อาหารโมเลกุลและการใช้งานด้านการทําอาหารอื่น ๆ

คู่มือสั้น ๆ เกี่ยวกับหลักธรรม

โดย Mark Gaston

• เนื้อหาส่วนใหญ่ของคู่มือนี้เป็นข้อมูลที่พร้อมใช้งาน แต่บางครั้งก็เขียนในลักษณะที่ไม่ทําให้อ่านง่ายเสมอไป เว้นแต่คุณจะคุ้นเคยกับคําศัพท์ที่ใช้
• ด้านล่างนี้จะอธิบายคําศัพท์ที่สําคัญของ sonication เช่น sonotrode, amplitude ฯลฯ และผลกระทบต่อการใช้งานด้านการทําอาหาร
• คู่มือนี้ด้านล่างพยายามอธิบายการใช้โฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกด้วยวิธีทางวิทยาศาสตร์น้อยลงและเกี่ยวข้องกับการทําอาหารมากขึ้น

คลื่นอัลตราซาวนด์และการประยุกต์ใช้กับอาหาร

เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่มีมาหลายปีในรูปแบบต่างๆ แต่เพิ่งหาทางไปสู่การใช้งานทําอาหารขนาดเล็กเท่านั้น โฮโมจีไนเซอร์ประกอบด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนซึ่งสามารถแปลงและควบคุมพลังงานไฟฟ้าให้เป็นการสั่นสะเทือนความถี่สูงของปลายโลหะหรือ sonotrode
sonotrode เคลื่อนที่ขึ้นและลงเป็นหลักที่ความถี่ค่อนข้างสูงเหนือช่วงเสียงที่ได้ยิน (เช่น 26000 ครั้งต่อวินาทีหรือ 26Khz ด้วย UP200 ฮิต). ปริมาณที่โซโนโทรดเคลื่อนที่ขึ้นและลงเรียกว่าแอมพลิจูดและโดยทั่วไปสามารถปรับได้ระหว่าง 9 ถึง 240 μm (เส้นผมมนุษย์โดยเฉลี่ยมีความหนาประมาณ 100 μm สําหรับการอ้างอิง) พูดง่ายๆ ก็คือ sonotrode มีพฤติกรรมเหมือนลูกสูบที่เคลื่อนที่ขึ้นและลงในของเหลว
เมื่อ sonotrode เคลื่อนที่ขึ้นและลงในขณะที่แช่อยู่ในของเหลวจะสร้างพื้นที่ที่มีความดันสูงและต่ําภายในของเหลวรอบ ๆ sonotrode ซึ่งจะสร้างปรากฏการณ์ที่เรียกว่าโพรงอากาศ เราเห็นในห้องครัวว่าการลดแรงดัน (เช่น ในเครื่องซีลห้อง) ทําให้ของเหลวเดือดที่อุณหภูมิต่ํากว่า และการเพิ่มแรงดัน (เช่น หม้ออัดแรงดัน) ทําให้ของเหลวเดือดที่อุณหภูมิสูงขึ้น
การเต้นของแรงดันที่ผันผวนอย่างรวดเร็วที่ปลายของ sonotrode ทําให้เกิดการก่อตัวและยุบตัวอย่างรวดเร็วของฟองอากาศภายในของเหลว ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในระดับนาที แต่สร้างแรงมหาศาลภายในของเหลวเนื่องจากความเร็ว อุณหภูมิ และความดันที่เกิดจาก โพรงอากาศ. มันเป็นพลังมหาศาลเหล่านี้ที่สามารถเปลี่ยนเป็นข้อได้เปรียบของเราในครัวสําหรับ การสกัดรสชาติ โดย เซลล์แตก หรือ การสลายอนุภาค.

อย่างไรก็ตาม หนึ่งในความท้าทายในการใช้อุปกรณ์นี้คือการควบคุมและควบคุมพลังนี้ในลักษณะที่ช่วยเพิ่มอาหาร
รุ่นโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกที่ซื้อ UP200 ฮิต กําหนดพลังงานสูงสุดที่มีให้สําหรับผู้ใช้ และโฮโมจีไนเซอร์เองก็มีตัวแปรจํานวนหนึ่งที่สามารถใช้เพื่อปรับประสิทธิภาพให้เหมาะกับการใช้งาน สําหรับวัตถุประสงค์ของคู่มือนี้ รุ่นที่ใช้คือ 200 วัตต์ หน่วย

ขนาด Sonotrode

ขนาดของ โซโนโทรด การติดตั้งมีผลอย่างมากต่อวิธีการส่งกําลังของเครื่อง
พูดง่ายๆ ก็คือ ยิ่งพื้นที่ผิวของ sonotrode มีขนาดใหญ่เท่าใดก็ยิ่งต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการขับเคลื่อนที่แอมพลิจูดที่กําหนด ความหนืดของของเหลวจะมีอิทธิพลอย่างมากต่อกําลังที่จําเป็นในการขับเคลื่อนโซโนโทรดที่แอมพลิจูดที่กําหนด
ลองนึกภาพ sonotrode เป็นลูกสูบหรือลูกสูบถ้าลูกสูบถูกเคลื่อนขึ้นและลงอย่างรวดเร็วในหม้อของของเหลวบาง ๆ เช่นน้ํามันค่อนข้างง่ายที่จะทําเช่นนั้นแม้ในความเร็วที่เหมาะสมอย่างไรก็ตามเติมหม้อด้วยซอสข้นและเช่นเดียวกันจะไม่เป็นความจริงมันจะต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการเคลื่อนย้ายลูกสูบขึ้นและลงอย่างรวดเร็วในของเหลวเนื่องจากความหนืดที่เพิ่มขึ้น เพิ่มขนาดของลูกสูบหรือลูกสูบ และต้องใช้ความพยายามมากขึ้นในการเคลื่อนขึ้นและลงในของเหลว
เช่นเดียวกับ sonotrode เมื่อติดตั้ง sonotrode ขนาดใหญ่ หน่วยจะต้องทํางานหนักขึ้นมากเพื่อสร้างแอมพลิจูดของการสั่นที่กําหนดหากของเหลวมีความหนืดสูงกว่าของเหลวที่มีความหนืดต่ํา

ที่การตั้งค่าพลังงานที่กําหนด โซโนโทรดขนาดเล็ก เนื่องจากพื้นที่ผิวจะสร้างความผันผวนของแรงดันที่มากขึ้นและ สูงก ว่า โพรงอากาศ ความเข้มที่ปลายมากกว่า sonotrode ที่ใหญ่กว่า (เนื่องจากกําลังจะมุ่งเน้นไปที่พื้นที่ผิวของ sonotrode ที่เล็กกว่า)
อาจเป็นไปไม่ได้ที่จะขับ sonotrode ที่ใหญ่ขึ้นที่แอมพลิจูดเดียวกันเนื่องจากต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการทําเช่นนั้นซึ่งอาจส่งผลให้เครื่องปิดเนื่องจากการโอเวอร์โหลด ในกรณีนี้ ขนาดของ sonotrode จะต้องลดลงหรือได้หน่วยพลังงานที่สูงขึ้น
อินพุต ความเข้มของอัลตราซาวนด์ (ที่การตั้งค่าพลังงานที่กําหนด) ลดลงตามพื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้น (sonotrodes ที่ใหญ่ขึ้น) โดยที่ความเข้มของพลังงานอัลตราโซนิกเพิ่มขึ้นตามพื้นที่ผิวที่ลดลงหรือพูดอีกอย่างหนึ่ง sonotrode ที่เล็กกว่าจะใส่พลังงานอัลตราโซนิกจํานวนมากในพื้นที่ขนาดเล็ก

เมื่อใช้โฮโมจีไนเซอร์ งานทั้งหมดที่ทํากับตัวอย่างเป็นการรวมกันของ กําลังไฟฟ้าเข้า ของโฮโมจีไนเซอร์ ปริมาตร ของตัวอย่างและ เวลา มันถูกเปิดเผย เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้เราต้องพิจารณาพารามิเตอร์ทั้งสาม อย่าคาดหวังว่าจะใส่อุปกรณ์ลงในถ้วยเล็ก ๆ ที่เต็มไปด้วยของเหลวเป็นเวลาสองนาทีแล้วได้ผลลัพธ์เดียวกันในของเหลวหนึ่งลิตรในช่วงเวลาเดียวกัน! โปรดจําไว้ว่าด้วยขนาดตัวอย่างขนาดเล็กและอินพุตพลังงานสูง อุณหภูมิ ของตัวอย่างจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สําหรับตัวอย่างที่ไวต่ออุณหภูมิควรใช้การตั้งค่าพลังงานที่ต่ํากว่าเป็นระยะเวลานานเพื่อให้พลังงานที่ป้อนโดยโฮโมจีไนเซอร์เป็นความร้อนสามารถกระจายได้
ความร้อนสูงเกินไป sample อาจทําให้กลิ่นหอมบางส่วนที่คุณพยายามจับหลุดออกจากระบบ
อินพุตพลังงานสูงอาจทําให้ตัวอย่างเสื่อมสภาพ ดังที่เห็นได้เมื่อใช้น้ํามันบางชนิด น้ํามันเมื่อสัมผัสกับอินพุตพลังงานสูงที่ส่วนปลายของโฮโมจีไนเซอร์สามารถสลายตัวได้ส่งผลให้มีรสชาติที่ไม่พึงประสงค์อย่างมากซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าเป็นรสชาติของการเผาไหม้ด้วยไฟฟ้าเท่านั้น!
สําหรับวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิ การระบายความร้อนของตัวอย่างจะช่วยปรับปรุงผลลัพธ์ เช่น การใช้อ่างน้ําแข็งหรือการรวมน้ําแข็งแห้งลงในตัวอย่าง การใช้อินพุตพลังงานที่ต่ํากว่าเป็นระยะเวลานานจะช่วยกระจายพลังงานที่ปล่อยเข้าสู่ระบบ เช่นเดียวกับการใช้เครื่องในโหมดพัลส์ ซึ่งช่วยให้ระบายความร้อนได้ระหว่างการระเบิดอัลตราซาวนด์แต่ละครั้ง
ภายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเครื่องโฮโมจีไนเซอร์ผู้ใช้สามารถเลือกใช้งานเครื่องในสองโหมดหลักในการควบคุม

การควบคุมแอมพลิจูด

ในโหมดนี้ผู้ใช้เลือก % ของแอมพลิจูดสูงสุดที่จําเป็นสําหรับ sonotrode อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะพยายามขับเคลื่อน sonotrode ที่ amplitude และจะปรับกําลังไฟฟ้าเข้าของอุปกรณ์เพื่อรักษา amplitude ที่ sonotrode หากพื้นที่ผิว sonotrode ใหญ่เกินไปที่จะขับเคลื่อนที่นี้ amplitude ด้วยพลังงานที่มีอยู่ของตัวเครื่อง amplitude จะไม่ถึงค่าที่ตั้งไว้และอาจปิดตัวลงหากถึงสภาวะโอเวอร์โหลด

การควบคุมกําลังไฟฟ้าเข้า

ในโหมดนี้ ผู้ใช้จะตั้งค่ากําลังไฟฟ้าเข้าที่ต้องการเป็นวัตต์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะปรับแอมพลิจูดของการสั่นเพื่อควบคุมกําลังไฟฟ้าเข้าไปยังการตั้งค่าของผู้ใช้ โหมดนี้ช่วยให้สามารถควบคุมพลังงานที่ถ่ายโอนไปยังของเหลวได้ ดังนั้นความร้อนที่เกิดขึ้นในของเหลวจึงจํากัดความเสียหายต่อตัวอย่างที่ละเอียดอ่อนกว่า

โหมดชีพจร

นอกจากโหมดการทํางานสองโหมดแล้วยังมีโหมดพัลส์โดยที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะเปิดและปิดใน รอบซึ่งผู้ใช้กําหนดเวลาจากเปิด 10% ของเวลาและปิด 90% เป็น 90% ของเวลาและปิด 10% สิ่งนี้ให้เอฟเฟกต์การเต้นเป็นจังหวะและมีประโยชน์ทั้งในการจํากัดกําลังไฟฟ้าโดยรวมที่ป้อนไปยังตัวอย่างและสร้างความปั่นป่วนที่ดีภายในตัวอย่างเพื่อให้อินพุตเริ่มต้นสูงเนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีเสถียรภาพในแต่ละรอบการทํางาน

คําแนะนําและเทคนิคทั่วไป

เมื่อใช้โฮโมจีไนเซอร์ในการแช่รสชาติจะได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นเมื่อของแข็งมีขนาดลดลงก่อนที่จะทําให้เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งจะเพิ่มพื้นที่ผิวที่สัมผัสกับ โซโนโทรด. หลักการเดียวกันนี้ใช้เมื่อใช้โฮโมจีไนเซอร์สําหรับ การลดขนาดอนุภาค. คิดว่าโฮโมจีไนเซอร์เป็นเครื่องมือตกแต่งที่ดี ไม่ใช่เครื่องบดหลักสูตร! ในการลดขนาดอนุภาคงานส่วนใหญ่ทําโดยการชนกันด้วยความเร็วสูงของอนุภาคเร่งแรงที่สร้างขึ้นที่ sonotrode จะได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นมากหากการลดอนุภาคบางส่วนทําก่อนการ sonication การเริ่มต้นด้วยการลดขนาดอนุภาคจํานวนมากที่ทําไปแล้วหมายความว่าพื้นที่ผิวที่มากขึ้นจะสัมผัสกับ sonication และอนุภาคที่เล็กกว่าจะถูกเร่งในของเหลวได้เร็วขึ้นส่งผลให้เกิดการชนกันที่สูงขึ้นกับแรงที่จะสลายอนุภาคต่อไป เครื่องโฮโมจีไนเซอร์จะต้องทํางานน้อยลง ทําให้สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ดีขึ้น
เนื่องจากโฮโมจีไนเซอร์ทํางานในระดับที่ค่อนข้างแปลเป็นภาษาท้องถิ่นจึงมีประโยชน์เมื่อใช้กับตัวอย่างขนาดใหญ่หลายร้อยมิลลิลิตรหรือมากกว่าเพื่อให้การปั่นป่วนเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจว่าปริมาตรรอบ ๆ sonotrode ได้รับการรีเฟรชทําให้มั่นใจได้ว่าการ sonication ที่สมบูรณ์ของตัวอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับอีก ข้น ตัวอย่าง เครื่องกวนแม่เหล็กที่ดีเป็นวิธีที่มีประโยชน์ในการบรรลุเป้าหมายนี้ การกวนยังช่วยให้แน่ใจว่าปริมาตรของของเหลวรอบ ๆ sonotrode ไม่ร้อนเกินไป การใช้อ่างน้ําแข็งหรือชิ้นน้ําแข็งแห้งในตัวอย่างจะช่วยขจัดพลังงานที่เกิดจากการ sonification ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่าหากวัสดุไวต่ออุณหภูมิให้ใช้การตั้งค่าพลังงานที่ต่ํากว่าในช่วงเวลาที่เพิ่มขึ้นและหรือใช้โหมดพัลส์เพื่อจํากัดอุณหภูมิที่สร้างขึ้นในตัวอย่างเพื่อให้ตัวอย่างเย็นลงระหว่างพัลส์โซนิค

---

---

วรรณกรรม

• 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.

ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้

Homogenizers เนื้อเยื่ออัลตราโซนิกมักเรียกว่าโพรบ sonicator / sonificator, sonic lyser, ultrasound disruptor, ultrasonic grinder, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, cell disrupter, ultrasonic disperser, emulsifier หรือ dissolver เงื่อนไขที่แตกต่างกันเป็นผลมาจากการใช้งานต่างๆที่สามารถเติมเต็มได้โดยการ sonication