بخشی از مقاله
چکیده
فرآیند اولتراسوند تکنولوژیی نو در صنایع غذایی است. هنگامی که امواج اولتراسوند وارد محیط مایع می شوند، حباب های ریز درون مایعات با به هم پیوستن رشد می کنند. هنگامی که اندازه ی حباب ها به حد بحرانی می رسد، حباب ها منقبض شده و متلاشی می شوند و شرایط شدیدی درون حباب ها ایجاد می شود که کاملا مایع را فرا می گیرد و شامل نیرو های برشی شدید و جریانات اغتشاشی می باشد. این فرآیند اثرات فیزیکی ایجاد می کند که سبب افزایش کاربرد آن در صنایع غذایی و لبنی گردیده است.
از جمله ی این کاربرد ها می توان بهبود اولترافیلتراسیون - فراپالایش - پروتئین های آب پنیر، استخراج ترکیبات غذایی عملگر، کاهش گرانروی - ویسکوزیته - محصول، هموژنیزاسیون گلبول های چرب شیر، کریستالیزاسیون یخ و لاکتوز و برش پنیر، را نام برد. در این مقاله پس از معرفی تکنولوژی اولتراسوند، به معرفی برخی کاربرد های آن در صنایع لبنی و غذایی می پردازیم.
.1 مقدمه
علاوه بر روش های مرسوم مثل تیمار حرارتی، هم زدن مکانیکی، خشک کردن و انجماد، تکنواوژی های جدید گوناگونی برای بهبود کارایی فرآیند، انبار مانی1، نگهداری و خصوصیات عملگری محصولات لبنی و سایر محصولات فرآیند شده معرفی شده اند. از میان تکنولوژی های پدیدار شده در صنایع غذایی مثل فرآیند کردن با فشار فرا بالا 2، میدان های پالس الکتریکی3، استخراج با سیال فوق بحرانی4 و تیمار با لامپ های فرابنفش5، تیمار با اولتراسوند به عنوان یک تکتولوژی مجاز و منحصر به فرد برای فرآیند مواد غذایی خاص مثل محصولات لبنی، شناخته شده است
تا به امروز اغلب مطالعات روی سیستم های بسته صورت گرفته است که در آن ها حجم کمی از محلول در لوله هایی با مقیاس آزمایشگاهی در دوره ی زمانی مشخصی تحت تاثیر امواج فراصوت قرار می گیرند. با این حال سیستم هایی با مقیاس صنعتی و جریان مداوم که تحت تاثیر امواج اولتراسونیک قرار می گیرند، در دهه ی گذشته به صورت گسترده ای تولید شده اند.
در این سیستم ها، مایع به صورت مداوم درون لوله هایی که دارای ابزار های تولید کننده ی امواج صدایی هستند پمپ می شوند. اولتراسونیک به عنوان یک تکنولوژی مهم فرآیند مواد غذایی با قابلیت استفاده در مقیاس تجاری و بازگشت سرمایه مناسب محسوب می شود.
ماسون و همکاران[1] گزارش کردند اثرات مکانیکی و شیمیایی ایجاده شده توسط اولتراسوند فرکانس پایین- انرژی بالا برای غیر فعال سازی میکروب های بیماری زا در محصولات غذایی مفید است و فرآیند استخراج و ایجاد امولسیون را بهبود می بخشد.
ویلامیل و همکاران [3] به صورت مشابهی روی اثرات میکروبی اولتراسوند در سیستم های لبنی تمرکز کردند و سیستم های پاک سازی را توصیف نمودند. نور و همکاران[4] نیز مروری روی کاربرد و پتانسیل اولتراسونیک در فرآوری مواد غذایی انجام دادند و تمرکز منحصر به فردی روی کاربرد های مرتیط با پارامتر های کیفی و نگهداری مواد غذایی انجام داشتند. در این مقاله پس از معرفی تکنولوژی اولتراسوند، به معرفی برخی کاربرد های آن در صنایع لبنی و غذایی می پردازیم.
.1,1 اولتراسوند و کاویتاسیون صوتی
اولتراسوند به امواجی که فرکانس آن ها بالاتر از محدوده ای است که توسط گوش انسان قابل شنیدن باشد گفته می شود - بالاتر از 20 کیلو هرتز - . هنگامی که اولتراسوند با انرژی بالا به مایعی منتقل می شود، لرزشی قوی در مایع رخ می دهد. در صورتی که مایع حاوی ذرات جامد باشد، برای مثال اجزاء گیاهی مثل دانه ها، صدمات شدید ساختاری در این ذرات می تواند رخ دهد. این گونه اثرات لرزشی مکانیکی در فعالیت هایی مثل تمیز کردن و استخراج قابل استفاده هستند. اولتراسوند علاوه بر اثرات لرزشی مکانیکی، جریان صدایی1 درون مایعات ایجاد می کند[5] که می تواند اثر انتقال جرم را افزایش دهد و منجر به بهبود تمیز کردن و کارایی استخراج در برخی فرآیند های صنعتی شود.
با این حال در اغلب فرآیند های اولتراسونیک، اثرات مشاهده شده به دلیل کاویتاسیون صدایی است، که موجب رشد و فرو پاشی حباب های ریزی می شود که از قبل در مایع وجود داشته اند . اندازه ی حباب های ریز موجود در مایعات اگر در محدوده ی مناسبی باشد، هنگامی که تحت تاثیر اولتراسوند قرار می گیرند شروع به نوسان می کنند. هنگامی که انرژی صدایی به کار گرفته شده از آستانه ی حفره تجاوز کند، نوسان حباب های گاز شدید می شود و منجر به کاویتاسیون گذرا یا ثابت - گذرای تکراری - 2 می شود.
در کاویتاسیون گذرا در درجه اول امواج صدایی شاخی شکل3 در فرکانس 20 کیلو هرتز و امواج صدایی با شدت بالا شکل می گیرند که رشد حباب ها در سیکل های امواج صدایی کم رخ می دهد و محدوده ی اندازه ی طنین4 آن ها را جایی که حباب ها به سرعت متلاشی می شوند ایجاد می کند
به صورت کلی کاویتاسیون امواج صدایی در فرکانس های پایین - تقریبا 20 کیلو هرتز - نیرو های فیزیکی قوی تولید می کند - نیرو های برشی، اغتشاشی و غیره - و میزان رادیکال هایی که مجددا فعال شده اند نیز بسیار کم است. کاویتاسیون امواج صدایی در فرکانس های بالاتر 300-500 - کیلوهرتز - اثرات فیزیکی نسبتا ضعیف تری ایجاد می کند و میزان بیشتری از رادیکال هایی که از نظر شیمیایی فعال هستند را ایجاد می کند. فرکانس های بالاتر از 1 مگا هرتز عموما برای اهداف تصویر برداری غیر مخرب، مفید می باشد
انتخاب فرکانس برای کاربرد های خاص بر اساس نیاز به اثرات فیزیکی، شیمیایی و یا هردوی آن ها می باشد. برای مثال به منظور واکنش های پلیمریزاسیون امولسیونی، نیروی برشی قوی و تعداد مناسبی از رادیکال های اولیه مورد نیاز است. با این حال، برای کاربرد هایی مثل استخراج و تمیز کردن، در وحله ی اول اثرات فیزیکی مد نظر می باشد.
در فرآیند محصولات لبنی و غذایی،استفاده از اولتراسوند با فرکانس پایین ارجحیت دارد، زیرا اثرات فیزیکی قوی تر هستند و تولید و فعالیت رادیکال ها نیز ناچیز است. همچنین کوتاه بودن زمان قرار گرفتن در معرض اولتراسوند ارجحیت دارد. گذشته از این که مدت زمان کم سبب کارایی بالای انرژی به کار گرفته شده می شود، ریندر و همکاران[8] نشان دادند که زمان طولانی قرار دادن شیر در معرض اولتراسوند محدوده ی وسیعی از ترکیبات آلی فرار را تولید می کند که ممکن است دلیل ایجاد طعم باشد. آن ها ایجاد این ترکیبات را به واکنش هایی تجزیه ای درون حباب ها و رادیکال های آزاد تولید شده در اثر اکسیداسیون چربی ها که ناشی از تجزیه هیدروپراکسید های اسید های چرب غیر اشباع است، نسبت دادند.
.2 کاربرد اولتراسوند در فرآیند محصولات لبنی
اولتراسوند قبلا نفوذ گسترده ای در فرآیند محصولات لبنی داشته است. اغلب کاربرد های این تکنیک در ابزار های برشی بوده است. در این دستگاه ها از لرزش های صوتی با فرکانس های بالا - 20-35 کیلو هرتز - به منظور ایجاد سطوح صاف و دقیق برش پنیر های سخت و نرم و کاهش ضایعات، استفاده می شود. اولتراسوند به عنوان روشی تجاری برای درز بندی بسته های شیر و بسته بندی پنیر رنده شده، در فرآیندی که جوش اولتراسونیک2 نامیده می شود، به کار گرفته می شود و حرارت مورد نیاز آن از طریق فرآیند های کاویتاسیونی ایجاد شده توسط اولتراسوند جهت درز بندی مناسب بسته های پلاستیکی تامین می شود.
.1,2 تصویر برداری با اولتراسونیک
تغییرات در سرعت و دامنه ای امواج صدایی مثل اولتراسوند با فرکانس بالا - فرکانس بالاتر از 1 مگاهرتز - که به درون نمونه نفوذ می کند، اطلاعات دقیقی از خصوصیات الاستیکی ماده ارائه می دهد.[10] برای مثال کاردیگ و همکاران[11] از اسپکتروسکوپی اولتراسونیک برای مشاهده ی انعقاد - تولید ژل - ترکیبات شیر استفاده کردند. این پژوهش با اندازه گیری سرعت و کاهش دامنه امواج اولتراسوند در فرکانس های مختلف صورت گرفت.
وانگ و همکاران[12] از اولتراسوند با شدت پایین برای اندازه گیری خصوصیات انعقادی محلول های کازئینی پس از اعمال تیمار حرارتی، استفاده کردند. تصویر برداری با اولتراسونیک نیز به منظور مطالعه ی بهبود ساختار در پنیر های مختلف[13]، کاهش زمان در فرآیند پنیر سازی[14]، بررسی خصوصیات رئولوژیکی پنیر[15]، تغییرات ساختاری پنیر در اثر حرارت[16] و رسیدگی پنیر[17] به کار گرفته می شود.
.2,2 گاز زدایی
تشکیل کف در مایعات شیری در طول فرآیند می تواند میزان محصول نهایی را کاهش و کیفیت محصول در اثر اکسیداسیون را افزایش دهد. ویلامیل و همکاران[18] از اولتراسوند پالسی با فرکانس 20 کیلوهرتز به منظور گاز زدایی شیر پس چرخ بازسازی شده، استفاده کردند. با این که حباب های گازی در کمتر از 5 دقیقه در معرض اولتراسوند به راحتی از بین رفتند ولی محتوای اکسیژن محلول حتی پس از 20 دقیقه نیز کاهش چشمگیری نداشت.
ریرا و همکاران[19] نشان دادند که اولتراسوند هوایی3 - با مولکول های هوا - برای به حداقل رساندن کف موثرتر است. تقاضای مصرف کنندگان برای مواد غذایی تازه تر، با کیفیت تر و از لحاظ میکروبی سالم و مقاوم تر، تحقیقات را به سمت روش های غیر حرارتی غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها و آنزیم ها سوق داد. طی فرآیند غیر حرارتی، دمای مواد غذایی زیر حد نرمال به کار گرفته شده در فرآیند های حرارتی حفظ می شود، بنابراین کمترین کاهش کیفیت مواد غذایی مورد انتظار است.
