NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

PHỤ LỤC BẢNG 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 4

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

Hình 2.1 Trạng thái của sóng siêu âm (McClements, 1995) 9

Hình 2.2 Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin , khoảng cách đối lập với biên độ sóng âm 10

Hình 2.3 Máy phát từ giảo (Magnetostrictive transducer) 14

Hình 2.4 Máy phát điện áp (Piezoelectric transducer) 15

Bảng 4.1 Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Alex Patist , Darren Bates , 2008) 29

Hình 4.1 Sơ đồ một tế bào vi khuẩn trong suốt quá trình xâm thực khí, cho thấy những hiệu quả tiêu diệt của siêu âm như sự hình thành các lỗ, sự đứt đoạn màng tế bào , và sự phá vỡ tế bào 37

Hình 4.2 Hình ảnh dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM)độ chân không cao của sự kiểm soát (trên cùng bên trái) và siêu âm - nhiệt tế bào Listeria, cho thấy những tác động gây chết của xâm thực khí trong các tế bào chẳng hạn như hình thành lỗ rỗng, sự đứt đoạn màng tế bào, và vỡ tế bào Độ phóng đại: (a) 150.000 ×, (b) 50.000 ×, (c)50.000 ×, và (d) × 50.000 .38

Bảng 4.2 Một số nghiên cứu chiết xuất các chất có hoạt tính sinh học hỗ trợ bằng siêu âm (Kamaljit Vilkhu et al., 2008) 47

Hình 5.1 Nguyên tắc của các hệ thống cắt siêu âm và cấu hình chính cho sự tương tác giữa nguyên liệu cắt và công cụ cắt Mô tả chi tiết cho a, b và c, xem văn bản || là điểm kích thích Các mũi tên một đầu chỉ chiều của trục di chuyển; mũi tên hai đầu chỉ chiều của trục rung động 51

Hình 5.2 Đánh giá lực cắt so với chiều sâu cắt trong một quá trình cắt xén của ruột bánh mì đại mạch Điều kiện thí nghiệm: tốc độ cắt tuyến tính, 1.000mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên độ kích thích, 12 μm 52

Hình 5.3 Hình dạng của ruột bánh mì đại mạch trong suốt thời gian cắt thông thường và cắt siêu âm Các điều kiện thử nghiệm: vận tốc cắt, 1.000 mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên độ siêu âm, 12 μm Mẫu mặt cắt ngang là 30 × 30 mm 53

Hình 5.4 Hình dạng của các sản phẩm bánh nướng nhiều lớp sau khi cắt thông 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 âm, 12 μm Chiều rộng mẫu xấp xỉ 30 mm 54

Hình 5.5 Hoạt động của membrane 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC HÌNH

Hình 2.1 Trạng thái của sóng siêu âm (McClements, 1995) 9

Hình 2.2 Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin , khoảng cách đối lập với biên độ sóng âm 10

Hình 2.3 Máy phát từ giảo (Magnetostrictive transducer) 14

Hình 2.4 Máy phát điện áp (Piezoelectric transducer) 15

Hình 4.1 Sơ đồ một tế bào vi khuẩn trong suốt quá trình xâm thực khí, cho thấy những hiệu quả tiêu diệt của siêu âm như sự hình thành các lỗ, sự đứt đoạn màng tế bào , và sự phá vỡ tế bào 37

Hình 4.2 Hình ảnh dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM)độ chân không cao của sự kiểm soát (trên cùng bên trái) và siêu âm - nhiệt tế bào Listeria, cho thấy những tác động gây chết của xâm thực khí trong các tế bào chẳng hạn như hình thành lỗ rỗng, sự đứt đoạn màng tế bào, và vỡ tế bào Độ phóng đại: (a) 150.000 ×, (b) 50.000 ×, (c)50.000 ×, và (d) × 50.000 .38

Hình 5.1 Nguyên tắc của các hệ thống cắt siêu âm và cấu hình chính cho sự tương tác giữa nguyên liệu cắt và công cụ cắt Mô tả chi tiết cho a, b và c, xem văn bản || là điểm kích thích Các mũi tên một đầu chỉ chiều của trục di chuyển; mũi tên hai đầu chỉ chiều của trục rung động 51 Hình 5.2 Đánh giá lực cắt so với chiều sâu cắt trong một quá trình cắt xén của ruột bánh mì đại mạch Điều kiện thí nghiệm: tốc độ cắt tuyến tính, 1.000mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên

độ kích thích, 12 μm 52 Hình 5.3 Hình dạng của ruột bánh mì đại mạch trong suốt thời gian cắt thông thường và cắt siêu

âm Các điều kiện thử nghiệm: vận tốc cắt, 1.000 mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên độ siêu âm, 12 μm Mẫu mặt cắt ngang là 30 × 30 mm 53 Hình 5.4 Hình dạng của các sản phẩm bánh nướng nhiều lớp sau khi cắt thông 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

âm, 12 μm Chiều rộng mẫu xấp xỉ 30 mm 54 Hình 5.5 Hoạt động của membrane 55

PHỤ LỤC BẢNG

PHỤ LỤC BẢNG 3 Bảng 4.1 Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Alex Patist , Darren Bates , 2008) 29 Bảng 4.2 Một số nghiên cứu chiết xuất các chất có hoạt tính sinh học hỗ trợ bằng siêu âm

(Kamaljit Vilkhu et al., 2008) 47

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành được đồ án này, em đã vận dụng những kiến thức quý báu mà mình đã được tiếp thu từ các thầy cô trong suốt gần 4 năm học tập và rèn luyện ở trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Chính nhờ được học tập trong một môi trường năng động, luôn khơi dậy tinh thần tự học và sáng tạo của sinh viên đã giúp em có thêm kinh nghiệm sống và sự tự tin trước khi bước vào con đường đời đầy chông gai phía trước

Qua đây em xin được gửi lời cám ơn đặc biệt của mình đến:

+ Thầy Huỳnh Trung Việt, giáo viên hướng dẫn, người đã theo sát em trong suốt quá trình thực hiện đồ án môn học này Chính nhờ những lời chỉ dạy kịp thời của thầy trong 3 tháng qua đã giúp em có thể hoàn thành tốt đồ án này

+ Các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Thực phẩm trường Đại học Bách Khoa đã tận tình truyền đạt kiến thức cho em trong 4 năm qua

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn.

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay , các nhà khoa học thực phẩm không những chú trọng đến những thực phẩm an toàn về mặt vi sinh với thời gian bảo quản lâu , mà còn quan tâm đến những thực phẩm dạng tươi và chất lượng cao về mùi , hương vị và cấu trúc Việc chú trọng này dựa trên nhu cầu của người sử dụng , là một trong những nguyên nhân chính của việc nghiên cứu liên tiếp trong lĩnh vực được gọi là những kỹ thuật nổi bật Theo truyền thống , phương pháp nhiệt được sử dụng để sản xuất những thực phẩm an toàn Thanh trùng nước trái cây, sữa , bia và rượu là quá trình phổ biến trong những sản phẩm có thời gian bảo quản vài tuần ( thường là trong tủ lạnh) Tuy nhiên , các vitamin , hương vị , màu sắc và các đặc tính cảm quan đều bị giảm trong quá trình xử lý nhiệt Nhiệt độ cao là nguyên nhân gây nên những ảnh hưởng này và có thể quan sát được sự mất mát của các thành phần dinh dưỡng và sự thay đổi về hương , mùi vị, cấu trúc , thường phải sử dụng phụ gia để cải thiện sản phẩm Vì vậy, một trong những thách thức của ngành khoa học thực phẩm hiện nay

là phát triển những công nghệ mới có thể đồng thời đảm bảo tính chất lượng cao và kéo dài thời gian bảo quản Trong những năm gần đây, những công nghệ mới phổ biến nhất đang được thử nghiệm trong các phòng thí nghiệm khoa học thực phẩm là

áp lực cao, xung điện, tia tử ngoại, chiếu xạ, xung ánh sáng, và siêu âm, và một số

đã được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, trong khi các công nghệ khác đang nổi lên vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm ở phòng thí nghiệm Kỹ thuật siêu âm được áp dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm chủ yếu như một quá trình hỗ trợ chế biến và để làm sạch / khử trùng các bề mặt máy, nhưng tính khả dụng của nó vẫn còn đang được nghiên cứu

áp lực kết hợp với siêu âm Sử dụng trong vô hoạt enzyme sẽ được đề cập, mặc dù thông tin là khan hiếm, và các ứng dụng của siêu âm không phá hủy và siêu âm tần

số cao sẽ được xem xét trong một nỗ lực để hiển thị các ứng dụng rộng rãi của công nghệ trong lĩnh vực này.

Như vậy, mục tiêu tổng thể của bài báo cáo này là để hiển thị các thông số, cơ chế, và kết quả thí nghiệm khác nhau trên thế giới đã sử dụng siêu âm tần số thấp và siêu âm tần số cao, từ đó có thể dễ dàng hiểu được nguyên tắc cơ bản của công nghệ, mà đã có chứng minh thành công trong nhiều lĩnh vực khoa học thực phẩm và công nghệ chế biến thực phẩm

2 NGUYÊN TẮC CHUNG

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 2.1 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 2.2 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

2.1 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 và Mason, 1998)

Hai loại hệ thống siêu âm được báo cáo thường được sử dụng trong công nghệ thực phẩm , một loại sử dụng thanh siêu âm (horn) như một máy phát âm thanh và loại khác sử dụng bể (bath) Loại bể được sử dụng một cách truyền thống trong công nghệ thực phẩm vì dễ dàng sử dụng (Povey và Mason, 1998) Trong nghiên cứu gần đây , hệ thống dùng thanh siêu âm được trích dẫn thường xuyên như dạng bể (Aleixo et al , 2004 ; Duckhouse et al., 2004; Mason et al , 1996; Neis và Blume , 2003; Patrick et al., 2004; Tian et al., 2004) Hệ thống sử dụng thanh siêu

âm được sử dụng tốt như dạng bể trong nhiều ứng dụng , từ quá trình chế biến thực phẩm dùng siêu âm đến việc rửa các bề mặt của thiết bị chế biến thức phẩm

2.1.1 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)

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

2.1.2 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 2.3 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 2.4 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

2.1.3 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

2.1.4 Ví dụ về những hệ thống siêu âm trong chế biến thực phẩm

Nhiều ứng dụng trong thực phẩm với quy mô phòng thí nghiệm và quy mô công nghiệp sử dụng một hệ thống tích hợp được gọi là bộ xử lý siêu âm Bộ xử lý siêu âm cũng được gọi là bộ phản ứng (ví dụ như “đầu dò phản ứng” hoặc “bể phản ứng”) nếu quá trình xử lý siêu âm có khả năng làm biến đổi hóa học trong môi trường (Mason , 2003) Những thiết bị sản xuất luôn luôn được thiết kế bộ xử lý (bộ phản ứng) này với máy phát điện và bộ chuyển đổi , tất cả được chứa trong một

vỏ máy (có trọng lượng nhẹ và có thể di chuyển) và cung cấp vài loại máy phát khác nhau , chúng được lựa chọn tùy dựa trên việc ứng dụng Máy phát dạng thanh (tức là các đầu dò) hoặc dạng sonotrode Một số lượng lớn các công ty trên thế giới bán bộ xử lý siêu âm như Hielscher, Branson, Undatim, Sonicmaster, Giken, Sonics

& Materials, và Vibra Cell

Những công bố trong công nghệ chế biến thực phẩm bao gồm nhiều ví dụ về những hệ thống siêu âm thành công được thiết kế theo yêu cầu của khách hàng Ví

dụ như , những nhà nghiên cứu Furuta et al (2004), trong một báo cáo về sự vô

hoạt những tế bào Escherichia coli , biểu diễn một sơ đồ của một bộ máy bao gồm

một máy phát điện , một bộ chuyển đổi và một máy phát Một máy phát điện chức năng bổ sung thêm máy khuếch đại năng lượng được liên kết với một bộ chuyển đổi siêu âm , loại máy phát sử dụng là dạng thanh (tức là dạng đầu dò) nhúng ngập trong mẫu Họ sử dụng một đồng hồ để do độ lệch của biên độ dao động vào / ra của bề mặt thanh để kiểm tra năng lượng âm được sinh ra truyền đến mẫu Một hệ thống theo yêu cầu khác hàng khác nhằm mục đích vô hoạt E coli trong dịch lỏng

trứng gà (liquid whole egg – LWE), được báo cáo bởi Lee et al (2003) Thiết bị với quy mô phòng thí nghiệm của họ bao gồm một máy phát điện (với đầu ra cung cấp năng lượng có thể điều chỉnh được) , một bộ chuyển đổi từ điện máy Bandelin ,

và một thanh phát có thể khuếch đại siêu âm đầu ra và truyền nó vào trong dịch lỏng trứng gà

Những nhà nghiên cứu khác đã thành công trong việc khảo sát sự rã đông của những mẫu thịt và cá bằng siêu âm với những bộ chuyển đổi được thiết kế đặc trưng cho những thí nghiệm của họ ( đường kính của nó gần bằng với kích thước của mẫu) Gallego-Juárez et al (2003) tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng siêu

âm trong không khí hệ thống đặc biệt trong đó một máy phát điện được nối với một

bộ chuyển đổi dạng bước đĩa thiết kế theo yêu cầu của khách hàng Siêu âm được phát ra bởi một bộ truyền tản siêu âm và một tấm phẳng song song với nó Tấm mẫu được treo và hoạt động như một bộ tương phản để để hỗ trợ hình thành một làn sóng đứng

2.2 Siêu âm cường độ cao và siêu âm cường độ thấp

Trong ngành công nghiệp, ứng dụng kỹ thuật siêu âm được phân biệt thành hai loại: cường độ thấp (còn gọi là siêu âm tần số cao hoặc siêu âm "không phá hủy") và cường độ cao (còn được gọi là siêu âm tần số thấp hoặc siêu âm "năng lượng”) (Mason, 2003) Hai loại này khác nhau về mục tiêu cần đạt được, các ứng dụng, về năng lượng và tần số siêu âm được áp dụng Mục tiêu của siêu âm cường

độ thấp thường để xác định một số chất vô hình trong môi trường, trong khi siêu âm cường độ cao thường tập trung vào thay đổi một số phần của môi trường hoặc thúc đẩy một phản ứng hóa học Ví dụ, chụp cắt lớp y tế áp dụng siêu âm cường độ thấp

để xác định vị trí và hình ảnh những đối tượng lơ lửng trong môi trường riêng biệt (Kennedy et al., 2004) Cá heo và dơi cũng giống như vậy , chúng phát ra những sóng siêu âm cường độ thấp để định hướng bằng những tiếng vang; những hiện tượng này tương tự tới sự Định vị dưới nước SONAR (Sound Navigation and Ranging) (Hecht, 1996) Ngược lại, siêu thanh cường độ cao thường ăn mòn những

sự nhiễm bẩn bề mặt trong việc hàn và cắt chính xác vật liệu, và cũng để phá hủy những khối u trong siêu âm dùng trong y học để chữa bệnh ( Kennedy et al., 2004; Krefting et al., 2004; Mason, 2003; Povey và Mason, 1998).

Những khác biệt này tương tự như trong các ứng dụng trong công nghệ chế biến thực phẩm, trong khi cường độ thấp siêu âm được áp dụng để xác định vị trí lỗi

và các vật thể lạ trong thực phẩm trong quá trình kiểm tra đảm bảo chất lượng, siêu

âm cường độ cao được áp dụng cho các mục đích như phá hủy thành tế bào của vi sinh vật trong thực phẩm, biến tính protein, kích thích nảy mầm hạt giống, và nâng cao kết tinh trong thực phẩm (Knorr et al., 2004; Mason et al., 1996; Tian et al., 2004.) Những thông số chính của quá trình để phân biệt hai loại siêu âm là năng lượng siêu âm và tần số Siêu âm cường độ thấp có năng lượng thấp , với những cường độ năng lượng dưới 1W/cm2 và tần số cao từ 1-10MHz Do đó , siêu âm cường độ thấp cũng được gọi là siêu âm tần số cao Siêu âm cường độ cao có năng lượng cao với những cường độ năng lượng trên 10W/cm2 và tần số thấp từ 10-100kHz (Povey và Mason , 1998 ; McClements , 1995) Siêu âm cường độ cao còn được gọi là siêu âm tần số thấp

2.2.1 Tổng quan về siêu âm “không phá hủy” cường độ thấp

Siêu âm cường độ thấp (còn gọi là siêu âm không phá hủy , siêu âm cao tần) được áp dụng để xác định những mục đích chung, và do đó, nó được sử dụng như là một quá trình hỗ trợ chế biến trong ngành công nghiệp thực phẩm tạo đặc trưng cho các thành phần thực phẩm, thường trên các dây chuyền đảm bảo chất lượng Đúng hơn gọi là quá trình kiểm tra không phá hủy (non-destructive testing - NDT), quá trình này sẽ phát sóng siêu âm xuyên qua một môi trường mà không gây ra bất kỳ tính chất vật lý không đổi, hóa học, hoặc thay đổi điện tích trong môi trường, vì cường độ siêu âm là quá thấp (<1W/cm2) để làm thay đổi các nguyên liệu (Gestrelius et al., 1993; McClements, 1995) Những phần tử (hạt) trong môi trường dao động để phản hồi với năng lượng thấp (cơ học thuần túy) trong khi phơi bày

những sóng siêu âm và trở lại vị trí cân bằng của họ khi nguồn tạo siêu âm được loại bỏ.

Khi sóng âm truyền qua môi trường, một phần sóng phản xạ lại hoặc rải rác

ở bất cứ nơi nào môi trường thay đổi từ vật liệu này sang vật liệu khác (Hecht ,1996) Khoảng cách tới vị trí phản xạ có thể được tính thông qua đặc tính đo đạc của siêu âm như tần số (luôn cao hơn 1 MHz) và sự suy giảm hệ số, cho phép phát hiện và xác định vị trí của sự hiện diện của các phần tử lạ và những thay đổi về thành phần thực phẩm (McClements, 1995)

Siêu âm cường độ thấp có thể hỗ trợ quản lý chất lượng trong sản xuất thực phẩm, cũng như theo dõi các thay đổi mà các loại thực phẩm trải qua khi chúng được chế biến (lạnh đông, tạo nhũ tương, sấy khô,…) Các nhà sản xuất thực phẩm

sử dụng siêu âm NDT để xác định vị trí các vật thể lạ như thủy tinh, dư lượng hữu

cơ, hoặc sự nhiễm do vi khuẩn trong chất rắn và chất lỏng - ngay cả sau khi thực phẩm được đóng gói (Gestrelius et al., 1993; Hæggström và Luukkala, 2001) Các

ví dụ khác bao gồm mô tả đặc điểm của cấu trúc tế bào của bột nhào trước khi làm chín để có được dự đoán về chất lượng sản phẩm sau khi làm chín (Elmehdi et al., 2003) , và theo dõi sự chuyển động của tinh thể đá phía trên thực phẩm dạng rắn ( khi thực phẩm được lạnh đông chậm) để xác định hiệu suất năng lượng của quá trình đông lạnh ( Sigfusson et al., 2004)

2.2.2 Tổng quan về siêu âm “năng lượng” cường độ cao

Siêu âm ường độ cao (còn gọi là siêu âm tần số thấp, siêu âm năng lượng) được sử dụng để phá hủy cấu trúc tế bào, hoặc tăng cường hoặc ức chế các hoạt động trong các loại thực phẩm (Mason và cộng sự, 1996.), và được đặc trưng bởi cường độ năng lượng sắp xếp từ 10 đến 1.000 W/cm2 Các sóng âm thanh cường độ cao có thể gây ra áp lực cao bên trong các loại thực phẩm dạng lỏng, tạo ra các dòng bong bóng cực nhỏ (microbubbles) chuyển động nhanh và hình thành các bong bóng trong chất lỏng rồi nổ vỡ dữ dội (Mann và Krull, 2004) Những loại hoạt động

của bong bóng trong chất lỏng, tương ứng gọi là xâm thực khí phi quán tính và xâm thực khí quán tính, là những cơ chế có ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hoá học của thực phẩm (Povey và Mason, 1998) Hiện tượng xâm thực khí trong chất lỏng

có thể quá mạnh làm phá vỡ thành tế bào sống , các gốc tự do và các phản ứng hóa học dùng siêu âm (sonochemicals) được hình thành, và các quá trình như hạt giống nảy mầm được tăng cường tại bất cứ vị trí nào hoạt tình enzyme bị ức chế (Mason, 2003; McClements, 1995; Povey và Mason, 1998) Từ đây, Povey và Mason (1998) đặt ra thuật ngữ “biến đổi nguyên liệu” (“material-altering) để mô tả siêu âm năng lượng cao, song song đó là việc miêu tả “không phá hủy” dành cho siêu âm cường

độ thấp

Các ứng dụng làm thay đổi nguyên liệu của siêu âm cường độ cao rất nhiều trong phạm vi chế biến thực phẩm Những trường nghiên cứu chuyên môn làm việc chủ yếu với siêu âm năng lượng trong chế biến thực phẩm là việc nghiên cứu sự trích ly, đồng hóa, lọc, kết tinh, sinh ra những thành phần tốt, rã đông, và lạnh đông, trong khi một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đang xem xét việc vô hoạt hệ

vi sinh vật và enzyme trong thực phẩm (Mason, 2003)

Khi các nhà nghiên cứu phân tích kết quả từ các thí nghiệm siêu âm, họ xác định và sử dụng các thông số quá trình khác nhau cho các ứng dụng của siêu âm cường độ nhiều hơn so với các ứng dụng của siêu âm cường độ thấp Các thông số thường được sử dụng trong các ứng dụng của cả siêu âm cường độ cao và siêu âm cường độ thấp bao gồm tần số (f, hoặc tần số góc ω = 2πf) và biên độ năng lương (ký hiệu là A hay P) Những giá trị này được cài đặt hoặc điều chỉnh bởi thiết bị tạo siêu âm và được điều khiển bởi các thử nghiệm dựa trên kết quả mong muốn Tham

số được sử dụng rộng rãi trong siêu âm cường độ thấp bao gồm tần số, biên độ, vận tốc, thời gian và khoảng cách di chuyển, hệ số tắt, hệ số phản xạ, âm trở kháng, và mật độ Các thông số của siêu âm cường độ cao bao gồm năng lượng, tần số, nhiệt

độ xử lý, và thời gian xử lý

3 CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Nhìn chung, công suất đại diện cho cường độ của việc xử lý hoặc , từ một góc

độ khác, những ảnh hưởng lên môi trường của quá trình xử lý là bao nhiêu Trong siêu âm, quá trình xử lý được thực hiện bằng cách truyền một làn sóng siêu âm xuyên qua môi trường, do vậy, công suất của quá trình xử lý được xác định bởi năng lượng (hoặc cường độ) của sóng siêu âm

Các nghiên cứu cho thấy công suất mạnh hơn là nguyên nhân tạo ra những

sự thay đổi lớn trong nguyên liệu, ít nhất lên tới một số giới hạn công suất tối đa nào đó phụ thuộc vào những tính chất của môi trường (De Gennaro et al., 1999; Furuta et al., 2004; Joyce et al., 2003; Mason et al., 1996; Pagan et al., 1999; Povey

và Mason, 1998; Riera-Franco de Sarabia et al., 2000; Sun và Li, 2003; Tian et al., 2004) Về mặt lý thuyết, công suất do sóng siêu âm cao tạo áp suất cao trong môi trường (Hecht, 1996) Những áp suất cao tạo bởi âm thanh này làm tiêu diệt các vi sinh vật và enzyme trong thực phẩm và phá vỡ các vi cấu trúc, thông qua hiện tượng xâm thực khí (Povey và Mason, 1998) Tất nhiên, các nhà nghiên cứu nhằm tìm ra giá trị lực tối thiểu cần thiết để xử lý thực phẩm theo mong muốn và bảo toàn các vitamin, màu sắc, cấu trúc, và mùi vị trong thực phẩm (De Gennaro et al., 1999; McClements, 1995; Riera-Franco de Sarabia et al., 2000)

Công suất cũng liên quan đến năng lượng, và một vài nhà nghiên cứu về siêu

âm thích đo lường năng lượng cung cấp cho môi trường hơn là đo công suất Ví dụ, các nhà nghiên cứu Duckhouse et al (2004) đo thời gian xử lý trong vài giây và nhân những thời gian này bởi giá trị công suất của chúng để có được năng lượng Joule tác động lên môi trường Phương pháp này áp dụng mối quan hệ vật lý cơ bản dưới đây trong phương trình (2.4) (Hecht, 1996):

Tương tự, các nhà nghiên cứu khác đã báo cáo mật độ năng lượng bằng W•s/m tại nơi có mật độ công suất

3.1 Biên độ dao động

Theo cách truyền thống, để đại diện cho năng lượng hoặc độ mạnh của sóng siêu âm là biện pháp đo biên độ của dao động cơ học Biên độ dao động được đo như là khoảng dịch chuyển tối đa trong micromet (μm) của đầu dao động của các sonotrode khi nó sẽ phát các sóng âm vào môi trường Nói chung, biên độ dao động được xác định bởi các nhà sản xuất thiết bị Furuta et al (2004) và Tsukamoto et al (2004a, b) ưa thích sử dụng biên độ dao động, từ 1-7 μm, để đại diện cho năng lượng âm thực tế cho hệ thống được làm theo yêu cầu của khách hàng để giới thiệu đến các mẫu sản phẩm của họ Họ ngụ ý rằng các phép đo biên độ cung cấp một sự chính xác hơn và sự ổn định của hiện tượng xâm thực khí trong siêu âm hơn thông

số năng lượng được cung cấp, họ đã có thể đo biên độ dao động trong quá trình phát

xạ siêu âm (Tsukamoto et al., 2004a)

Biên độ dao động cũng được báo cáo như một thông số siêu âm trong hai bài viếtkhác về vô hoạt vi sinh vật, theo Pagán et al (1999) và Vercet et al.(2002) Ngoài ra, Mason et al (1996) đề cập đến biên độ dao động trong phần tổng quan của họ về sử dụng siêu âm trong chế biến thực phẩm, mặc dù họ cũng tham khảo nhiều cách khác mà năng lượng siêu âm có thể được đại diện Các cách khác để đại diện cho độ mạnh sóng siêu âm không liên quan đến các rung động của bộ chuyển đổi, nhưng thay vào đó là máy phát điện cấp điện cho các thiết bị siêu âm

Cường độ âm là một cách để đo công suất truyền đến môi trường từ

bề mặt của đầu sonotrode, hơn là từ các máy phát siêu âm Nói chung, cường độ âm

Pi (còn gọi là năng lượng bức xạ) đại diện cho công suất, P, phân phối trên một đơn

vị diện tích bề mặt A như trong phương trình (2.5) (Hecht, 1996):

Đối với những hệ thống siêu âm, cường độ âm được tính toán để có được năng lượng bức xạ từ bề mặt của đầu sonotrode (Neis và Blume, 2003) Giá trị cường độ âm này là công suất thực tế của môi trường gần bề mặt sonotrode, trên

mỗi đơn vị diện tích của mũi sonotrode Đối với một sonotrode có một khu vực tròn, cường độ âm được tính như trong phương trình (2.6):

Ngày nay, có rất nhiều thông số công suất và năng lượng khác nhau được sử dụng trong xử lý thực phẩm với bằng siêu âm (thông số này thường không được giải thích được trong tài liệu) mà các nhà nghiên cứu mới không thể luôn luôn xác định từ dữ liệu báo cáo bao nhiêu ứng dụng siêu âm là cần thiết để xây dựng dựa trên các kết quả được công bố Do đó, việc sử dụng một hoặc hai thông số tiêu chuẩn, dựa trên các đơn vị đo lường đã được chứng minh và tính toán cho các thông

số này, có thể xóa bỏ sự nhầm lẫn hiện tại

Siêu âm cường độ cao được thực hiện với tần số từ 10 đến 100 kHz Các tần

số được sử dụng chủ yếu phụ thuộc vào việc xem xét đến quá trình liên quan tới thiết bị và điều xem xét đầu tiên là độ lớn giá trị công suất mong muốn, ví dụ, bộ chuyển đổi tạo bức xạ năng lượng cao ở tần số thấp khi công suất thay đổi tỷ lệ nghịch với bình phương tần số (Povey và Mason, 1998), được biểu diễn trong phương trình (2.7):

Việc xem xét thứ hai là tần số phụ thuộc vào kích thước cực phát Những bể siêu âm, chúng truyền siêu âm trực tiếp vào bể thông qua đầu dò được gắn kèm, thường hoạt động ở 40 kHz Tuy nhiên, các hệ thống có gắn kèm một thanh siêu âm với bộ chuyển đổi để khuếch đại công suất có thể đạt được tần số thấp hơn là 20 kHz Tần số thấp hơn đạt được bằng cách mở rộng chiều dài thanh siêu âm cung cấp cho bộ chuyển đổi: tần số là giảm một nửa khi bộ phận phát tăng chiều dài gấp đôi.

Các tần số lựa chọn cho ứng dụng sẽ có một tác động mạnh đến hiện tượng xâm thực khí Mức độ xâm thực khí xảy ra trong chất lỏng phụ thuộc vào mối quan

hệ giữa tần số và kích thước bong bóng Áp suất cao từ các dao động của âm thanh tạo ra những bong bóng trong chất lỏng để tăng nhanh về kích thước và để làm vỡ thậm chí giữa mở rộng và giảm kích thước (Povey và Mason, 1998) Khi sự bể vỡ bong bóng theo biên độ quá nhiều, sự nổ vỡ của bong bóng càng dữ dội, một hiện tượng gọi là xâm thực khí quán tính có thể làm thay đổi các tính chất hóa lý của thực phẩm Tần số siêu âm sẽ giúp thúc đẩy sự nổ vỡ bong bóng bằng cách dẫn động bong bóng vào hiện tượng cộng hưởng

ra sẽ tăng khi các sóng siêu âm va chạm các bong bóng trong chất lỏng; khi các bong bóng được tạo trong chuyển động này được chuyển thành nhiệt và giảm độ nhớt Ngoài ra, khi siêu âm cường độ cao gây ra xâm thực khí quán tính trong chất lỏng, ở những nhiệt độ rất cao (lên đến 5.000 K) được tạo ra ở các vùng nhỏ (gọi là điểm nóng/ điểm tới hạn) trong mẫu do sự nổ vỡ của bong bóng trong chất lỏng Ngược lại, càng nhiều các bong bóng của hiện tượng xâm thực khí được tạo ra khi

nhiệt độ của mẫu tăng lên, dẫn đến càng nhiều bong bóng do nhiệt tạo ra di chuyển

và nổ vỡ Kết quả dẫn đến của những tác dụng của sóng siêu âm này là một sự gia tăng ổn định về nhiệt độ trong một mẫu được xử lý siêu âm theo thời gian

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu thực phẩm có thể chọn để giới thiệu hệ thống nhiệt ôn hòa nhằm tăng cường ảnh hưởng của siêu âm; việc xử lý kết hợp là gọi là ứng dụng của siêu âm kết hợp với nhiệt (thermo-sonication) (Povey và Mason, 1998) Ngày nay, một số thực phẩm được chế biến bằng phương pháp nhiệt có thể gắn các bộ biến đổi vào các bộ phận trao đổi nhiệt và hệ thống truyền nhiệt trong tương lai, để xử lý bằng siêu âm có thể thực hiện trước quá trình xử lý nhiệt với nhiệt độ thấp hơn (Povey và Mason, 1998) Đôi khi áp dụng phương siêu âm kết hợp với nhiệt có thể thực hiện mà không cần thêm nhiệt, bằng cách kiểm soát sự gia tăng của nhiệt độ trong mẫu trong khi xử lý bằng siêu âm để đạt được một giá trị ổn định của nhiệt độ theo thời gian

3.5 Những hiệu quả của siêu âm năng lượng cao

Các ảnh hưởng siêu âm tạo ra trong một môi trường phụ thuộc vào cá pha rắn, lỏng, khí trong môi trường (Povey và Mason, 1998) Hầu như , môi trường rắn

sẽ chịu một hiệu ứng “xốp” để đáp trả lại sự truyền của các sóng âm thanh, trong đó những sự hóa đặc và sự tạo chân không trong hoạt động của môi trường với chất rắn tương tự như sự nén và giãn của một vật liệu xốp (Riera-Franco de Sarabia et al., 2000) Trong môi trường lỏng, sự hóa đặc và tạo chân không, gây ra các phần tử chất lỏng tăng tốc trong sự những định hướng có thay đổi (đầu tiên về phía trước, sau đó đảo ngược), và bất kỳ bong bóng, tức là khí kẹt trong chất lỏng, tăng tốc tốt (Povey và Mason, 1998) Cuối cùng, những áp lực từ sự hóa đặc / tạo chân không,

có thể gây ra các bong bóng trong nước nổ vỡ dữ dội, một hiện tượng được gọi là xâm thực khí quán tính (Piyasena et al, 2003.)

3.6 Xâm thực khí

Xâm thực khí là cơ chế có khả năng tạo những hiệu quả mong muốn của siêu

âm “năng lượng” cường độ cao xảy ra trong thực phẩm Những hiệu quả về phá hủy

tế bào, sự ức chế hoạt động enzyme, sự hoàn thiện của các loại rượu vang, làm sạch

bề mặt sản xuất, trích ly, lọc, nhũ tương hóa, và kết tinh tất cả phụ thuộc vào cơ chế xâm thực khí (Mason và cộng sự, 1996; Povey và Mason, 1998)

Các nghiên cứu về xâm thực khí tập trung vào hoạt động của các bong bóng trong các chất lỏng (Povey và Mason, 1998) Các hoạt động của các bong bóng xác định có hai loại xâm thực khí xảy ra, xâm thực khí quán tính và xâm thực khí phi quán tính; cả hai tạo ra các hiệu quả rất khác nhau trong môi trường Khi xâm thực khí quán tính xảy ra, động lực của bong bóng từ sau khi các hoạt động xảy ra trong thực phẩm, ví dụ, cho dù các gốc tự do được tạo ra (hay không) và mức độ xâm thực xảy ra trong thực phẩm (Mason et al., 1996; Patrick et al, 2004) Tuy nhiên, các bong bóng không thể kiểm soát trực tiếp trong các thí nghiệm (Povey và Mason, 1998) Thay vào đó, những ảnh hưởng của các thông số khác lên bong bóng phải được nghiên cứu sâu nếu xâm thực khí được tối ưu hóa cho các hiệu quả tốt nhất Các tham số này bao gồm các biên độ áp lực âm thanh (điều khiển bởi biên độ sóng siêu âm) và tần số âm thanh

3.6.1 Xâm thực khí quán tính và xâm thực khí phi quán tính

Hai loại xâm thực khí đã đề cập, loại quán tính (còn được gọi là "tạm thời")

và loại phi quán tính (còn được gọi là "ổn định") (Povey và Mason, 1998), bao hàm một trường âm thanh dẫn truyền các bong bóng trong một chất lỏng vào một số loại phản ứng Một phản ứng xảy ra trong cả hai trường hợp xâm thực khí là tăng trưởng bong bóng, trong một quá trình gọi là sự lan rộng được chỉnh lưu, bong bóng gia tăng kích thước bằng cách lôi cuốn nhiều khí hơn từ chất lỏng xung quanh vào trong bong bóng Các bong bóng cũng giảm kích thước bằng cách đuổi khí thành vào trong chất lỏng Áp lực biến đổi trong môi trường xác định xem khí sẽ được lôi cuốn vào trong bong bóng (khi áp suất khí bên trong bong bóng xảy ra ít hơn so với

áp lực môi trường chất lỏng xung quanh) hoặc đuổi khí từ các bong bóng vào trong chất lỏng.

Trong xâm thực khí phi quán tính, trường âm thanh gây ra bong bóng hoặc là tăng kích thước và sau đó tan biến hoặc tạo dao động giữa một kích thước nhỏ hơn

và lớn hơn qua chu kỳ âm thanh Bởi vì các bong bóng không bao giờ nổ vỡ hoặc phá vỡ thành nhiều bong bóng nhỏ hơn, hình thức xâm thực khí dạng này ban đầu được gọi là xâm thực khí ổn định

Xâm thực khí quán tính được đặc trưng bằng sự tăng trưởng nhanh chóng theo sự nổ vỡ nhanh chóng của các bong bóng hoặc bằng các rung động với biên độ cực kỳ cao, trong đó các bong bóng phồng to hơn và kết hợp với nhau mạnh hơn, liên tục và cuối cùng bị nổ vỡ (Povey và Mason, 1998) Sau khi bong bóng nổ vỡ,

nó có thể vỡ vụn thành nhiều bong bóng nhỏ hơn hay phát triển lại để trải qua nhiều rung động hơn và / hoặc nhiều sự nổ vỡ hơn Bởi vì những điều quan sát thấy đầu tiên của xâm thực khí quán tính bao gồm sự phát quang do siêu âm (sonoluminescence) từ những bong bóng đã vỡ vụn sau một vài chu kỳ, hiện tượng này được gọi là xâm thực tạm thời

Những ảnh hưởng của xâm thực khí có thể tạo ra một số thay đổi mong muốn trong thực phẩm, chẳng hạn như sự ăn mòn cơ học và bẻ gãy các phần tử thức

ăn (để cải thiện quá trình phân loại, phối trộn, và trích ly), được gây ra bởi áp lực cắt thủy động lực từ rung động biên độ cao, áp lực phục hồi rung động từ một bong bóng bị nổ vỡ ; vi xoáy; và kỹ thuật vòi phun (Behrend và Schubert, 2001; Joyce et

al, 2003 Li et al., 2004; Povey và Mason, 1998; Riera-Franco de Sarabia et al., 2000) Kỹ thuật vòi phun (jetting) đặc biệt có thể đánh bật bụi bẩn và vi khuẩn từ các bề mặt thực phẩm, chẳng hạn như trứng, và các nhà máy chế biến thực phẩm (Povey và Mason, 1998) Các thay đổi khác có thể thuộc về sinh học, chẳng hạn như kích thích tăng trưởng - hạt giống và sự ấp trứng là ví dụ; các điểm tới hạn được tạo ra bởi sự nổ vỡ bong bóng có thể làm suy giảm các chất ô nhiễm kỵ nước

có trong nước (Mason, 2003) Thay đổi cũng xảy ra từ phản ứng hóa học, chẳng hạn

như phân hủy các chất ô nhiễm ưa nước có trong nước bởi các gốc hydroxyl được tạo ra trong suốt quá trình xâm thực khí quán tính (Mason, 2003) Việc vô hoạt hệ vi sinh vật, enzyme trong các loại thực phẩm xảy ra từ sự kết hợp các hiệu quả của quá trình cơ học , hóa học và sinh học.

4 VÔ HOẠT VI SINH VẬT VÀ ENZYME TRONG THỰC PHẨM SỬ DỤNG SIÊU ÂM

Như đã được đề cập trước đó, tùy thuộc vào tần số, siêu âm được sử dụng trong hai lĩnh vực lớn của chế biến thực phẩm Trong phần này, một cái nhìn chi tiết hơn về một số ứng dụng của nó được mô tả Trước tiên, siêu âm cường độ cao được

sử dụng cho bài khí các loại thực phẩm lỏng; sự khơi mào các phản ứng oxy hóa / khử; sự trích ly, tách chiết các enzyme và protein; sự vô hoạt các enzyme và các vi sinh vật; và sự khơi mào các quá trình kết tinh Đôi khi siêu âm kết hợp với các loại phương pháp xử lý khác để nâng cao hiệu quả của quá trình xử lý Vô hoạt các vi sinh vật bằng cách kết hợp phương pháp siêu âm với kháng sinh, áp lực, và nhiệt được cung cấp tài liệu rộng rãi (Knorr et al., 2004) Siêu âm cường độ thấp được sử dụng trong sự hoạt hóa các tế bào sống và enzyme, làm sạch bề mặt thực phẩm, hỗ trợ trích ly bằng siêu âm, kết tinh chất béo và đường, phá bọt, chiết xuất hương liệu, nhũ tương hóa, lọc, sấy, lạnh đông và làm mềm thịt (Chemat và Hoarau, 2004; Knorr et al., 2004), sự đo lường tập trung các dung dịch hòa tan đơn giản và thành phần thịt (Saggin và Coupland, 2001), phối trộn và đồng hóa, và kết chùm bột trên không (airborne powders) (Mason, 1996)

Mặc dù vậy, các ứng dụng của siêu âm trong chế biến thực phẩm không giới hạn; trong đảm bảo chất lượng, nhiều ứng dụng của công nghệ này mới được sử dụng như được đề cập trong bài Các nhà sản xuất thực phẩm có thể sử dụng kỹ thuật siêu âm không phá hủy (non-destructive, NDT) để xác định vị trí các vật thể lạ như thủy tinh, dư lượng chất hữu cơ, hoặc thậm chí nhiễm khuẩn ở cả hai loại thực phẩm dạng rắn và thực phẩm dạng lỏng, ngay cả sau khi thực phẩm được đóng gói (Gestrelius et al., 1993; Hæggström và Luukkala, 2000) Các ứng dụng khác bao

gồm mô tả đặc điểm của cấu trúc tế bào của bột nhào được làm chín sơ bộ để có được dự đoán chất lượng của sản phẩm sau khi chín (Elmehdi et al., 2003) và giám sát sự chuyển động của bề mặt băng trên thực phẩm dạng rắn khi nó được lạnh đông chậm để xác định hiệu quả năng lượng của quá trình đông lạnh (Sigfusson et al, 2004).

Bảng 4.1 Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm

(Alex Patist , Darren Bates , 2008)

Chiết xuất Gia tăng sự truyền khối của dung

môi , giải phóng nguyên liệu tế bào thực vật (sự phá vỡ bằng xâm thực khí)

Hiệu suất chiết xuất được gia tăng trong dung môi, nước hay hệ thống siêu tới hạn

Nhũ hóa hay

đồng hóa

đồng nhất , hiệu quả về chi phí

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 ,

giảm sự tắt nghẽnPhân riêng Sự kết tụ các thành phần ở các

điểm nút áp suất

Không dùng phụ gia hóa học

Thay đổi độ nhớt Điều chỉnh cấu trúc thuận nghịch

và không thuận nghịch qua tác động vi dòng và rung động

Điều chỉnh về hóa học liên quan đến các liên kết ngang và việc tái cấu trúc

Điều chỉnh không dùng chất hóa học giúp cải thiện các đặc tính chế biến , giảm lượng phụ gia, nhiều công dụng khác

Phá bọt Sóng áp suất trong không khí gây

vỡ bong bóng

Gia tăng sản lượng , giảm lượng hóa chất phá bọt , giảm mất mát trong quá

trình đóng chai.

Ép đùn Chấn động cơ học , giảm ma sát Gia tăng năng suất

Vô hoạt enzyme

và vi khuẩn

Gia tăng truyền nhiệt và lực cắt, phá hủy trực tiếp màng tế bào vi khuẩn

Vô hoạt enzyme ở nhiệt

độ thấp hơn , giúp cải thiện chất lượngLên 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

dòng chảy và xâm thực khí

Gia tăng truyền nhiệt , làm nhanh sự gia nhiệt, làm lạnh và sấy sản phẩm ở nhiệt độ thấp

Một số các ứng dụng được mô tả chi tiết sau đây Sự tập trung ban đầu sẽ là siêu âm năng lượng hoặc siêu âm tần số thấp, chúng được sử dụng cho mục đích phá hủy như vô hoạt các vi sinh vật hoặc enzyme Tiếp theo, siêu âm cường độ thấp hoặc siêu âm tần số cao sẽ bao gồm với một số ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

4.1 Hệ vi sinh vật

Mục tiêu của những công nghệ đang nổi lên trong công nghệ chế biến thực phẩm là vô hoạt hệ vi sinh vật ban đầu đến một mức độ an toàn với mối nguy hại tối thiểu cho thuộc tính chất lượng của sản phẩm Tuy nhiên, với một số công nghệ đang nổi lên, vi sinh vật trở nên có sức đề kháng mạnh hơn theo thời gian đối với các hành động của một yếu tố cụ thể như áp lực, điện, hoặc sóng âm Trong thực tế một số vi sinh vật tìm thấy rằng những yếu tố thực sự cải thiện sự tăng trưởng của chúng trong suốt quá trình xử lý Trong trường hợp của siêu âm, mặc dù nó đã được khám phá sâu hơn trong những năm gần đây, một số báo cáo cho thấy siêu âm tác động ảnh hưởng tích cực, khi được kết hợp với các yếu tố bảo quản khác, trên các

vi sinh vật và enzyme

Xử lý bằng siêu âm có thể có tác dụng gây chết vi sinh vật khi áp dụng với cường độ đủ cao (ví dụ, tần số trên 18 kHz) (Rodríguez et al., 2003) Một số tài liệu báo cáo yêu cầu vô hoạt vi sinh vật với tần số thấp như 14 kHz, mặc dù tần số phổ biến nhất là 20 và 24 kHz Tuy nhiên, nó đã được chứng minh rằng siêu âm với tần

số đó thường không đủ để giảm số lượng vi sinh vật Sóng âm nên được áp dụng với các yếu tố bảo quản khác để tăng hiệu quả xử lý Việc sử dụng siêu âm kết hợp với nhiệt, áp lực, hoặc cả hai có vẻ là một lựa chọn tốt Raso và Barbosa-Cánovas (2003) báo cáo rằng việc sử dụng siêu âm, áp suất, và nhiệt cùng với hoạt độ của

nước thấp (a w) là một sự kết hợp tốt cho việc giảm số lượng vi sinh vật trong thực phẩm Tuy nhiên ảnh hưởng của pH có vẻ là ít quan trọng hơn khi kết hợp với siêu

âm, và chỉ có một vài báo cáo tập trung vào hiệu quả của nó Jiménez-Fernández et

al (2001) nghiên cứu tác động của độ pH trong Aspergillus flavus trong suốt quá

trình xử lý bằng siêu âm kết hợp với nhiệt, tùy thuộc vào các điều kiện khác của

môi trường như a w, ảnh hưởng do độ pH được tìm thấy là có liên quan chỉ trong một

số trường hợp Khi a w là không đổi và độ pH được giảm, các giá trị D thấp hơn, nhưng khi pH không đổi, giá trị D thấp hơn đã đạt được với giá trị a w cao nhất (0,99) Đây là kết quả hợp lý, sự xem xét một số các cơ chế vô hoạt, và sẽ được mô

tả trong phần kế tiếp Trong một nghiên cứu khác sử dụng siêu âm để vô hoạt E

coli trong môi trường có tính acid (như nước ép cam và táo, pH = 3) cho thấy rằng ở

cường độ thấp (20 kHz; 0,4 và 7,5 μm) tỷ lệ vô hoạt ảnh hưởng bởi loài vi sinh vật

và sự thích nghi với acid của vi khuẩn trong môi trường; tuy nhiên, ở cường độ cao hơn những yếu tố này không quan trọng (Patil et al., 2009) Hoạt độ của nước cao hơn có nghĩa là sự hiện diện của nước tự do trong môi trường, làm tăng sự tạo thành các gốc tự do vì sự phân hủy của các phân tử nước được tạo ra bởi các sóng âm thanh, tăng tính gây chết của các vi sinh vật Trong nghiên cứu tương tự, kỹ thuật tạm thời được sử dụng với kháng sinh như kali sorbate và vanillin thêm vào siêu

âm, nhiệt, pH, và hoạt độ của nước, hiển thị kết quả tốt theo các giá trị D được báo

cáo Guerrero et al (2001) báo cáo không có thay đổi về độ nhạy cảm của

Saccharomyces cerevisiae khi siêu âm và nhiệt đã được áp dụng trong môi trường

canh (broth) với giá trị pH khác nhau Nhưng trong môi trường canh Sabouraud broth, ở pH 5.6, việc bổ sung chitosan làm tăng hoạt sự vô hoạt nấm men dưới tác dụng của phương pháp siêu âm kết hợp với nhiệt độ (Guerrero et al., 2005).

Các báo cáo về việc sử dụng siêu âm và nhiệt (thermo-sonication) cho thấy làm thế nào kết hợp một số các yếu tố ảnh hưởng đến các vi sinh vật khác nhau theo

những cách khác nhau Ví dụ, Knorr et al (2004) báo cáo rằng sự vô hoạt Bacillus

stearothermophilus và E coli K12 DH5α đã được cải thiện với việc sử dụng hơi

nước trực tiếp đưa vào quá trình xử lý bằng siêu âm, dẫn đến giảm nhiệt độ và thời gian quá trình Phương pháp này là phương pháp nhiệt có hỗ trợ siêu âm (UST –

Ultrasound-assisted thermal) Tuy nhiên, một loại vi sinh vật khác, Lactobacillus

acidophilus, ổn định hơn với quá trình kết hợp UST.

Từ nghiên cứu trước đây, sử dụng áp suất cao để vô hoạt sự các vi sinh vật xuất hiện như là một lựa chọn tốt thay cho việc sử dụng nhiệt Vì lý do này, áp lực cao đã được sử dụng kết hợp với các yếu tố bảo quản khác như nhiệt độ và chất kháng sinh Trong kỹ thuật siêu âm, một lĩnh vực mới gọi là mano-sonication hiện đang được thử nghiệm, trong đó việc sử dụng áp lực trung bình và cao, kết hợp với siêu âm làm giảm một cách hiệu quả mức độ ban đầu của số lượng vi sinh vật Một

số các vi sinh vật được nghiên cứu nhiều nhất trong kỹ thuật không sử dụng nhiệt

được gọi là vi sinh vật gây bệnh nổi bật, chẳng hạn như E coli, Salmonella và

Listeria monocytogenes, vì tầm ảnh hưởng quan trọng của chúng trong vi sinh thực

phẩm và tác động lên sự an toàn của thực phẩm Các báo cáo cho thấy những cải

tiến trong vô hoạt E coli qua việc kết hợp phương pháp siêu âm và áp suất cao,

cũng tốt như việc sử dụng kết hợp nhiệt, âm thanh, và áp suất, đạt được sự giảm hoạt tính enzyme của một số vi sinh vật gây bệnh ưa nhiệt Các trở ngại khác sử dụng trong việc kết hợp với MTS là các chất kháng sinh tạo kết quả tốt trong việc

vô hoạt vi sinh vật (Knorr et al., 2004) Mano-sonication và xử lý nhiệt cũng đã

được báo cáo là đạt được hiệu quả thêm trong vô hoạt L monocytogenes.When các

vi sinh vật chịu năng lượng sóng siêu âm ở 20 KHz và 117 μm ở điều kiện môi

trường xung quanh, không đạt được những biến đổi quan trọng; tuy nhiên, khi áp suất được thêm vào như sự khắc phục để việc vô hoạt vi sinh vật là đáng kể Sử

dụng 200 kPa dưới cùng điều kiện siêu âm mô tả ở trên, giá trị D là 1,5 phút, giảm

còn 1 phút khi áp suất tăng lên đến 400 kPa Thí nghiệm được thực hiện tại các nhiệt độ khác nhau lên tới 50oC nhưng hiệu quả của tham số này không đáng kể tại các mức độ nghiên cứu (Piyasena et al, 2003)

Những mô hình toán học đã được phát triển để mô tả sức đề kháng của các

vi khuẩn khác nhau đến phương pháp mano-sonication (Raso và Barbosa-Cánovas, 2003) Tiến sĩ Javier Raso và nhóm nghiên cứu của ông tại Đại học của Zaragoza ở Tây Ban Nha là một trong số những người tiên phong hiện đang kết hợp áp suất, nhiệt, và âm thanh để đạt được sự vô hoạt vi sinh vật Bắt đầu từ cuối những năm

1990 và trong 5 năm cuối thập niên, nghiên cứu siêu âm từ trường đại học này đã đạt được sự liên quan quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thực phẩm trên toàn thế giới

Sự vô hoạt một số vi sinh vật được thể hiện cho những môi trường xử lý khác nhau và điều kiện hoạt động khác nhau Với sự kết hợp của nhiệt và siêu âm,

giảm thiểu đáng kể các giá trị D thu được cho Listeria innocua và Salmonella Rõ ràng, các nghiên cứu với Zygosaccharomyces bailii đã chỉ ra rằng phương pháp siêu

âm kết hợp với nhiệt là không phụ thuộc vào môi trường xử lý, ít nhất là trong

trường hợp này Sự giảm nhanh giá trị D được thu nhận với sự kết hợp của nhiệt độ

và siêu âm Hơn nữa, sự kết hợp của siêu âm với áp suất cải thiện một cách rõ ràng

khả năng vô hoạt vi sinh vật theo Pagán et al (1999) đã cho thấy đối với L innocua

Một tác dụng phụ đã được thể hiện với MTS trong các tế bào thực vật, cho

Enterococcus faecium và bào tử Bacillus subtilis, hiệu quả được thể hiện là đồng bộ

(Raso và Barbosa-Cánovas, 2003) Theo nghiên cứu của Guerrero et al (2001) với

S cerevisiae cho thấy kết quả tốt, cho thấy một hiệu quả đồng bộ giữa nhiệt và siêu

âm trong vô hoạt nấm men Hơn nữa, khi nhiệt độ thường xuyên duy trì các giá trị dưới giá trị gây tiêu diệt, sự gia tăng cường độ của sóng siêu âm là giá trị quan trọng

nhất trong vô hoạt các vi sinh vật, nhưng kết quả không rõ ràng như trong ví dụ trước đó Raso et al (1998b) cũng cho thấy rằng việc sử dụng áp lực kết hợp với

siêu âm có sử dụng nhiệt nâng cao sự vô hoạt bào tử B.subtilis, so với xử lý bằng

phương pháp nhiệt Kết quả phương pháp xử lý bằng siêu âm và nhiệt kiểm tra trên

mốc như A flavus và Penicillium digitatum cho thấy hiệu quả của việc thêm kháng

sinh để tăng cường sự vô hoạt Việc sử dụng chitosan hàm lượng thấp (1000 ppm)

là một chất kháng sinh tự nhiên trong môi trường dưới tác dụng của siêu âm và nhiệt (45 º C) tăng cường sự vô hoạt so với điều trị chỉ dùng siêu âm nhiệt (Guerrero và cộng sự, 2005) Tuy nhiên, áp suất, siêu âm, nhiệt, và các yếu tố bảo quản khác không cần có chất phụ gia hoặc có hiệu quả đồng bộ trong mọi trường hợp Mỗi vi sinh vật cần được nghiên cứu theo phương pháp xử lý khác nhau để biết phản ứng của nó Ví dụ, phản ứng của các bào tử với các kỹ thuật khác nhau luôn luôn khác nhau từ các loại tế bào khác nhau, vì các đặc tính nội tại của họ Những kết quả của mano-thermo-sonication (siêu âm , nhiệt , áp suất) áp dụng trên

bào tử B subtilis cho thấy, khi áp suất tăng lên, trong kết hợp với nhiệt và siêu âm,

khả năng vô hoạt được nâng cao Tuy nhiên, khi quá 500kPa, áp lực không còn một yếu tố quan trọng bởi vì khả năng vô hoạt không tăng lên, không có tác dụng hơn nữa trong việc vô hoạt bào tử được quan sát dưới các điều kiện thử nghiệm (70◦C,

117 μm, và 20kHz) (Raso et al., 1998b) Một nghiên cứu thú vị về việc sử dụng siêu

âm được ứng dụng năng lượng này để trì hoãn sự thối rữa trái cây và duy trì chất lượng quả Ví dụ, siêu âm đã được sử dụng tại những tần số khác nhau (tối đa 59 kHz) và nhiệt độ 20◦C để xử lý dâu tây ngâm trong nước Sự thối rữa đã được trì hoãn và số lượng vi sinh vật giảm Độ cứng của quả và tổng chất rắn hòa tan, độ chua, và hàm lượng vitamin C cũng được giữ lại sau khi chế biến (Cao et al, 2010)

Một nhân tố bổ sung cần được nghiên cứu là môi trường xử lý Là một công nghệ mới, siêu âm đang được thử nghiệm dưới nhiều điều kiện khác nhau, và một

số kết quả đã chỉ ra rằng sự vô hoạt các tế bào có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào thành phần của môi trường So sánh kết quả của các vi sinh vật dưới tác dụng của siêu âm là rất khó khăn vì các dữ liệu không thống nhất để điều chỉnh các điều kiện