Молекулярна кухня та інші кулінарні застосування

Ультразвукова обробка змінює способи, якими шеф-кухарі та науковці в галузі харчових продуктів готують їжу й напої: ультразвукова екстракція, настоювання, емульгування та гомогенізація є ключовими застосуваннями ультразвукових приладів для створення кулінарних шедеврів. Від швидкої екстракції до шовковистіших емульсій і посилених ароматів – ультразвукові хвилі дають змогу отримувати виняткові смаки й текстури. У цій статті ви дізнаєтеся, як шеф-кухарі та харчові технологи використовують ультразвукову кавітацію, щоб по-новому створювати все – від коктейлів до консоме.

Короткий посібник з основних принципів

гостьова стаття Марка Ґастона

• Більша частина цього посібника містить загальнодоступну інформацію, проте іноді її викладено так, що читати її не завжди легко, якщо ви не знайомі з уживаними термінами.
• Нижче пояснено важливі терміни ультразвукової обробки, як-от сонотрод, амплітуда тощо, та їхній вплив на кулінарні застосування.
• У наведеному нижче посібнику зроблено спробу пояснити використання ультразвукового гомогенізатора менш науково й більш наближено до кулінарії.

Ультразвукові хвилі та їх застосування до харчових продуктів

Технологія ультразвукової гомогенізації вже багато років існує в різних формах, але лише зараз починає знаходити застосування в кулінарії в менших масштабах. Гомогенізатор містить складну електроніку, яка дає змогу перетворювати електричну потужність на високочастотні коливання металевого наконечника, або сонотрода, та керувати ними.
Сонотрод рухається переважно вгору й униз із досить високою частотою, що перевищує чутний діапазон (наприклад, 26 000 разів за секунду, або 26Khz, у разі використання ультразвукового приладу UP200Ht). Величина переміщення сонотрода вгору й униз називається амплітудою і зазвичай може регулюватися в межах від 9 до 240 µm (для порівняння: середня товщина людської волосини становить близько 100 µm). Простіше кажучи, сонотрод поводиться як поршень, що рухається вгору й униз у рідині.
Коли занурений у рідину сонотрод рухається вгору й униз, він створює в рідині навколо себе ділянки високого та низького тиску, що, своєю чергою, спричиняє явище, відоме як кавітація. На кухні ми бачимо, що зниження тиску (наприклад, у камерному вакуумному пакувальнику) змушує рідини кипіти за нижчих температур, а підвищення тиску (наприклад, у скороварці) змушує їх кипіти за вищої температури.
Швидкі пульсації тиску біля кінчика сонотрода спричиняють утворення, а потім швидке схлопування бульбашок у рідині. Усе це відбувається в мікроскопічному масштабі, але створює величезні сили в рідині завдяки швидкостям, температурам і тискам, що виникають унаслідок кавітації. Саме ці величезні сили можна використати на кухні для екстракції смакоароматичних речовин шляхом руйнування клітин, емульгування, або подрібнення частинок.

 

Подивіться, як ультразвуковий пристрій Hielscher UP200Ht перетворює шоколадну емульсію на рослинній основі на шовковистий, стабільний веганський шоколадний мус. Ультразвукова кавітація забезпечує тонке диспергування, підвищену стабільність емульсії та оптимальну текстуру – основу ідеального десерту без молочних продуктів із насиченим шоколадним смаком. Створюючи стабільну емульсію шоколадних жирів і води з краплями субмікронного розміру, ультразвукова обробка сприяє насиченому смаку та гладкій, однорідній консистенції в роті. Крім того, ультразвукова обробка руйнує агломерати крохмалів, білків і твердих частинок какао, надаючи мусу максимальної ніжності та посилюючи смак.

Дізнайтеся більше про ультразвукове емульгування веганського шоколадного мусу!
 

Однак одним із викликів під час використання цього обладнання є застосування цієї потужності та керування нею так, щоб покращувати харчові продукти.
Придбаний ультразвуковий гомогенізатор моделі UP200Ht визначає максимальну потужність, доступну користувачеві, а сам гомогенізатор має низку змінних параметрів, за допомогою яких можна налаштувати його роботу відповідно до застосування. Для цього посібника використовували ультразвуковий прилад Hielscher потужністю 200 ватів.

Розмір сонотрода

Розмір установленого сонотрода істотно впливає на те, як пристрій передає свою потужність.
Якщо пояснити дуже просто, що більша площа поверхні сонотрода, то більше потужності потрібно для забезпечення його коливань із будь-якою заданою амплітудою. В’язкість рідини також значною мірою впливає на потужність, необхідну для забезпечення коливань сонотрода із заданою амплітудою.
Уявіть сонотрод як поршень або плунжер: якщо дуже швидко рухати поршень угору й униз у каструлі з малов’язкою рідиною, наприклад водою, це відносно легко робити навіть за помірних швидкостей. Однак якщо наповнити каструлю густим соусом, ситуація зміниться: через підвищену в’язкість для швидкого переміщення поршня вгору й униз у рідині знадобиться набагато більше потужності. Якщо збільшити розмір поршня або плунжера, для його переміщення вгору й униз у рідині також знадобиться більше зусиль.
Те саме стосується й сонотрода. Якщо встановлено великий сонотрод, для забезпечення заданої амплітуди коливань у рідині з високою в’язкістю пристрою доведеться працювати зі значно більшим навантаженням, ніж у малов’язкій рідині.
 

 

За будь-якого заданого налаштування потужності менший сонотрод завдяки площі своєї поверхні створюватиме більші коливання тиску та вищу інтенсивність кавітації біля наконечника, ніж більший сонотрод (оскільки потужність зосереджується на меншій площі поверхні сонотрода).
Забезпечити коливання більшого сонотрода з тією самою амплітудою може бути неможливо, оскільки для цього знадобиться набагато більше потужності, що може призвести до вимкнення пристрою через перевантаження. У такому разі необхідно зменшити розмір сонотрода або придбати потужніший пристрій.
Інтенсивність ультразвуку (за будь-якого заданого налаштування потужності) зменшується зі збільшенням площі поверхні (більші сонотроди), тоді як інтенсивність ультразвукової потужності зростає зі зменшенням площі поверхні. Інакше кажучи, менший сонотрод зосереджує велику ультразвукову потужність на малій площі, тоді як більший сонотрод розподіляє потужність на більшій площі.

Під час використання гомогенізатора загальна робота, виконана над зразком, є поєднанням вхідної потужності гомогенізатора, об’єму зразка та тривалості впливу на нього. Щоб отримувати відтворювані результати, необхідно враховувати всі три параметри. Не очікуйте, що, помістивши пристрій у невелику чашку з рідиною на дві хвилини, ви потім отримаєте такий самий результат у літрі рідини за той самий час! Також пам’ятайте, що за малих об’ємів зразків і високої вхідної потужності температура зразка швидко зростатиме. Для чутливих до температури зразків краще використовувати нижчі налаштування потужності протягом тривалішого часу, даючи змогу розсіюватися енергії, яку гомогенізатор передає у вигляді тепла.
Перегрівання зразка цілком може спричинити вихід із системи частини саме тих ароматичних речовин, які ви намагаєтеся зберегти.
Висока вхідна потужність також може спричинити деградацію зразка, що можна спостерігати під час використання певних олій. Під дією великої кількості енергії, що передається біля наконечника гомогенізатора, олії можуть розкладатися, набуваючи вкрай неприємного смаку, який можна описати лише як смак горілої електропроводки!
Для чутливих до температури матеріалів охолодження зразка поліпшить результати, наприклад завдяки використанню крижаної бані або додаванню до зразка невеликої кількості сухого льоду. Використання нижчої вхідної потужності протягом тривалішого часу допомагає розсіювати енергію, що виділяється в системі. Цьому також сприяє робота пристрою в імпульсному режимі, який забезпечує певне охолодження між окремими імпульсами ультразвуку.
Електронна система гомогенізатора дає користувачеві змогу вибирати між двома основними режимами керування пристроєм.

Керування амплітудою

У цьому режимі користувач вибирає потрібну для сонотрода амплітуду у % від максимальної. Далі електроніка намагатиметься приводити сонотрод у рух із цією амплітудою та регулюватиме вхідну потужність пристрою, щоб підтримувати потрібну амплітуду сонотрода. Якщо площа поверхні сонотрода надто велика, щоб забезпечити цю амплітуду за доступної потужності пристрою, амплітуда не досягне заданого значення, а в разі перевантаження пристрій може вимкнутися.

Бажаєте виготовляти власні екстракти прянощів або соуси? Для ресторанної кухні, амбітного су-шефа чи комерційного виробництва ультразвукове обладнання Hielscher дає змогу швидко виготовляти високоякісні екстракти та соуси. Виготовляйте органічні екстракти самостійно! Відмовтеся від консервантів! Використовуйте лише ті інгредієнти, які обираєте самі!

Регулювання вхідної потужності

У цьому режимі користувач задає потрібну вхідну потужність у ватах, а електроніка регулює амплітуду коливань, щоб підтримувати вхідну потужність на заданому користувачем рівні. Цей режим дає змогу регулювати потужність, що передається рідині, а отже, обмежувати тепловиділення в рідині, запобігаючи пошкодженню чутливіших зразків.

Імпульсний режим

Окрім двох режимів роботи, є імпульсний режим, у якому електроніка циклічно вмикається та вимикається. Тривалість цих інтервалів задає користувач: від увімкнення протягом 10% часу та вимкнення протягом 90% до увімкнення протягом 90% часу та вимкнення протягом 10%. Це створює пульсувальний ефект і корисне як для обмеження загальної потужності, що підводиться до зразка, так і для забезпечення доброго перемішування зразка за високого початкового внеску, коли електроніка стабілізується протягом кожного робочого циклу.

Загальні поради та прийоми

Коли гомогенізатор використовують для насичення ароматами, кращі результати отримують, якщо тверді компоненти подрібнити перед гомогенізацією: це збільшить площу поверхні, що зазнає впливу сонотрода. Той самий принцип діє, коли гомогенізатор використовують для зменшення розміру частинок. Сприймайте гомогенізатор як інструмент для тонкої фінішної обробки, а не для грубого подрібнення! Під час зменшення розміру частинок значну частину роботи виконують високошвидкісні зіткнення частинок, прискорених силами, що виникають біля сонотрода. Значно кращі результати можна отримати, якщо частково подрібнити частинки до ультразвукової обробки. Якщо основне зменшення розміру частинок уже виконано перед початком обробки, впливу ультразвуку зазнає більша площа поверхні, а менші частинки швидше прискорюватимуться в рідині, що спричинятиме інтенсивніші зіткнення із силою, достатньою для подальшого подрібнення частинок. Гомогенізатор також виконуватиме менше роботи, що дасть змогу краще контролювати температуру.
Оскільки гомогенізатор діє досить локально, під час роботи з більшими зразками, скажімо, об’ємом кілька сотень мілілітрів або більше, корисно забезпечити додаткове перемішування, щоб рідина навколо сонотрода оновлювалася, забезпечуючи повну ультразвукову обробку зразка. Це особливо актуально для більш в’язких зразків. Для цього добре підходить якісна магнітна мішалка. Перемішування також допомагає запобігти перегріванню рідини навколо сонотрода. Використання крижаної бані або шматочків сухого льоду в зразку допоможе відвести енергію, передану під час ультразвукової обробки. Як уже зазначалося, якщо матеріал чутливий до температури, використовуйте нижчі налаштування потужності протягом довшого часу та/або імпульсний режим, щоб обмежити підвищення температури зразка, даючи йому змогу охолоджуватися між ультразвуковими імпульсами.

---

---

Література

• 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.

 

У цьому відео Сімон із GuerillaChefs.de демонструє використання ручного сонікатора Hielscher UP200Ht для швидкої ароматизації води свіжими грибами – інноваційної техніки, яку застосовують у кулінарії та молекулярній гастрономії. Ультразвукова обробка посилює екстракцію смакоароматичних речовин і за лічені секунди переносить тонкі ароматичні сполуки у водну фазу, даючи змогу без нагрівання готувати вишукані бульйони, настої та смакоароматичні основи з простим і зрозумілим складом. Ідеально підходить для кухарів та новаторів харчової галузі, які прагнуть точності й інтенсивності у формуванні природного смаку та аромату.