đã được báo cáo (Li et al., 2002), với tần số giữa 1MHz (Lamminen et al., 2004) và 20kHz (Chen et al., 2006a). Hầu hết các công nhân lưu ý rằng tăng cường thông lượng được cải thiện như tăng cường độ siêu âm (Kylloenen et al., 2006; Muthukumaran et al., 2007).
Tại siêu âm cường độ thấp, đó là, ở mật độ năng lượng thấp hoặc tần số cao, tăng cường thông lượng chủ yếu phát sinh thông qua các hiệu ứng sự tạo dòng âm thanh. Như vậy, theo Muthukumaran et al. (2005a), thực hiện tại khoảng 0,05 W/cm2 và 50kHz, thấy rằng các cơ chế chính liên quan đến việc tăng cường thông lượng là do sự tạo dòng âm thanh. Tuy nhiên, như tăng cường độ âm thanh, hoặc thông qua việc làm thấp tần số siêu âm hoặc thông qua sự gia tăng công suất, bong bóng bắt đầu hình thành thông qua quá trình được gọi là xâm thực khí. Như vậy, Lamminen et al. (2004) thấy rằng ở 0,2-0,5 W/cm2 và 205-620 kHz, các phần tử đã được nới lỏng từ bề mặt membrane theo cơ chế xâm thực khí (các vi dòng và các vi tia), mặc dù sự tạo dòng âm thanh hỗ trợ trong chuyển động của các phần tử ra khỏi bề mặt (xem hình 5.6). Latt et al. (2004), thực hiện ở 28 kHz và mật độ năng lượng tương đương, kết luận rằng sự nổ vỡ mạnh mẽ của bong bóng là nguồn gốc của tăng cường tính thấm.
Làm sạch màng membrane được thực hiện lý tưởng ở áp suất thẩm thấu thấp và vận tốc dòng chảy cao. Một số nhà nghiên cứu (Li et al., 2002; Muthukumaran et al., 2005b) đã tìm thấy rằng tác động làm sạch của siêu âm là không giảm bởi vận tốc dòng chảy cao hơn. Khi áp lực thấp thường kết hợp với hoạt động xâm thực khí tối đa, những điều kiện này là cũng thuận lợi cho quá trình làm sạch bằng siêu âm. Thật vậy, Bayevsky (2004) cho thấy rằng một áp suất chân không nên được áp dụng trong quá trình làm sạch để giảm bớt sự ngưỡng xâm thực khí. Điều này cho phép xâm thực khí hoạt động ở áp lực âm thanh thấp hơn, làm giảm nhu cầu năng lượng và thiệt hại tiềm tang đến màng lọc membrane nhạy cảm.
Nhiều tác giả cũng chỉ ra rằng tần số thấp hơn (từ 20 đến 50 kHz) tạo hiệu quả làm sạch membrane tốt hơn hơn so với tần số cao hơn (từ 100 và kHz 200) (Kobayashi et al., 2003; Lamminen et al., 2004; Wakeman và Tarleton, 1991).
Đôi khi nó được lập luận rằng đó là môi trường hấp dẫn để sử dụng siêu âm để giảm các chất hóa học cao và sử dụng nước làm sạch membrane cổ điển. Tuy nhiên, một phân tích môi trường thật sử cũng phải bao gồm việc thải khí nhà kính liên quan với các yêu cầu về năng lượng của siêu âm. Cảnh cáo cũng phải được áp dụng cho đảm bảo rằng việc sử dụng siêu âm để làm sạch là khả thi về mặt kinh tế. Những tính toán hiện tại cho thấy các ứng dụng làm sạch membrane có thể không cung cấp đủ để hoàn vốn đầu tư trừ khi triển khai kết hợp với tăng cường thông lượng.
5.7. Các ứng dụng khác
Những thay đổi trong các thông số siêu âm thường được gắn liền với những thay đổi trong sản phẩm thực phẩm khác nhau trong suốt quá trình chế biến. Sự truyền dẫn siêu âm trong thịt bò băm trong suốt quá trình rán tự động được mô phỏng cho thấy kết quả tốt như là một kỹ thuật thay thế nhiệt độ và điều khiển quá trình. Nhiệt độ dao động từ 45◦C đến 74◦C, với thiết bị siêu âm đặt tại 300 kHz, và chỉ có miếng thịt bò băm nhỏ được sử dụng có độ dày từ 7,15 và 15 mm (Hæggström và Luukkala, 2000).
Siêu âm cũng được sử dụng để nghiên cứu những thay đổi trong trạng thái của dòng chảy và đặc tính nhiệt vật lý của whey protein isolate (WPI) và whey protein concentrate (WPC). Độ hòa tan với nước của cả WPI và WPC đã tăng lên đáng kể sau khi xử lý siêu âm so với mẫu đối chứng. Đối với trạng thái của dòng chảy, độ nhớt biểu kiến và chỉ số trạng thái lưu lượng và hệ số độ đặc của WPI và WPC thay đổi đáng kể sau khi được siêu âm. Các đặc tính nhiệt vật lý, chẳng hạn như nhiệt độ lạnh đông ban đầu và nhiệt độ rã đông ban đầu, cũng đã được thay đổi so với mẫu đối chứng (Krešic et al., 2008). Ngoài ra, những hiệu quả của siêu âm về
độ hòa tan và đặc tính tạo bọt của whey protein đã được nghiên cứu; các hiệu quả quan trọng trên các đặc tính này đã được quan sát khi whey protein được đặt vào tần số thấp (20 kHz) so với tần số cao (40 kHz); thậm chí tần số cao hơn (ví dụ, 500 kHz) không có một hiệu quả đáng kể. Một hiệu quả quan trọng với việc tăng nhiệt độ cũng được quan sát thấy trong các mẫu được siêu âm sau khi xử lý ở tần số thấp (Jambrak et al., 2008).
Những hệ nhũ tương ổn định được tạo ra với việc sử dụng siêu âm yêu cầu ít nếu sử chất hoạt động bề mặt nào đó, một số ví dụ trong đó bao gồm sốt cà chua cà chua và sốt mayonnaise (Mason, 1996). Vận tốc siêu âm và quang phổ đo độ suy giảm cũng được đo lường như là một hàm tần số trong các hệ nhũ tương được xử lý bằng siêu âm (1-5 MHz). Các nhũ tương được làm từ dầu bắp trong nước và vận tốc và độ suy giảm tăng theo tần số trong tất cả các hệ nhũ tương có kích thước hạt khác nhau, khi được đánh giá từ quang phổ siêu âm (Coupland và McClements, 2001).
Mặc dù siêu âm đang được thử nghiệm để vô hoạt các vi sinh vật kết hợp với nhiệt và áp suất, siêu âm cũng có thể hoạt hóa các tế bào sống. Ứng dụng này là rất hữu ích trong việc sản xuất yogurt, trong đó lên đến 40% thời gian sản xuất được giảm bằng cách sử dụng siêu âm. Hơn nữa, sữa được đồng hóa tốt hơn bằng cách sử dụng siêu âm so với phương pháp thông thường. Các hiệu quả tích cực được bổ sung trong yogurt do siêu âm làm cải thiện tính đồng nhất và cấu trúc, các hiệu quả làm tăng độ ngọt, và giảm sự vón cục (Mason, 1996; Wu et al., 2001). Nảy mầm nhanh hơn của cây trồng nông nghiệp đã được quan sát khi hạt được xử lý siêu âm (Mason, 1996). Ngoài ra, siêu âm có thể được sử dụng trong một số nước thải xử lý các nhà máy trong ngành công nghiệp thực phẩm. Việc sử dụng sóng âm được hỗ trợ phương pháp sinh học và hoạt tính sinh học tăng , giảm đã được quan sát. Vẫn còn cần nghiên cứu thêm trong lĩnh vực này khi các thông số cụ thể của siêu âm, chẳng hạn như cường độ của quá trình xử lý, có thể dẫn đến giảm hoặc tăng hoạt tính sinh học (Schläfer et al., 2002).
Các ứng dụng khác đang được thử nghiệm là việc sử dụng siêu âm trong công nghiệp lọc các hỗn hợp, chất chiết từ trái cây, và các thức uống, và các quá trình sấy của bột cam, phô mai dạng bột, các hạt gelatin, và các hạt lúa. Trong quá trình sấy, tốc độ sấy đã được tăng lên và độ ẩm cuối giảm vì phương pháp siêu âm thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (Mason, 1996). Những nghiên cứu tiếp theo đã chỉ ra rằng siêu âm tiền xử lý các loại rau cho mục đích sấy khô không chỉ làm giảm thời gian sấy đáng kể, vì tăng cường sự mất nước, nhưng đặc tính hydrate hóa lại ở một số loại rau (ví dụ, nấm, giá, và súp lơ) tốt hơn so với những loại rau khác (Jambrak et al., 2007). Những kết quả tương tự đã đạt được trong thời gian sấy chuối, siêu âm thực hiện trước khi sấy bằng không khí cho thấy những hiệu quả quan trọng trên các mô của chuối, thời gian sấy được giảm đến 11%, khi siêu âm cho phép loại bỏ lượng nước lớn từ quả (Fernandes và Rodrigues, 2007).
Siêu âm cũng đã được chứng minh là có hiệu quả trong quá trình mất nước thẩm thấu trong việc thúc đẩy và tăng cường độ khuếch tán của nước và các chất rắn. Cárcel et al. (2007) cho thấy siêu âm có thể làm tăng độ khuếch tán nước lên đến 117% và khuếch tán chất khô lên tới 137% trong dung dịch táo-sucrose. Quá trình này không phải là một hiện tượng làm khô phổ biến, chỉ liên quan đến sự mất nước; ứng dụng siêu âm có hiệu quả không chỉ trong việc loại bỏ nước từ cấu trúc tế bào của mô quả táo, mà còn trong việc thu nhận các chất rắn từ dung dịch sucrose.
6. NHẬN XÉT
Ngày nay siêu âm được áp dụng trong phạm vi tần số cao nhiều công nghiệp chế biến thực phẩm. Lợi dụng ưu điểm không gây phá hủy cấu trúc của siêu âm ở tần số cao, các máy chế biến thực phẩm được thay thế một số phương pháp truyền thống bằng kỹ thuật siêu âm để theo dõi chất lượng thực phẩm trong các dây chuyền sản xuất. Những khái niệm khoa học cơ bản định nghĩa trạng thái sóng cho phép trong các ngành công nghiệp thực phẩm để xác định đặc tính của thực phẩm trước, trong và sau khi chế biến. Tuy nhiên , gần đây hơn và một trong những lĩnh vực thú
vị nhất đối với các nhà khoa học thực phẩm là siêu âm cường độ cao ở tần số thấp. Việc bất hoạt vi sinh vật và enzyme bằng sóng âm thanh kết hợp với nhiệt độ, áp suất, và các chất bảo quản khác tất cả cho thấy hiệu quả tích cực. Thêm lợi thế để những sản phẩm xử lý bằng siêu âm bao gồm những thay đổi tích cực trong cấu trúc, năng suất, và màu sắc. Do đó, siêu âm hiện nay là một lựa chọn triển vọng để thanh trùng cho các sản phẩm như sữa, nước trái cây, và các thực phẩm lỏng khác.
Từ một cách nhìn kinh tế, thiết bị siêu âm không phải là đắt so các kỹ thuật khác. Tuy nhiên, để tính toán chi phí chuyển đổi thiết bị hiện có để thích hợp với siêu âm, ngoài việc thích ứng làm mát / làm nóng bể siêu âm trên một quy mô công nghiệp, cần nghiên cứu thêm về siêu âm tần số thấp, do đó kiểm soát chỉ tiêu vi sinh vật trong thanh trùng và các enzym chính cho sự ổn định sản phẩm được cải thiện. Các yếu tố bảo quản khác (ví dụ, áp suất, kháng sinh, pH) có thể được kết hợp với siêu âm để nâng cao hiệu quả diệt khuẩn, nhưng các yếu tố khác này sẽ tùy thuộc vào chỉ tiêu sản phẩm. Tương lai, nghiên cứu siêu âm trong những năm tới cho mục đích của bất hoạt các vi sinh vật và enzyme trong thực phẩm chế biến sẽ được quyết định trong việc xác định khả năng sử dụng kỹ thuật này trên quy mô công nghiệp đầy đủ hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO