بخشی از مقاله
گرمایش مقاومتی یا Ohmic Heating
چکیده
اهمیک هیتینگ (OH) به عنوان فرآیندی تعریف میشود که جریان الکتریکی با هدف اولیه حرارت دادن غذا، از آن عبور کند. در OH هیچ نیازی به انتقال حرارت از طریق سطح مشترک جامد-مایع یا داخل ذرات جامد نمیباشد بلکه انرژی مستقیما در غذاها پراکنده میشود. پتانسیل استفاده از OH برای فرایندهایی از قبیل آنزیم بری، تخمیر، استخراج، استریلیزاسیون و پاستوریزاسیون وجود دارد. علاوه بر حرارت دادن داده های تحقیقاتی نشان میدهد که میدان الکتریکی بهکار گرفته شده برای OH موجب الکتروپوراسیون غشای سلولی میشود. کیفیت ماده غذایی در این روش حرارت دهی به دلیل حرارت دهی یکنواخت و سریع بالا می باشد.
واژههای کلیدی: اهمیک هیتینگ، ویژگی های رئولوژیکی، هدایت الکتریکی.
420
مقدمه:
غیرفعال سازی میکروارگانیسم ها در تعداد زیادی از کاربردهای صنعتی حائز اهمیت است. با توجه به ایمنی محصول و کنترل کیفیت، غیرفعال سازی میکروبی، یک شاخص کلیدی در فرایندهای تولید غذا شناخته شده است. وجود تعداد زیاد ریزسازوارههای مشخص یا همچنین وجود ریزسازواره های نامطلوب موجب ایجاد فساد محصول، کاهش کیفیت (ماند ظهور تغییرات، بوی بد، مزه بد، تخریب رنگ و غیره) و مشکلات مربوط به سلامتی (مانند بروز انواع بیماریها) میگردد. برای مثال، تصور میشود که پختن ناکافی علت اصلی شیوع سالمونلا است. موادی که شامل آب کافی و الکترولیتها هستند به عبور جریان الکتریکی اجازه میدهند و بنابراین فرایند OH میتواند برای تولید حرارت در این مواد بهکار رود. حرارت دهی به صورت تبدیل انرژی داخلی از الکتریکی به حرارتی صورت می گیرد. بنابراینOH میتواند بهعنوان یک فناوری تولید انرژی حرارتی داخلی درنظر گرفته شود و فقط به عنوان یک انتقال انرژی حرارتی نمیباشد. گرمایش مقاومتی ما را قادر میسازد تا مواد غذایی را با سرعت خیلی زیادی (از چند ثانیه تا چند دقیقه) حرارت دهیم. این فرایند همچنین تحت شرایط مشخصی، ذرات جامد بزرگ و سیال دربرگیرنده را در سرعت مشابه حرارت میدهد بنابراین گرمایش مقاومتی این امکان را ایجاد می کند تا از روشهای HTST و UHT برای مواد جامد یا معلق استفاده کنیم تا کیفیت محصول نهایی را افزایش دهد و بر ارزش محصول بیافزاید. این ویژگیهای مطلوب بهندرت با روش حرارتدهی متداول بهدست میآید. بنابراین فرایند کردن اسپتیک سیالات با ویسکوزیته بالا به عنوان پرکاربردترین مورد استفاده از گرمایش مقاومتی در صنعت غذا مورد توجه قرار گرفته است. هنوز بیشتر موارد کاربرد گرمایش مقاومتی در انتظار بهرهبرداری تجاری هستند .(Knirsch et al., 2010)
از فاکتورهای بحرانی در فرایند حرارتی، تاریخچه حرارتی و تعیین مکان نقطه سرد است. تعیین مکان نقطه سرد در طی گرمایش مقاومتی به ملاحظه خاصی نیازمند است زیرا که دانش جاری درمورد حرارت دهی متداول نمی تواند با تکنولوژی گرمایش مقاومتی مقایسه شود. در یک ماده غیرهمگن ازقبیل انواع سوپ که شامل قطعات جامد غذا است، هدایت الکتریکی ذرات و ارتباط آن با هدایت الکتریکی سیال به عنوان یک شاخص بحرانی درنظر گرفته شده است. برای اطلاع از سرعت حرارت دهی ذرات تحت گرمایش مقاومتی، کنترل هدایت الکتریکی مناسب، ضروری است تا گرمایش مقاومتی را به صورت موفقیت آمیزی به کار بریم. سرعت حرارت دهی ذرات در سیال وابسته به هدایت الکتریکی نسبی فازهای سیستم و حجم نسبی این فازها می باشد. به هر حال در شرایطی که غلظت ذرات بالاست، ذراتی که هدایت الکتریکی پایینی دارند ممکن است سریع تر از سیالی که آن ها را دربرگرفته است، حراررت ببینند. در حقیقت هدایت الکتریکی تابعی از ساختار مواد است و اغلب با حرارت دادن تغییر می کند . ولی در برخی از غذاها اثر حرارت دهی کلی روی این فاکتور خیلی کوچک است که نیازی به تغییر الگوی هدایت الکتریکی نیست .(Fellows, 2009)
Later و همکاران (1993) نفوذ محلول نمک را برای بهبود هدایت الکتریکی بافت سبزیجات پیشنهاد کردند. لذا افزایش دادن مواد الکترولیتی در غذاها ممکن است از طریق تزریق نمک با خیساندن یا آنزیم بری مواد جامد در محلول نمک انجام شود که این ممکن است به عنوان یک پیش تیمار برای غذاهای حاوی مواد جامد استفاده شود تا حرارت دهی یکنواختی به دست آید. البته درصورتی که ترکیب و دیگر ویژگی های غذا به مقدار زیادی تحت تأثیر قرار نگیرد. ولی عیب این روش این است که خیساندن در دمای پایین زمان بر است. وقتی بافت سبزی حرارت ببیند، تغییرت ساختاری مانند تجزیه دیواره سلولی، آسیب به بافت، افزایش رطوبت متحرک و نرم شدن اتفاق می افتد که هدایت الکتریکی را تحت تأثیر قرار می دهد. بنابراین هرچه حرارت دهی رطوبت متحرک بیشتری تولید کند، حرکت یونی را افزایش می دهد که موجب افزایش هدایت
الکتریکی می گردد. همچنین مشاهده شد که یک محدودیت زمانی 6-5 دقیقه ای در فرایند آنزیم بری قارچ وجود داشت که موجب ایجاد چروکیدگی و کاهش تخلخل مواد و بنابرین کاهش هدایت الکتریکی می شود. گوشت مرغ آنزیم بری شده یک افزایش قابل توجه در هدایت الکتریکی نشان نداد. هنگامی که محتوی یونی در گوشت مرغ بعد از آنزیم بری افزایش می یابد، به علت نفوذپذیری پایین آن، حرکت یونی کل ممکن است کاهش یابد. این اثر متضاد ممکن است علت این باشد که چرا تنها یک افزایش کوچک در گوشت مرغ مشاهده می شود. بنابراین زیرساختار مواد نیز ممکن است در هدایت الکتریکی نقش داشته باشد. Wang و همکاران در 2001 نشان دادند که هدایت الکتریکی خیزران، نیشکر، کاهو و خردل اگر در طول و یا عرض ساقه اندازه گیری شود می تواند متفاوت باشد. آن ها همچنین استدلال می کنند که تفاوت در هدایت الکتریکی مواد مشابه باید به وسیله زیرساختار بافت به جای ترکیب شیمیایی نسبت داده شود. درمیان علل اصلی تغییر هدایت الکتریکی در غذاها طی گرمایش مقاومتی، بی ثباتی غشاهای سلولی مسول اصلی اثر برای کاهش مقاومت ظاهری سیستم است ولی موارد دیگری ازجمله پارگی سلول، چروکیدگی بافت، تغییر فاز، آبزدایی، ژلاتینه شدن نشاسته، حرکت و تغلیظ نمک، حرکت رطوبت، میزانpH ، حضور چربی یا دیگر مواد غیررسانا نیز تأثیرگذاراست.
مکانیسم اصلی غیر فعال سازی ریزسازواره ها در گرمایش مقاومتی در حالت عادی، حرارت است. تحقیقات اخیر مشخص می کند که گرمایش مقاومتی ممکن است آسیب سلولیِ غیرحرارتی ملایمی را به علت میدان الکتریکی، ایجاد کند. دلیل اصلی برای اثر اضافی تیمار مقاومتی، ممکن است فرکانس پایین آن 60-50) هرتز) باشد که به دیواره سلولی اجازه می دهد ایجاد بار کرده و تشکیل حفرات بدهد. به عنوان یک نتیجه اصلی این اثر، مشاهده شد که عدد D برای غیرفعال سازی میکروبی تحت گرمایش مقاومتی در مقایسه با روش حرارت دهی متداول کاهش یافت. این کاهش برای باسیلوس لی چنی فورمیس، ایکلای، باسیلوس سابتیلیس، استرپتوکوکوس ترموفیلوس، بایسوکلامیس فولوا مشاهده شد. Pereira و همکاران (2007) عدد D و Z پایین تری را برای غیرفعال سازی ایکلای و باسیلوس لی چنی فورمیس با استفاده از گرمایش مقاومتی
گزارش کردند. در این تحقیق با مقایسه حرارت دهی متداول با گرمایش مقاومتی، تاریخچه حرارتی نمونه هایی که آنالیز شده اند، تنظیم شد تا نظیر هم باشند.
در مطالعه ای که در سال 1999 توسط Cho و همکاران بر روی سینتیک غیرفعالسازی باسیلوس سابتیلیس و B.athrophaeus با حرارت دهی مرطوب متداول و گرمایش مقاومتی انجام گرفت مشاهده شد که کاربرد میدان الکتریکی در دمای مشابه منجر به زمان غیرفعال سازی حرارتی کمتر می شود. برای مثال عددD در دمای 92/3 درجه تا یک دقیقه در هنگام استفاده از روش گرمایش مقاومتی در مقایسه با حرارت دهی متداول کاهش یافت. بنابراین ممکن است استنتاج شود که غیرفعال سازی میکروبی به وسیله میدان الکتریکی اعمال شده طی فرایند حرارتی تحت تأثیر قرار می گیرد. برخی محققان مشاهده کردند که در هنگام استفاده از گرمایش مقاومتی عدد D اندکی کمتر برای غیرفعال سازی زیگوساکارومایسزبایلی و اشریشیاکلی در دمای کمتر از 56 درجه ایجاد می شود و اگرچه این عدد D در مقایسه با حرارت دهی متداول کمتر بود ولی یک مقایسه آزمون t در سطح اطمینان %95 هیچ تفاوت آماری معنی داری بین تیمارها نشان نداد. غیرفعال سازی هوازی های زنده شیر و استرپتوکوکوس ترموفیلوس به وسیله Sun و همکاران در سال 2008 انجام شد. نتایج مشاهده شده نشان داد که گرمایش مقاومتی مرگ میکروبی بیشتری از حرارت دهی متداول ایجاد می کند در این مطالعه شمارش میکروبی نهایی و و عدد D محاسبه شده برای گرمایش مقاومتی به طور معنی داری کمتر از مقادیر به دست آمده برای حرارت دهی متداول بود (تحت شرایط دمایی یکسان) بنابراین ذکر کردند که گرمایش مقاومتی یک اثر
کشندگی حرارتی و یک اثر کشندگی غیرحرارتی اضافی روی ریزسازواره های مورد مطالعه ایجاد کرد. مطابق نظر Sun و همکاران در سال 2008 اثر غیرفعال سازی الکتریسیته قابل توجه است و مربوط به فرکانس و ولتاژ الکتریکی می باشد.
اثر الکتروپوراسیون (الک)
علاوه بر ارتقاء حرارت دهی، داده های تحقیقاتی بیان می کند که میدان الکتریکی به کارگرفته شده تحت گرمایش مقاومتی موجب ایجاد الکتروپوراسیون غشاهای سلولی می گردد. الک به عنوان تشکیل سوراخ هایی درغشاهای سلولی تعریف می شود که به علت حضور میدان الکتریکی ایجاد شده است و در نتیجه نفوذپذیری غشا افزایش یافته و انتشار مواد از سراسر غشا با الکترواسمز امکان پذیر می شود. فرض شده است که مکانیسم الک یا تجزیه الکتریکی به عنوان عمده اثر غیرحرارتی گرمایش مقاومتی باشد. Yoon و همکاران در سال 2002 مشاهده کردند که تحت گرمایش مقاومتی میدان الکتریکی دو اثر مستقیم و غیرمستقیم بر دیواره سلولی دارد و مواد درون سلولی به محیط کشت ترشح کردند. به نظر می رسد که مواد مترشحه از اسیدهای آمینه، پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، کوآنزیم ها و مواد مربوطه تشکیل شده اند. نویسندگان به عنوان فرضیه بیان کرده اند که سرعت ترشح بالاتر نه تنها وابسته به سرعت تخریب سلول های مخمر است بلکه به نوع روش حرارت دهی نیز مربوط می شود. اثر میدان الکتریکی گرمایش مقاومتی ممکن است سرعت الک را افزایش دهد و درنتیجه منجر به ترشح اضافه و مرگ سلول می گردد. همچنین مشاهده شد که با افزایش میدان الکتریکی از 10 به 20 ولت بر سانتیمتر، میزان پروتئین مترشحه به طور معنی داری افزایش یافت. همچنین آنالیز اسپکتروسکوپی نشان داد که برای گرمایش مقاومتی در 20 ولت بر سانت میزان اسیدهای نوکلئیک دو برابر و میزان پروتئین کل 3 برابر زمانی بود که میدان الکتریکی 15 استفاده شد. در دماهای زیر حد کشندگی، اثر الک ایجاد شده به وسیله گرمایش مقاومتی، مستعد سودمندی برای فرایندهای تخمیری است. کاربرد گرمایش مقاومتی برای تخمیر لاکتوباسیلوس اسیدوفیلوس مورد مطالعه
قرار گرفت .(Knirsch et al., 2010)
گرمایش مقاومتی یک تکنیک حرارتدهی مبتکرانه است که برای فرایند کردن حرارتی بهکار گرفته شده است. در این روش، غذا بهعنوان مقاومت الکتریکی بین دو الکترود قرار میگیرد و یک جریان الکتریکی متناوب از این مدار عبور میکند. به علت مقاومت الکتریکی، حرارت در سراسر غذا تولید میشود. تولید حرارت به صورت حجمی اتفاق می افتد. انرژی الکتریکی بهطور مستقیم تبدیل به حرارت می شود که منجر به افزایش دما میشود. این سیستم قابل مقایسه با یک مدار الکتریکی است که از یک مقاومت، یک منبع ولتاژ و جریان تشکیل شده است. به عبارتی دیگر غذا قسمتی از یک مدار الکتریکی را تشکیل میدهد. این یک روش فرعی برای حرارت دادن غذا به طور سریع میباشد و میتواند به علت مزیتهای متعددش سبب کنارگذاشتن سیستم حرارتی متداول شود. گرمایش مقاومتی قابل مقایسه با گرمایش ماکروویو است بدون اینکه یک مرحله واسطه از تبدیل الکتریسیته به امواج میکرو از طریق ماگنترون، قبل از حرارت دهی محصول داشته باشد.
گرمایش مقاومتی همچنین به عنوان حرارتدهی ژول (Joule) و حرارت دهی مقاومتی شناخته شده است. که عبور جریان الکتریکی از یک رسانا یا هادی جریان برق است که تولید حرارت میکند. این مورد ابتدا در سال1841 توسط James Prescott Joule مورد مطالعه قرار گرفت. ژول طولی از یک سیم را در جرم ثابتی از آب غوطهور کرد و افزایش دما به علت عبور جریان مشخص از سیم در یک دوره 30 دقیقهای، را اندازهگیری کرد. با تغییر دادن جریان و طول سیم، او استنباط
کرد که حرارت تولید شده متناسب با مقاومت الکتریکی سیم ضربدر مربع شرت جریان است، که این رابطه قانون اول ژول
است:
(1854-1789) George Simon Ohm تعیین کرد که تناسبی مستقیم بین اختلاف پتانسیل V) به ولت) به کار گرفته شده که از رسانا عبور می کند و شدت جریان الکتریکی حاصل I) به آمپر) وجود دارد که قانون اهم نام گرفت:
R مقاومت الکتریکی اندازهگیری شده است. چون حرارت از مقاومت الکتریکی حاصل می شود، بنابراین گرمایش مقاومتی نام گرفت. مترادف های دیگری که در تألیفات برای توصیف این اصل حرارتدهی استفاده شده است عبارتند از: حرارتدهی مقاومتی مستقیم، حرارتدهی هدایت الکتریکی، حرارتدهی مقاومت الکتریکی. گرمایش مقاومتی در دو دهه گذشته توجه شایانی را برای فرایند کردن حرارتی غذاها به خود جلب کرده است. چونکه تیماری سریع است و یکنواختی فرایند را موجب میشود. همچنین کارایی بالای انرژی و سادگی تکنیکی آن از دلایل اهمیت این روش است.
مزیتهای گرمایش مقاومتی:
مهمترین آن، حرارت دهی خیلی سریع است. شیب دمایی زیادی برای غذا مشاهده نشده است، یعنی حرارتدهی یکنواخت است. این فرایند برای محصولات حساس به برش، ایدهآل است. توانایی حرارت دادن غذا به صورت مداوم و بدون نیاز به سطح انتقال حرارت، عملیات فرایند آرام است چونکه قسمت گردان در سیستم وجود ندارد. برعکس حرارتدهی ماکروویو، در این روش عمق نفوذ حرارتی درغذا نامحدود است. سطح بالای کنترل و خودکار بودن تجهیزات، ایمنی و سلامت را در طی عملیات بههمراه دارد. درنتیجه سازمان دادن یک پروفیل دمایی-زمانی حرارتدهی برای اطمینان از استریل بودن، آسانتر است زیرا حرارت در ماده جامد بدون اینکه نیاز به هدایت حرارتی از طریق مایع باشد، تولید میشود.
