Trong thương mại, thực phẩm hầu như cĩ rất nhiều loại được nấu hoặc nướng trong một khối lớn. Để ăn hoặc bán thực phẩm, nĩ phải được cắt nhỏ ra phù hợp với việc ăn hoặc cầm tay. Cĩ rất nhiếu loại thiết bị được thiết kế để làm việc này dễ dàng và hiệu quả. Nhưng yêu cầu chung của chúng là sản phẩm phải được cắt nhanh, sạch, khơng biến dạng, chất lượng cao, hình dạng đẹp, và ít hao hụt nhất.
Quá trình cắt tồi là quá trình làm bẹp, đập vụn, hay xé rách sản phẩm, và tỉ lệ hao hụt cao. Cịn đối với sản phẩm nhiều lớp thì nĩ làm sản phâm sau cắt bị vấy bẩn hay tách lớp. Mặt khác sản phẩm cĩ thể bị méo mĩ, dư hoặc thiếu trọng lượng.
Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cắt truyền thống đĩ là hình dạng, độ bén và tốc độ cắt của dao, trong đĩ thì lực cắt là rất quan trọng. Tất cả các nhấn tố này thì dễ dàng được điều khiển bởi người vận hành, được giám sát và điều khiển trong thiết bị cắt tự động. Nhân tố ảnh hưởng khả năng cắt: nhiệt độ, hàm ẩm, tính chất: giịn, dai, cĩ xơ, nhớt
Kỹ thuật cắt siêu âm cĩ rất nhiều thuận lợi trong sản xuất thực phẩm, ngay cả khi nĩ kết hợp với dây chuyền sản xuất thực phẩm tự động. Chúng dễ dàng tự động hố, chất lượng cắt cao trên đa dạng các loại sản phẩm.
Ưu điểm của kỹ thuất cắt siêu âm
o Chất lượng bề ngồi mặt cắt thì rất tuyệt
o Bề ngồi sản phẩm khơng bị biến dạng
o Lực cắt yêu cầu thì giảm xuống đáng kể
o Các phần tử cứng vẫn cĩ thể được cắt trong mạng mềm
o Sự chảy nhớt của sản phẩm giảm
o Các sản phẩm nhiều lớp thì được cắt dễ dàng.
o Dao bản mỏng (blade) cĩ khả năng tự làm sạch
o Sự tạo bọt của siêu âm cĩ tác dụng tiêu diệt vi sinh vật.
o Sự đập vụn, làm bẹp giảm đáng kể.
o Các sản phẩm giịn ít cĩ xua hướng bị vỡ
o Hiệu quả cao
o Độ bén địi hỏi của các dao bản mỏng thì thấp hơn so với phương pháp truyền thống
o Dễ dàng tự động hố
o Tốc độ cắt tương tự với phương pháp truyền thống
Hầu hết các loại thực phẩm đều cĩ thể được cắt thành cơng bởi hệ thống cắt siêu âm bản mỏng. Sự giới hạn là do hình dạng của sản phẩm và hành dạng của bản mỏng. Nhiều loại thực phẩm khĩ cắt như: bánh mì nĩng, bánh kẹo nhớt, bánh kem mềm, tất cả đều cĩ
thể được cắt thành cơng bởi phương pháp cắt siêu âm bản mỏng hơn là các phương pháp thơng thường khác. Bảng 14.3 liệt kê nhiều loại thực phẩm đã được cắt thành cơng trong thương mại. Đá tinh khiết và sản phẩm cĩ hàm ẩm rất cao thì hiện giờ vẫn chưa áp dụng cắt siêu âm bản mỏng được. Các sản phẩm giịn thì cắt siêu âm sẽ tốt hơn phương pháp truyền thống, nhưng vẫn phải địi hỏi sự chuẩn bị chu đáo.
Thiết bị cắt siêu âm
Hình 18. Các thiết bị cắt siêu âm thực phẩm
Máy phát điện (power generator): nhằm chuyển dịng điện đầu vào là 50 Hz, 240 V thành đầu ra là 20 kHz,1000V rồi đi vào máy biến năng siêu âm
Máy biến năng (transducer): biến năng lượng điện đầu vào 20 kHz,1000V thành các dao động rung cơ học, rồi truyền qua máy tăng áp (booster) trung gian sau đĩ đến dao cắt
Dao cắt (cutting blade horne): dao cắt (bản mỏng blade) gồm cĩ lưỡi dao và cán dao. Dao động rung siêu âm ở 20 kHz sẽ làm mũi dao chuyển động lên xuống một cách nhanh chĩng cĩ thể đạt tốc độ 5m/phút. Sự dao động này được sử dụng như một lực cắt khơng liên tục, và điều khiển quá trình cắt, đồng thời tạo ra một ứng lực thấp nhất lên khối sản phẩm cần cắt. Quá trình cắt siêu âm sẽ làm giảm áp lực cục bộ lên sản phẩm do nĩ làm giảm đáng kể lực yêu cầu để phá vỡ các liên kết của khối thực phẩm. Ngồi ra quá trình cắt siêu âm cịn làm giảm ma sát của cán dao khi nĩ di chuyển cùng lưỡi dao trong quá trình cắt. Trong kỹ thuật cắt truyền thống, dao sẽ tạo ra một lực nén lớn lên khối thực phẩm để tạo ra một khe hở rộng cho dao đi qua, lực nén này cĩ thể gây gãy vỡ
sản phẩm tại mũi dao cắt. Với cắt siêu âm thì tồn bộ dao (blade)di chuển hoặc rung liên tục khi nĩ nén giãn liên tục. Hiệu quả chuyển động với tần số cao này sẽ làm giảm hệ số ma sát đến mức thấp, cho phép lưỡi dao di chuyển qua khối thực phẩm với lực nén thấp, và giảm sự biến dạng sản phẩm.
Các thơng số của quá trình cắt siêu âm
o Biên độ mũi dao
o Loại mũi dao
o Tốc độ cắt
o Năng lượng siêu âm
o Tần số siêu âm
o Cấu trúc sản phẩm
Một số ví dụ về việc cắt cĩ sử dụng hỗ trợ siêu âm và cắt thơng thường
Hình 19. Hình dạng của ruột bánh mì đại mạch trong suốt thời gian cắt thơng thường và cắt siêu âm. Các điều kiện thử nghiệm: vận tốc cắt, 1.000 mm/phú; tần số kích thích, 40
Hình 20. Hình dạng của các sản phẩm ánh nướng nhiều lớp sau khi cắt thơng thường và cắt siêu âm. Điều kiện thử nghiệm: vận tốc cắt, 1.000 mm/phút; tần số kích thích, 40
kHz; biên độ siêu mẫu, 12μm. Chiều rộng mẫu xấp xỉ 30 mm
Qua đây ta thấy được việc cắt cĩ hỗ trợ siêu âm thì sử dụng lực cắt nhỏ hơn, nhưng cho sản phẩm cĩ vẻ cảm quan bên ngồi hấp dẫn. Đồng thời, phương pháp cắt này cũng giúp giảm tối đa lượng thất thốt so với phương pháp cắt thơng thường.
Bảng 2. Tổng kết các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong cơng nghệ thực phẩm
Ứng dụng Cơ chế Lợi ích
dung mơi, giải phĩng nguyên liệu tế bào thực vật (sự phá vỡ bằng xâm thực khí)
gia tăng trong dung mơi, nước hay hệ thống siêu tới hạn
Nhũ hĩa hay đồng hĩa Vi dịng
Kết tinh Sự hình thành nhân và điều chỉnh sự hình thành tinh thể
Hình thành những tinh thể nhỏ hơn
Lọc Làm xáo trộn các lớp biên Tốc độ lọc được gia tăng, sự giảm tắt nghẽn
Phân riêng Sự kết tụ các thành phần ở các điểm nút áp suất
Khơng dùng phụ gia hĩa học
Thay đổi độ nhớt Điều chỉnh cấu trúc thuận nghịch và khơng thuận nghịch qua tác động vi dịng và rung động. Điều chỉnh về hĩa học liên quan đến các liên kết ngang và việc tái cấu trúc
Điều chỉnh khơng dùng chất hĩa học giúp cải thiện các đặc tính chế biến, giảm lượng phụ gia, nhiều cơng dụng khác.
Phá bọt Sĩng áp suất trong khơng
khí gâ ra vỡ bong bĩng. Gia tăng sản lượng, giảmlượng hĩa chất phá bọt, giảm mất mát trong quá trình đĩng chai.
Ép đùn Chấn động cơ học, giảm ma sát
Gia tăng năng suất Vơ hoạt enzyme và vi
khuẩn Gia tăng truyền nhiệt và lựccắt, phá hủy trực tiếp màng tế bào vi khuẩn
Vơ hoạt enzyme ở hiệt độ thấp, giúp cải thiện chất lượng
Lên men Gia tăng vận chuyển cơ chất, kích thích tế bào sống và enzyme
Gia tăng sản lượng các chất trao đổi, làm nhanh quá trình lên men
Truyền nhiệt Cải thiện truyền nhiệt qua tác động dịng chảy và xâm thực khí
Gia tăng truyền nhiệt, làm nhanh sự gia tăng làm lạnh và sấy sản phẩm ở nhiệt độ thấp
Tài liệu tham khảo
[1] American Heritage Stedman’s Medical Dictionnary. (2002). Boston, Ma. Houghton Mifflin.
[2] Bing Li, Da-Wen Sun *, Effect of power ultrasound on freezing rate during immersion freezing of potatoes, Journal of Food Engineering, vol 55, (2002), 277–282 [3] Chemat, F., Grondin, I., Cheong Sing, S., and Smadja, J. (2004). Deterrioration of edible oils during food processing by ultrasound. Ultrasonics Chemistry, 11, 13 – 15. [4] David Julian McClements, Ultrasonic characterisation of emulsions and Suspensions, Advances in Colloid and Intetface Science, Vol 37, (1991) ,33-72
[5]Elmehdi, H.M., Page, J.H., and Scanlon, M.G. (1003). Using ultrasound to investigate the cellular structure of bread crumb. Journal of Cereal Science, 38, 33 – 42.
[6] Furuta, M., Yamaguchi, M., Tsukamoto, T., Yim, B., Stavarache, C.E., Hasiba, K., and Maeda, Y. (2004). Inactivation of Escherichia coli by ultrasonic irradiation. Ultrasonics Sonochemistry, 11(2), 57 – 60.
[7] Galego-Juarez, J. A., Elvira-Segura, L., and Rodriguez-Corral, G (2003). A power ultrasonic technology for deliquoring. Ultrasonics, 41, 255 – 259.
[8]Hecht, E. (1996). Physics: Calculs, pp. 445 – 450, 489 – 521. Pacific Grove, CA, Brooks/Cole.
[9] Hong Li a,*, Hairong Li b, Zhichao Guo b, Yu Liu b, The application of power ultrasound to reaction crystallization, Ultrasonics Sonochemistry, vol 13, (2006) 359– 363
[10] Knorr, D., Zenker, M., Heinz, V., and lee, D. (2004). Applications and potential of ultrasonics in food processing. Trends in Food Science and Technology, 15, 261 – 266. [11] Kardos, N., and Luche, J. L. (2001). Sonochemistry of carbohydrate compounds. Carbohydrate Research, 332, 115 – 131.
[12] Lee, D. U., Heinz, V., and Knorr, D. (2003). Effects of combinnation treatments of nisin and high intensity ultrasound with pressure on the microbial inactivation in liquid whole egg. Innovative Food Science and Engineering Technologies, 4, 387 – 393.
[13] Ibrahim Gu¨ lseren, John N. Coupland *, Ultrasonic velocity measurements in frozen model food solutions, Journal of Food Engineering, vol 79, (2007), 1071–1078 [14] John N.Coupland*,D.Julian MC Clements, Doplet size determination in food emulsions: comparison of ultrasonicand light scattering methods, Journal of Food Endineering, vol 50, 2001, 117- 120
[15] Liyun Zheng and Da-Wen Sun*, Innovative applications of power ultrasound during food freezing processes—a review, Trends in Food Science & Technology, vol 17, (2006), 16–23
[16] Riera-Franco de Sarabia, E., Gallego-Juarez, J.a., Rodriguez-Corral, G., Elvira- Segura, L., and Gonzalez-Gomez, I. (2000). Application of high-power ultrasound to enhance fluid/solid particle separation processes. Ultrasonics, 38, 642 – 646.
[17] Malcolm J.W.Povey và Timothy J. Mason, Ultrasound in food processing,1998, 282p
[18] S. de la Fuente-Blanco *, E. Riera-Franco de Sarabia, V.M. Acosta-Aparicio, A. Blanco-Blanco, J.A. Gallego-Jua´rez, Food drying process by power ultrasound , Ultrasonics, vol 44, (2006), e523–e527
[19]Takaomi Kobayashi *, Tsuyoshi Kobayashi, Yoho Hosaka, Nobuyuki Fujii,
Ultrasound-enhanced membrane-cleaning processes applied water treatments: influence of sonic frequency on filtration treatments, Ultrasonics, vol 41, (2003) 185–190
[20]T.J. Mason *, L. Paniwnyk, J.P. Lorimer, The uses of ultrasound in food technology, Ultrasonics Sonochemistry, vol 3, (1996), S253-S260