Ẩm thực phân tử và các ứng dụng ẩm thực khác

Xử lý bằng siêu âm đang thay đổi cách các đầu bếp và nhà khoa học thực phẩm chế biến thực phẩm và đồ uống: chiết xuất, ngâm truyền, nhũ hóa và đồng nhất hóa bằng siêu âm là những ứng dụng chủ chốt của máy siêu âm trong sáng tạo ẩm thực. Từ chiết xuất nhanh đến nhũ tương mịn mượt hơn và hương thơm đậm đà hơn, sóng siêu âm tạo nên hương vị và kết cấu nổi bật. Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu cách các đầu bếp và chuyên gia công nghệ thực phẩm tận dụng hiện tượng xâm thực siêu âm để tái tạo mọi thứ, từ cocktail đến nước dùng trong consommé.

Hướng dẫn ngắn gọn về các nguyên lý

bài viết của tác giả khách mời Mark Gaston

• Phần lớn nội dung của hướng dẫn này là những thông tin có thể dễ dàng tìm thấy, tuy nhiên đôi khi cách trình bày khiến nội dung không phải lúc nào cũng dễ đọc, trừ khi bạn đã quen với các thuật ngữ được sử dụng.
• Dưới đây là phần giải thích các thuật ngữ quan trọng trong xử lý bằng siêu âm như đầu dò siêu âm, biên độ, v.v. và tác động của chúng đối với các ứng dụng ẩm thực.
• Hướng dẫn dưới đây cố gắng giải thích cách sử dụng máy đồng nhất hóa siêu âm theo cách ít mang tính khoa học hơn và gắn với ẩm thực hơn.

Sóng siêu âm và ứng dụng trong thực phẩm

Kỹ thuật đồng nhất hóa bằng siêu âm đã tồn tại nhiều năm dưới nhiều hình thức khác nhau, nhưng chỉ mới bắt đầu được ứng dụng trong ẩm thực ở quy mô nhỏ hơn. Máy đồng nhất hóa chứa các mạch điện tử tinh vi có thể chuyển đổi điện năng thành dao động tần số cao của đầu kim loại hay đầu dò siêu âm và điều khiển các dao động này.
Đầu dò siêu âm chủ yếu chuyển động lên xuống ở tần số khá cao, vượt ngoài dải nghe được (ví dụ: 26.000 lần mỗi giây hay 26Khz với máy siêu âm UP200Ht). Độ dịch chuyển lên xuống của đầu dò siêu âm được gọi là biên độ và thường có thể điều chỉnh từ 9 đến 240 µm (để tham khảo, một sợi tóc người trung bình dày khoảng 100 µm). Nói một cách đơn giản, đầu dò siêu âm hoạt động như một pít-tông chuyển động lên xuống trong chất lỏng.
Khi đầu dò siêu âm chuyển động lên xuống trong lúc nhúng trong chất lỏng, nó tạo ra các vùng áp suất cao và thấp trong chất lỏng xung quanh đầu dò, từ đó tạo ra hiện tượng được gọi là xâm thực. Trong nhà bếp, chúng ta thấy rằng việc giảm áp suất (chẳng hạn như trong máy đóng gói hút chân không dạng buồng) khiến chất lỏng sôi ở nhiệt độ thấp hơn, còn việc tăng áp suất (chẳng hạn như trong nồi áp suất) khiến chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn.
Các xung áp suất biến thiên nhanh tại đầu mút của đầu dò siêu âm khiến các bong bóng hình thành rồi nhanh chóng sụp đổ trong chất lỏng. Tất cả những điều này diễn ra ở quy mô rất nhỏ nhưng tạo ra lực rất lớn trong chất lỏng do vận tốc, nhiệt độ và áp suất sinh ra bởi hiện tượng xâm thực. Chính những lực rất lớn này có thể được tận dụng trong nhà bếp để chiết xuất hương vị bằng cách phá vỡ tế bào, nhũ hóa, hoặc phá nhỏ các hạt.

 

Khám phá cách máy siêu âm Hielscher UP200Ht biến nhũ tương sô cô la có nguồn gốc thực vật thành mousse sô cô la thuần chay mịn mượt và ổn định. Hiện tượng xâm thực siêu âm bảo đảm độ phân tán mịn, tăng độ ổn định của nhũ tương và tạo kết cấu tối ưu – làm nền tảng cho món tráng miệng không sữa hoàn hảo với hương vị sô cô la đậm đà. Bằng cách tạo nhũ tương ổn định có kích thước giọt dưới micromet từ chất béo sô cô la và nước, xử lý siêu âm góp phần mang lại trải nghiệm hương vị đậm đà cùng cảm giác mịn màng, đồng nhất trong miệng. Ngoài ra, siêu âm còn phá vỡ các khối kết tụ của tinh bột, protein và chất rắn ca cao, mang lại độ mịn béo tối đa và hương vị đậm đà hơn.

Tìm hiểu thêm về nhũ hóa bằng siêu âm để làm mousse sô-cô-la thuần chay!
 

Tuy nhiên, một trong những thách thức khi sử dụng thiết bị này là khai thác và kiểm soát công suất theo cách giúp nâng cao chất lượng thực phẩm.
Mẫu máy đồng nhất hóa siêu âm UP200Ht được mua quyết định công suất tối đa mà người dùng có thể sử dụng, và bản thân máy đồng nhất hóa có một số thông số có thể dùng để điều chỉnh hiệu năng cho phù hợp với ứng dụng. Trong hướng dẫn này, mẫu máy được sử dụng là máy siêu âm Hielscher 200 oát.

Kích thước đầu dò siêu âm

Kích thước của đầu dò siêu âm được lắp có ảnh hưởng lớn đến cách thiết bị truyền công suất.
Nói một cách rất đơn giản, diện tích bề mặt của đầu dò siêu âm càng lớn thì càng cần nhiều công suất để vận hành đầu dò ở một biên độ nhất định. Độ nhớt của chất lỏng cũng ảnh hưởng lớn đến công suất cần thiết để vận hành đầu dò siêu âm ở một biên độ nhất định.
Hãy hình dung đầu dò siêu âm như một pít-tông hoặc pít-tông đẩy: nếu di chuyển pít-tông lên xuống rất nhanh trong một nồi chứa chất lỏng loãng như nước thì việc này tương đối dễ thực hiện, ngay cả ở tốc độ khá cao. Tuy nhiên, nếu đổ đầy nồi bằng một loại xốt đặc thì tình hình sẽ khác: do độ nhớt tăng, cần nhiều công suất hơn hẳn để di chuyển pít-tông lên xuống nhanh trong chất lỏng. Khi tăng kích thước của pít-tông hoặc pít-tông đẩy, cũng cần nhiều lực hơn để di chuyển nó lên xuống trong chất lỏng.
Điều tương tự cũng đúng với đầu dò siêu âm. Khi lắp đầu dò siêu âm lớn, thiết bị sẽ phải hoạt động vất vả hơn nhiều để tạo ra một biên độ dao động nhất định trong chất lỏng có độ nhớt cao so với trong chất lỏng có độ nhớt thấp.
 

 

Ở bất kỳ mức công suất cài đặt nào, do diện tích bề mặt của mình, đầu dò siêu âm nhỏ hơn sẽ tạo ra các dao động áp suất lớn hơn và cường độ xâm thực cao hơn tại đầu mút so với đầu dò siêu âm lớn hơn (vì công suất được tập trung trên diện tích bề mặt nhỏ hơn của đầu dò).
Có thể không vận hành được đầu dò siêu âm lớn hơn ở cùng biên độ vì cần nhiều công suất hơn hẳn để làm điều đó, có khả năng khiến thiết bị tắt do quá tải. Trong trường hợp này, phải giảm kích thước đầu dò siêu âm hoặc sử dụng thiết bị có công suất cao hơn.
Cường độ siêu âm (ở bất kỳ mức công suất cài đặt nào) giảm khi diện tích bề mặt tăng (đầu dò siêu âm lớn hơn), trong khi mật độ công suất siêu âm tăng khi diện tích bề mặt giảm. Nói cách khác, đầu dò siêu âm nhỏ hơn đưa nhiều công suất siêu âm vào một diện tích nhỏ, còn đầu dò siêu âm lớn hơn phân bố công suất trên một diện tích lớn hơn.

Khi sử dụng máy đồng nhất hóa, tổng công thực hiện lên mẫu là sự kết hợp giữa công suất đầu vào của máy đồng nhất hóa, thể tích mẫu và thời gian mẫu được xử lý. Để thu được kết quả có thể tái lập, chúng ta phải xem xét cả ba thông số. Đừng kỳ vọng rằng đặt thiết bị vào một cốc nhỏ đầy chất lỏng trong hai phút rồi sẽ thu được kết quả tương tự với một lít chất lỏng trong cùng khoảng thời gian! Cũng cần nhớ rằng với thể tích mẫu nhỏ và công suất đầu vào cao, nhiệt độ mẫu sẽ tăng nhanh. Đối với các mẫu nhạy cảm với nhiệt độ, tốt hơn là sử dụng mức công suất thấp hơn trong thời gian dài hơn, để năng lượng do máy đồng nhất hóa đưa vào dưới dạng nhiệt có thể tản đi.
Việc làm mẫu quá nóng rất có thể khiến một số hương thơm mà bạn đang cố gắng thu giữ thoát ra khỏi hệ.
Công suất đầu vào cao cũng có thể làm mẫu bị phân hủy, như có thể thấy khi sử dụng một số loại dầu. Khi chịu mức năng lượng đầu vào cao tại đầu mút của máy đồng nhất hóa, dầu có thể bị phân hủy, tạo ra vị cực kỳ khó chịu mà chỉ có thể mô tả là vị khét do cháy điện!
Đối với các nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt độ, làm mát mẫu sẽ cải thiện kết quả, chẳng hạn bằng cách sử dụng bể nước đá hoặc cho một ít đá khô vào mẫu. Sử dụng công suất đầu vào thấp hơn trong thời gian dài hơn giúp phân tán năng lượng được giải phóng vào hệ; vận hành thiết bị ở chế độ xung cũng có tác dụng tương tự, cho phép mẫu nguội đi phần nào giữa các đợt phát siêu âm.
Thông qua hệ thống điện tử của máy đồng nhất hóa, người dùng có thể chọn vận hành thiết bị theo hai chế độ điều khiển chính.

Điều khiển biên độ

Trong chế độ này, người dùng chọn tỷ lệ % biên độ tối đa cần thiết cho đầu dò siêu âm. Sau đó, mạch điện tử sẽ cố gắng điều khiển đầu dò siêu âm dao động ở biên độ đó và điều chỉnh công suất đầu vào của thiết bị để duy trì biên độ cần thiết tại đầu dò. Nếu diện tích bề mặt đầu dò siêu âm quá lớn để có thể dao động ở biên độ này với công suất hiện có của thiết bị, biên độ sẽ không đạt giá trị đã đặt và thiết bị có thể ngừng hoạt động nếu xảy ra tình trạng quá tải.

Quý vị muốn tự sản xuất dịch chiết gia vị hoặc nước xốt? Dù phục vụ bếp nhà hàng, bếp phó đầy tâm huyết hay các nhà sản xuất thương mại, thiết bị siêu âm Hielscher đều giúp tạo ra dịch chiết và nước xốt chất lượng cao trong thời gian ngắn. Hãy tự làm dịch chiết hữu cơ! Loại bỏ chất bảo quản! Chỉ sử dụng những nguyên liệu do quý vị lựa chọn!

Điều khiển công suất đầu vào

Trong chế độ này, người dùng đặt công suất đầu vào cần thiết tính bằng oát và mạch điện tử sẽ điều chỉnh biên độ dao động để đưa công suất đầu vào về mức người dùng đã đặt. Chế độ này cho phép điều chỉnh công suất truyền vào chất lỏng, nhờ đó hạn chế nhiệt sinh ra trong chất lỏng, tránh làm hỏng các mẫu nhạy cảm hơn.

Chế độ xung

Ngoài hai chế độ vận hành trên, còn có chế độ xung, trong đó mạch điện tử bật và tắt theo chu kỳ, với thời gian do người dùng thiết lập từ bật trong 10% thời gian và tắt trong 90% thời gian đến bật trong 90% thời gian và tắt trong 10% thời gian. Chế độ này tạo ra hiệu ứng xung và hữu ích cho cả việc hạn chế tổng công suất đầu vào truyền vào mẫu lẫn tạo sự khuấy trộn tốt trong mẫu nhờ công suất đầu vào ban đầu cao khi mạch điện tử ổn định trong mỗi chu kỳ làm việc.

Các mẹo và hướng dẫn chung

Khi sử dụng máy đồng nhất để ngâm truyền hương vị, kết quả sẽ tốt hơn nếu chất rắn được giảm kích thước trước khi đồng nhất hóa; điều này sẽ làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với đầu dò siêu âm. Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng khi sử dụng máy đồng nhất để giảm kích thước hạt. Hãy xem máy đồng nhất là một công cụ hoàn thiện tinh, không phải máy nghiền thô! Trong quá trình giảm kích thước hạt, phần lớn công việc được thực hiện nhờ các va chạm tốc độ cao giữa những hạt được gia tốc bởi các lực sinh ra tại đầu dò siêu âm. Kết quả sẽ tốt hơn nhiều nếu thực hiện một phần quá trình giảm kích thước hạt trước khi xử lý siêu âm. Bắt đầu khi phần lớn quá trình giảm kích thước hạt đã được thực hiện có nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc với tác động siêu âm lớn hơn và các hạt nhỏ hơn sẽ được gia tốc nhanh hơn trong chất lỏng, dẫn đến các va chạm mạnh hơn với lực tiếp tục phá nhỏ các hạt. Máy đồng nhất cũng sẽ cần thực hiện ít công việc hơn, giúp kiểm soát nhiệt độ tốt hơn.
Do máy đồng nhất hoạt động khá cục bộ, khi sử dụng với các mẫu lớn hơn, chẳng hạn vài trăm mililít trở lên, nên khuấy trộn bổ sung để bảo đảm phần mẫu quanh đầu dò siêu âm được thay mới, giúp toàn bộ mẫu được xử lý siêu âm đầy đủ. Điều này đặc biệt đúng với các mẫu có độ nhớt cao hơn. Một máy khuấy từ tốt là phương tiện hữu ích để đạt được điều này. Việc khuấy trộn cũng giúp bảo đảm phần chất lỏng quanh đầu dò siêu âm không bị quá nhiệt. Sử dụng bể nước đá hoặc cho các mẩu đá khô vào mẫu sẽ giúp loại bỏ năng lượng được truyền vào qua quá trình xử lý siêu âm. Như đã đề cập, nếu vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ, hãy sử dụng mức công suất thấp hơn trong thời gian dài hơn và/hoặc sử dụng chế độ xung để hạn chế nhiệt độ phát sinh trong mẫu, cho phép mẫu nguội đi giữa các xung siêu âm.

---

---

Tài liệu tham khảo

• 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.

 

Trong video này, Simon từ GuerillaChefs.de trình diễn cách sử dụng máy siêu âm cầm tay Hielscher UP200Ht để nhanh chóng đưa hương vị nấm tươi vào nước – một kỹ thuật sáng tạo được sử dụng trong nấu ăn và ẩm thực phân tử. Xử lý siêu âm tăng cường chiết xuất hương vị và đưa các hợp chất hương tinh tế vào pha nước chỉ trong vài giây, cho phép chế biến không dùng nhiệt, đáp ứng tiêu chí nhãn sạch để tạo ra nước dùng tinh tế, dịch ngâm chiết hoặc nền hương vị. Phương pháp này lý tưởng cho các đầu bếp và chuyên gia đổi mới thực phẩm mong muốn độ chính xác và hương vị đậm đà khi phát triển hương vị tự nhiên.