tìm hiểu về kĩ thuật siêu âm trong công nghệ thực phẩm

I. NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP1II. MÁY MÓC VÀ THIếT BỊ SIÊU ÂM:61. MÁY PHÁT ĐIỆN (ELECTRICAL GENERATOR)72. BỘ CHUYỂN ĐỔI (TRANSDUCER)83. BỘ PHẬN PHÁT (EMITTER)94. VÍ DỤ Về NHỮNG HỆ THỐNG SIÊU ÂM TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM10III. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM111. ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH TRÍCH LY 132. ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH KÊT TINH 143. ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH BÀI KHÍ165. ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH SẤY186. KHẢ NĂNG KHƯ BỌT CỦA AIRBORNE ULTRASOUND297. ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG THỰC PHẩM307.1. CƠ CHẾ CủA SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG317.2. TÁC ĐỘNG CỦA SIÊU ÂM ĐẾN BẢO QUẢN LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM TƯƠI347.3. TÁC ĐỘNG CỦA SIÊU ÂM ĐẾN CÔ ĐẶC LẠNH VÀ SẤY LẠNH367.4. CÁC YẾU Tố ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ SIÊU ÂM378. ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG KỸ THUẬT CẮT THỰC PHẨM37TÀI LIỆU THAM KHẢO45

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

I NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP 1

II MÁY MÓC VÀ THIếT BỊ SIÊU ÂM: 6

1 MÁY PHÁT ĐIỆN (ELECTRICAL GENERATOR) 7

2 BỘ CHUYỂN ĐỔI (TRANSDUCER) 8

3 BỘ PHẬN PHÁT (EMITTER) 9

4 VÍ DỤ Về NHỮNG HỆ THỐNG SIÊU ÂM TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM 10

III ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM 11

1 ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH TRÍCH LY 13

2 ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH KÊT TINH 14

3 ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH BÀI KHÍ 16

5 ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH SẤY 18

6 KHẢ NĂNG KHƯ BỌT CỦA AIR-BORNE ULTRASOUND 29

7 ỨNG DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG THỰC PHẩM 30

7.1 CƠ CHẾ CủA SIÊU ÂM TRONG QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG 31

7.2 TÁC ĐỘNG CỦA SIÊU ÂM ĐẾN BẢO QUẢN LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM TƯƠI 34 7.3 TÁC ĐỘNG CỦA SIÊU ÂM ĐẾN CÔ ĐẶC LẠNH VÀ SẤY LẠNH 36

7.4 CÁC YẾU Tố ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ SIÊU ÂM 37

8 ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG KỸ THUẬT CẮT THỰC PHẨM 37

I Nguyên lý của phương pháp

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 và cộng sự, 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 Môitrường phản hồi lại sự lan truyền của các sóng này và cũng có thể duy trì chúng bằngcách 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 và cộng sự, 2004) Trong thời gian

ngưng tụ, những phân 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 và cộng sự,

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)…

McClement (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 (1), khoảng thời gian từ mộtbiên độ đỉnh cao đến biên độ đỉnh cao khác là khoảng thời gian τ của sóng hình sin Điềunày theo vật lý có nghĩa là mỗi phần tử tại độ sâu nào đó trong môi trường (dọc theođường cách đều nào đó) phải chờ khoảng thời gian t trước khi trải qua sóng âm khác bằngvới một sóng âm vừa trải qua Tần số f của đường sin đại diện cho số lần hoàn tất mộtdao động trong một đơn vị thời gian và là nghịch đảo của khoảng thời gian như trong

phương trình sau đây (1) (McClements, 1995):

F = 1/τ (1)τ (1)

Hình 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 cácphần tử trong môi trường đều sâu hơn Tại bất kỳ thời điểm nào, biên độ của sóng âmđược nhận thấy mạnh mẽ bởi những phân tử gần nguồn sóng âm, nhưng những phần tửsâu hơn trong môi trường trải qua sóng âm thì kém mạnh mẽ hơn Sự giảm biên độ sóng

mâ thanh theo khoảng cách vì sự suy giảm từ môi trường Đường biểu diễn của khoảngcách biên độ sóng âm thực sự là một đường hình sin theo hàm số mũ giảm dần, như thểhiện trong hình 2, khoảng cách giữa những đỉnh biên độ tiếp theo là bước sóng (λ).)

Bước sóng liên quan đến tần số xuyên qua vận tốc ánh sáng c, theo phương trình (2)

(McClement, 1995):

λ).= c/τ (1)f (2)

Hình 2 Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin, khoảng cách đối lập và biên độ sóng âm.

Kết quả là, những sóng siêu âm di chuyển xuyên qua môi trường với tốc độ có thể đođược bởi việc tác dụng lên các phần tử (hạt) của môi trường tại những vị trí cân bằng Tạimột thời điểm nào đó, những phần tử đổi chỗ qua lại cho nhau Sự thay đổi này gây ra sựtăng giảm tỷ trọng/τ (1)mật độ và áp suất Do đó, chỉ có một loại năng lượng truyền vào môitrường từ sống 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 điên từ phổ

(electromagnetic –EM) và vi sóng (microwaves – MV) (Kardos và Luche, 2011), cũng

tốt như xung điên trường (pulsed electric fields – PEF) Sóng điện từ phổ (EM) và xungđiên trường (PEF) tạo ra năng lượng điện từ lên môi trường, nó được hấp thu bởi cácphần tử (hạt) của môi trường Ví dụ như ánh sáng UV từ mặt trời có thể truyền đủ nănglượng nguyên tử (4Ev) để phá hủy liên kết carbon-carbon Các sóng điện từ phổ (EMwaves) tồn tại khi những thành phần của nguyên tử thay thế - có phần điện tích dương vàđiện 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 song xen vào các phân tử phân cực (có một đầu dương và một đầu âm) trong môitrường bởi việc làm cho chúng quay quanh và sắp xếp thẳng hàng với các vùng mangđiện liên kết với vi sóng Trong các lò vi sóng, các phần tử nước trong thực phẩm hấp thunhiều 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 làchỉ có sóng âm không chứa những phần tử (hạt) của chính nó Sóng âm chỉ làm gián đoạn

sự yên tĩnh cua3 môi trường để tạo dao động các phân tử thuộc môi trường Không như

âm thanh, các nhà vật lý học dường như làm sáng tỏ một diều bí ẩn chưa được giải quyết,sóng âm lan truyền đồng thời 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 khoảngkhông Khi những khoảng không không chứa những phần tử (hạt) môi trường, nhữngsóng âm không tập trung không thể truyền bởi vì chúng không thể tạo sự tập trung hayphân tác các phần tử (hạt)

Áp lực tác dụng lên tai người bởi âm thanh lớn là rất nhỏ (<10Pa) nhưng áp lực từsóng siêu âm lên các chất lỏng có thể đủ cao (vài Mpa) đủ để hỗ trợ việc khởi đầu mộthiện 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 ranhững gốc tự do Hiện tượng xâm thực khí chủ yếu hướng đến việc phá hủy các tế bào visinh vật và tạo ra các gốc tự do và các âm hóa học (sonochemicals) phản ứng hóa học với

môi trường lỏng (Chemat và cộng sự, 2004; Knorr và cộng sự, 2004) nHững ứng dụng

của sóng siêu âm đó liên quan với việc phát hiện những tì vết/τ (1) thiếu sót, như việc đảmbảo chất lượng trong quy trình chế biến thực phẩm, phải được thiết kế để sự xâm thực khíquán tính không thể xảy ra Tuy nhiên, những ứng dụng khác của sóng siêu âm dự vào sự

xâm thực khí quán tính có định hướng để tạo ra những thay đổi mong muốn trong thựcphẩm Những thay đổi được tạo ra bởi hiện tượng 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 bởihiện 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 và

cộng sự, 2004; Riera – Franco de Sarabia và cộng sự, 2000) Do đó, hiện tượng xâm

thực khí được tránh trong một nhánh chế biến thực phẩm có sử dụng sóng siêu âm vàđược nghiên cứu trong những lĩnh vực khác khi cơ chế thích hợp cho tất các các hiệu quảmong muốn

 Hiện tượng xâm khí thực:

Khi sóng siêu âm được truyền vào chất lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếpđược tạo thành Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờliên kết hóa học Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn vàtrong chu trình kéo chúng bị tách ra xa Áp lực âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắngcác lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ Bọt khí trở thành hạtnhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khí tạm thời

(Kuldiloke J, 2002).

Các bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước củachúng dao động nhẹ nhàng trong các chu trình kéo và nén Sau hàng ngàn chu trình,chúng tăng thêm về kích thước Trong suốt quá trình dao động, bọt khí ổn định có thểchuyển thành bọt khí tạm thời Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nênhiện tưởng “sốc sóng” và hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng Bọt khí ổn định cóthể lôi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành

dòng nhiệt nhỏ (Kuldiloke J., 2002).

Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanh chóng, chỉ qua vài chu trìnhchúng bị vỡ ra Trong suốt chu trình kéo/τ (1)nén, bọt khí kéo giãn và kết hơp lại cho đến khiđạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt khí Diện tích bề mặt bọt khí

trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén, vì vậy sự khuếch tán khí trong chu trìnhkéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên theo mỗi chu trình Các bọt khí lớn dần đếnmột kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí

khiến các bọt khí nổ tung dữ dội (Kuldiloke J., 2002).

 Các hiệu ứng vật lý và hóa học khi chiếu siêu âm lên hệ chất lỏng

Hiện tượng sủi bọt (cavitation): sóng siêu âm được tạo ra bằng các dao động cơ ở

tần số cao hớn 15kHz Khi truyền trong môi trường lỏng, các phần tử trong trường siêu

âm trải qua các chu trình nén và duỗi và những dao động này sẽ lan truyền cho các phần

tử kế cận Khi năng lượng đủ lớn, tại chu trình duỗi, tương tác giữa các phân tử sẽ vượtquá lực hấp dẫn nội tại và các lỗ hỏng nhỏ trong lòng chất lỏng được hình thành Hiệntượng trên còn được gọi là hiện tượng sủi bọt NHững bóng sủi này sẽ lớn dần lên bởiquá trình khuếch tán một lượng nhỏ các cấu tử khí (hoặc hơi) từ pha lỏng trong suốt phadãn nở và không được hấp thụ hoàn toàn trở lại trong quá trình nén

Hiện tượng vỡ bóng: khi chúng đạt đến một thể tích mà chúng không còn có thể

hấp thu được năng lượng, chúng vỡ ra một cách đột ngột và nhanh chóng Trong suốt quátrình vỡ, nhiệt độ và áp suất sẽ tăng lên rất cao Thể tích chất lỏng bị gia nhiệt là rất nhỏ

và nhanh chóng bị tiêu tan, mặc dù nhiệt độ tại vùng này rất cao trong vào μs Mặt khác,s Mặt khác,nhiệt độ và áp suất cao tạo ra khi nổ bong bóng sẽ dẫn tới sự tạo thành các gốc tự do như

H.

và OH.

II Máy móc và 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 cómáy phát điện (electrical power generator), bộ chuyển đổi (transduccer) 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 và cộng sự, 1996), và những hệ thống làm thoáng không khí (airborne systems), chúng không yêu cầu có máy phát (Gallego –

Juarez và cộng sự, 2003; Povey và Mason, 1998)

Hai loại hệ thống siêu âm được báo cáo thường được sử dụng trong công nghiệp thựcphẩm, một loại sử dụng thanh siêu âm (horn) như một máy phát âm thanh và loại khác sửdụng 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) Hệ thống sử dụng thanh siêu âm được sửdụng 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 thực phẩm

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 nhữngmáy phát năng lượng được hiệu chỉnh một cách gián tiếp qua việc cài đặt hiệu điện thế(V) và cái đặt cường độ dòng điện (I) Hiệu điện thế biểu thị thế năng được dự trữ trongcác electron (do 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 (3) (Hecht, 1996).

P = IV [W] , [volt, amps] , [VA] (3)Các máy phát điện được thiết kế đặc biệt cho siêu âm chủ yếu tập trung trong việc vệsinh công nghiệp, và những ứng dụng để xử 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 thườngkhông phải kiểm tra việc phá hủy cấu trúc thực phẩm, nhưng siêu âm năng lượng cónhiều ứng dụng tiềm năng trong quá trình chế biến thực phẩm

2 Bộ chuyển đổi (Transducer)

Mọi hệ thống siêu âm bao gồm một bộ chuyển đổi như một chi tiết trung tâm, vai tròcủa nó là để phát siêu âm thực tế Bộ chuyển đổi chuyển điện năng (hay cơ năng, trongtrường 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 và cộng sự (2003) giải thích

rằng một bộ chuyển đổi được đính kèm với một máy phát điện sẽ tạo ra sự chuyển đổi, ví

dụ, 20kHz được chuyển từ điện năng của máy phát thành năng lượng siêu âm của cùngtần số bằng việc rung độn 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 bộchuyển đổi được điều khiển bởi chất lỏng dựa trên năng lượng cơ học thuần túy để tạo rasiêu âm, nhưng những bộ chuyển đổi từ giảo và những bộ chuyển đổi áp điện chuyển đổiđiện năng và từ tính thành cơ năng, năng lượng siêu âm Trong khi việc tạo tiếng huýttrong chất lỏng 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 và

cộng sự, 2004; Povey và Mason, 1998).

Hình3 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 (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 vậtliệu ceramic trong suốt để đáp ứng năng lượng điện

Hình 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 liệuceramic 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 nhữngthay đổi trong cấu trúc lưới của nó Chính sự dịch chuyển vật lý này làm cho sóng âm lantruyền vào bên trong dịch được xử lý

3 Bộ phận phát (Emitter)

Mục đích của bộ phận phát là tỏa ra sóng siêu âm từ bộ chuyển đổi vào trong môitrường Những máy phát cũng có thể hoàn thành vai trò của việc khuếch đại những sựrung động siêu âm trong khi phát ra chúng Hai dạng chính của những bộ phận phát là bộphận 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 khuếch đại tín hiệu và truyền vào cho mẫu.Đầu của thanh, thường được gắn riêng biệt được biết như là một sonotrode, phát ra sóngsiêu 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 hìnhdạng 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 mạnhhầu như không bị giảm dần chất lượng sau nhiều giờ sử dụng được yêu cầu trong sảnxuất thực phẩm

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 côngnghiệp sử dụng một hệ thống tích hợp được gọi là bộ xử lý siêu âm Bộ xử lý siêu âmcũng 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 dựatrên việc ứng dụng Máy phát dạng thanh (tức là các đầu dò) hoặc dạng sonotrode Một sốlượng lớn các công ty trên thế giới bán bộ xử lý siêu âm như Hielscher, Branson,Undatim, Sonicmaster, Giken, Sonics & materrials, 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 và cộng sự (2004), trong một báo cáo về sự vô hoạt những

tế bào Escherrchia 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 máykhuếch đại năng lượng được liên kết với một bộ chuyển đổi siêu âm, loại máy phát sửdụng là dạng thanh (tức là dạng đầu dò) nhúng ngập trong mẫu Họ sử dụng một đồng hồ

để đo độ lệch của biên độ dao động vào/τ (1)ra của bề mặt thanh để kiểm tra năng lượng âm

được sinh ra truyền đến mẫu Một hệ thống theo yêu cầu khách hàng nhằm mục đích vô

hoạt E.coli trong dịch lỏng trứng gà (liquid whole egg – LWE), được báo cáo bởi Lee và

cộng sự (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 điệnmáy Bandelin, và một thanh phát có thể khuếch đại siêu âm đầu ra và truyền nó vào trongdịch lỏng trứng gà

Những nhà nghiên cứu khác đã thành công trong việc khảo sát sự rã đông của nhữngmẫu 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-Juarez

và cộng sự (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 đĩathiết kết 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 bộtương phản để hỗ trợ hình thành một làn sóng đứng

III Ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong công nghệ thực phẩm

Siêu âm là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển nhanh trong công nghệthực phẩm Nó có thể được phân loại thành 2 lĩnh vực được ứng dụng chính trong công

nghiệp thực phẩm (Liyun Zheng và Da-Wen, 2006)

Tần số cao và năng lượng thấp, siêu âm chuẩn đoán, trong khoảng tần số MHz Phầnnày được sử dụng như một kỹ thuật phân tích đảm bảo chất lượng, qui trình điều khiển vàkiểm tra không làm phá huỷ cấu trúc, điều này được ứng dụng trong xác định tính chất

thực phẩm, đo tốc độ dòng chảy, kiểm tra bao gói thực phẩm…( Floros và Liang, 1994;

McClements,1995; Mason, Paniwnyk và Lorimer, 1996; Mason1998).

Tần số thấp và siêu âm năng lượng cao Phần này được ứng dụng rộng rãi như mộtqui trình hỗ trợ trong hàng loạt các lĩnh vực như: kết tinh, sấy, bài khí, trích ly, lọc, đồng

hoá, làm mềm thịt, quá trình oxi hoá, quá trình tiệt trùng …(Mason, 1998; Mason và

cộng sự, 1996; McClements, 1995).

III Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghệ thực phẩm (Povey và Mason, 1998)

Tiêu diệt vi sinh vật

Ta sẽ đi vào tìm hiểu một số ứng dụng cụ thể của kỹ thuật siêu âm trong côngnghệ thực phẩm:

1 Ứng dụng siêu âm trong quá trình trích ly (Povey và Mason, 1998; Mason và cộng

sự, 1996)

Cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng trích ly của các qui trình trích ly cổđiển là dựa trên:

¯ Tạo ra một áp lực lớn xuyên qua dung môi và tác động đến tế bào vật liệu

¯ Tăng khả năng truyền khối tới bề mặt phân cách

¯ Phá vỡ thành tế bào trên bề mặt và bên trong của vật liệu, giúp quá trình thoát chấttan được dễ dàng

Siêu âm năng lượng cao được áp dụng trong quá trình trích ly đường từ củ cải đường

(Chendke và Fogler, 1975) Siêu âm hỗ trợ cho quá trình trích ly còn đước ứng dụng

trong sản xuất các hợp chất dược như helicid, berberine hydrochloride, và berberine từ

những loại cây Trung Quốc (Zhaovà cộng sự,1991) Helicid, thường được trích ly bằng

phương pháp trích ly ngược dòng trong ethanol, nhưng khi sử dụng sóng siêu âm thìlượng helicid thu nhận cao hơn 50 % trong khoảng thời gian chỉ bằng một nửa phươngpháp cổ điển ở nhiệt độ thường

Quá trình trích ly protein từ đậu nành cũng được nghiên cứu bởi Wang (1975) Một

qui trình sản xuất liên tục đã được phát triển, trong đó có áp dụng siêu âm hoạt động ở tần

số 20 kHz, đầu dò 550 W, sẽ cho kết quả trích ly tốt hơn các phương pháp từng sử dụngtrước đây Nhờ đó ta có thể nhân rộng quá trình trích ly protein đậu nành lên mô hìnhpilot (Moulton và Wang,1982)

Quá trình trích ly các chất tan trong trà từ lá trá là một quá trình quan trọng về mặtthương mại, vì nó tạo ra một điểm khởi đầu trong công nghệ sản xuất trà hoà tan Trà hoàtan là sản phẩm dạng bột từ quá trình sấy phun dịch trà Việc sử dụng sóng siêu âm có thểtăng quá trình trích ly ở 600C lên 20 % (Mason và Zhao, 1994) bảng 2.2 Hiệu quả của

trích ly siêu âm thì tốt hơn phương pháp trích ly nhiệt thông thường, nó đòi hỏi thời gianngắn hơn, những chất tan chính sẽ được trích ra trong vòng 10 phút đầu của phương phápsiêu âm

Bảng 1 Trích ly trà xanh bằng sóng siêu âm (20 kHz, xử lý trong 10 phút)

Điều kiện trích ly Chất rắn được trích ly (% khối lượng)

2 Ứng dụng siêu âm trong quá trình kết tinh (Hong Li và cộng sự, 2006; Povey và

Việc nhân rộng mô hình siêu âm hỗ trợ cho quá trình kết tinh đã rất thành công trongviệc sản xuất ra các dược phẩm kết tinh Nguồn phát siêu âm được đặt tại đáy của thápkết tinh nhằm 2 mục đích Đầu tiên dung dịch bão hoà sẽ được gieo mầm kích thích bằngsiêu âm, những mầm tinh thể sẽ lớn dần khi dòng chảy được khuấy trộn, nó sẽ tiếp tục

phát triển cho tới khi nó đủ lớn để chìm xuống dưới tác dụng của trọng lực Các tinh thểlớn này sẽ vị vỡ ra do tác động của các bọt khí khi chúng chìm xuống gần nguồn phátsiêu âm Những mảnh vỡ nhỏ này lại tiếp tục lớn lên, chúng đóng vai trò cung cấp mộtlượng lớn các mầm tinh thể cho quá trình kết tinh hơn nữa.

Một lĩnh vực vô cùng quan trọng liên quan đến quá trình kết tinh trong công nghệthực phẩm đó là việc hình thành các tinh thể đá trong quá trình lạnh đông nước Khi rãđông các sản phẩm đông lạnh thì chất lượng của thực phẩm có thể bị giảm do sự thay đổicấu trúc sản phẩm Điều này đặc biệt xảy ra với những trái cây mềm như dâu tây Điềunày là do các tinh thể đá nhỏ được hình thành trong giai đoạn đầu trong tế bào sản phẩm

sẽ lớn dần lên, khi các tinh thể đá lớn nó có thể phá vỡ cấu trúc tế bào của nguyên liệudẫn tới việc phá huỷ cấu trúc sản phẩm Có một khoảng thời gian ” dừng ” đáng kể giữathời điểm bắt đầu kết tinh (khoảng – 30C) đến khi kết tinh hoàn toàn và từ điểm này nhiệt

độ của toàn hệ thống sẽ giảm xuống (hình 5) Dưới tác dụng của siêu âm thì tốc độ kết

tinh sẽ nhanh hơn và do đó khoảng thời gian ” dừng ” sẽ ngắn hơn (Acton và Morris,

1992)

Ngoài ra, các tinh thể đá được tạo thành sẽ nhỏ hơn do đó ít nguy hại đến các tế bàohơn Trong các lĩnh vực có liên quan khác, thì việc sử dụng siêu âm trong sản phẩm kem

que cũng đã được nghiên cứu (Wiltshire,1992) Siêu âm giúp tạo ra các tinh thể đá nhỏ và

phân bố đều trong sản phẩm Giúp sản phẩm kem que mềm và mịn hơn, dễ cắn hơn kemque truyền thống Đây là một ưu điểm lớn, tuy nhiên nó làm cho kem dính chặt hơn vàoque gỗ

Hình 5 Ảnh hưởng của siêu âm đến quá trình lạnh đông

3 Ứng dụng siêu âm trong quá trình bài khí (Povey và Mason, 1998)

Kết quả tạo bọt của siêu âm đã được áp dụng trong việc bài khí trong chất lỏng Bất kìcác loại khí hay các bong bóng khí hoà tan trong môi trường đều đóng vai trò như mộttâm hình thành các bọt khí Các bọt khí này không dễ dàng vỡ dưới lực nén chu kỳ củasóng do nó chứa các khí và chúng sẽ tiếp tục lớn dần, và cuối cùng sẽ nổi lên bề mặt Chu

kỳ này khí xảy ra rất nhanh (40.000 lần/τ (1) giây), các bọt khí lớn rất nhanh và sự bài khí sẽdiễn ra ngay lập tức

Việc loại các khí không mong muốn là một qui trình rất quan trọng trong công nghiệpthực phẩm, và nó được xem nhu là một qui trình vô cùng khó khăn đối với các chất lỏng

có độ nhớt cao như chocolate Siêu âm hỗ trợ giúp quá trình bài khí diễn ra cực nhanh

Nó đóng vai trò quan trọng khi quá trình bài khi đòi hỏi tốc độ cao và được điều khiển

4 Ứng dụng siêu âm trong quá trình lọc (Povey và Mason, 1998; Takaobi Kobayasi và

cộng sự, 2003)

Việc loại bỏ các pha huyền phù trong chất lỏng là một qui quan trọng trong hoá học

và kỹ thuật, đặc biệt là trong thực phẩm Quá trình lọc này nhằm loại các chất rắn tự dohay các chất rắn dạng huyền phù trong dung dịch Quá trình lọc siêu âm nhằm loại bỏ các

phần tử cực nhỏ từ chất lỏng ngày càng được quan tâm, bởi vì tốc độ dòng chảy qua lọc

có thể gia tăng một cách đáng kể khi áp dụng siêu âm

Thông thường, rất nhiều loại membrane được sử dụng từ những tấm lọc đơn giản đếncác loại membrane bán thẩm thấu Tuy nhiên, phương pháp truyền thống này thường dẫntới nghẹt màng lọc do đó ta phải thường xuyên thay các màng lọc Siêu âm được áp dụng

để cải tiến kỹ thuật lọc này là do: nó sẽ cung cấp một năng lượng rung đủ lớn di chuyểncác phân tử huyền phù ra khỏi rãnh lọc, do đó tạo ra nhiều rãnh trống cho chất lỏng điqua, vì vậy làm tăng tốc độ lọc nhanh hơn các phương pháp thông thường khác trongcùng thời gian như nhau

Trong nghiên cứu Takaomi Kobayashi và cộng sự (2003) đã đề nghị sử dụng kỹ thuật

làm sạch siêu âm để làm giảm hiệu ứng fouling của màng siêu lọc (UF) và màng vi lọc(MF) khi chúng dùng để lọc dung dịch pepton và dung dịch sữa Hiệu ứng fouling là hiệntượng giảm lưu lượng dòng permeate do màng membrane bị nghẹt Siêu âm được ápdụng ở tần số 28, 45 và 100 kHz và năng suất đầu ra là 23 W/τ (1)cm2 Các nghiên cứu đượctiến hành trên các membrane làm từ vật liệu polysulfone của UF và cellulose của MF khi

có hiện tương fouling xảy ra Tác giả cho rằng ở tần số 28 kHz của siêu âm sẽ có hiệuquả làm sạch lại màng membrane khi màng đã xảy ra hiện tượng fouling Ngoài ra, tácgiả còn tiến hành nghiên cứu siêu âm cải thiện tính thấm của màng membrane Kết quảcho thấy rằng siêu âm có thể làm giảm hiện tượng fouling trong cả hai hệ thống màngtrên khi siêu âm được áp dụng trước khi xảy ra hiện rượng fouling Cơ chế ảnh hưởng củasiêu âm lên các màng xốp membrane thì vẫn chưa hiểu rõ hoàn toàn, nhưng hầu hết cácnghiên cứu đều cho rằng siêu âm giúp loại bỏ các tác nhân gây nghẹt màng, ngoài racường độ và tần số siêu âm giúp làm tăng tốc độ dòng permeate

Hình 6 Sơ đồ minh hoạ hiệu quả của siêu âm trên (a) Cải thiện tính thấm của màng, hạn chế hiện tượng fouling và (b) làm sạch màng sau khi hiện tương fouling xảy ra (Takaomi

Nguyên lý: khi sóng siêu âm cường độ cao tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, chúng sẽ

xuyên qua môi trường rắn và tạo ra hàng loạt các hoạt động nén giãn liên tục Các lực néntrên các bề mặt làm tạo ra các kênh rãnh nhỏ giúp cho quá trình thoát hơi nước được dễ

dàng hơn Ngoài ra, siêu âm sẽ tạo ra bọt giúp làm tăng khả năng thoát ẩm liên kết Vàmột số ảnh hưởng khác được quan tâm đó là sự biến đổi của độ nhớt, sự biến dạng củacác vật liệu rắn xốp, các ảnh hưởng này giúp tạo ra các rãnh siêu nhỏ, làm giảm sựkhuếch tán ở các lớp biên, và làm gia tăng sự đối lưu vật chất trong thực phẩm Tuynhiên, chưa có bằng chứng thực nghiệm nào xác định cơ chế nào là có ảnh hưởng lớnnhất đến quá trình sấy siêu âm Đây chính là lý do chính giải thích tại sao tính khả quancủa phương pháp này vẫn dưới dạng tiềm năng

Từ những kết quả hứa hẹn đã nhận được từ mô hình thí nghiệm, đã làm tăng tiềmnăng sử dụng năng lượng rung siêu âm Tuy nhiên trong công nghiệp thì hệ thống sấysiêu âm đòi hỏi phải điều khiển được các thông số trong quá trình sấy Có nghĩa là chúng

ta cần tập trung vào:

¯ Những hiểu biết sâu hơn về những cơ chế chính giúp làm thoát ẩm bên trong vậtliệu bằng siêu âm

¯ Phát triển các mô hình sấy siêu âm mẫu trong thời kỳ tiền kỹ nghệ

Theo nhóm tác giả Fuente-Blanco và cộng sự ( 2006) đã tiến hành nghiên cứu sấy

mẫu cà rốt hình trụ, tuy nhiên công việc này có thể mở rộng cho một số sản phẩm khácnhư khoai tây và táo Trong nghiên cứu này các vật liệu có cấu trúc đặc trưng khác nhau(thân củ, rễ, quả) sẽ được xử lý

Các vật mẫu sẽ được cắt thành dạng hình trụ (đường kính 24 mm, dày 8 mm) Để chuẩn

bị sấy mẫu cà rốt chúng ta phải tuân theo một số qui định chung: chọn rau quả non, rửasạch , loại bỏ phần hư hỏng và cắt chúng thành các mẫu nhỏ đồng đều, ngoài ra mẫu cònđược chần một thời gian trong nước nóng truớc khi sấy Tất cả các quá trình chuẩn bị nàynhằm tránh enzym tấn công và sự oxi hoá sản phẩm Sau đó mẫu sẽ được trữ đông

Mô hình thí nghiệm được đưa ra như sau:

Hình 7 Mô hình hệ thống sấy siêu âm trực tiếp, bao gồm: Buồng sấy, hệ thống phát năng lượng siêu âm, bộ điều khiển , đơn vị thu thập dữ liệu và máy tính (Fuente-Blanco và

cộng sự, 2006)

Hệ thống bao gồm một số phần như sau: (a) buồng sấy, (b) hệ thống phát năng lượngsiêu âm, (c) bộ điều khiển, (d) đơn vị thu thập dữ liệu và (e) máy tính để xác định và điềukhiển các thông số của quá trình sấy

(a) Buồng sấy: quá trình sấy diễn ra trong buồng sấy Máy biến năng siêu âm đặt phíatrên buồng sấy Buồng chân không đặt trong buồng sấy song song với máy biến năng, bềmặt xốp phía trên của buồng chân không được đặt các mẫu trên đó và cũng được sử dụng

để thoát ẩm ra khỏi mẫu Một trụ khí áp suất được điều kiển bởi một máy điều chỉnhđược đặt dưới buồng chân không và chúng tạo ra một áp lực ổn định giữa bề mặt phâncách giữa máy biến áp và vật thể Một thiết bị thổi không khí cưỡng bức với tốc độ dòngkhí và nhiệt độ được điều khiển, giúp làm tăng khả năng thoát ẩm trên bề mặt vật thể

Tốc độ không khí được điều khiển bởi PWM (điều rộng xung) Nhiệt độ của mẫu được

đo bằng cặp nhiệt điện và được theo dõi trong suốt quá trình thông qua máy tính

(b) Hệ thống phát năng lượng siêu âm: gồm một hộp trở kháng thích hợp, một bộ phậnkhuếch đại và một hệ thống điều khiển tần số cộng hưởng Hệ thống này đươc điều khiểnđặc biệt để giữ cho năng lượng cung cấp được ổn định ở tần số cộng hưởng của máy biếnnăng trong suốt qúa trình sấy, không phụ thuộc vào sự thay đổi của trở kháng âm thanhcủa tải trọng Hệ thống phát siêu âm có công suất tối đa là 250 W Các thông số của máybiến năng (tần số, hiệu điện thế, dòng điện và pha) được điều khiển ổn định liên tục thểhiện trên máy tính

Tất cả các hệ thống cơ điện và khí được đặt trong buồng sấy được điều khiển trực tiếpbằng máy tính bằng các phần mềm đặc biệt ( LabView và Mathematica code), và máyđiều hoà tín hiệu và năng luợng bằng PWM Ngoài ra hệ thống sấy siêu âm có thể tiếnhành các bước khác nhau của quá trình sấy tự động bằng phần mềm tự động Việc đánhgiá các thông số của quá trình cũng được phân tích Ngoài ra quá trình này cho phép ápdụng, giám sát, điều khiển các thông số của quá trình

Kết quả và bàn luận

Thí nghiệm đầu tiên được tiến hành để khảo sát ảnh hưởng của năng lượng siêu âm ( 0

W, 25W, 50 W, 75 W và 100 W) vào động lực quá trình sấy Trong các thí nghiệm thìmột số thông số đuợc giữ cố định như:

- Nhiệt độ buồng sấy: 24-260C và độ ẩm tương ứng là : 30 – 46 %

- Ap suất tĩnh: 0.06 kg/τ (1)cm2

- Lực hút: 60 mBar

- Tốc độ dòng khí: 2 m/τ (1)s

- Nhiệt độ dòng khí: 30 0C

Hàm ẩm của mẫu được đo thông qua khối lượng mỗi 15 phút một lần.

Hình 8 Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đến động lực của quá trình sấy mẫu cà rốt

hình trụ (Fuente-Blanco và cộng sự, 2006)

Hình 8 thể hiện sự thay đổi phần trăm khối lượng trong suốt quá trình sấy của 30 mẫu càrốt khi có sử dụng siêu âm và không sử dụng siêu âm Việc sấy mẫu chuẩn trong nghiêncứu này nhằm thể hiện vai trò của công suất siêu âm đến động lực quá trình sấy trong khicác thông số khác được giữ cố định Kết quả đã thể hiện rất rõ ảnh hưởng của công suất

âm đến quá trình sấy Khi công suất siêu âm tăng thì tốc độ sấy tăng