med UP200Ht). Mängden som sonotroden rör sig upp och ner kallas amplituden och kan vanligtvis justeras mellan 9 och 240 μm (det genomsnittliga människohåret är cirka 100 μm tjockt som referens). Enkelt uttryckt beter sig sonotroden som en kolv som rör sig upp och ner i vätskan.
När sonotroden rör sig upp och ner medan den är nedsänkt i en vätska, skapar den områden med högt och lågt tryck i vätskan runt sonotroden, vilket i sin tur skapar ett fenomen som kallas kavitation. Vi ser i köket att sänkning av trycket (som i en kammarförseglare) gör att vätskor kokar vid lägre temperaturer och att höja trycket (som en tryckkokare) gör att vätskor kokar vid en högre temperatur.
De snabbt fluktuerande tryckpulseringarna vid spetsen av sonotroden orsakar bildning och sedan snabb kollaps av bubblor i vätskan. Allt detta sker i minutskala men skapar enorma krafter i vätskan på grund av hastigheterna, temperaturerna och trycken som genereras av Kavitation. Det är dessa enorma krafter som kan vändas till vår fördel i köket för Extraktion av smakämnen vid Sprängning av celler eller Nedbrytning av partiklar.

En av utmaningarna med att använda denna utrustning är dock att utnyttja och kontrollera denna kraft på ett sätt som förbättrar livsmedel.
Den köpta modellen av ultraljudshomogenisator UP200Ht dikterar den maximala effekt som är tillgänglig för användaren och homogenisatorn i sig har ett antal variabler som kan användas för att justera dess prestanda så att den passar applikationen. I den här guiden användes en modell som 200 watt enhet.

Sonotrode Storlek

Storleken på sonotrode har en stor effekt på hur enheten levererar sin effekt.
I mycket enkla termer, ju större ytan på sonotroden är, desto mer kraft kommer det att kräva för att driva den vid en given amplitud. Vätskans viskositet kommer också att ha ett stort inflytande på den effekt som krävs för att driva sonotroden vid en given amplitud.
Föreställ dig sonotroden som en kolv eller kolv, om kolven flyttas upp och ner mycket snabbt i en kastrull med tunn vätska som vatten är det relativt lätt att göra det även vid rimliga hastigheter, men fyll krukan med en tjock sås och detsamma kommer inte att vara sant, det kommer att kräva mycket mer kraft för att flytta kolven snabbt upp och ner i vätskan på grund av den ökade viskositeten. Öka storleken på kolven eller kolven och det kommer också att kräva mer ansträngning för att flytta den upp och ner i vätskan.
Samma sak gäller för sonotroden. Med en stor sonotrode monterad måste enheten arbeta mycket hårdare för att producera en given svängningsamplitud om vätskan har en hög viskositet än med en vätska med låg viskositet.

Vid varje given effektinställning a mindre sonotrode på grund av dess yta kommer att generera större tryckfluktuationer och högre Kavitation intensiteter vid spetsen än en större sonotrode (eftersom kraften är fokuserad på en mindre sonotrodes yta).
Det kanske inte är möjligt att köra en större sonotrode med samma amplitud eftersom mycket mer kraft kommer att krävas för att göra det, vilket kan leda till att enheten stängs av på grund av överbelastning. I det här fallet måste storleken på sonotroden minskas eller en enhet med högre effekt erhållas.
Indata ultraljud intensitet (vid varje given effektinställning) minskar med ökande yta (större sonotroder), medan som ultraljudseffektintensiteten ökar med minskande yta, eller för att uttrycka det på ett annat sätt, en mindre sonotrode lägger mycket ultraljudseffekt i ett litet område, där som en större sonotrode sprider kraften över ett större område.

När homogenisatorn används är det totala arbetet som utförs på provet en kombination av Upptagen effekt homogenisatorns funktion, volym av urvalet och den Tid den är exponerad. För att få reproducerbara resultat måste vi ta hänsyn till alla tre parametrarna. Förvänta dig inte att lägga enheten i en liten kopp full med vätska i två minuter och sedan få samma resultat i en liter vätska under samma tidsperiod! Kom också ihåg att med små provstorlekar och höga effektingångar, temperatur av provet kommer att stiga snabbt. För temperaturkänsliga prover är det bättre att använda lägre effektinställningar under längre perioder, så att den energi som tillförs av homogenisatorn som värme kan avledas.
Överhettning av provet kan mycket väl leda till att några av de aromer du försöker fånga kommer ut ur systemet.
Tillförsel av hög effekt kan också orsaka nedbrytning av provet, vilket kan ses vid användning av vissa oljor. När oljor utsätts för den höga energitillförseln i spetsen av homogenisatorn kan de brytas ner, vilket resulterar i en mycket obehaglig smak som bara kan beskrivas som smaken av elektrisk förbränning!
För temperaturkänsliga material kommer kylning av provet att förbättra resultaten, t.ex. genom att använda ett isbad eller genom att inkludera lite torris i provet. Att använda lägre effekttillförsel under en längre period hjälper till att sprida den energi som frigörs i systemet, liksom att använda enheten i pulsläge, vilket möjliggör viss kylning mellan varje ultraljudsskur.
I homogenisatorns elektronik kan användaren välja att använda enheten i två huvudsakliga styrlägen.

Kontroll av amplitud

I detta läge väljer användaren den % av maximal amplitud som krävs för sonotroden. Elektroniken kommer sedan att försöka driva sonotroden med den amplituden och kommer att justera enhetens ingångseffekt för att bibehålla den nödvändiga amplituden vid sonotroden. Om sonotrodeytan är för stor för att köras med denna amplitud med enhetens tillgängliga effekt, amplituden kommer inte att nå det inställda värdet och kan stängas av om ett överbelastningstillstånd uppnås.

Kontroll av ingångseffekt

I detta läge ställer användaren in den nödvändiga effekttillförseln i watt och elektroniken kommer att justera amplituden för svängningarna för att reglera ingångseffekten till användarens inställning. Detta läge gör det möjligt att reglera den effekt som överförs till vätskan och därför begränsas värmen som genereras i vätskan, vilket undviker skador på känsligare prover.

Puls-läge

Förutom de två driftlägena finns det ett pulsläge, där elektroniken slås på och av i Cykler, vars timing ställs in av användaren från att vara på 10 % av tiden och av 90 % till på 90 % av tiden och av 10 %. Detta ger en pulserande effekt och är användbart både för att begränsa den totala effekttillförseln till provet och för att skapa god omrörning inom provet till att den initiala ingången är hög eftersom elektroniken stabiliseras under varje arbetscykel.

Allmänna tips och tricks

När homogenisatorn används för infusion av smakämnen uppnås bättre resultat när de fasta ämnena har reducerats i storlek innan de homogeniseras, vilket kommer att öka den yta som exponeras för sonotrode. Samma princip gäller när homogenisatorn används för Minskning av partikelstorlek. Tänk på homogenisatorn som ett finbearbetningsverktyg, inte en slipmaskin! Vid minskning av partikelstorlekar utförs mycket av arbetet av höghastighetskollisioner mellan partiklar som accelererar de krafter som genereras vid sonotroden. Mycket bättre resultat kommer att erhållas om en del av partikelreduktionen görs före ultraljudsbehandling. Att börja med den redan gjorda minskningen av bulkpartikelstorleken innebär att en större yta utsätts för ultraljudsbehandling och att de mindre partiklarna kommer att accelereras i vätskan snabbare, vilket resulterar i högre kollisioner med en kraft för att ytterligare bryta ner partiklar. Mindre arbete kommer också att behöva utföras av homogenisatorn, vilket gör att temperaturen kan kontrolleras bättre.
Eftersom homogenisatorn fungerar på en ganska lokal nivå är det användbart när den används med större prover på säg flera hundra milliliter eller mer för att ge ytterligare omrörning för att säkerställa att volymen runt sonotroden uppdateras, vilket säkerställer fullständig ultraljudsbehandling av provet. Detta gäller särskilt för mer viskös Prover. En bra magnetomrörare är ett användbart sätt att uppnå detta. Omrörningen hjälper också till att säkerställa att volymen av vätska runt sonotroden inte överhettas. Att använda ett isbad eller torrisbitar i provet hjälper till att ta bort energin som överförs av sonifieringen. Som redan diskuterats om materialet är temperaturkänsligt, använd lägre effektinställningar under en ökad tidsperiod och eller använd pulsläget för att begränsa temperaturerna som genereras i provet så att provet kan svalna mellan ljudpulser.

---

---

Litteratur

• 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.

Fakta som är värda att veta

Homogenisatorer av ultraljudsvävnad kallas ofta sondsonikator / sonifierare, ljudlysör, ultraljudsstörare, ultraljudskvarn, sono-ruptor, sonifierare, sonifierare, sonisk dismembrator, cellstörare, ultraljudsdispergeringsmedel, emulgeringsmedel eller upplösare. De olika termerna är resultatet av de olika tillämpningar som kan uppfyllas av ultraljudsbehandling.