Ẩm thực phân tử và các ứng dụng ẩm thực khác

Hướng dẫn ngắn gọn về các nguyên tắc

bởi Mark Gaston

• Hầu hết nội dung của hướng dẫn này là thông tin có sẵn, tuy nhiên đôi khi nó được viết theo cách không phải lúc nào cũng dễ đọc trừ khi bạn tình cờ quen thuộc với các thuật ngữ được sử dụng.
• Dưới đây, các thuật ngữ quan trọng của sonication như sonotrode, biên độ, vv và ảnh hưởng của chúng đối với các ứng dụng ẩm thực được giải thích.
• Hướng dẫn này dưới đây cố gắng giải thích việc sử dụng homogeniser siêu âm theo cách ít khoa học hơn và liên quan đến ẩm thực hơn.

Sóng siêu âm và ứng dụng của chúng vào thực phẩm

Các homogeniser siêu âm như một kỹ thuật đã được khoảng trong nhiều năm dưới nhiều hình thức khác nhau, nhưng chỉ là tìm đường của mình vào các ứng dụng ẩm thực quy mô nhỏ hơn. Máy đồng nhất chứa một số thiết bị điện tử tinh vi có thể chuyển đổi và điều khiển năng lượng điện thành các rung động tần số cao của đầu kim loại hoặc sonotrode.
Sonotrode di chuyển chủ yếu lên và xuống ở tần số khá cao trên phạm vi âm thanh (ví dụ: 26000 lần một giây hoặc 26Khz với UP200Ht). Lượng mà sonotrode di chuyển lên và xuống được gọi là biên độ và thường có thể được điều chỉnh từ 9 đến 240 μm (tóc người trung bình dày khoảng 100 μm để tham khảo). Nói một cách đơn giản, sonotrode hoạt động giống như một piston di chuyển lên xuống trong chất lỏng.
Khi sonotrode di chuyển lên xuống trong khi ngâm trong chất lỏng, nó tạo ra các khu vực áp suất cao và thấp trong chất lỏng xung quanh sonotrode, điều này lần lượt tạo ra một hiện tượng được gọi là xâm thực. Chúng ta thấy trong nhà bếp rằng việc giảm áp suất (chẳng hạn như trong chất bịt kín buồng) làm cho chất lỏng sôi ở nhiệt độ thấp hơn và tăng áp suất (như nồi áp suất) làm cho chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn.
Các xung áp suất dao động nhanh chóng ở đầu sonotrode gây ra sự hình thành và sau đó sụp đổ nhanh chóng các bong bóng trong chất lỏng. Tất cả điều này xảy ra trên quy mô phút nhưng tạo ra lực rất lớn trong chất lỏng do vận tốc, nhiệt độ và áp suất do Cavitation. Chính những lực lượng khổng lồ này có thể được biến thành lợi thế của chúng tôi trong nhà bếp cho chiết xuất hương vị bằng cách vỡ tế bào hoặc sự phân hủy các hạt.

Tuy nhiên, một trong những thách thức trong việc sử dụng thiết bị này là khai thác và kiểm soát sức mạnh này theo cách tăng cường thực phẩm.
Mô hình đồng âm siêu âm đã mua UP200Ht ra lệnh cho công suất tối đa có sẵn cho người dùng và bản thân homogeniser có một số biến có thể được sử dụng để điều chỉnh hiệu suất của nó cho phù hợp với ứng dụng. Với mục đích của hướng dẫn này, mô hình được sử dụng là một 200 watt đơn vị.

Kích thước Sonotrode

Kích thước của Sonotrode Được trang bị có ảnh hưởng lớn đến cách thiết bị cung cấp năng lượng của nó.
Nói một cách rất đơn giản, diện tích bề mặt của sonotrode càng lớn thì càng cần nhiều năng lượng để điều khiển nó ở bất kỳ biên độ nào. Độ nhớt của chất lỏng cũng sẽ có ảnh hưởng lớn đến công suất cần thiết để điều khiển sonotrode ở một biên độ nhất định.
Hãy tưởng tượng sonotrode như một piston hoặc pít tông, nếu piston được di chuyển lên xuống rất nhanh trong một nồi chất lỏng mỏng như nước thì tương đối dễ thực hiện ngay cả ở tốc độ hợp lý, tuy nhiên đổ đầy nồi bằng nước sốt đặc và điều tương tự sẽ không đúng, nó sẽ cần nhiều năng lượng hơn để di chuyển piston nhanh chóng lên xuống trong chất lỏng do độ nhớt tăng lên. Tăng kích thước của piston hoặc pít tông và nó cũng sẽ đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn để di chuyển nó lên xuống trong chất lỏng.
Điều này cũng đúng với sonotrode. Với một sonotrode lớn được trang bị, thiết bị sẽ phải làm việc chăm chỉ hơn nhiều để tạo ra biên độ dao động nhất định nếu chất lỏng có độ nhớt cao hơn so với chất lỏng có độ nhớt thấp.

Tại bất kỳ cài đặt công suất nhất định nào a Sonotrode nhỏ hơn do diện tích bề mặt của nó sẽ tạo ra dao động áp suất lớn hơn và trên Cavitation cường độ ở đầu so với sonotrode lớn hơn (vì sức mạnh tập trung vào diện tích bề mặt của sonotrode nhỏ hơn).
Có thể không thể lái một sonotrode lớn hơn ở cùng biên độ vì sẽ cần nhiều năng lượng hơn để làm như vậy, có thể dẫn đến việc tắt thiết bị do quá tải. Trong trường hợp này, kích thước của sonotrode phải được giảm hoặc thu được một đơn vị năng lượng cao hơn.
Đầu vào cường độ siêu âm (ở bất kỳ cài đặt công suất nhất định nào) giảm khi tăng diện tích bề mặt (sonotrodes lớn hơn), trong đó khi cường độ năng lượng siêu âm tăng lên khi diện tích bề mặt giảm, hoặc nói cách khác, một sonotrode nhỏ hơn đặt rất nhiều năng lượng siêu âm vào một khu vực nhỏ, nơi như một sonotrode lớn hơn lan truyền sức mạnh trên một khu vực lớn hơn.

Khi homogeniser được sử dụng, tổng số công việc được thực hiện trên mẫu là sự kết hợp của Nguồn điện đầu vào của homogeniser, các âm lượng của mẫu và Thời gian nó bị phơi bày. Để có được kết quả tái tạo, chúng ta phải xem xét cả ba tham số. Đừng mong đợi đặt thiết bị vào một cốc nhỏ đầy chất lỏng trong hai phút và sau đó nhận được kết quả tương tự trong một lít chất lỏng trong cùng một khoảng thời gian! Tương tự như vậy, hãy nhớ rằng với kích thước mẫu nhỏ và đầu vào công suất cao, Nhiệt độ của mẫu sẽ tăng nhanh. Đối với các mẫu nhạy cảm với nhiệt độ, tốt hơn là sử dụng cài đặt công suất thấp hơn trong thời gian dài hơn, cho phép tiêu tan năng lượng đầu vào bởi bộ đồng nhất dưới dạng nhiệt.
Quá nóng mẫu cũng có thể gây ra một số mùi hương mà bạn đang cố gắng chụp để thoát khỏi hệ thống.
Đầu vào công suất cao cũng có thể gây ra sự xuống cấp của mẫu, như có thể thấy khi sử dụng một số loại dầu. Dầu khi tiếp xúc với các đầu vào năng lượng cao ở đầu đồng nhất có thể bị phá vỡ dẫn đến một hương vị rất khó chịu mà chỉ có thể được mô tả là hương vị của đốt điện!
Đối với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ, việc làm mát mẫu sẽ cải thiện kết quả, chẳng hạn như bằng cách sử dụng bồn nước đá hoặc đưa một ít đá khô vào mẫu. Sử dụng đầu vào năng lượng thấp hơn trong một thời gian dài hơn giúp phân tán năng lượng được giải phóng vào hệ thống, cũng như sử dụng thiết bị ở chế độ xung, cho phép làm mát giữa mỗi lần siêu âm.
Trong các thiết bị điện tử của bộ đồng nhất, người dùng có thể chọn vận hành thiết bị ở hai chế độ điều khiển chính.

Kiểm soát biên độ

Trong chế độ này, người dùng chọn % biên độ tối đa cần thiết cho sonotrode. Các thiết bị điện tử sau đó sẽ cố gắng điều khiển sonotrode ở biên độ đó và sẽ điều chỉnh công suất đầu vào của thiết bị để duy trì biên độ cần thiết tại sonotrode. Nếu diện tích bề mặt sonotrode quá lớn để điều khiển ở biên độ này với công suất khả dụng của thiết bị, biên độ sẽ không đạt đến giá trị cài đặt và có thể tắt nếu đạt đến điều kiện quá tải.

Điều khiển nguồn điện đầu vào

Trong chế độ này, người dùng đặt công suất đầu vào cần thiết theo watt và thiết bị điện tử sẽ điều chỉnh biên độ dao động để điều chỉnh công suất đầu vào cho cài đặt của người dùng. Chế độ này cho phép điều chỉnh năng lượng truyền vào chất lỏng và do đó nhiệt sinh ra trong chất lỏng bị hạn chế, tránh làm hỏng các mẫu nhạy cảm hơn.

chế độ xung

Ngoài hai chế độ hoạt động, còn có chế độ xung, theo đó thiết bị điện tử bật và tắt Chu kỳ, thời gian được người dùng đặt từ 10% thời gian và tắt 90% thành 90% thời gian và tắt 10%. Điều này mang lại hiệu ứng xung và hữu ích cho cả việc hạn chế công suất tổng thể đầu vào mẫu và tạo ra sự khuấy động tốt trong mẫu đến đầu vào ban đầu cao khi thiết bị điện tử ổn định trong mỗi chu kỳ làm việc.

Gợi ý và thủ thuật chung

Khi sử dụng chất đồng nhất để truyền hương vị, kết quả tốt hơn thu được khi chất rắn đã được giảm kích thước trước khi được đồng nhất, điều này sẽ làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với Sonotrode. Nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng khi sử dụng homogeniser cho giảm kích thước hạt. Hãy nghĩ về homogeniser như một công cụ hoàn thiện tốt, không phải là một máy xay khóa học! Trong việc giảm kích thước hạt, phần lớn công việc được thực hiện bởi các va chạm tốc độ cao của các hạt, tăng tốc các lực được tạo ra tại sonotrode. Kết quả tốt hơn nhiều sẽ thu được nếu một số giảm hạt được thực hiện trước khi sonication. Bắt đầu với việc giảm kích thước hạt khối lượng lớn đã được thực hiện có nghĩa là diện tích bề mặt lớn hơn được tiếp xúc với sonication và các hạt nhỏ hơn sẽ được gia tốc trong chất lỏng nhanh hơn, dẫn đến va chạm cao hơn với một lực để tiếp tục phá vỡ các hạt. Ít công việc hơn cũng sẽ cần phải được thực hiện bởi bộ đồng nhất, cho phép nhiệt độ được kiểm soát tốt hơn.
Vì homogeniser hoạt động ở mức độ khá cục bộ, nó rất hữu ích khi sử dụng với các mẫu lớn hơn vài trăm ml trở lên để cung cấp thêm khuấy động để đảm bảo rằng khối lượng xung quanh sonotrode được làm mới, đảm bảo sonication hoàn toàn của mẫu. Điều này đặc biệt đúng với nhiều hơn Nhớt Mẫu. Một máy khuấy từ tính tốt là một cách hữu ích để đạt được điều này. Sự khuấy trộn cũng giúp đảm bảo thể tích chất lỏng xung quanh sonotrode không bị quá nóng. Sử dụng bồn nước đá, hoặc các mảnh đá khô trong mẫu sẽ giúp loại bỏ năng lượng truyền qua quá trình âm thanh. Như đã thảo luận nếu vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ, hãy sử dụng cài đặt công suất thấp hơn trong một khoảng thời gian tăng và hoặc sử dụng chế độ xung để hạn chế nhiệt độ được tạo ra trong mẫu cho phép mẫu nguội đi giữa các xung âm thanh.

---

---

Văn học

• 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.

Sự thật đáng biết

Siêu âm mô homogenizers thường được gọi là thăm dò sonicator / sonificator, lyser âm thanh, siêu âm disruptor, máy mài siêu âm, sono-ruptor, sonifier, dismembrator âm thanh, phá vỡ tế bào, siêu âm disperser, nhũ hóa hoặc dissolver. Các thuật ngữ khác nhau là kết quả của các ứng dụng khác nhau có thể được thực hiện bằng sonication.