gần 60 năm, trong đó pepsin tinh khiết đã được vô hoạt bằng siêu âm, có thể là do sự xâm thực khí. Một nghiên cứu gần đây hơn cho thấy sự ức chế của quá trình nghịch đảo saccharose cũng có thể đạt được bằng cách xâm thực khí. Kể từ đó việc sử dụng siêu âm kết hợp với nhiệt độ và áp suất được chứng minh có hiệu quả trong vô hoạt các enzyme. Ví dụ về các enzyme này như lipoxygenase trong đậu nành, peroxidase trong cây cải ngựa, enzyme pectic trong cà chua, pectin methylesterase trong cam (Vercet et al, 2002), peroxidase trong xà lách xoong (Cruz et al., 2006),
PPO, lipase, và protease, trong số những loại khác (Raso và Barbosa-Cánovas, 2003). Một số các enzyme này đã được thử nghiệm trong một số lượng những sản phẩm thực phẩm khác nhau, bởi vì, như trường hợp của vi sinh vật, môi trường là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ vô hoạt các enzyme.
Được khuyến khích bởi các kết quả của việc vô hoạt vi sinh vật bằng cách sử dụng siêu âm, một số các nhà nghiên cứu hiện nay tập trung vào vô hoạt enzyme với kỹ thuật này. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn của việc sử dụng siêu âm là tái cấu trúc không đồng nhất của thực phẩm dạng kết dính, nó cần phải đạt được việc vô hoạt enzyme tốt không chỉ sau khi chế biến và trong suốt quá trình bảo quản.
4.2.1. Phương thức tác động của siêu âm lên sự vô hoạt enzyme
Phương thức tác động của siêu âm trong sự ức chế các enzyme có vẻ là tương tự như phương thức tác động làm vô hoạt vi sinh vật. Siêu âm kết hợp nhiệt và áp lực có liên quan đến việc giảm kích thước phần tử và phá vỡ phân tử. Nó bao gồm việc phá hủy phân tử pectin trong dung dịch pectin tinh khiết. Nó cũng có thể là siêu âm tạo ra sự biến tính protein (Vercet et al, 2002). Thay đổi áp suất tạo ra kéo và nén trong các tế bào và mô. Nhưng như đã đề cập trước đây sự tạo thành các gốc tự do được thúc đẩy bởi siêu âm. Những gốc tự do như là H+ và OH-có thể tái tổ hợp có dư lượng acid amin của các enzym. Các dư lượng này kết hợp với sự ổn định cơ cấu, chất ràng buộc, và chức năng xúc tác (Cruz et al, 2006). Trong trường hợp của vi sinh vật, hình thành gốc tự do có vẻ là quan trọng trong cơ chế chính vô hoạt, sự đứt đoạn trong màng tế bào. Trong trường hợp của các enzyme, cơ chế chính là sự hình thành gốc tự do, từ đó cho phép thay đổi một số đặc điểm của các enzyme. Sự đứt đoạn của mô chủ yếu quan trọng bởi vì nó tạo ra liên kết với bề mặt tốt hơn giữa các enzyme và các gốc tự do. Ví dụ, oxidases thường bị vô hoạt bởi siêu âm, trong khi catalases bị ảnh hưởng ở nồng độ thấp. Reductases và amylases được đánh giá cao khả năng chống siêu âm (Mason, 1996). Kỹ thuật siêu âm kết hợp với nhiệt và áp suất làm vô hoạt một số enzyme ở nhiệt độ thấp hơn và/hoặc
trong một thời gian ngắn hơn so với phương pháp xử lý nhiệt. Độ nhạy của các enzyme để xử lý bằng siêu âm kết hợp với nhiệt và áp suất độc lập với môi trường xử lý. Ngoài ra, các chất nền, đồng chất tan nhỏ, và các protein khác không thể để bảo vệ các enzyme trong quá trình xử lý (Vercet et al, 2001).
5. NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Trong các lĩnh vực khoa học khác, siêu âm tần số cao có nhiều ứng dụng hơn hơn siêu âm năng lượng. Ngoài ra, siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng nhiều hơn trong ngành công nghiệp thực phẩm hơn so với siêu âm năng lượng do nó không phá hủy, nhanh chóng, và thuận tiện. Nó đã được sử dụng để đánh giá chất lượng của một số loại thực phẩm như thịt, cá, đồ uống, dầu, rau quả, và các sản phẩm từ sữa (Benedito et al., 2002). Tuy nhiên, siêu âm là một công nghệ mới ở nhiều nước, và vì lý do này, Chemat và Hoarau (2004) cho thấy siêu âm hoạt động trong kỹ thuật thực phẩm yêu cầu có sự thành lập một chương trình phân tích mối nguy và điểm kiểm soát tới hạn (HACCP), trong đó các điểm kiểm soát tới hạn trong chế biến thực phẩm được xác định, để mối nguy hiểm tiềm tàng trong sản xuất một sản phẩm an toàn chất lượng có thể được kiểm soát.
5.1. Đảm bảo chất lượng
Đảm bảo chất lượng là một lĩnh vực được quan tâm trong công nghệ thực phẩm vì cần phải có những thực phẩm chất lượng theo mong muốn của người tiêu dùng. Mỗi ngành công nghiệp thực phẩm phải có một bộ phận giám sát sản xuất để đảm bảo chất lượng, trong đó yêu cầu kiểm tra các sản phẩm. Trong một số thử nghiệm, thời gian điều trị lâu dài cần thiết và các kỹ thuật phá hủy được sử dụng. Siêu âm thể hiện hữu ích trong một số thử nghiệm, trong đó siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng để đánh giá chất lượng của các quả bơ, xoài, và dưa hấu theo độ chín bằng cách đánh giá các thông số siêu âm như vận tốc và độ giảm âm liên quan đến các đặc tính vật lý của môi trường. Chất lượng của thịt bò, thịt gà, cá tuyết, thịt
lợn, sữa, rượu vang, các dung dịch đường, và các loại dầu đã được thẩm định các thông số siêu âm (Benedito et al., 2002), bằng cách áp dụng lý thuyết về trạng thái sóng như thế nào (ví dụ, vận tốc và độ giảm âm) liên quan đến các thành phần vật lý của môi trường. Kết cấu của sản phẩm như pho mai và rau được nấu chín và độ chín của trái cây, tất cả được xác định bằng việc sử dụng sóng siêu âm (Coupland, 2004).
5.1.1. Sản xuất phô mai và đậu phụ
Ở nhiều quốc gia, công nghiệp sản xuất phô mai là một trong những ngành công nghiệp thực phẩm quan trọng nhất được chỉ ra trong các báo cáo bán hàng của họ về các sản phẩm phô mai và báo cáo về nhu cầu tiêu dùng cao. Tùy thuộc vào nơi sản xuất và loại phô mai, sản xuất phô mai có thể mất vài giờ hoặc vài năm để tạo ra sản phẩm cuối cùng. Các đặc tính cụ thể được mong muốn trong phô mai phụ thuộc vào sự đa chủng loại. Sản xuất pho mát bao gồm các giai đoạn khác nhau như đông tụ, tách huyết thanh, ướp muối, và ủ chín. Siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng để theo dõi các giai đoạn khác nhau của quá trình, ví dụ, trong việc đánh giá các vết nứt bên trong do quá trình lên men không tốt và trong việc xác định thời gian đông tụ tối ưu; ngoài ra, các thành phần và cấu trúc của hàng trăm loại phô mai trên thế giới có thể được đánh giá bằng cách kỹ thuật không gây phá hủy này để cải thiện trong đóng gói và lưu trữ (Benedito et al., 2002). Cùng với việc giám sát các phô mai khi chúng được sản xuất, siêu âm đã được trực tiếp tham gia vào việc tạo ra loại mềm bằng cách thúc đẩy sự đông tụ của protein và dầu (Mason, 1996).
Siêu âm tần số cao cũng đã được sử dụng để đánh giá chất lượng của đậu phụ trong suốt quá trình sản xuất. Đậu phụ là một dạng gel dựa trên nước với thành phần chủ yếu của protein đậu nàn; chất lượng của nó dựa rất nhiều vào cấu trúc cuối cùng của sản phẩm. Siêu âm có thể được sử dụng để giám sát sự phát triển của cấu trúc đậu phụ trong quá trình đông tụ. Sự truyền sóng siêu âm qua cấu trúc của gel của đậu hũ được cung cấp thông tin về toàn bộ quá trình (Ting et al., 2009), như trong trường hợp làm phô mai, liên quan đến việc dùng các thông số khả biến của siêu âm để hoạt hóa enzyme trong sữa trong suốt quá trình đông tụ.
5.1.2. Đồ uống
Siêu âm năng lượng có thể đạt được các tiêu chuẩn thanh trùng cho một số đồ uống chẳng hạn như sữa, nước ép trái cây, và rượu táo không lên men (cider); nhưng siêu âm cường độ thấp cũng có thể hữu ích cho mục đích đánh giá chất lượng. Siêu âm đã được sử dụng để bài khí (loại bỏ oxy) trong nước ép cam, chứng minh rằng hàm lượng vitamin A cuối trong sản phẩm cao hơn trong suốt thời gian lưu trữ trong nước trái cây đã được siêu âm so với nước trái cây theo phương pháp xử lý nhiệt thông thường. Trong một nghiên cứu khác, hàm lượng limonin, những chất màu nâu, và màu sắc được đánh giá trong nước cam sau khi xử lý bằng siêu âm (500 kHz; 240 W; nhiệt độ thấp, 5 và 14◦C), tìm kiếm những thay đổi thứ yếu của những đặc tính này trong sản phẩm (Valero et al., 2007). Siêu âm đã được sử dụng thành công để xử lý nước quả dâu tây và blackberry và rượu táo (cider) cho kết quả tốt. Những enzyme như pectin methylesterase và polyphenol oxidase bị vô hoạt song song với tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh. Những biến đổi rất nhỏ trong acid ascorbic và anthocyanins cũng được phát hiện trong nước quả được xử lý siêu âm(Valdramidis et al., 2010). Hiệu suất sản xuất bia cũng được cải thiện với việc áp dụng siêu âm vào đầu quá trình nấu (Knorr và cộng sự, 2004). Việc cải thiện hiệu suất này không chỉ xảy ra với bia mà còn tốt trong sản xuất pho mát, với sự gia tăng sản lượng sau khi sữa thanh trùng cùng với siêu âm năng lượng, thể hiện lợi ích kinh tế cho các ngành công nghiệp sữa và bia. Ngoài ra, siêu âm có thể cải thiện một số đặc điểm các sản phẩm như màu sắc, cấu truch1, và thời gian bảo quản, cũng như duy trì tốt một số giá trị dinh dưỡng giống như được tìm thấy trong các sản phẩm tươi. Một ví dụ là quá trình oxy hóa sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đồ uống có cồn. Quá trình được sự hỗ trợ của siêu âm vì nó tăng cường quá trình oxy hóa trong các sản phẩm lên men dẫn tới tạo hương vị đặc trưng và làm chín sớm. Siêu âm là 1MHz làm thay đổi cân bằng rượu / ester tạo ra sự làm chín rõ ràng trong sản phẩm. Nó đã được sử dụng cho các loại rượu vang, rượu whisky, và rượu có cồn (Mason, 1996).
5.1.3. Bánh mì
Chất lượng bánh mì luôn luôn là một chủ đề và một yếu tố mà các nhà khoa học thực phẩm đang cố gắng đổi mới và cải thiện. Hiện nay những sự lựa chọn khác nhau như bánh mì đông lạnh và sấy thăng hoa có sẵn trên thị trường, cấu trúc của sản phẩm cuối cùng là một thông số quan trọng. Kỹ thuật truyền thống để đánh giá cấu trúc là rất thường xuyên làm hư hỏng mẫu. Siêu âm cung cấp các lợi thế là một kỹ thuật không phá hỏng được biết cấu tạo của bánh mì thông qua các thông số âm thanh. Cấu trúc vật lý của thực phẩm là việc khó khăn để nghiên cứu vì tính không đồng nhất của thực phẩm, như với bánh mì, nhưng sóng âm thanh có thể cung cấp thông tin về cấu trúc của ruột bánh mì. Các tế bào chứa khí xác định tính đồng nhất về cấu trúc của ruột bánh mì, và thông qua một số thông số siêu âm, cấu trúc vật lý có thể được đánh giá. Vận tốc và độ giảm âm của sóng siêu âm (tại 54kHz) đã được sử dụng để mô tả các yếu tố chất lượng nhất định của bánh mì. Ví dụ, thay đổi trong vi cấu trúc của ruột bánh mì sấy thăng hoa do sự thay đổi tính dày đặc (100-300 kg/m3) đã được đánh giá, cho thấy kích thước và hình dạng của các tế bào chứa khí trong bánh mì rất nhạy cảm với các phép đo siêu âm, trong khi biên độ tín hiệu tăng tuyến tính với độ dày đặc (Elmehdi et al., 2003). Kỹ thuật không gây phá hủy này là một công cụ rất hữu ích trong ngành công nghiệp các sản phẩm từ ngũ cốc trên thế giới cho phép các nhà sản xuất hiểu được cấu trúc của sản phẩm cuối mà không cần điều chỉnh.
5.1.4. Sự đồng nhất sản phẩm
Một lĩnh vực trong đảm bảo chất lượng thực phẩm là đề cập đến việc phát hiện các vật thể lạ trong sản phẩm cuối cùng. Trong một nỗ lực để đảm bảo sự an toàn của thực phẩm, tất cả các ngành công nghiệp thực phẩm phải phát hiện tỉ mỉ đối với kim loại, thủy tinh, xương, và các vật liệu khác mà có thể có khả năng xâm nhập vào thực phẩm trong dây chuyền chế biến. Xương động vật trong các sản phẩm thịt, mảnh thủy tinh trong lọ thủy tinh, và phoi kim loại từ trong vật liệu đôi khi được phát hiện trong các sản phẩm do thực hành sản xuất không tốt (Hæggström
và Luukkala, 2001). Các nhà nghiên cứu khác nhau đã tập trung vào công việc của họ về vấn đề này riêng lẽ. Knorr et al. (2004) cho thấy các vật thể lạ như thủy tinh và những mảnh nhựa, và vật liệu, có thể được phát hiện trong sữa chua, nước ép trái cây, và nước sốt cà chua bằng các tín hiệu siêu âm trong một phân tích thời gian-tần số. Các vật thể cát từ nguyên liệu như đá, thủy tinh, gỗ, nhựa, xương và những mặt cầu bằng thép đã được phát hiện trong phô mai và mứt marmalade bằng siêu âm, cho thấy sự không phá hủy này và phương pháp có độ nhạy cao là hữu hiệu để sử dụng trong một sản phẩm đồng nhất với độ sâu thăm dò 20-75 mm (Hæggström và Luukkala, 2001). Nén xung siêu âm (UPC – Ultrasonic Pulse Compression) được sử dụng để phát hiện các biến đổi trong độ sệt của một số chất lỏng, mực chất lỏng trong chai dạng polymer chứa thức uống, và các vật thể lạ trong các thùng chứa. Đây có thể những thay đổi trong các thuộc tính âm thanh của môi trường, chủ yếu là sự truyền vận tốc và trở kháng âm học, có thể liên quan đến những thay đổi trong thành phần của sản phẩm thực phẩm. Siêu âm được liên kết với không khí (air- coupled ultrasonics) là một kỹ thuật mới được sử dụng để ước lượng mực nước trong một chai nước uống polymer (Gan et al., 2002). Các tỷ lệ khối lượng các thành phần trong thực phẩm như syrup, nước quả, và đồ uống có cồn cũng có thể được xác định bằng sóng siêu âm, và đo lường hàm lượng của chất béo bán bão hòa cũng đã được thử nghiệm thành công với siêu âm (Coupland, 2004). Mức độ dày đặc của một số loại thực phẩm, bao gồm cả phô mai Cheddar, thịt hộp, và nước sốt nam việt quất, đã được đo bằng kỹ thuật siêu âm để xác định tốc độ âm thanh trong sản phẩm, phương pháp này cho kết quả tương tự như các lần kiểm tra khó khăn hơn sử dụng cặp đo kích thước (Saggin và Coupland, 2001). Trong ví dụ khác, việc chứng minh hiệu quả của siêu âm lên chất lượng sản phẩm, nồng độ chất khô là một thông số quan trọng trong công nghiệp chế biến sản phẩm dạng huyền phù đặc ; trong ngành công nghiệp, các thông số về mật độ và độ suy giảm của sóng siêu âm đã được chứng minh là công cụ hữu ích để đảm bảo chất lượng và kiểm soát quy trình của các hệ huyền phù dày đặc, cả hai thông số có liên quan đến nồng độ của môi trường (Bamberger và Greenwood, 2004). Một ứng dụng trực tiếp của loại siêu
âm này là trong suốt quá trình lên men, trong đó nồng độ đường thay đổi cho phù hợp với việc tạo ethanol để nấm men hoạt động. Nồng độ ethanol và đường có thể được ước tính dựa trên vận tốc sóng âm đi qua môi trường (Schöck và Becker, 2010). Ở đây quan trọng là phải nhận xét các đặc tính của sóng siêu âm, chẳng hạn như tần số và cường độ, hoặc các thông số âm thanh liên quan đến môi trường – như độ hệ số tắt, vận tốc, trở kháng âm thanh, hoặc mật độ - phải được lựa chọn thẩm định một cách cẩn thận để xác định các tính chất cụ thể của các loại thực phẩm mà các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm. Siêu âm cũng đang được thử nghiệm về kiểm soát chất lượng vi sinh vật : một số nghiên cứu thực hiện trên sữa đóng gói vô trùng cho thấy sự tạo dòng âm thanh gây ra bởi siêu âm trong chất lỏng bị ảnh