بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله مروری خلاصه بر اصول پایه فراصوت های با توان پائین و بالا مشخص و روش ها و کاربردهای آنها شامل نتایج مهم تحقیقات بیان خواهد گردید. این کاربردها شامل محصولات گوشتی، سبزیجات و میوه ها، فرآورده های غلات، غذاهای هوادهی شده، عسل، ژل ها، پروتئین ها، آنزیم های غذا، غیرفعال سازی میکروبی، انجماد، خشک کردن و استخراج می باشند.
فراصوت با توان پائین - فرکانس بالا - برای بررسی ترکیب و خواص فیزیکوشیمیایی ترکیبات و فرآورده های غذایی طی فرآوری و نگهداری مورد استفاده قرار می گیرد، که این برای کنترل خواص غذا و بهبود کیفیت آن ضروریست. از سوی دیگر فراصوت با توان بالا - فرکانس پائین - ، موجب تغییرات مکانیکی، فیزیکی، شیمیایی و بیوشیمیایی از طریق کاویتاسیون می شود، که آن به بسیاری از عملیاتهای فرآوری غذا نظیر استخراج، انجماد، خشک کردن، امولسیفیکاسیون و غیرفعال سازی باکتریهای بیماریزای سطوح در تماس با مواد غذایی یاری می رساند.
مقدمه:
فراصوت از امواج صوتی با فرکانس فراتر از محدوده شنوایی انسان تشکیل شده است. با تنظیم فرکانس، فراصوت می تواند در بسیاری کاربردهای صنعتی شامل غذا به کار گرفته شود - . - 1 تکنیک های فراصوت نسبتا ارزان، ساده و با مصرف انرژی پائین بوده و از این رو فناوری پیشرفته برای تحقیق و اصلاح فرآورده های غذایی می باشد - . - 3
اولتراسوند دارای تاثیرات مثبت در فراوری غذا نظیر بهبود انتقال جرم،حفظ غذا، تقویت کننده تیمارهای حرارتی و تغییر بافت و آنالیز غذاها می باشد. اولتراسوند با توان پائین جهت بهبود برنامه های ژنیتیکی غیرمخرب برای جانداران ارزیابی ترکیب محصولات گوشتی خام و تخمیر شده، ماهی و ماکیان مورد استفاده قرار می گیرد.
همچنین برای کنترل کیفیت میوه ها و سبزیجات تازه در هر دو حالت قبل و بعد از برداشت، پنیر حین فراوری، روغن های تجاری مخصوص پخت و پز،نان و فراورده های غلات، چربی توده ای و امولسیفیه شده پایه محصولات غذایی، ژل های غذایی، غذاهای منجمد و هوادهی شده مورد استفاده قرار می گیرد. اولتراسوند با توان بالا در فرکانس های بین 20-500kHz مورد استفاده قرار و مخرب و موجب تاثیراتی بر خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و بیوشیمیایی غذاها می شود.
این تکنولوژی جایگزینی برای عملیات های رایج بر غذاها برای کنترل ریزساختارها و اصلاح خصوصیات بافتی محصولات چرب - کریستالیزاسیون صوتی - ، امولسیفیکاسیون، کف زدایی، اصلاح خواص عملگرایی پروتئین های مختلف غذایی، غیرفعالسازی یا افزایش فعالیت آنزیمی جهت افزایش عمر ماندگاری و کیفیت محصولات غذایی، غیرفعالسازی میکروبی، انجماد، دیفراست، تغلیظ و خشک کردن انجمادی، خشک کردن و تسهیل استخراج غذاهای مختلف و ترکیبات زیست فعال می باشد 2 - ،. - 1 هدف از این مقاله ارائه اطلاعاتی جامع از مکانیزم، پارامترها و کاربردهای مختلف انواع فراصوت در فناوری، کنترل کیفی و نگهداری غذاها می باشد.
اصول پایه و مکانیسم عمل فراصوت:
در این قسمت کاربردهای فرصوت با توان بالا و پائین بر انواع محصولات و مواد با نوع مکانیسم عمل مورد بررسی قرار میگیرد. 1-1 مبانی پایه اولتراسوند با توان پائین برای آنالیز غذاها: انتشار صوت از میان مواد غذایی بشکل امواج مکانیکی سبب تناوب فشردگی و عدم فشردگی می شود. امواج اولتراسوند دارای خصوصیات طول موج، سرعت، فرکانس، فشار و دامنه می باشند.
واکنش امواج صوت با ماده، از طریق هر دو مکانیسم جذب و پراکندگی، سرعت و تضعیف امواج صوتی را تغییر می دهد. سرعت صوت حاصل فرکانس و طول موج بوده و امواج صوتی با فرکانس بالا طول موج کوتاه داشته و در حالیکه امواج با فرکانس پائین طول موج بلند دارند. سرعت صوت بوسیله دانسیته و الاستیسیته محیط بر طبق معادله نیوتنBلاپلاس تعیین می شود . - 1 -
سرعت فراصوت شکل جامد یک ماده از شکل مایع آن بیشتر است. برای آنالیز مواد غذایی، سرعت اولتراسوند به ساختار مولکولی و واکنش های بین مولکولی بسیار حساس بوده که اندازه گیری سرعت اولتراسوند برای تعیین ترکیب، ساختار، حالت فیزیکی و فرایندهای مولکولی مختلف مناسب می باشد - 1،. - 2 دیگر پارامترهای اولتراسوند که با بسیاری از خواص فیزیکوشیمیایی مواد مرتبط می باشند شامل ضریب تضعیف و اثر صوتی می باشند.
تضعیف در نتیجه از دست دادن انرژی امواج صوتی در نتیجه هر دو پدیده جذب و پراکندگی ایجاد می شود. جذب در تضعیف بیشتر مربوط به مواد هموژن و پراکندگی تنها در مواد هتروژن رخ می دهد. تضعیف تحت تاثیر سرعت، قابلیت فشردگی، جنس دیواره و اثرات پراکندگی و جذب می باشد که این عامل اطلاعاتی در مورد خواص فیزیکوشیمیایی مواد غذایی نظیر آرمیدگی مولکولی، ساختار میکروسکوپی، ترکیب پایه و اصلی، ویسکوزیته حجمی و رئولوژی، سینیتیک واکنش های شیمیایی سریع و اندازه قطرات و پایداری در امولسیونها می دهد - . - 1
همچنی ضریب تضعیف برای مواد معین وابستگی بسیاری به روش تولید داشته که این امر ممکن است در کنترل کیفیت برخی مواد غذایی مفید باشد. اثر صوتی محصول دانسیته و سرعت صوت عبوری از مرز مواد مختلف بوده که این تحت تاثیر ضریب انعکاس بوده و مواد با دانسیته های مختلف اثر صوتی متفاوتی خواهند داشت، که این نتیجه انعکاسات در مرز بین دو ماده با اثر صوتی متفاوت می باشد - . - 11
2.2 تکنیک های اندازه گیری اولتراسوند: تکنیک پالسBاکو: سیستم پالس اکو متشکل از سلول نمونه، مبدل و یک اسیلوسکوپ - نوسان نما - می باشد. یک مولد سیگنال جهت ایجاد پالس های الکتریکی یک شکل استفاده که پس از عبور از مبدل به پالس های فراصوت تبدیل می شوند. پالس ها از دیواره ظرف و نمونه عبور و پس از برخورد به دیواره مقابل منعکس و حین عبور از مبدل مجددا به سیگنال های الکتریکی تبدیل که در نوساننما ثبت می شوند و سرعت صوت و ضریب تضعیف توسط اکوهای دریافتی محاسبه می شوند - . - 8
تکنیک موج مداوم: این تکنیک انتقال درونی یا سراسری نیز نامیده می شود. این روش برای کنترل اندازه دماهایی چون کریستالیزاسیون، ذوب و .... بکار می رود. فرایند توموگرافی - پرتونگاری - : تصویر برداری اولتراسونیک - اولتراسونوگرافی - یک فناوری پزشکی است که بعنوان تکنیک تشخیصی کاربرد زیادی داشته و از مزایای آن نسبت به دیگر تکنیک های تشخیصی نظیر اشعه ایکس و NMR می توان به ایمنی، راحتی، سرعت زمان عمل، هزینه پائین، صحت و وضوح بالا اشاره نمود.
نتایج و بحث:
با در نظر گرفتن مکانیسم عمل و توان فراصوت، بطور کلی میتوان نتایج کاربردهای آن را در زمینههای زیر بیان نمود. فرآورده های گوشتی: فراصوت با توان پائین ابزاری سریع و مطمئن برای بهبود برنامه های اصلاح ژنیتیکی و پرورش دام های زنده است. امواج صوتی با فرکانس های مناسب بسته به عمق بافت نفوذ و از بافتهایی نظیر عضله، چربی، ارگان های داخلی حیوانات زنده را نشان می دهد که این ابزار مناسبی جهت مدیریت اصلاح و تحقیقات ژنیتیکی با شناسایی ترکیب ساختار بدن دام می باشد و همچنین میزان توسعه عضلانی در گوسفندان را نیز نشان می دهد.
میوه ها و سبزیجات: غذاهای گیاهی نظیر میوه ها و سبزیجات بدلیل داشتن بافت متخلل و منافذ زیاد و پراکنده نمودن صوت مواد بسیار تضعیف کننده ای هستند که این امر تشریح داده های آماری فراصوت را دشوار و بنابراین جهت ارزیابی بافت آنها نامناسب می باشد. کاربرد فراصوت برای کنترل کیفیت میوه ها و سبزیجات تازه قبل و پس از برداشت برجسته میباشد. تغییرات فیزیولوژیکی و فیزیکوشیمیایی مختلفی حین رشد و رسیدن،در مرحله برداشت، نگهداری رخ داده و اینکه چه ارتباطی بین اندازه گیریهای فراصوت و دیگر اندازه های فیزیکوشیمیایی نظیر سفتی، درصد ماده خشک، مقدار روغن، مواد جامد کل محلول و اسیدیته وجود و امکان ارزیابی غیرمستقیم زمان مناسب برداشت،انبارمانی و ماندگاری را می دهد - . - 12
مطالعات اخیر نشان که دامنه امواج اولتراسوند ارسالی به پوست میوه ها هنگامی که رنگ از سبز به زرد تغییر می کند افزایش یافته و بر ارتباط مناسب بین رسیدن و تضعیف صوت دلالت دارد. رسیدگی و مقدار قند آلو بوسیله اندازه گیری تضعیف فراصوت در بافت میوه که مرتبط با سفتی می باشد تعیین گردید که این مورد اهمیت بکارگیری پارامتر تضعیف را اثبات می کند، این روش قبلا برای شناسایی سیب زمینی های معیوب بکار می رفت.
فرآورده های غلات: نان اصلی ترین فرآورده غلات می باشد. بکارگیری فراصوت و تکنیک رئولوژی مرسوم نشان دهنده ارتباط قوی بین پارامترهای فراصوت - سرعت و تضعیف - و رئولوژی است، که این بر امکان استفاده از فراصوت برای کنترل کیفی خمیر بصورت on-line حالت دارد . - 9 - از دیگر اقدامات، توصیف فاز تخمیر طی تولید نان میباشد . - 6 - تکنیک سرعت فراصوت امکان جهت بررسی تغییرات در قوام خمیر آرد گندم تحت تأثیر پروتئین ها و غلات نیز املاح نشاسته، سریع و کم هزینه میباشد.
تخلخل ویژگی فیزیکی- مکانیکی مهمی است که بطور مستقیم با کیفیت فرآورده های نانوایی مرتبط است. برای بهینه سازی بافت و رئولوژی نان، ورود حباب های مواد طی مخلوط کردن خمیر نان و حفظ آنها تا هنگام تشکیل خمیر ضروریست . - 12 - از این رو حباب های هوا در محیط پرحباب - نظیر خمیر - تأثیر زیادی بر سرعت و تضعیف صوت داشته و وابسته به فرکانس موج می باشند. روش اندازه گیری مستقیم فراصوت در فرکانس پائین - جهت کاهش تضعیف - ، مناسب، سریع و غیرمخرب برای ارزیابی خواص بافتی فرآورده های نان می باشد . - 6 -
چربیها و امولسیونها: مواد غذایی مهمی هستند که در بسیاری محصولات غذایی بکار میروند. مقدار چربی جامد از محصولات غذایی حاوی مقادیر قابل ملاحظه ای چربی - نظیر، شکلات، کره، مارگارین، شورتنینگ و کرم ها - تعیین کننده بسیاری از خواص حسی نظیر بافت و احساس دهانی هستند - . - 3 اصوات با شدت پائین یک تکنیک تجزیه ای قوی برای شناسایی چربیهای خوراکی و روغنها و ارزیابی خواص فیزیکی و شیمیایی نظیر کریستالیزاسیون و دمای ذوب، مقدار چربی جامد، سفتی، مقدار روغن و ترکیب روغن می باشد . - 1 -
از دیگر کاربردهای فراصوت با توان پایین ارزیابی کریستالیزاسیون امولسیون هاست که نقش مهمی در کیفیت امولسیون های غذایی نظیر کره، مارگارین، خامه زده شده و بستنی دارند. کریستالیزاسیون و ذوب فاز روغنی در امولسیون همراه با تغییراتی در ساختار درونی آن، خواص مورفولوژیکی و... می باشد. بر اساس تفاوت در سرعت صوت درون جامدات و مایعات، اندازه گیری سرعت فراصوت جهت ارزیابی تغییر فاز و کریستالیزاسیون انواع روغن بادام، جزء میانی پالم و چربی هسته پالم در سیستم امولسیون آب در روغن بصورت موفقیت آمیزی بکار می رود . - 1 - دیگر کاربرد مفید اندازه گیری سرعت فراصوت برای ارزیابی پایداری امولسیون و مطالعه سینتیک کریستالیزاسیون است . - 3 -
غذاهای هوادهی شده: غذاهای هوادهی شده حاوی حبابهای هوای توزیع شده - پراکنده شده - در یک ماتریکس ویسکوالاستیک مایع یا جامد نظیر بستنی، خامه زده شده، محصولات قنادی، خمیر نان و دسرها میباشند . - 3 - عسل: عسل یکی از محبوب ترین، مشهورترین شیرینی های طبیعی است که ارزش غذایی بالا و اثرات درمانی دارد. عسل تقلبی می تواند با افزودن مقداری ساکارز، گلوکز تجاری، نشاسته، ژلاتین، آب و دیگر مواد تولید شود.
سینگ و همکاران تغییرات در خواص فیزیکی عسل نظیر دانسیته، ویسکوزیته و یکنواختی گزارش کردند که این موارد با تغییرات در سرعت فراصوت بعلت تقلبات منطبق بود. جهت کنترل کیفیت، اندازه گیری سرعت فراصوت راهی مؤثر جهت شناسایی محصول عسل تقلبی یا اطمینان از تقلب در عسل طبیعی می باشد . - 9 - ارزیابی فراصوتی انجماد غذاها: امکان محاسبه درصد انجماد غذا بعنوان تابعی از زمان که پیش بینی منطقی - معقول - از زمان مورد نیاز جهت تکمیل انجماد را می دهد.
در مطالعات دیگر، سرعت فراصوت تقریباً بصورت خطی با مقدار یخ در محلولهای سوکروز منجمد افزایش می یابد. فراصوت جهت تعیین دمای غذا و مقدار یخ با اندازه گیری سرعت صوت بکار می رود. فراصوت روش سریع و مناسب جهت ارزیابی سیستم های انجماد و دیفرات می باشد و می تواند با انواع زیادی از ظروف، اشکال و حالت های هندسی و مقادیر آب سازگار باشد.
