Sĩng siêu âm bắt đầu được nghiên cứu từ trước chiến tranh thế giới thứ II nhằm mục đích nhũ hĩa cũng như vệ sinh bề mặt thiết bị. Đến khoảng năm 1960, khi việc ứng dụng sĩng siêu âm trong cơng nghiệp plastic được chấp nhận thì việc nghiên cứu về những ứng dụng của sĩng siêu âm phát triển mạnh mẽ. Ngày nay, sĩng siêu âm là một lĩnh vực phát triển rất nhanh trong cơng nghiệp thực phẩm, đồng thời thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học và kỹ thuật vì những tiềm năng hứa hẹn của chúng trong cơng nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm.
Sĩng siêu âm là dạng năng lượng được tạo ra bởi sĩng âm (thực chất là áp suất âm) ở tần số cao mà con người khơng thể nghe thấy – lớn hơn 16 kHz (Jayasooriya et al, 2004). Ảnh hưởng chính của sĩng siêu âm lên dịng chất lỏng liên tục là gây ra áp suất âm kết hợp với áp suất thủy tĩnh cĩ sẵn trong dịng chất lỏng. Áp suất âm cĩ dạng hình sin và phụ thuộc vào thời gian t, tần số f và biên độ dao động sĩng cực đại Pa max:
P2 = Pa max sin (2πft)
Sĩng siêu âm cĩ thể được chia thành 3 loại theo tần số: power ultrasound (16 – 100kHz), high frequency ultrasound (100 kHz – 1MHz) và diagnostic ultrasound (1 – 10MHz). Ngồi ra sĩng siêu âm cĩ thể được phân loại dựa trên năng lượng được tạo ra, được đặc trưng bởi năng lượng âm (W), cường độ âm (W/m2) và mật độ năng lượng âm (Ws/m3).
Ở đây, ta chia sĩng siêu âm làm 2 loại: sĩng siêu âm cĩ tần số cao năng lượng thấp (tần số lớn hơn 100 kHz, cường độ âm nhỏ hơn 1W/cm2) và sĩng siêu âm cĩ tần số thấp năng lượng cao (cường độ âm lớn hơn 1W/cm2 , thường là từ 10 – 1000 W/cm2, trong khoảng tần số từ 18 – 100 kHz).
Sĩng siêu âm cĩ tần số cao năng lượng thấp khơng làm thay đổi những tính chất lý hĩa của nguyên liệu khi truyền qua nên được ứng dụng trong cơng nghiệp thực phẩm như một kỹ thuật phân tích nhằm xác định các tính chất hĩa lý của thực phẩm cũng như thành phần, cấu trúc và trạng thái vật lý của sản phẩm. So với các phương pháp phân tích truyền thống thì việc áp dụng sĩng siêu âm sẽ cho kết quả nhanh, chính xác hơn.
Trong khi đĩ, sĩng siêu âm cĩ tần số thấp năng lượng cao cĩ thể làm thay đổi tính chất lý hĩa của nguyên liệu (ví dụ như gây ra những hư hỏng vật lý hoặc tăng tốc độ của phản ứng hĩa học). Ban đầu, sĩng siêu âm cĩ tần số thấp năng lượng cao được dùng để tạo hệ nhũ hoặc phá vỡ tế bào. Những năm gần đây sĩng siêu âm cĩ tần số thấp năng lượng cao cũng đã
quá trình kết tinh, loại khí khỏi thực phẩm dạng lỏng, vơ hoạt enzyme, tăng hiệu quả quá trình trích ly, sấy, lọc cũng như tăng tốc độ của các phản ứng oxy hĩa. Những ích lợi của sĩng siêu âm cĩ thể được nhận biết thơng qua những ảnh hưởng khác nhau lên các mơi trường mà chúng truyền qua (do tác động bởi áp suất cao và sự xuất hiện của gradient nhiệt độ).
Hiện nay, người ta tin rằng hầu hết sự tăng hiệu quả các quá trình được xử lý với sĩng siêu âm chủ yếu được gây ra do sự sủi bọt khí bởi vì sự sủi bọt khí sẽ làm gia tăng quá trình truyền nhiệt và truyền khối. Sự thay đổi áp suất trong những vùng mà sĩng siêu âm truyền quả chủ yếu là do sự hình thành những bọt khí và vỡ bọt khí trong mơi trường lỏng. Trong suốt quá trình siêu âm, sĩng dao động sẽ được tạo ra khi sĩng siêu âm gặp mơi trường lỏng, do đĩ sẽ tạo ra những chu trình nén và giãn nở luân phiên nhau tại những vùng lần lượt cĩ lực nén và giãn nỡ. Khi áp suất chân khơng được tạo ra nhờ chu trình giãn nỡ trong mơi trường lỏng đủ thấp để thắng được lực liên kết giữa các phân tử, những bọt khí nhỏ sẽ được hình thành. Trong suốt những chu trình nén và giãn nở như vậy, những bọt khí sẽ phình to và thu nhỏ. Sự hình thành và phát triển của những bọt khí được biết đến như sự sủi bọt khí trong mơi trường lỏng. Lực liên kết giữa các phân tử trong mơi trường tinh khiết rất bền vững và do đĩ rất khĩ để cắt đứt (Suslick,1989). Tuy nhiên hầu hết chất lỏng đều cĩ chứa những bọt khí nhỏ đĩng vai trị là hạt nhân của quá trình sủi bọt khí.
Sự sủi bọt khí từ sĩng siêu âm cĩ mức năng lượng thấp tạo ra những bọt khí cĩ kích thước nhỏ và ít thay đổi trong suốt các chu trình nén và giãn nở, do đĩ được gọi là sự sủi bọt khí ổn định (stable cavitation). Tuy nhiên đối với sĩng siêu âm cĩ mức năng lượng cao, kích thước của những bọt khí thay đổi rất lớn. Diện tích bề mặt của bọt khí tăng trong suốt chu trình giãn nở. Vì vậy sự thốt khi cũng tăng theo. Kết quả là kích thước của bọt khí tăng lên sau mỗi chu trình. Sau nhiều chu trình nén và giãn nỡ, bọt khí sẽ đạt kích thước giới hạn mà năng lượng âm khơng cịn khả năng giữ pha hơi ở bên trong. Đến chu trình nén tiếp theo, hơi bất chợt ngưng tụ và những bọt khí sẽ vỡ. Những phân tử xung quanh bọt khí va chạm nhau một cách mãnh liệt, tạo ra những vùng cĩ nhiệt độ và áp suất cao lên đến 5500oC và 50MPa. Hiện tượng này gọi là sự sủi bọt khí nhất thời (transient cavitation). Trong suốt quá trình siêu âm, sự sủi bọt khí ổn định cĩ thể trở thành sự sủi bọt khí nhất thời và cũng cĩ thể đồng thời xảy ra (Atchley và Crum,1988).
Sự sủi bọt khí phụ thuộc rất nhiều vào số lượng bọt khí được hình thành và cường độ của sự vỡ bọt khí. Số lượng bọt khí gia tăng khi ngưỡng sủi
bọt khí giảm và khi biên độ của sĩng siêu âm tăng. Ngưỡng để sủi bọt khí sẽ giảm khi nhiệt độ tăng và ngưỡng là zero tại nhiệt độ sơi (ảnh hưởng của nhiệt độ chủ yếu là do làm thay đổi tính chất vật lý của mơi trường lỏng). Trong khi đĩ, cường độ của sự vỡ bọt khí phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích thước lớn nhất và kích thước ban đầu của bọt khí. Tỷ lệ này được quyết định bởi năng lượng sĩng siêu âm và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Tại tần số cao
(1 MHz) sự sủi bọt khí rất khĩ xảy ra. Và nếu trên 2.5 MHz thì hiện tượng sủi bọt khí là khơng thể (Alliger, 1975).
Áp suất và nhiệt độ là những yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sủi bọt khí. Áp suất thủy tĩnh cao cĩ thể chống lại sự khuếch tán khí ra khỏi bọt khí, làm giảm sự sủi bọt khí. Do đĩ sự gia tăng áp suất ngồi (được điều khiển bằng áp suất đối) sẽ làm tăng ngưỡng của sự vỡ bọt khí và giảm lượng bọt khí tạo thành. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất ngồi lại làm tăng áp suất bên trong những bọt khí khi chúng vỡ ra, kết quả là sự vỡ bọt khí sẽ diễn ra nhanh hơn và mạnh mẽ hơn. Do đĩ sự gia tăng áp suất đối là một phương pháp làm gia tăng hiệu quả của quá trình xử lý với sĩng siêu âm thay vì thay đổi biên độ dao động.
Hình 52:Ảnh hưởng biên độ dao động và áp suất đến năng lượng siêu âm Trong khi đĩ, nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến áp suất hơi, sức căng bề mặt và độ nhớt của mơi trường lỏng (Muthukumaran et al., 2006). Sự gia tăng nhiệt độ sẽ làm gia tăng số lượng bọt khí tạo thành tuy nhiên cường độ sự vỡ bọt khí sẽ bị giảm do ảnh hưởng của áp suất hơi tăng lên – đĩng vai trị như lớp đệm, ngăn cản sự va chạm của các phân tử xung quanh khi bọt khí vỡ. (Alliger, 1975). Ngược lại, sự vỡ bọt khí sẽ khĩ khăn khi nhiệt độ giảm vì độ nhớt mơi trường tăng cao. Sự gia tăng nhiệt độ sẽ làm giảm độ nhớt, cho phép sự vỡ bọt khí diễn ra mạnh mẽ hơn. Do đĩ nhiệt độ phải được điều chỉnh để độ nhớt đủ thấp để làm gia tăng độ mạnh của sự vỡ bọt khí, tuy nhiên nhiệt độ cũng phải đủ thấp để khơng làm giảm độ mạnh của sự vỡ bọt khí bởi áp suất hơi cao.
Tĩm lại, cĩ rất nhiều thơng số ảnh hưởng đến hiệu quả của việc xử lý bằng sĩng siêu âm, do đĩ điều kiện xử lý cần phải chọn một cách cẩn thận nhằm đạt được hiệu quả tối ưu.
Giới thiệu
Ảnh hưởng của quá trình xử lý CO2 và sĩng âm được nghiên cứu cho một vài tính chất hĩa lý như màu sắc, sự ổn định độ đục, pH, acid, tổng lượng chất khơ hịa tan, hoạt động của pholyphenoloxidase (PPO), thành phần acid ascorbic và vi khuẩn. Thành phần của acid ascorbic được phát hiện cao hơn trong mẫu được xử lý với CO2 và sĩng âm hơn là trong mẫu kiểm chứng. Nĩ được cho rằng là do quá trình xử lý với CO2 cung cấp nhiều nucleic cho quá trinh sủi bọt, cho phép sự khử oxy hịa tan trong nước quả. Hơn thế nữa quá trình xử lý cịn làm tăng độ đục và hoạt động của PPO, cĩ thể sử dụng cho những quá trình làm tăng tính bên hệ keo bởi vì cĩ nhiều những hạt nhỏ chứa nhiều hợp chất phenolic. Tuy nhiên thì quá trình xử lý CO2 cùng với sĩng âm khơng phải là phương pháp hiệu quả để ức chế vi khuẩn ở nhiệt độ phịng.
Phương pháp xử lý
Quá trình xử lý được tiến hành ngay sau khi mẫu nước ổi được chuẩn bị (1l). Nĩ được chia thành 2 nửa. Nửa đầu được xử lý với CO2 bằng cách bổ sung thêm 250g dạng tinh thể đá khơ. Nĩ được tiếp tục chia thành 2 nửa (khoảng 250ml mỗi nửa) sau khi được ủ ấm khoảng 15 phút đến nhiệt độ phịng(20oC). Đĩ là mẫu được xử lý với CO2 và được xử lý với sĩng âm ở 35khz. Sau đĩ là mẫu kết hợp của cả 2 phương pháp.
Nửa thứ hai được chia làm 2 phần để làm mẫu kiếm chứng và mẫu được xử lý với sĩng âm.
Tất cả những mẫu kiểm chứng và xử lý đều được tiệt trùng và giữ ở nhiệt độ 4oC trong vịng 24h trước khi phân tích
Kết quả
Bảng 24: Phân tích hĩa học của nước ổi
Mẫu pHA % độ
acidA
Tổng chất rắn hịa tanA (oBrix)
Thành phần acid ascorbicA (mg/100ml) Kiểm sốt 3,93±0,03a 0,46±0,02a 8,20±0,02a 110±0,5a Xử lý bằng CO2 3,91±0,02a 0,47±0,01a 8,32±0,03a 115±0,8b Xử lý bằng sĩng siêu âm 3,92±0,01a 0,46±0,01a 8,16±0,02a 119±0,8c Kết hợp 3,90±0,01a 0,47±0,04a 8,28±0,04a 125±1,1d