Molekylär gastronomi och andra kulinariska tillämpningar

Ultraljudsbehandling förändrar hur kockar och livsmedelsforskare tillagar mat och dryck: ultraljudsextraktion, infusion, emulgering och homogenisering är centrala användningsområden för sonikatorer vid kulinariskt skapande. Från snabba extraktioner till silkeslenare emulsioner och intensivare aromer utvecklar ultraljudsvågor enastående smaker och texturer. I den här artikeln får du veta hur kockar och livsmedelsteknologer använder ultraljudskavitation för att återskapa allt från cocktails till konsomméer.

En kort guide till principerna

gästartikel av Mark Gaston

• Det mesta av innehållet i den här guiden är lättillgänglig information, men ibland är den skriven på ett sätt som inte alltid är lättläst om man inte råkar vara bekant med de termer som används.
• Nedan förklaras viktiga begrepp inom ultraljudsbehandling, såsom sonotrod, amplitud med mera, och deras effekter i kulinariska tillämpningar.
• Guiden nedan försöker förklara användningen av ultraljudshomogenisatorn på ett mindre vetenskapligt och mer kulinariskt inriktat sätt.

Ultraljudsvågor och deras tillämpning på livsmedel

Ultraljudshomogenisering som teknik har funnits i olika former i många år, men har först nu börjat användas i kulinariska tillämpningar i mindre skala. Homogenisatorn innehåller avancerad elektronik som kan omvandla elektrisk effekt till högfrekventa vibrationer i metallspetsen eller sonotroden och styra dessa vibrationer.
Sonotroden rör sig huvudsakligen upp och ned med en ganska hög frekvens över det hörbara området (t.ex. 26 000 gånger per sekund eller 26Khz med sonikatorn UP200Ht). Sonotrodens rörelseutslag uppåt och nedåt kallas amplitud och kan vanligtvis justeras mellan 9 och 240 µm (som jämförelse är ett genomsnittligt människohår omkring 100 µm tjockt). Enkelt uttryckt fungerar sonotroden som en kolv som rör sig upp och ned i vätskan.
När sonotroden rör sig upp och ned medan den är nedsänkt i en vätska skapar den områden med högt och lågt tryck i vätskan runt sonotroden, vilket i sin tur ger upphov till ett fenomen som kallas kavitation. I köket ser vi att ett sänkt tryck (som i en kammarvakuumförpackare) får vätskor att koka vid lägre temperaturer och att ett höjt tryck (som i en tryckkokare) får vätskor att koka vid en högre temperatur.
De snabbt varierande tryckpulsationerna vid sonotrodens spets gör att bubblor bildas i vätskan och sedan snabbt kollapsar. Allt detta sker i mycket liten skala men skapar enorma krafter i vätskan på grund av de hastigheter, temperaturer och tryck som kavitationen genererar. Det är dessa enorma krafter som vi kan dra nytta av i köket för extraktion av smakämnen genom att spräcka celler, emulgering, eller sönderdelning av partiklar.

 

Se hur ultraljudsapparaten Hielscher UP200Ht förvandlar en växtbaserad choklademulsion till en silkeslen, stabil vegansk chokladmousse. Ultraljudskavitation säkerställer fin dispergering, förbättrad emulsionsstabilitet och optimal konsistens – förutsättningar för en perfekt, chokladrik dessert utan mjölkprodukter. Genom att skapa en stabil emulsion av chokladfetter och vatten med droppstorlekar under en mikrometer bidrar ultraljudsbehandlingen till en intensiv smakupplevelse och en len, sammanhållen munkänsla. Dessutom bryter ultraljudsbehandlingen ned agglomerat av stärkelse, proteiner och kakaopartiklar för maximal krämighet och intensivare smak.

Läs mer om ultraljudsemulgering av en vegansk mousse au chocolat!
 

En av utmaningarna med att använda den här utrustningen är dock att utnyttja och styra denna effekt på ett sätt som förbättrar livsmedlen.
Den inköpta ultraljudshomogenisatorn av modell UP200Ht bestämmer den maximala effekt som är tillgänglig för användaren, och själva homogenisatorn har ett antal variabler som kan användas för att anpassa dess prestanda till tillämpningen. För den här guiden användes en sonikator på 200 watt från Hielscher.

Sonotrodens storlek

Storleken på den monterade sonotroden har stor betydelse för hur enheten avger sin effekt.
Mycket enkelt uttryckt krävs det mer effekt för att driva sonotroden vid en viss amplitud ju större dess yta är. Vätskans viskositet har också stor inverkan på den effekt som krävs för att driva sonotroden vid en viss amplitud.
Föreställ dig sonotroden som en kolv eller pistong. Om kolven förs mycket snabbt upp och ned i en kastrull med en tunnflytande vätska som vatten är detta relativt lätt att göra även vid rimliga hastigheter. Fyll däremot kastrullen med en tjock sås, så gäller inte längre samma sak. På grund av den ökade viskositeten krävs det mycket mer effekt för att snabbt föra kolven upp och ned i vätskan. Om kolvens eller pistongens storlek ökas krävs det också mer kraft för att föra den upp och ned i vätskan.
Detsamma gäller sonotroden. Med en stor sonotrod monterad måste enheten arbeta mycket hårdare för att åstadkomma en viss svängningsamplitud om vätskan har hög viskositet än om den har låg viskositet.
 

 

Vid en given effektinställning genererar en mindre sonotrod, på grund av sin yta, större tryckvariationer och högre kavitationsintensitet vid spetsen än en större sonotrod (eftersom effekten koncentreras till den mindre sonotrodens yta).
Det är kanske inte möjligt att driva en större sonotrod vid samma amplitud, eftersom detta kräver mycket mer effekt och eventuellt kan leda till att enheten stängs av på grund av överbelastning. I så fall måste sonotrodens storlek minskas eller en enhet med högre effekt anskaffas.
Ultraljudsintensiteten (vid en given effektinställning) minskar med ökande yta (större sonotroder), medan ultraljudets effektintensitet ökar med minskande yta. Med andra ord tillför en mindre sonotrod mycket ultraljudseffekt till ett litet område, medan en större sonotrod fördelar effekten över ett större område.

När homogenisatorn används är det totala arbetet som utförs på provet en kombination av den tillförda effekten från homogenisatorn, provets volym och den tid som provet exponeras. För att få reproducerbara resultat måste vi ta hänsyn till alla tre parametrarna. Förvänta dig inte att kunna placera apparaten i en liten kopp fylld med vätska i två minuter och sedan få samma resultat i en liter vätska under samma tidsperiod! Kom också ihåg att provets temperatur stiger snabbt vid små provvolymer och hög tillförd effekt. För temperaturkänsliga prover är det bättre att använda lägre effektinställningar under längre tid, så att den energi som homogenisatorn tillför i form av värme kan avledas.
Om provet överhettas kan mycket väl en del av just de aromer som du försöker fånga lämna systemet.
Hög tillförd effekt kan också orsaka nedbrytning av provet, vilket kan ses vid användning av vissa oljor. När oljor utsätts för den höga energitillförseln vid homogenisatorns spets kan de brytas ned, vilket ger en mycket obehaglig smak som bara kan beskrivas som smaken av bränd elektronik!
För temperaturkänsliga material förbättras resultaten om provet kyls, till exempel med ett isbad eller genom att tillsätta lite torris i provet. Lägre tillförd effekt under längre tid hjälper till att sprida den energi som frigörs i systemet. Detsamma gäller användning av enheten i pulsläge, vilket möjliggör viss kylning mellan ultraljudspulserna.
Via homogenisatorns elektronik kan användaren välja att köra enheten i två huvudsakliga reglerlägen.

Amplitudreglering

I detta läge väljer användaren den procentandel av den maximala amplituden som krävs för sonotroden. Elektroniken försöker sedan driva sonotroden med denna amplitud och justerar enhetens tillförda effekt för att upprätthålla den önskade amplituden vid sonotroden. Om sonotrodens yta är för stor för att den ska kunna drivas med denna amplitud med enhetens tillgängliga effekt, når amplituden inte det inställda värdet och enheten kan stängas av om överbelastning uppstår.

Vill ni framställa egna kryddextrakt eller såser? Oavsett om det gäller restaurangköket, den ambitiösa souschefen eller kommersiella tillverkare kan ni med ultraljudsutrustning från Hielscher framställa högkvalitativa extrakt och såser på kort tid. Gör egna ekologiska extrakt! Uteslut konserveringsmedel! Använd endast de ingredienser ni själva väljer!

Reglering av tillförd effekt

I detta läge ställer användaren in den önskade tillförda effekten i watt och elektroniken justerar svängningarnas amplitud för att reglera den tillförda effekten till användarens inställning. Detta läge gör det möjligt att reglera effekten som överförs till vätskan och därmed begränsa den värme som alstras i vätskan, så att känsligare prover inte skadas.

Pulsläge

Utöver de två driftlägena finns ett pulsläge, där elektroniken slås på och av i cykler vars tidsfördelning ställs in av användaren, från på under 10% av tiden och av under 90% till på under 90% av tiden och av under 10%. Detta ger en pulserande effekt och är användbart både för att begränsa den totala effekttillförseln till provet och för att skapa god omrörning i provet, eftersom den inledande effekttillförseln är hög medan elektroniken stabiliseras under varje arbetscykel.

Allmänna tips och knep

När homogenisatorn används för att tillföra smaker genom infusion uppnås bättre resultat om de fasta beståndsdelarna har finfördelats före homogeniseringen, eftersom detta ökar den yta som exponeras för sonotroden. Samma princip gäller när homogenisatorn används för partikelstorleksreduktion. Betrakta homogenisatorn som ett verktyg för finbearbetning snarare än en grovkvarn! Vid minskning av partikelstorleken utförs en stor del av arbetet genom kollisioner i hög hastighet mellan partiklar som accelererats av de krafter som alstras vid sonotroden. Mycket bättre resultat uppnås om en del av partikelfinfördelningen utförs före ultraljudsbehandlingen. Om huvuddelen av partikelstorleksreduktionen redan är utförd från början innebär det att en större yta exponeras för ultraljudsbehandlingen och att de mindre partiklarna accelereras snabbare i vätskan, vilket ger kraftigare kollisioner med kraft att ytterligare finfördela partiklarna. Homogenisatorn behöver också utföra mindre arbete, vilket gör det lättare att reglera temperaturen.
Eftersom homogenisatorn verkar ganska lokalt är det vid behandling av större prover, på exempelvis flera hundra milliliter eller mer, lämpligt med ytterligare omrörning för att säkerställa att vätskevolymen runt sonotroden förnyas, så att hela provet ultraljudsbehandlas. Detta gäller särskilt mer viskösa prover. En bra magnetomrörare är ett användbart sätt att åstadkomma detta. Omrörningen bidrar också till att säkerställa att vätskevolymen runt sonotroden inte överhettas. Ett isbad eller bitar av torris i provet hjälper till att föra bort den energi som tillförs genom ultraljudsbehandlingen. Som redan nämnts bör lägre effektinställningar användas under en längre tid om materialet är temperaturkänsligt, och/eller pulsläget användas för att begränsa de temperaturer som uppstår i provet, så att provet kan svalna mellan ultraljudspulserna.

---

---

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.
• 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.

 

I denna video visar Simon från GuerillaChefs.de hur den handhållna ultraljudsprocessorn Hielscher UP200Ht används för att snabbt aromatisera vatten med färska svampar – en innovativ teknik inom matlagning och molekylär gastronomi. Ultraljudsbehandling förbättrar smakextraktionen och överför fina aromämnen till vattenfasen inom några sekunder. Det möjliggör bearbetning utan värme och onödiga tillsatser för förfinade buljonger, infusioner eller smakbaser. Idealiskt för kockar och livsmedelsutvecklare som söker precision och intensitet vid utveckling av naturliga smaker.