بخشی از مقاله
چکیده هدف:
اولتراسوند روش شناخته شده ای است که اثرات قابل توجه ای در فرآیندهای صنعت غذا دارد وامروزه به طور موثری در بخش های متعدد از جمله منجمد کردن، بریدن، خشک کردن، Tempering، آنزیم بری، استریل کردن و استخراج در صنعت غذا به کار می رود. هدف این مطالعه بررسی جدیدترین یافته ها در مورد کاربردهای این تکنیک در تکنولوژی مواد غذایی از جمله در زمینه های فرآیند، نگهداری و استخراج می باشد. همچنین این پژوهش جزئیاتی در مورد: تکنولوژی - فناوری - ، تکنیک و اقدامات احتیاطی لازم در مورد استفاده از این روش فرآیندی جدید را فراهم می آورد.
نتایج و بحث: مطالعات حاکی از آن است که جایگزینی این روش با دیگر فرایندهای مواد غذایی سبب افزایش بازده فرآیند، کاهش مدت زمان فرآیندها، کاهش هزینه ها، سهولت انجام کار، افزایش خلوص محصول نهایی، حذف نیاز به تصفیه فاضلاب و مصرف میزان کمتری از انرژی و زمانی است که به طور معمول برای فرآیندهای متعارف لازم می باشد.
مزایای کاربرد اولترسوند برای فرآیندهای غذایی شامل: هم زنی موثر به ویژه در سطح میکرو، انتقال سریع تر جرم و انرژی، کاهش گرادیان های دما و غلظت، کاهش درجه حرارت، امکان استخراج انتخابی، کاهش حجم تجهیزات، پاسخ سریع تر به کنترل فرآیند استخراج، امکان راه اندازی سریع تر، افزایش تولید و کاهش تعداد مراحل فرآیندها می باشد. محققین بر این عقیده اند که اثرات موثر اولتراسوند در فرآیند های غذایی تحت تاثیر بروز کاویتاسیون و افزایش انتقال جرم می باشد.
نتیجه گیری کلی: با توجه به یافته های موجود اولتراسوند می تواند روش بسیار موثری به ویژه در بخش های فرآیند، نگهداری و استخراج مواد غذایی باشد. اما به دلیل محدودیت اطلاعات موجود در زمینه امکان کاربرد این تکنیک در سطوح صنعتی، استفاده از آن با محدودیت های بسیاری مواجه است.
اطلاعات کلی
التراسوند نوعی از انرژی می باشد که توسط امواج صوتی با فرکانس فراتر از محدوده شنوایی انسان که 16 N+] است، ایجاد می شود . - 1 - زمانی که امواج التراسوند در یک ساختار بیولوژیکی منتشر می شود سبب القای انبساط و انقباض در ذرات محیط شده و در نتیجه آن میزان بالایی از انرژی در محیط پخش می شود. مستقل از فرکانس و دامنه صوتی که به کار گرفته می شود، این امواج سبب ایجاد یکسری اثرات فیزیکی، شیمیایی و بیوشیمیایی می شوند که امکان استفاده از آن ها را در کارهای مختلف فراهم نموده است
اولتراسوند برای اهداف بسیار متنوعی همچون برقراری ارتباط با حیوانات، یافتن ترک های موجود در ساختمان های بتونی، ساختن مواد شیمیایی ظریف و در درمان بیماری ها، کاربرد دارد. با وجود استفاده های گسترده و متنوعی که از این امواج می شود اما مطالعات در مورد آن محدود بوده و جز علوم جدید می باشد. قدیمی ترین کاربرد امواج التراسوند به اوایل قرن بیستم برمی گردد که در این سال ها معمولا برای کارهای تشخیصی استفاده می شد و استفاده از التراسوند در فرآیندها حتی به سال های خیلی پیش تر نسبت داده شده است . - 5 - دسته بندی زمینه های کاربرد اولتراسوند براساس میزان انرژی امواج مورد استفاده می باشد، که گزارش میزان انرژی امواج با واحدهایی مثل توان صدا - : - ، دانسیته صدا - :?P2 - یا دانسیته انرژی صدا - - P. :V-3 صورت می گیرد
امواج التراسوند کاربردی به طور معمول به دو دسته تقسیم می شود:اولتراسوند با انرژی کم و اولتراسوند با انرژی بالا. اولتراسوند با انرژی کم - قدرت کم یا دانسیته کم - همان استفاده از امواج با فرکانس های بالای N+] 100 در شدت های زیر 1:.FP-2 می باشد. در التراسوند با شدت کم سطح انرژی بسیار پایین است به گونه ای که این امواج هنگام گذر از ساختار مواد هیچ تغییر فیزیکی و شیمیایی را در خصوصیات آن ها ایجاد نمی کنند، به همین دلیل در حالت کلی به این امواج غیرمخرب می گویند. مهم ترین کاربرد التراسوند با شدت کم در صنعت غذا اغلب به عنوان یک روش آنالیتیکی برای جمع آوری اطلاعاتی در مورد خصوصیات فیزیکوشیمیایی غذاها مثل ترکیب،ساختار و حالت فیزیکی آن ها می باشد
استفاده از اولتراسوند نسبت به دیگر روش های آنالیتیکی ارجحیت دارد چرا که سرعت عمل آن بالا، غیر مخرب، دقیق، کاملا خودکار بوده و امکان استفاده از آن هم در آزمایشگاه و هم در خط تولید وجود دارد. یکی از گسترده ترین و نویدبخش ترین کاربردهای اولتراسوند برای سنجش ترکیبات مواد می باشد. سرعت اولتراسوند در بافت ماهی، مرغ و مخلوط های گوشت خام وابسته به ترکیبات آن می باشند
گروه دیگر اولتراسوند با انرژی بالا - قدرت بالا، شدت بالا - می باشد که شدت های بالاتر از 1:.FP-2 - معمولا بین - 1000-10 :.FP-2 و فرکانس های بین 100- 18 N+] را دربرمی گیرد 4 - و . - 7 اثرات فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی این امواج منجر به ایجاد تغییرات در خصوصیات مواد مثل درهم گسیختگی فیزیکی و افزایش سرعت برخی واکنش های شیمیایی می شود
اولتراسوند با شدت بالا سال هاست که برای تهیه امولسیون ها، درهم گسیختن سلول ها و پخش نمودن مواد توده شده به کار می رود. اخیرا زمینه های مختلف با پتانسیل بیشتری برای توسعه در آینده شناسایی شده اند، به عنوان مثال اصلاح و کنترل فرآیندهای تبلور، گاز زدایی غذاهای مایع، غیرفعال سازی آنزیم ها، افزایش راندمان خشک کردن و فیلتراسیون و کاهش واکنش های اکسیداسیون نمونه هایی از این زمینه های جدید می باشند 3 - ، 7، 9 و . - 10 استفاده مفید از انرژی صوتی زمانی تحقق می یابد که اثرات گوناگونی که اولتراسوند هنگام گذر از محیط برجا می گذارد بررسی و مشخص شود.امواج اولتراسوند که در این دامنه قرار دارند با انتشار در محیط از طریق ایجاد فشار بسیار زیاد، برش و گرادیان دمایی منجر به ایجاد تغییرات فیزیکی، مکانیکی یا شیمیایی در خصوصیات مواد موجود در آن محیط می شوند.
طی یک فرآیند صوتی، زمانی که امواج صوتی با محیط مایع مواجه می شوند امواج طولی در محیط شکل می گیرد، بنابراین مناطق متناوب انقباض و انبساط تشکیل می شوند. تغییرات فشار در این مناطق منجر به تشکیل حباب های گاز و به دنبال آن بروز پدیده کاویتاسیون می شود. حباب های حاصل رفته رفته با ورود گاز به داخل آن ها رشد می کنند، نهایتا به نقطه ای می رسد که انرژی اولتراسوند فراهم شده برای حفظ فاز گازی داخل حباب ها کافی نیست لذا گاز داخل حباب ها به سرعت کندانس می شود، حباب ها به طور ناگهانی متلاشی می شوند و امواج ضربه ای شکل می گیرد.
این امواج ضربه ای ایجاد مناطقی با فشار و دمای بسیار بالا می کنند که دما و فشار در این مناطق به ترتیب تا بالای 5500 درجه سانتی گراد و فشار 50 میلی پاسکال می رسد 1 - و . - 10 توان اولتراسوند برای ایجاد کاویتاسیون وابسته به خصوصیات امواج اولتراسوند - مثل فرکانس و شدت - ، ویژگی های ماده در معرض - مثل ویسکوزیته و کشش سطحی - و شرایط محیط - مثل دما و فشار - است. شدت اولتراسوندی که منجر به ایجاد پدیده کاویتاسیون شود بالای 100 :.FP-2 می باشد
کاربرد در صنعت غذا
گسترش استفاده از اولتراسوند در فرآیند غذا به سال های ماقبل جنگ جهانی دوم برمی گردد که در برخی تکنولوژی ها از جمله امولسیفیه کردن و تمیز کردن سطوح استفاده می شد. در دهه 1960 استفاده های صنعتی از قدرت اولتراسوند پذیرفته شد و برای تمیز کردن و جوش پلاستیکی مورد استفاده قرار گرفت
نخستین بار امکان استفاده از امواج با شدت پایین برای بررسی خصوصیات غذاها حدود 60سال پیش مطرح گردید. با این حال پتانسیل کامل استفاده از این تکنیک اخیرا محقق شده است . - 12 - صنعت غذا به طور فزاینده ای به اهمیت گسترش روش های آنالیتیکی جدید پی برده است چرا که بدین طریق قادر خواهد بود مواد غذایی پیچیده را مورد مطالعه قرار دهد و خصوصیات مواد را در طی فرآیند ارزیابی نماید. دستگاه اولتراسوند می تواند به طور کاملا اتوماتیک بوده و سنجش های سریع و دقیق انجام دهد. اولتراسوند غیر مخرب بوده، به راحتی می تواند برای استفاده در خط تولید آماده شود و قابل استفاده برای تجزیه تحلیل سیستم های نوری می باشد
می توان گفت در صنعت غذا اولتراسوند قابل استفاده درتمام فرآیندها می باشد. تاکنون اکثر کاربردهای اولتراسوند در صنعت غذا مربوط به آنالیزهای غیرمخرب به ویژه ارزیابی کیفیت مواد غذایی بوده است. نمونه هایی از استفاده از چنین فناوری هایی در یافتن محل جسم خارجی در مواد غذایی، تجزیه و تحلیل اندازه قطرات در امولسیون های چربی ها و روغن های خوراکی و تعیین میزان تبلور در قطرات امولسیون پراکنده، می باشد
رابطه بین خواص اولتراسونیک مواد غذایی - سرعت، ضریب افت قدرت امواج و مقاومت ظاهری - و ویژگی های فیزیکوشیمیایی آن ها - ترکیب، ساختار و حالت فیزیکی - اساس تجزیه و تحلیل اولتراسونیک است. این رابطه می تواند یا به صورت تجربی از طریق تهیه یک منحنی کالیبره از ویژگی های وابسته به خواص اولتراسوند اندازه گیری شده حاصل شود، و یا به شکل تئوریکی با استفاده از فرمول هایی که انتشار اولتراسوند را از میان مواد توضیح می دهد، بدست آید
با تعیین میزان افت یک پالس اولتراسوند می توان میزان هموژن شدن چربی شیر را تعیین نمود. با سنجش سرعت امواج اولتراسوند در محیط به همراه میزان افت آن ها می توان شدت امولسیفیه شدن این گونه مواد را مشخص نمود. همچنین این امواج این امکان را به وجود می آورند که فاکتورهایی مثل میزان خامه ای شدن یک نمونه - یعنی حرکت ذرات جامد/قطرات چربی به سطح - تعیین شود. چنین اطلاعاتی جزئیاتی مثل پایداری طولانی مدت آب میوه ها و امولسیون هایی چون مایونز را مشخص می کند. ترکیبی از اندازه گیری سرعت و میزان افت به عنوان روشی برای آنالیز چربی ها و روغن ها خوراکی می باشد بعلاوه برای تعیین میزان کریستال شدن و ذوب شدن قطرات امولسیون پراکنده به کار می رود
در سال های اخیر تکنولوژی مواد غذایی به استفاده از قدرت اولتراسوند در فرآیند غذاها توجه ویژه نموده است. قدمت آن به سال 1927، زمانی که مقاله ای با عنوان "اثرات شیمیایی امواج صوتی با فرکانس بالا " منتشر شد، برمی گردد
اثرات فیزیکی، مکانیکی یا شیمیایی امواج اولتراسوند که در این محدوده قرار دارند از طریق ایجاد فشار شدید، برش و گرادیان دمایی در محیطی که انتشار می یابند سبب تغییر خصوصیات مواد - مثل اخلال در یکپارچگی فیزیکی، افزایش سرعت برخی واکنش های شیمیایی - می شوند . - 4 - در مجموع کاربردهای اولتراسوند با قدرت بالا وابسته به اثرات پیچیده ارتعاش اعمال شده، می باشد که تولید کاویتاسیون در مایعات یا بافت های بیولوژیکی می کند. علاوه بر کاویتاسیون، اولتراسوند این توانایی را دارد که ساختار فیزیکی مواد و محیط ها را تضعیف کند
یکی از بیشترین و قدیمی ترین کاربردهای قدرت اولتراسوند برای تمیز کردن می باشد که فن آوریی بسیار موثر در این زمینه می باشد . - 4 - تمیز کردن سطوح برای دامنه ی وسیعی از کارها - مثل سنسورها، فیلترها، مواد اولیه، راکتورها، کاتالیزورها و مبدل های حرارتی - قابل استفاده است. اولتراسوند روش موثری برای تمیز کردن درجا بوده و مزایایی چون کاهش مصرف مواد شیمیایی، کاهش ارتباط مستقیم کارگرها با تمیزکننده های شیمیایی خطرناک، افزایش سرعت تمیز کردن، بیشترین امکان تمیز شدن - فعالیت امواج اولتراسوند در حد میکرو می باشد بنابراین به پیچیده ترین نقاط خواهد رسید - ، عملکرد اتوماتیک و کاهش هزینه انرژی، کارگر و فضا را دارد
زمینه های استفاده از قدرت التراسوند در صنعت غذا بسیار گسترده است. یکی از جدیدترین کاربردهای در فرآیند تهیه امولسیون هاست. امولسیون های تهیه شده با استفاده از اولتراسوند اغلب پایدارتر از روش های معمولی می باشد و در صورت نیاز به کاربرد مواد فعا ل سطحی مقدار مصرف آن بسیار محدود می شود
تحقیقات نشان می دهد که استفاده از اولتراسوند به عنوان یک روش کمک فرآیند می تواند زمان تهیه ماست را تا %40 کاهش دهد. علاوه بر این، امواج دهی میزان وابستگی فرآیند را به منشا شیر حاصل کاهش داده و از طرف دیگر قوام وبافت محصول را بهبود می دهد. همچنین مشخص شده است که قرار گرفتن تخم ماهی در معرض امواج اولتراسوند با فرکانس 1 مگاهرتز به مدت 35 دقیقه، برای 3 بار در روز زمان لازم برای جوجه کشی را از 72 ساعت به 60 ساعت تقلیل می دهد. گزارشات بسیاری در مقالات آمده است که نشان داده تیمار بذرها قبل از کاشت، روش موثری برای بهبود عملکرد دانه ها می باشد
یکی از کاربردهای اصلی امواج اولتراسوند، شکستن دیواره سلولی و تسهیل خروج مواد می باشد. این عمل سبب افزایش انتقال مواد به سمت آنزیم ها شده و لذا فعال شدن آنزیم ها را در پی دارد. از طرف دیگر اولتراسوند از طریق بروز پدیده کاویتاسیون می تواند عاملی برای بازدارندگی آنزیم ها باشد . - 13 - - 1937 - &KDPEHUV گزارش کرد که پپسین خالص تحت تاثیر امواج صوتی غیرفعال شد و احتمالا این اثر در نتیجه کاویتاسیون می باشد. با اعمال امواج اولتراسوند برای مدت بیش از سه ساعت فعالیت آنزیم پراکسیداز که عامل ایجاد بدطعمی و پیگمان های قهوه ای رنگ می باشد به تدریج تا حدود %90 کاهش یافت
امواج اولتراسوند به طور معنی داری سبب بهبود استخراج ترکیبات آلی از بافت گیاهان و دانه ها می شود. اثرات مکانیکی اولتراسوند سبب افزایش نفوذ حلال به داخل بافت سلولی مواد و بهبود انتقال جرم می شود . - 13 - از طرف دیگر آسیب دیواره های سلولی بافت های بیولوژیکی سبب تسریع آزاد سازی محتویات سلولی می شود. در کنار این انتقال جرم به دلیل اثرات ناشی از میکروجریان ها سبب افزایش استخراج قند می شود
فراصوت سبب تسریع انتشار قند شده و میزان بالایی از ماده خشک و قند را در نوشیدنی نهایی حاصل نمود . - 17 - در بعضی موارد فراصوت سبب افزایش استخراج موثر ترکیبات خالص تر در دماهای پایین و زمان کوتاه تر می شود . - 13 - با استفاده از اولتراسوند استخراج موادجامد از برگ های چای تا حدود %20 بهبود یافت. محققین اعلام کردند که بخش اعظم مواد در 10 دقیقه اول اعمال فراصوت استخراج می شوند
ثابت شده است که قدرت اولتراسوند در فرآیندهای کریستالیزاسیون بسیار موثر می باشد و اثرات سودمندی را در جهت آغاز هسته دهی و به دنبال آن تشکیل و رشد کریستال ها دارد 13 - و . - 19 همچنین اولتراسوند برای انجام فیلتراسیون کاربرد دارد. به عنوان مثال میزان رطوبت ماده حاوی %50 آب به سرعت به %25 کاهش می یابد در حالی که در فیلتراسیون های مرسوم حداکثر تا %40 می رسد
مثال دیگری از کاربردهای اولتراسوند اهمیت اقتصادی آن در خشک کردن است. خشک کردن تحت تاثیر امواج صوتی سبب می شود که این فرآیند در دماهای پایین تر از روش های معمول انجام شده و لذا احتمال اکسیداسیون یا آسیب مواد کاهش می یابد. با استفاده از امواج اولتراسوند، انتقال گرما بین سطح جامد گرم شده و مایع تا %60-30 افزایش می یابد
