بخشی از مقاله
چکیده
حرارتدهی اهمی (OH) به عنوان فرآیندي تعریف میشود که در آن جریان الکتریکی از میان بافت مادهي غذایی به منظور حرارت دهی به آن، عبور داده میشود. از آنجا که در این روش حرارتدهی، به محض اعمال فرایند، حرارت به طور همزمان و مستقیما در تمامی مولکولهاي مادهي غذایی پخش میشود در نتیجه نیازي به انتقال حرارت از سطح مشترك جامد ــ مایع یا به درون ذرات جامد غذا وجود ندارد. در واقع حرارتدهی اهمی یک روش فرآوري حرارتی پیشرفته است که درآن مواد غذایی بعنوان مقاومت الکتریکی عمل می کند، که بوسیله عبور جریان الکتریسیته از درون آن گرم می شود. طی این عمل انرژي الکتریکی به حرارت تبدیل شده و در نتیجه حرارت دهی سریع و یکنواختی اتفاق میافتد. به حرارت دهی اهمی، حرارت دهی مقاومت الکتریکی1 گفته می شود.
این روش کاربردهاي مختلفی در صنعت غذا دارد که از جمله آنها میتوان به کاربرد آن در آبگیري از غذاها (خشـک کـردن مـواد غذایی)، تبخیر آب مواد غذایی براي کاهش سطح رطوبت مواد غذایی جهت به تاخیر انداختن شروع فساد شیمیایی و میکروبی مواد غذایی، بلانچینگ غذاها، تخمیر، استخراج، استریلیزاسیون، پاستوریزاسیون و حرارتدهی غذاها در حد پیشتیمار براي فرایندهاي اصلی حـرارت-دهی و ... اشاره کرد.
کلمات کلیدي: خشک کردن، حرارت دهی اهمی
مقدمه
حرارت دادن یکی از قدیمی ترین روش هاي فرآوري مواد غذایی است که توسط بشر به مدت هزاران سال در زمینههاي مختلف فراوري غذا از جمله خشک کردن غذاها استفاده شده است. با این وجود، فن آوري مورد استفاده براي حرارت دادن مواد غذایی به منظور فرآوري آن ها، در طول قرن بیستم تحول شگرف یافت، که تا زمان حال نیز ادامه دارد. بویژه اینکه در روشهاي سنتی حرارت دهی مواد غذایی، انتقال حرارت از محیط مایع به جامد باعث افت کیفیت محصول می شود. بنابراین باید به دنبال روشهایی باشیم که باعث تولید حرارت در داخل ماده غذایی می شوند. فناوريهایی نظیر حرارت دهی اهمی، دي الکتریک (که شامل حرارت دهی مایکروویو و حرارت دهی فرکانس رادیویی) و حرارت دهی القایی، توسعه یافته اند، که می توانند حداقل بطور جزئی جایگزین روش هاي حرارتی
سنتی شده که اصولا بر پایه انتقال حرارت به روش هدایت، جابجایی و تشعشع هستند.
وقتی که مادهي غذایی حاوي آب و الکترولیت کافی جهت عبور جریان الکتریسیته باشد حرارتدهی اهمی میتواند براي تولید حرارت در درون غذا استفاده شود. [1] حرارت دهی اهمی معمولا به عنوان فرآیندي تعریف میشود که در آن جریان الکتریسیته (معمولا از نوع متناوب) با هدف گرم کردن مادهي غذایی از درون آن عبور میکند .[2] در این روش، حرارت دهی در درون غذا در اثر تبدیل انرژي درونی ( از حالت الکتریسیته به حرارت) صورت میگیرد .[3] با استفاده از این تکنیک میتوان مواد غذایی را با سرعت بالایی در عرض چند ثانیه تا چند دقیقه حرارت دهی کرد .[4] همچنین تحت شرایط خاصی میتوان با این تکنیک غذاهاي داراي قطعات بزرگ و بخش مایع را با سرعت قابل قبولی حرارت دهی کرد که وجود این مزیت براي این تکنیک میتواند مزایاي دیگر مثل افزایش کیفیت مادهي غذایی خشک شده، امکان استفاده از این روش به عنوان فرایند حرارت دهی دماي بالاــزمان کوتاه2 و فرایند فرا دما دهی3 به همراه داشته باشد .[5]
ساز و کار سیستم گرمایش اهمی
ماده غذایی به داخل یک لوله عمودي که داراي مجموعه ایی از الکترودها است و به عنوان هیتر عمل می کند، پمپ می شود و در آن حرارت می بیند تا به دماي فرآیند برسد. این محفظه ها از پلی تترافلورواتیلن4 ساخته شده و توسط لوله هاي رابط از جنس استیل ضد زنگ که قسمت داخلی آن توسط یک لایه عایق پوشیده شده به هم متصل می شوند. جنس این لایه عایق پلی اتر اترکتون5 و پلی وینیلیدین فلوراید6 یا شیشه است. در شکلهاي یک و دو به ترتیب شماي ساده و شماي کلی دستگاه حرارت دهی اهمی نشان داده شده است.
براي اطمینان از پر بودن دائم ستون یک شیر تخلیه هوا در بالاي هیتر نصب می شود. براي جلوگیري از به جوش آمدن محصولات در حال فرآیند در ستون لازم است فشار برگشتینسبتاً بالایی بر سیستم اعمال شود. براي محصولات اسیدي که در دماي 90-95 درجه فرآیند می شوند فشار 2 بار و براي محصولات کم اسید که در دماي 120-140 درجه فرآیند می شوند فشار 4 بار اعمال می شود. . غذاهایی که حاوي آب و نمک هاي یونی اند، قادر به هدایت الکتریکی اند، و همچنین آن ها داراي مقاومت هستند و هنگامی که یک جریان الکتریکی از آن ها عبور کند، حرارت ایجاد می شود. مقاومت الکتریکی یک ماده غذایی عامل مهمی در تعیین سرعت گرم شدن آن است. مقاومت الکتریکی مواد غذایی با استفاده از یک مولتی متر که در تماس با یک ظرف هدایت سنجی است، اندازه گیري می شود. مقاومت اندازه گیري شده با استفاده از معادله یک به هدای تبدیل می شود:
δ = (1/R)*(L/A) (1)
داده هاي رسانایی الکتریکی مواد غذایی نسبتا کم است، اما محدوده خیلی بزرگتري نسبت به رسانایی حرارتی دارد. رسانایی الکتریکی می تواند از108 s/m براي مس تا 8-10s/m براي یک ماده عایق نظیر چوب متغیر باشد. برخلاف فلزات ، که مقاومت شان با افزایش دما بیشتر می شود، مقاومت الکتریکی مواد غذایی 2-3 برابر در دماي بیش از120درجه سلسیوس پائین تر می آید. مقاومت الکتریکی همچنین می تواند در جهات مختلف متغیر باشد (مثل موازي یا متقاطع با ساختار سلولی).
مطابق معادله دو، مقاومت در گرم کننده اهمی بستگی به مقاومت ویژه محصول و شکل گرم کننده دارد:
R= (Rs*X)/A (2)
مقاومت ماده غذایی، جریانی که در محصول ایجاد می شود را تعیین
می کند:
R=V/I (3)
هر محصولی داري چگالی جریان بحرانی است و اگر از آن حد تجاوز
کند احتمالا در گرم کننده جرقه می زند .
Id=I/A (4)
بنابراین حداقل سطح براي الکترود ها را می توان محدود کننده چگالی جریان به حساب آورد و حداکثر جریان موجود نیز به همین صورت عمل می کند. همانطور که مقاومت توسط سطح الکترودها تعیین می شود فاصله بین الکترودها میتواند محاسبه شود. طراحی گرم کننده براي محصولاتی که داراي مقاومت الکتریکی ویژه یکسان هستند مهم است و نمیتواند براي دیگر محصولات، بدون تغییر استفاده شود.
طراحی گرم کننده اهمی می بایست خصوصیات محصول خاصی که حرارت می بیند را در برداشته باشد، به دلیل اینکه خود محصول بعنوان یک جزء الکتریکی است. بنا بر این حرارت دهنده هاي اهمی براي کاربردهاي خاص بکار برده می شوند، که براي این منظور عوامل زیر باید در نظر گرفته شود:
نوع محصول (مقاومت الکتریکی و تغییر در مقاومت در طی افزایش دما پیش بینی شود)، سرعت جریان، افزایش درجه حرارت (قدرت مورد نیاز را تعیین می کند)، سرعت حرارت دهی مورد نیاز، زمان نگهداري مورد نیاز، اندازه و شکل ذرات و قطعات، نسبت مواد جامد به مایع، ویسکوزیته اجزاء مایع، هدایت حرارتی، مقدار و نوع الکترولیتها، pH و گرماي ویژه. در جدول یک، رسانایی الکتریکی بعضی از مواد غذایی آورده شده است.
جدول -1 رسانایی الکتریکی بعضی از مواد غذایی در دماي 19 درجه سلسیوس [6]
غذا رسانایی الکتریکی (s/m)
سیب زمینی 0/037
هویچ 0/041
نخود فرنگی 0/17
گوشت گوساله 0/42
محلول نشاسته (%5/5)
- با %0/2 نمک 0/34
- با %0/55 نمک 1/3
- با %2 نمک 4/3
همان طور که در جدول بالا دیده می شود، رسانایی سبزیجات کمتر از بافت ماهیچه است و این به ترتیب نسبت به رسانایی سس یا آب گوشت کمتر است.
ویژگی خیلی مهم حرارت دهی اهمی سرعت ایجاد حرارت است که علاوه بر مقاومت الکتریکی محصول، به ظرفیت حرارتی ویژه هر جزء، روشی که ماده غذایی در تجهیزات جریان دارد و زمان باقی ماندن در گرم کننده بستگی دارد. اگر دو جزء داراي مقاومت مشابه باشند، بخش جامد با رطوبت کمتر سریعتر از مایع حامل گرم می-شود که در روشهاي سنتی این امر امکانپذیر نیست. از اینرو حرارت دهی مواد غذایی مایع حاوي قطعات جامد و مواد غذایی مایع با ویسکوزیتهي بالا یکی از پتانسیلهاي بسیار مهم تکنیک حرارتدهی اهمی در صنعت غذاست .[7]
در حرارت دهنده هاي متداول، جریان اغتشاشی براي ایجاد اختلاط در محصول و حفظ حداکثر شیب (گرادیان) حرارتی و ضریب انتقال جرم نیاز است. در حالی که در حرارت دهنده اهمی، جریان الکتریکی از داخل محصول با سرعت زیاد عبور کرده و گرادیان دمایی وجود ندارد، بنابراین درجه حرارت بصورت یکنواخت از سطح مقطع جریان می گذرد.
سرعت جریان محصول در مقایسه با سرعت جریان الکتریکی قابل صرف نظر کردن است، اما اگر سرعت جریان بطور یکنواخت از سطح مقطع عبور نکند، سرعت خیلی بالاي گرم شدن باعث می شود که ماده غذایی با سرعت کمتر بطور قابل توجهی گرمتر شود. به همین دلیل اطمینان از شرایط جریانی یکنواخت در گرم کننده مهم است. نوع پمپی که استفاده می شود بایستی جریان مداوم مواد بدون نوسان را فراهم آورد، در غیر این صورت منجر به افزایش زمان نگهداري در لوله و حرارت دهی نامناسب و متغیر خواهد شد.
غلظت هاي پائین ذرات جامد نیاز به ویسکوزیته بالاتر مایع حامل دارند که ذرات در سوسپانسیون نگه داشته شوند. دانسیته ذرات باید با مایع حامل هماهنگ باشد ، اگر ذرات خیلی متراکم و چگال باشند یا مایع به اندازه کافی ویسکوز نباشند، ذرات در سامانه ته نشین می شوند و بیش از حد فرآیند می شوند. بر عکس اگر ذرات به اندازه اي سبک باشند که شناور شوند، این منجر به تغییر در ترکیب محصول شده و احتمال فرآیند نشدن به اندازه کافی وجود دارد.
روش حرارت دهی اهمی براي فرآیند کردن مواد داراي ذرات ریز بصورتUHT مناسب است. سرعت حرارت دهی به ذرات جامد در داخل فاز مایع در حرارت دهی به روش اهمی بستگی به دو عامل ؛ رسانایی نسبی دو فاز و نسبت حجم دو فاز دارد .[8] اگر در یک ماده غذایی دو جزئی، حاوي مایع و ذرات ریز، ذرات داراي مقاومت الکتریکی پائین تري باشند، آن ها با سرعت بیشتري گرم می شوند. این در حرارت دهی متداول ممکن نیست به زیرا رسانایی حرارتی پائین غذاهاي جامد، نفوذ حرارت به مرکز قطعات را آهسته می کند. بنابراین حرارت دهی اهمی می تواند براي غذاهاي ویژه تحت شرایط استریل UHT استفاده شود، بدون اینکه به مایع حامل صدمات حرارتی برساند یا باعث پخت بیش از حد اطراف ذرات شود.
تاثیرحرارت دهی اهمیک بر میکروارگانیسم ها
ساز و کار اصلی غیر فعال سازي میکروارگانیسمها تحت حرارت دهی اهمیک مطمئنا مربوط به اثرات حرارت است. با این حال، وجود میدان الکتریکی نیز میتواند اثرات غیر حرارتی ضعیفی روي میکروارگانیسمها داشته باشد .[9,10,11] به این صورت که وجود میدان الکتریکی در روش حرارت دهی اهمی با فرکانس پائین 50) الی60 هرتز) ممکن است به دیوارهي سلولها اجازه باردار شدن داده و باعث ایجاد منافذي در غشاء سلولی٧ شود، که در مطالعات بیولوژي مولکولی با تغییر شکل سلول ها با این روش، انتقال مواد مغذي به داخل سلول سریع تر و کاراتر شده و بنابراین فاز نهفتگی٨ را کاهش دهند. و در نتیجه فاکتور ) DV مدت زمان بر حسب دقیقه براي کاهش یک سیکل لگاریتمی به عبارتی %90 جمعیت اولیه میکروبی در یک دماي معین و تحت شرایط معین) مشاهده شده براي میکروارگانیسم در طی فرآیند حرارت دهی اهمی نسبت به روشهاي حرارت دهی سنتی پائین تر بوده که در کارخانجات مواد غذایی براي کاهش زمان فرآوري ماست و تولید پنیر و امثال این ها می توان از این ویژگی حرارت دهی اهمی استفاده کرد.
تاثیرحرارت دهی اهمیک بر آنزیم ها
مطالعه ایی که بر روي اثرات حرارت دهی اهمی بر سینتیک از بین رفتن لیپواکسیژناز، پلی فنل اکسیداز ، پکتیناز، فسفاتاز قلیایی، بتا گالاکتوزیداز انجام شده است نشان داد که میدان الکتریکی اثر مضاعفی بر غیر فعال شدن لیپواکسیژناز و پلی فنل اکسیداز دارد، بدین صورت که مدت زمان تیمار کوتاه تري براي رسیدن به میزان غیر فعال سازي یکسان نیاز است؛ بنابراین اثرات منفی حرارت در دیگر ترکیبات مواد غذایی کاهش می یابد.
در مورد پکتیناز، فسفاتاز قلیایی و بتا گالاکتوزیداز بنظر می آید میدان الکتریکی تاثیري بر غیر فعال شدن این آنزیم ها نداشته و اثرات آن مشابه حرارت دهی هاي متداول است. محققان چنین نتیجه گرفتند که وجود میدان الکتریکی امکان دارد گروه هاي پروستتیک فلزي را تخریب کند، و به این صورت باعث تشدید در کاهش فعالیت آنزیم ها شود . این گروه ها در لیپواکسیژناز و پلی فنل اکسیداز وجود دارند ولی در پکتیناز، فسفاتاز قلیایی و بتا گالاکتوزیداز وجود ندارند.
تاثیرحرارت دهی اهمیک بر ویتامین ها
نتایج مطالعات صورت گرفته نشان میدهد که سینتیک از بین رفتن ویتامین ها تحت شرایط حرارت دهی اهمی و وجود میدان هاي
