Ứng Dụng Sóng Siêu Âm Trong Thực Phẩm

Do đó , chỉ có một loại năng lượng truyền vào môi trường từ sóng siêu âm là cơ học , nó được liên kết với sự dao động của các phần tử hạt trong môi trường Hecht, 1996.. Với mong đợi đạt

MỤC LỤC

NỘI DUNG 1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ SÓNG SIÊU ÂM VÀ THIẾT BỊ 1

I KHÁI NIỆM SÓNG SIÊU ÂM 1

II TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ SIÊU ÂM 4

1 Máy phát điện (Electrical Generator) 5

2 Bộ chuyển đổi (Transducer) 6

3 Bộ phận phát (Emitter) 7

III NGUYÊN LÝ TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM 8

1 Hiện tượng xâm thực khí 8

2 Hiện tượng vi xoáy 9

IV CÁC HIỆU ỨNG VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC KHI CHIẾU SIÊU ÂM LÊN HỆ CHẤT LỎNG 10

1 Hiện tượng sủi bóng 10

2 Hiện tượng vỡ bóng 10

3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành và vỡ bóng: 10

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM 12

I ẢNH HƯỞNG LÊN ENZYM THỰC PHẨM 12

1 Tác động: 12

2 Ứng dụng: 13

II KHUẤY TRỘN, ĐỒNG HÓA, NHŨ HÓA 14

1 Tác động: 14

2 Ứng dụng: 15

III TÁC DỤNG PHÁ BỌT: 15

1 Tác động 15

2 Ứng dụng: 16

IV QUÁ TRÌNH SẤY 17

1 Tác động 17

2 Ứng dụng: 18

V TRÍCH LY 19

1 Tác động: 19

2 Ứng dụng: 19

VI KẾT TINH 20

1 Tác động: 20

2 Ứng dụng: 21

VII LÀM SẠCH 22

1 Tác động: 22

2 Ứng dụng: 23

VIII ẢNH HƯỞNG LÊN VI SINH VẬT TRONG THỰC PHẨM 23

1 Cơ chế vô hoạt vi sinh vật của siêu âm 23

2 Ứng dụng: 25

IX ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG 28

1 Sản xuất phomai và đậu phụ 29

2 Đồ uống 29

3 Bánh mì 30

4 Sự đồng nhất của sản phẩm 31

X RÃ ĐÔNG, LẠNH ĐÔNG 32

XI CẮT THỰC PHẨM 33

XII LỌC 36

1 Tác động 36

2 Ứng dụng 36

3 Yếu tố ảnh hưởng quá trình lọc siêu âm 36

4 Màng lọc Membrane 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

BẢNG PHÂN CÔNG

1

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ SÓNG SIÊU ÂM VÀ THIẾT BỊ

I KHÁI NIỆM SÓNG SIÊU ÂM

Siêu âm bao gồm một loạt các sóng âm với tần số cao, bắt đầu tại 16 kHz, mà

là gần giới hạn trên của ngưỡng nghe được ở con người (Elmehdi et al., 2003; Hecht, 1996) Khi cho một nguồn bức xạ âm thanh vào một môi trường gần đó

có khối lượng (ví dụ, không khí, chất lỏng, hoặc chất rắn), âm thanh lan truyền dạng sóng hình sin Môi trường phản hồi lại sự lan truyền của các sóng này và cũng có thể duy trì chúng bằng cách dao động đàn hồi Những sự rung động đàn hồi của môi trường có hai dạng : sự ngưng tụ và sự làm thoáng ( Hecht, 1996; Knorr v.v , 2004) Trong thời gian ngưng tụ, những phần tử của môi trường bị nén (ví dụ như khoảng cách giữa các phần tử tích tụ lại), gây nên sức ép và mật

độ của môi trường tăng ( Gallego- Juárez v.v , 2003; Hecht, 1996) Trong thời gian có sự làm thoáng, những phần tử trong môi trường chuyển dịch một phần, vì thế mật độ và áp lực của môi trường giảm (American Heritage, 2002; Hecht, 1996)…

McClements (1995) mô tả sâu sắc trạng thái của sóng siêu âm bằng cách quan sát sóng từ hai góc nhìn : thời gian và khoảng cách Tại một vị trí cố định trong môi trường, sóng âm có dạng hình sin theo thời gian Như được thể hiện ở Hình 2.1, khoảng thời gian từ một biên độ đỉnh cao đến biên độ đỉnh cao khác là khoảng thời gian τ của sóng hình sin Điều này theo vật lý có nghĩa là mỗi phần

tử tại độ sâu nào đó trong môi trường (dọc theo đường cách đều nào đó) phải chờ khoảng thời gian τ trước khi trải qua sóng âm khác bằng với một sóng âm vừa trải qua Tần số f của đường sin đại diện cho số lần hoàn tất một dao động trong một đơn vị thời gian và là nghịch đảo của khoảng thời gian như trong phương trình (2.1) (McClements, 1995):

f = 1/τ (2.1)

Hình 1 - Trạng thái của sóng siêu âm (McClements, 1995)

Khoảng cách xem xét hiệu ứng của sóng âm tại bất kỳ thời điểm cố định nào trên các phần tử trong môi trường đều sâu hơn Tại bất kỳ thời điểm nào, biên độ của sóng âm được nhận thấy mạnh mẽ bởi những phần tử gần nguồn sóng âm, nhưng những phần tử sâu hơn trong môi trường trải qua sóng âm thì kém mạnh

mẽ hơn Sự giảm biên độ sóng âm thanh theo khoảng cách vì sự suy giảm từ môi trường Đường biểu diễn của khoảng cách biên độ sóng âm thật sự là một đường hình sin theo hàm số mũ giảm dần, như thể hiện trong Hình 2.2 khoảng cách giữa những đỉnh biên độ liên tiếp là bước sóng (λ).Bước sóng liên quan đến tần

số xuyên qua vận tốc ánh sáng c , theo phương trình (2.2) (McClements, 1995):

λ = c/f (2.2)

Hình 2 - Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin , khoảng cách đối lập với

biên độ sóng âm

Kết quả là , những sóng siêu âm di chuyển xuyên qua môi trường với tốc

độ có thể đo được bởi việc tác dụng lên các phần tử (các hạt) của môi trường Những sóng tạo dao động tuần hoàn cho những phần tử (hạt) của môi trường tại những vị trí cân bằng Tại một thời điểm nào đó , những phần tử đổi chỗ qua lại cho nhau Sự thay đổi này gây ra sự tăng giảm tỷ trọng / mật độ và áp suất Do

đó , chỉ có một loại năng lượng truyền vào môi trường từ sóng siêu âm là cơ học ,

nó được liên kết với sự dao động của các phần tử (hạt) trong môi trường (Hecht, 1996)

Với mong đợi đạt được năng lượng truyền , những quá trình xử lý sử dụng sóng siêu âm tạo sự khác nhau với những quá trình xử lý có sử dụng sóng điện từ phổ (electromagnetic –EM) , như các sóng từ tia cực tím (UV) , những sóng tần

số vô tuyến (radio frequency – RF), và vi sóng (microwaves – MV) ( Kardos và Luche , 2001), cũng tốt như xung điện trường (pulsed electric fields – PEF) Sóng điện từ phổ (EM) và xung điện trường (PEF) tạo ra năng lượng điện từ lên môi trường , nó được hấp thu bởi các phần tử (hạt) của môi trường Ví dụ như ánh sáng UV từ mặt trời có thể truyền đủ năng lượng nguyên tử (4Ev) để phá hủy liên kết carbon-carbon Các sóng điện từ phổ (EM waves) tồn tại khi những thành phần của nguyên tử thay thế - có phần điện tích dương và điện tích âm – di chuyển tự do trong sự chuyển động không định hướng Giữa các phần tử mang điện tích âm và dương , lộ ra các vùng điện từ Các vùng điện từ này đi vào môi trường và tác động sâu vào các nguyên tử , các ion hoặc các phân tử trong môi trường Ví dụ, vi sóng xen vào các phân tử phân cực (có một đầu dương và một đầu âm ) trong môi trường bởi việc làm cho chúng quay quanh và sắp xếp thẳng hàng với các vùng mang điện liên kết với vi sóng Trong các lò vi sóng , các phân tử nước trong thực phẩm hấp thu nhiều bức xạ vi sóng , và những chuyển động quay sau đó được chuyển thành năng lượng nhiệt (Hecht, 1996) Do đó , sóng điện từ phổ (EM) truyền năng lượng điện từ vào môi trường , trong khi sóng

âm chỉ truyền năng lượng cơ học

Cũng rất quan trọng để ghi nhớ trong việc so sánh các sóng siêu âm với ánh sáng là chỉ có sóng âm không chứa những phần tử (hạt) của chính nó Sóng

âm chỉ làm gián đoạn sự yên tĩnh của môi trường để tạo dao động các phần tử

thuộc môi trường Không như âm thanh , các nhà vật lý học dường như làm sáng

tỏ một điều bí ẩn chưa được giải quyết , sóng âm lan truyền đồng thời cả hai dòng là dòng tập trung năng lượng giống phần tử (hạt) và những sóng không tập trung Sự khác biệt này trở nên hiển nhiên trong một khoảng không Khi những khoảng không không chứa những phần tử (hạt) môi trường , những sóng âm không tập trung không thể truyền bởi vì chúng không thể tạo sự tập trung hay phân tác các phần tử (hạt)

Áp lực tác dụng lên tai người bởi những âm thanh lớn là rất nhỏ (<10Pa) nhưng áp lực từ sóng siêu âm lên các chất lỏng có thể đủ cao (vài MPa) đủ để hỗ trợ việc khởi đầu một hiện tượng gọi là xâm thực khí quán tính (inertial cavitation), hiện tượng này có thể phá hủy môi trường (Hecht, 1996; Povey và Mason , 1998) Sự xâm thực khí quán tính do hoạt động của bong bóng trong chất lỏng và được tạo ra bởi những sóng siêu âm cường độ rất cao , chúng có thể phá vỡ một phần những vi cấu trúc của môi trường và sinh ra những gốc tự do Hiện tượng xâm thực khí chủ yếu hướng đến việc phá hủy các tế bào vi sinh vật

và tạo ra các gốc tự do và các âm hóa học (sonochemicals) phản ứng hóa học với môi trường lỏng (Chemat et al., 2004; Knorr et al., 2004) Những ứng dụng của sóng siêu âm đó liên quan với việc phát hiện những tì vết / thiếu sót, như việc đảm bảo chất lượng trong quy trình chế biến thực phẩm , phải được thiết kế để sự xâm thực khí quán trính không thể xảy ra Tuy nhiên , những ứng dụng khác của sóng siêu âm dựa vào sự xâm thực khí quán tính có định hướng để tạo ra những thay đổi mong muốn trong thực phẩm Những thay đổi được tạo ra bởi hiện tượng xâm thực khí bao gồm việc vô hoạt hệ vi sinh vật và trích ly dầu hoặc các hợp chất dinh dưỡng thông qua việc ăn mòn những cấu trúc tế bào của thực phẩm (Knorr et al , 2004; Riera – Franco de Sarabia et al , 2000) Do đó , hiện tượng xâm thực khí được tránh trong một nhánh công nghệ chế biến thực phẩm có sử dụng sóng siêu âm và được nghiên cứu trong những lĩnh vực khác khi cơ chế thích hợp cho tất cả các hiệu quả mong muốn

II TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ SIÊU ÂM

Bất cứ ngành công nghiệp hoặc ứng dụng nào liên quan , những thành phần hệ thống cơ bản cần để sinh ra và truyền sóng siêu âm đều giống nhau

Thiết bị siêu âm gồm có máy phát điện (electrical power generator) , bộ chuyển đổi (transducer) và máy phát (emitter) , nó có nhiệm vụ phát sóng siêu âm vào môi trường (Povey và Mason , 1998) Ngoại trừ “tiếng huýt từ chất lỏng”, chúng

sử dụng năng lượng cơ học thuần túy mà không có phát điện để sinh ra siêu âm (Mason et al , 1996) , và những hệ thống làm thoáng không khí (airborne systems), chúng không yêu cầu có máy phát (Gallego – Juárez et al., 2003; Povey

1 Máy phát điện (Electrical Generator)

Máy phát điện là một nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống siêu âm ,

nó phải làm cho bộ chuyển đổi (transducer) hoạt động (Povey và Mason , 1998) Tóm lại , một máy phát điện sinh ra dòng điện với một mức năng lượng được xác định rõ Hầu hết những máy phát năng lượng được hiệu chỉnh một cách gián tiếp qua việc cài đặt hiệu điện thế (V) và cài đặt cường độ dòng điện (I) Hiệu điện thế biểu thị thế năng được dữ trữ trong các electron (đo bằng volts); cường độ dòng điện biểu thị bằng điện tích của các electron di chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (đo bằng amps); và năng lượng được tạo ra từ hai giá trị trên được biểu thị trong phương trình (2.3) (Hecht, 1996)

P = IV [W] , [volt amps ] , [VA] (2.3) Các máy phát điện được thiết kế đặc biệt cho siêu âm chủ yếu tập trung trong việc vệ sinh công nghiệp , và những ứng dụng để xứ lý , kết nối và những ứng dụng khử trùng, và có tác dụng trong khoảng tần số thấp hơn (10-40 kHz) Những tần số thấp thường không phải kiểm tra việc không phá hủy cấu trúc thực

phẩm , nhưng siêu âm năng lượng có nhiều ứng dụng tiềm năng trong quá trình chế biến thực phẩm sẽ trình bày trong phần này

2 Bộ chuyển đổi (Transducer)

Mọi hệ thống siêu âm bao gồm một bộ chuyển đổi như một chi tiết trung tâm, vai trò của nó là để phát siêu âm thực tế Bộ chuyển đổi chuyển điện năng (hay cơ năng, trong trường hợp tạo tiếng huýt chất lỏng) thành năng lượng âm thanh bằng việc rung động cơ học tại những tần số siêu âm (Povey và Mason 1998) Lee et al (2003) giải thích rằng một bộ chuyển đổi được đính kèm với một máy phát điện sẽ tạo ra sự chuyển đổi , ví dụ, 20 kHz được chuyển từ điện năng của máy phát thành năng lượng siêu âm của cùng tần số bằng việc rung động tại 20.000 chu kỳ cơ học trong mỗi giây

Povey và Mason (1998) tổng kết ba kiểu bộ chuyển đổi chính: dẫn động chất lỏng (liquiddriven), từ giảo (magnetostrictive), và áp điện (piezoelectric-pzt) Những bộ chuyển đổi được điều khiển bởi chất lỏng dựa trên năng lượng cơ học thuần túy để tạo ra siêu âm, nhưng những bộ chuyển đổi từ giảo và những bộ chuyển đổi áp điện chuyển đổi điện năng và từ tính thành cơ năng, năng lượng siêu âm Trong khi việc tạo tiếng huýt trong chất lòng làm cho các quá trình trộn

và đồng hóa diễn ra tốt hơn, ngày nay đa số thiết bị siêu âm năng lượng sử dụng những bộ chuyển đổi áp điện hay từ giảo ( Knorr et al., 2004; Povey và Mason, 1998)

Hình 3 - Máy phát từ giảo (Magnetostrictive transducer)

Bộ chuyển đổi áp điện (pzt) là kiểu chung nhất và được sử dụng trong hầu hết những bộ xử lý và những bể phản ứng siêu âm và trích dẫn thường trong tài liệu tham khảo ( Aleixo et al., 2004; Gallego- Juárez et al., 2003; Povey và Mason, 1998) Bộ phận biến đổi áp điện cũng có hiệu quả nhất, đạt được tốt hơn 95% hiệu suất, và nó được dựa trên một vật liệu ceramic trong suốt để đáp ứng năng lượng điện

Hình 4 - Máy phát điện áp (Piezoelectric transducer)

Tâm của máy phát điện áp là một hoặc hai đĩa mỏng làm từ vật liệu ceramic Vật liệu ceramic này bị đè nén giữa hai khối kim loại (một bằng nhôm , một bằng thép) Khi điện áp được đặt vào ceramic , ceramic sẽ giãn ra , phụ thuộc vào chiều phân cực , do những thay đổi trong cấu trúc lưới của nó Chính

sự dịch chuyển vật lý này làm cho sóng âm lan truyền vào bên trong dịch được

xử lý

3 Bộ phận phát (Emitter)

Mục đích của bộ phận phát là tỏa ra sóng siêu âm từ bộ chuyển đổi vào trong môi trường Những máy phát cũng có thể hoàn thành vai trò của việc khuyếch đại những sự rung động siêu âm trong khi phát ra chúng Hai dạng chính của những bộ phận phát là bộ phận phát dạng bể và bộ phận phát dạng thanh (ví

dụ, những đầu dò); những máy phát dạng thanh thường được đính kèm một sonotrode (Povey và Mason, 1998)

Những bộ phận phát dạng bể thông thường gồm có một bể (tank) với một hoặc nhiều bộ chuyển đổi được gắn liền Bể chứa mẫu cần xử lý và những bộ

chuyển đổi tỏa ra siêu âm trực tiếp vào trong mẫu (Povey và Mason, 1998) Trong hệ thống dạng thanh , một thanh được gắn với bộ chuyển đổi đến bộ khuyếch đại tín hiệu và truyền vào cho mẫu Đầu của thanh , thường được gắn riêng biệt được biết như là một sonotrode, phát ra sóng siêu âm vào trong mẫu Hình dạng của thanh tạo nên độ lớn của sự khuếch đại Do đó , cường độ phát ra siêu âm có thể được điều khiển bằng cách lựa chọn những thanh có hình dạng khác nhau Sự khác biệt chính trong thiết bị được sử dụng trong phòng thí nghiệm so với thiết bị công nghiệp trên thị trường là loại bộ phận phát Những bộ phận phát mạnh hầu như không bị giảm dần chất lượng sau nhiều giờ sử dụng được yêu cầu trong sản xuất thực phẩm

III NGUYÊN LÝ TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM

1 Hiện tượng xâm thực khí

Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo

và nén liên tiếp được tạo thành Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa học Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa Áp lực âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ Bọt khí trở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khí tạm thời

Bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước của chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén Sau hàng ngàn chu trình, chúng tăng thêm về kích thước Trong suốt quá trìn dao động, bọt khí ổn định có thể chuyển thành bọt khí tạm thời Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nên hiện tượng “sốc sóng”và hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng Bọt khí ổn định có thể lôi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành dòng nhiệt nhỏ

Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanh chóng, chỉ qua vài chu trình chúng bị vỡ ra Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo giãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt khí Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén, vì vậy sự

khuyếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong mỗi chu trình Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến các bọt khí nổ tung dữ dội Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên hiện tượng

“sốc sóng” trong lòng chất lỏng, kết quả là hình thành những điểm có nhiệt độ và

áp suất rất cao (5000oC và 5x104kPa) với vận tốc rất nhanh 106 o

C/s Hiện tượng xâm thực khí mở đầu cho rất nhiều phản ứng do có sự hình thành các ion tự do trong dung dịch; thúc đẩy các phản ứng hóa học nhờ có sự trộn lẫn các chất phản ứng với nhau; tăng cường phản ứng polymer hoá và depolymer hóa bằng cách phân tán tạm thời các phần tử hay bẻ gãy hoàn toàn các liên kết hóa học trong chuỗi polymer; tăng hiệu suất đồng hoá; hỗ trợ trích ly các chất tan như enzyme từtế bào động vật, thực vật, nấm men hay vi khuẩn; tách virus ra khỏi tế bào bị nhiễm; loại bỏ các phần tử nhạy cảm bao gồm cả vi sinh vật

Hình 5 - Quá trình hình thành, phát triển và vỡ của bọt khí

2 Hiện tượng vi xoáy

Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/rắn hay khí/rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuyếch tán ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được

IV CÁC HIỆU ỨNG VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC KHI CHIẾU SIÊU ÂM

LÊN HỆ CHẤT LỎNG

1 Hiện tượng sủi bóng

Sóng siêu âm được tạo ra bằng các dao động cơ học ở tần số cao hơn 15kHz Khi truyền trong môi trường lỏng, các phần tử trong trường siêu âm trải qua các chu trình nén (compression) và duỗi (rarefaction) và những dao động này

sẽ lan truyền cho các phần tử kế cận Khi năng lượng đủ lớn, tại chu trình duỗi, tương tác giữa các phân tử sẽ vượt quá lực hấp dẫn nội tại và các lỗ hổng nhỏ trong lòng chất lỏng được hình thành Hiện tượng trên còn được gọi là hiện tượng sủi bóng Những bóng sủi này sẽ lớn dần lên bởi quá trình khuếch tán một lượng nhỏ các cấu tử khí (hoặc hơi) từ pha lỏng trong suốt pha dãn nở và không được hấp thụ hoàn toàn trở lại trong quá trình nén

3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành và vỡ bóng:

Tần số: Sự hình thành các lỗ hổng hay bóng khí có thể bị giới hạn ở tần số cao hơn 2,5 MHz Kích thước bong bóng khí thu được ở tần số thấp hơn 2,5 MHz là tối đa và do đó những bong bóng khí này sẽ tạo ra năng lượng lớn khi vỡ

Biên độ của sóng siêu âm: Siêu âm với biên độ cao hơn sẽ hình thành hiện tượng sủi bong bóng với cường độ mạnh hơn Bong bóng được hình thành nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn do tăng áp suất hơi và giảm sức căng Tuy nhiên sức căng hơi cao hơn sẽ làm yếu đi cường độ nổ bong bóng Độ nhớt của chất lỏng cũng ảnh hưởng đến hiện tượng sủi bong bóng

Độ nhớt của môi trường: Trong môi trường có độ nhớt cao, sự lan truyền của các phần tử trong trường siêu âm bịcản trở và do đó làm giảm mức độ sủi bong bóng Trong trường hợp này, siêu âm có tần số thấp hơn và năng lượng cao hơn có khả năng xuyên thấu vào thực phẩm tốt hơn là siêu âm có tần số cao hơn

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

I ẢNH HƯỞNG LÊN ENZYM THỰC PHẨM

Tác động của sóng siêu âm đến enzyme: sóng siêu âm không chỉ có khả năng làm tăng hoạt tính enzyme, vô hoạt enzyme mà trong một số trường hợp hoạt tính enzyme không hề bị thay đổi

1 Tác động:

a) Tăng hoạt tính enzyme

Ở năng lượng tương đối thấp, khi mà các tác động vật lý tỏ ra ưu thế hơn các tác động hoá học thì sóng siêu âm có tác dụng làm tăng hoạt tính của enzyme Nhờ quá trình sủi bóng mà tốc độ chuyển động của các phân tử nhanh hơn dẫn đến tăng khả năng tiếp xúc của cơ chất đến trung tâm hoạt động của enzyme làm tăng hoạt tính của enzyme:

 Đối với chế phẩm enzyme, sóng siêu âm làm tăng hoạt tính của nhóm enzyme hydrolase do làm tăng sự đảo trộn từ đó:

Tuỳ vào bản chất của enzyme mà sóng siêu âm sẽ tăng hoạt tính của chúng ở nồng độ cao hay thấp; sự thay đổi các thông số tối ưu như nhiệt độ, pH

b) Vô hoạt

Dưới tác động của sóng siêu âm, enzym bị bất hoạt do sự biến tính của protein là chủ yếu bằng cách tạo các gốc tự do từ các phân tử nước (hóa học) hoặc lực cắt do sự hình thành và sụp đổ của các bọt bóng (vật lý)

 Hóa học: Ở năng lượng cao, sóng siêu âm vô hoạt enzyme chủ yếu thông qua tác động hoá học Các gốc tự do tạo thành từ sự phân ly nước: H2O →

OH- + H + tương tác với enzym, chuyển enzym thành gốc tự do mới và do đó làm thay đổi cấu trúc của enzyme Sự thay đổi đó diễn ra ngay tại trung tâm hoạt động và ở một số điểm nằm ngoài trung tâm hoạt động làm vô hoạt enzyme

 Vật lý: Các vi tia chất lỏng được tạo thành từ sự vỡ bất đối xứng của bọt khí, lực kéo trong lòng chất lỏng và những vi xoáy tạo thành làm xáo trộn môi trường xung quanh enzym, phá vỡ tính nguyên vẹn trong cấu trúc protein Gradient áp suất cao làm cho phân tử protein bị võ ra thành từng mảnh và

gradient nhiệt độ lớn có thể bẽ gãy các liên kết hydro trong phân tử protein, gây tương tác kỵ nước và biến tính nhiệt

Vô hoạt enzym bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào thời gian truyền sóng,

pH môi trường, tần số và cường độ sóng, bộ phận truyền sóng, hàm lượng khí tan trong môi trường Việc sóng siêu âm kết hợp với xử lý nhiệt ở nhiệt độ đủ lớn để gây vô hoạt enzym làm sự vô hoạt hiểu quả hơn

Sóng siêu âm là tác nhân gây vô hoạt enzyme không thuận nghịch Sau một thời gian bảo quản, những enzyme đã được xử lý không tái hoạt trở lại

c) Không tác động đến hoạt tính enzyme

Chuẩn bị chế phẩm enzyme: Khả năng gây kết tụ enzyme trên những bong bóng khí đã khiến sóng siêu âm đảo trộn làm tăng tính đồng nhất trong chế biến thực phẩm mà không làm mất đi hoạt tính của enzyme có lợi

Không gây ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme: Sóng siêu âm cường

độ 150 W/cm2

truyền trong 3 phút ở 20oC lại không gây ảnh hưởng gì đến hoạt tính enzyme do các gốc tự do được tạo thành tương tác với các đơn vị cysteine

nằm ngoài trung tâm hoạt động của α-amylase và do đó chỉ làm α-amylase kết hạt lại với nhau

 Rau quả, nước ép rau quả, sữa:

Pectinmethylesterase: Pectinmethylesterase ( PME ), một loại enzyme trong thực vật gây sự thủy phân pectin giảm sự ổn định bề mặt và giảm

độ nhớt do chuỗi pectin suy thoái

Polyphenoloxidase là một enzyme có chứa đồng gây ra màu nâu trong trái cây tươi và sản phẩm rau quả như các loại nước ép

Peroxidase: peroxidase (POD) gây mùi khó chịu hư hỏng và màu nâu sắc tố pH =7 ở 200C cho thấy các enzym peroxidase có thể bị ức chế 90 % khi chiếu siêu âm trong 3 giờ

Sự giảm hoạt tính của enzyme peroxidase do tác động của siêu âm được giải thích bởi sự phân tách nhóm heme (prosthetic) của enzyme bởi năng lượng bức xạ siêu âm này các bọt khí nhỏ sẽ phát triển và bị vỡ mãnh liệt chúng

là nguyên nhân gây ra những biến đổi xấu làm tạo thành một số mùi không mong muốn và làm rau trái hoá nâu

Các enzyme pectin methylesterase từ những enzyme có trong cam

và có thể gây đục cho các sản phẩm nước ép trong quá trình chế biến và bảo quản

 Trong sản xuất yogurt, phương pháp siêu âm giúp lên men giảm 40% thời gian sản xuất

II KHUẤY TRỘN, ĐỒNG HÓA, NHŨ HÓA

Phương pháp sử dụng sóng siêu âm cường độ cao là một phương pháp có hiệu quả trong việc khuấy trộn các phần tử nhỏ, tăng khả năng truyền khối

1 Tác động:

Khi tác dụng sóng siêu âm vào chất lỏng, sự tạo ra lỗ trống xuất hiện khi

áp suất của sóng đạt đến một giá trị xác định tối thiểu nào đó, giá trị này được gọi

là ngưỡng tạo lỗ trống Trong hệ thống dầu/nước, quá trình nhũ hóa xảy ra khi đạt đến ngưỡng này

Sóng siêu âm sử dụng trong khoảng tần số: 18-30 KHz Dưới tác dụng của sóng siêu âm, các hạt phân tán sẽ bị tác động nén và kéo xen kẽ nhau liên tục Ngoài ra hiện tượng xâm thực khí cũng xuất hiện:

Giai đoạn kéo, các bọt hơi trở nên căng phồng Giai đoạn nén: thể tích bọt hơi bị giảm tối thiểu và chúng sẽ bị vỡ đi

Sự xâm thực khí cũng góp phần làm giảm kích thước hạt phân tán

Kích thước hạt sau quá trình đồng hóa khoảng: 1-2 micromet

2 Ứng dụng:

Sóng siêu âm có thể cung cấp một năng lượng đủ để cho việc hình thành

bề mặt mới, vì thế nó có thể làm cho quá trình nhũ hóa xảy ra ngay cả khi không dùng chất nhũ hóa

Nếu bong bóng bị vỡ ra gần lớp biên của hai chất lỏng không tan lẫn thì sóng va chạm được tạo ra có thể cung cấp sự đảo trộn các lớp rất hiệu quả

Với sự hỗ trợ của sóng siêu âm, kích thước hạt nhũ tương sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với hạt đạt được bởi quá trình khuấy trộn cơ học cùng điều kiện

 Hệ nhũ tương tạo thành bằng phương pháp sử dụng sóng siêu âm ổn định hơn và quá trình này cũng cần ít hoặc không cần chất hoạt động bề mặt Do đó được áp dụng trong chế biến một số thực phẩm như:

Khuấy trộn, đồng hóa trong nước trái cây, nước sốt cà chua, và mayonnaise với thể tích có thể lên đến12.000 lít/giờ

Đồng nhất sữa: Sữa bò tươi tại sóng siêu âm 20 kHz giảm đáng kể kích thước giọt chất béo lên đến 81,5%của giọt chất béo nhỏ hơn 1 μm đã đạt được, các hạt chất béo phân bố đồng đều hơn so với phương pháp đồng hóa thông thường

III TÁC DỤNG PHÁ BỌT:

1 Tác động

Khi sử dụng phương pháp siêu âm ở chất lỏng, các sóng âm truyền từ bề mặt vào môi trường lỏng dẫn đến luân phiên áp suất cao (quá trình nén) và áp suất thấp (quá trình giãn) theo chu kỳ Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm

có thể tạo ra bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng Số lượng lớn các bong bóng nhỏ tạo ra một tổng diện tích bề mặt bong bóng lớn Các bong bóng được phân phối tốt trong chất lỏng Khí hòa tan di cư vào các

bong bóng chân không (áp suất thấp) thông qua diện tích bề mặt lớn và tăng kích thước của các bong bóng

Các sóng âm hỗ trợ sự va chạm và sự hợp nhất của các bong bóng liền kề dẫn đến sự tăng trưởng mạnh của các bong bóng Sóng âm cũng sẽ giúp làm rung bong bóng ra khỏi bề mặt và sẽ ép bong bóng nhỏ ở dưới bề mặt chất lỏng xuyên qua bề mặt và giải phóng chất khí ra

Cơ chế phá bọt của sóng siêu âm liên quan đến:

Chân không được tạo nên trên bề mặt bọt bởi áp suất âm thanh cao

Va chạm của các dao động áp suất trên bề mặt bọt

Sự cộng hưởng của các bong bóng bọt tạo nên sự ma sát làm nhập các bóng bọt với nhau

Quá trình tạo lỗ hổng bởi sóng siêu âm

Sự tán nhỏ hay sự phun từ bề mặt màng chất lỏng

2 Ứng dụng:

Trong một số trường hợp, sự tạo bọt được xem là quá trình không mong muốn trong chế biến thực phẩm như bọt sinh ra trong quá trình lên men có thể làm giảm năng suất bồn kên men, gây tạp nhiễm, gây trở ngại cho các quá trình sau, sử dụng trong nước trái cây, nước sốt hoặc rượu vang, để giảm tăng trưởng

vi khuẩn và tăng thời hạn sử dụng

Hình 6 - Thiết bị siêu âm phá bọt trong sản xuất

IV QUÁ TRÌNH SẤY

1 Tác động

Quá trình sấy kết hợp sóng siêu âm có thể tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn những phương pháp thông thường làm giảm khả năng gây oxi hóa và hư hỏng nguyên liệu bởi các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao

Khi dòng sóng siêu âm có cường độ cao tác động đến vật liệu cần sấy, nó

di chuyển xuyên suốt môi trường rắn tạo ra một loạt các quá trình nén và dãn nhanh và liên tục Những lực này cao hơn sức căng bề mặt vốn duy trì ẩm bên trong các mao quản của vật liệu, có thể giúp hơi ẩm di chuyển dễ dàng Sóng siêu

âm tạo ra các lỗ hổng thuận lợi cho việc di chuyển ẩm mạnh mẽ Tăng tốc độ truyền nhiệt giữa chất rắn được gia nhiệt bề mặt và chất lỏng

Hình 7 - So sánh giữa phương pháp sấy siêu âm với phương pháp sấy bằng

hơi nóng (Comparison between contact Ultrasonic and hot-air drying)

2 Ứng dụng: Sấy các loại rau, củ, quả và nhiều thực phẩm khác với mục đích sử dụng, bảo quản, tăng hương vị

Một số loại rau (nấm, giá, súp lơ) khi sấy siêu âm có đặc tính hydrat hóa lại tốt hơn