ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ thực phẩm

Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin , khoảng cách đối lập với biên độ sóng âmKết quả là , những sóng siêu âm di chuyển xuyên qua môi trường với tốc độ có thể đo được bởi việc tác dụng

1 Mở đầu

Sóng siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tửtrong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người - tần số caohơn 18 kHz

Sóng siêu âm được được ứng dụng rộng rãi từ khoa học, công nghiệp cho đến yhọc Trong công nghiệp thực phẩm sóng siêu âm được ứng dụng trong nhiều quá trìnhnhư: sấy, trích ly, kết tinh, lọc, lạnh đông, phá bọt, lên men, thay đổi hoạt tính enzyme, vệsinh bề mặt thiết bị…

2 Nguyên tắc

2.1 Nguyên tắc chung:

Siêu âm bao gồm một loạt các sóng âm với tần số cao, bắt đầu tại 16 kHz, mà là gầngiới hạn trên của ngưỡng nghe được ở con người Khi cho một nguồn bức xạ âm thanhvào một môi trường gần đó có khối lượng (ví dụ, không khí, chất lỏng, hoặc chất rắn), âmthanh lan truyền dạng sóng hình sin Môi trường phản hồi lại sự lan truyền của các sóngnày và cũng có thể duy trì chúng bằng cách dao động đàn hồi Những sự rung động đànhồi của môi trường có hai dạng : sự ngưng tụ và sự làm thoáng Trong thời gian ngưng

tụ, những phần tử của môi trường bị nén (ví dụ như khoảng cách giữa các phần tử tích tụlại), gây nên sức ép và mật độ của môi trường tăng Trong thời gian làm thoáng, nhữngphần tử trong môi trường chuyển dịch một phần, vì thế mật độ và áp lực của môi trườnggiảm

McClements (1995) mô tả sâu sắc trạng thái của sóng siêu âm bằng cách quan sátsóng 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 hìnhsin Điều này theo vật lý có nghĩa là mỗi phần tử tại độ sâu nào đó trong môi trường (dọctheo đường cách đều nào đó) phải chờ khoảng thời gian τ trước khi trải qua sóng âm khácbằng 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 trongphương trình (2.1) (McClements, 1995):

f = 1/τ 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 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 phần 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

âm thanh theo khoảng cách vì sự suy giảm từ môi trường Đường biểu diễn của khoảngcách biên độ sóng âm thật sự là một đường hình sin theo hàm số mũ giảm dần, như thểhiện 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/τ 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 daođộng tuần hoàn cho những 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

sự tăng giảm tỷ trọng / mật độ và áp suất Do đó , chỉ có một loại năng lượng truyền vàomôi 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 sóngsiêu 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), cũngtốt như xung điện trường (pulsed electric fields – PEF) Sóng điện từ phổ (EM) và xungđiện 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 và

tử mang điện tích âm và dương , lộ ra các vùng điện từ Các vùng điện từ này đi vào môitrường 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 ) trongmôi trường 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 phân tử nước trong thực phẩm hấpthu nhiều bức xạ vi sóng , và những chuyển động quay sau đó được chuyển thành nănglượng nhiệt (Hecht, 1996) Do đó , sóng điện từ phổ (EM) truyền năng lượng điện từ vàomôi 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 giánđoạn sự yên tĩnh của môi trường để tạo dao động các phần tử thuộc môi trường Khôngnhư âm thanh , các nhà vật lý học dường như làm sáng tỏ một điều bí ẩn chưa được giảiquyết , sóng âm lan truyền đồng thời cả hai dòng là dòng tập trung năng lượng giốngphần tử (hạt) và những sóng không tập trung Sự khác biệt này trở nên hiển nhiên trongmột khoảng không Khi những khoảng không không chứa những phần tử (hạt) môitrường , những sóng âm không tập trung không thể truyền bởi vì chúng không thể tạo sựtập 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 áplực từ sóng siêu âm lên các chất lỏng có thể đủ cao (vài MPa) đủ để hỗ trợ việc khởi đầumột hiện tượng gọi là xâm thực khí quán tính (inertial cavitation), hiện tượng này có thểphá 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 âmcường độ rất cao , chúng có thể phá vỡ một phần những vi cấu trúc của môi trường vàsinh 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 ứnghóa học với môi trường lỏng (Chemat et al., 2004; Knorr et al., 2004) Những ứng dụngcủa sóng siêu âm đó liên quan với việc phát hiện những tì vết / thiếu sót, như việc đảmbảo chất lượng trong quy trình chế biến thực phẩm , phải được thiết kế để sự xâm thực

Hình 2.1 Hệ thống phát sóng siêu âm

khí quán trính không thể xảy ra Tuy nhiên , những ứng dụng khác của sóng siêu âm dựavào sự xâm thực khí quán tính có định hướng để tạo ra những thay đổi mong muốn trongthực phẩm Những thay đổi được tạo ra bởi hiện tượng xâm thực khí bao gồm việc vôhoạt hệ vi sinh vật và trích ly dầu hoặc các hợp chất dinh dưỡng thông qua việc ăn mònnhững 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 biếnthực 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

2.2 Thiết bị phát sóng siêu âm

Bất cứ ngành công nghiệp hoặc ứng dụng nào liên quan , những thành phần hệ thống cơbản cần để sinh ra và truyền sóng siêu âm đều giống nhau Một hệ thống phát sóng siêu

âm gồm có 3 phần: máy phát điện siêu âm (electrical power generator), máy biến năngsiêu âm (transducer) và hệ thống truyền siêu âm (emitter)

Hình 2.2 Máy phát điện siêu âm

Máy phát điện là một nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống siêu âm , nó phảilàm cho bộ chuyển đổi (transducer) hoạt động Máy phát điện siêu âm sẽ chuyển dòngđiện xoay chiều từ hệ thống điện thông dụng là 50 – 60Hz đến một năng lượng điện siêuâm

2.2.2 Máy biến năng siêu âm (Transducer)

Mọi hệ thống siêu âm bao gồm một bộ chuyển đổi như một chi tiết trung tâm, vaitrò 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 rungđộng cơ học tại những tần số siêu âm

Có 3 loại máy biến năng siêu âm được dùng phổ biến nhất hiện nay là: máy biếnnăng chất lỏng (liquiddriven), máy biến năng điện từ (magnetostrictive), máy biến năngđiện áp (piezoelectric-pzt)

2.2.2.1 Máy biến năng chất lỏng

 Nguyên lý

Chất lỏng được đẩy qua một khe hẹp và đập vào tấm bản mỏng, làm tấm bản rung.Ứng với mỗi chuyển động rung thì tấm bản mỏng sẽ tạo ra sóng áp suất và sẽ tạo bọttrong chất lỏng Việc phát ra liên tiếp áp lực và tạo ra bọt trong thể tích chất lỏng thì tấmbản mỏng sẽ phát ra một nguồn năng lượng

Hình 2.3 Máy biến năng chất lỏng 2.2.2.2 Máy biến năng điện từ

 Nguyên lý

Các vật liệu sẽ bị nén giãn khi được đặt vào vùng điện từ

Cấu tạo máy biến năng này được xem như một dạng solenoid với vật liệu từ tínhlàm lõi Lõi được cấu tạo từ nhiều lớp mỏng niken hoặc hợp kim của nó (hoặc các vậtliệu có từ tính khác) xếp song song với nhau và được quấn xoắn ốc quanh bằng cuộn dâyđồng Mỗi cạnh của từng lớp niken thì được gắn với một bề mặt khác, bề mặt này sẽ rungdưới tác dụng của từ trường

 Nguyên tắc hoạt động

Hình 2.5 Máy biến năng áp điện

Năng lượng điện xoay chiều được phát từ máy phát điện siêu âm sẽ đi vào máybiến năng điện từ Đầu tiên năng lượng điện này sẽ chuyển thành trường điện từ do cáccuộn dây cuốn Sau đó trường điện từ sẽ được dùng để tạo ra các rung động cơ học tại tần

số siêu âm

- Nhược điểm: Máy biến năng điện từ năng lượng cao ít khi nào hoạt động ở tần

số trên 100 kHz và hệ thống này chỉ sử dụng 60% năng lượng điện, còn lại thoát ra ngoàidưới dạng nhiệt do đó nó cần có hệ thống làm mát

- Ưu điểm: Hệ thống có cấu trúc cứng và chịu được áp lực hoạt động lớn.

2.2.2.3 Máy biến năng áp điện

Đây là thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất Nó sử dụng trực tiếp năng lượng điệnbiến đổi thành rung cơ học thông qua việc sử dụng các vật liệu áp điện

Cấu tạo: Tâm của máy biến năng áp điện là một hay hai đĩa mỏng vật liệu áp điệnceramic Chúng được kẹp giữa hai cực dòng điện Vật liệu ceramic còn được kẹp chặt bởi

2 khối kim loại (một nhôm, một thép) Khi ép dòng điện vào 2 cực ceramic sẽ bịgiãn hoặc co lại tùy vào cực và tạo ra sóng âm

2.2.3 Hệ thống truyền âm (Emitter)

Hệ thống này giúp truyền năng lượng siêu âm đến môi trường cần xử lý Hai dạngchính của những bộ phận phát là bộ phận phát dạng bồn và bộ phận phát dạng thanh (ví

dụ, những đầu dò); những máy phát dạng thanh thường được đính kèm một sonotrode

Những bộ phận phát dạng bồn thông thường gồm có một bể (tank) với một hoặcnhiều bộ chuyển đổi được gắn liền Bể chứa mẫu cần xử lý và những bộ chuyển đổi tỏa rasiêu âm trực tiếp vào trong mẫu Trong hệ thống dạng thanh , một thanh được gắn với bộchuyển đổi đến bộ khuyếch đại tín hiệu và truyền vào cho mẫu Đầu của thanh , thườngđược 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 Sựkhác biệt chính trong thiết bị được sử dụng trong phòng thí nghiệm so với thiết bị côngnghiệp trên thị trường là loại bộ phận phát Những bộ phận phát mạnh hầu như không bịgiảm dần chất lượng sau nhiều giờ sử dụng được yêu cầu trong sản xuất thực phẩm

3 Phân loại:

Trong ngành công nghiệp, ứng dụng kỹ thuật siêu âm được phân biệt thành hailoại: cường độ thấp (còn gọi là siêu âm tần số cao hoặc siêu âm "không phá hủy") vàcường 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 vàtần số siêu âm được áp dụng Mục tiêu của siêu âm cường độ thấp thường để xác địnhmột số chất vô hình trong môi trường, trong khi siêu âm cường độ cao thường tập trungvào 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 đốitượng lơ lửng trong môi trường riêng biệt (Kennedy et al., 2004) Cá heo và dơi cũnggiống như vậy , chúng phát ra những sóng siêu âm cường độ thấp để định hướng bằngnhững 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, vàcũng để phá hủy những khối u trong siêu âm dùng trong y học để chữa bệnh ( Kennedy etal., 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 biếnthực phẩm, trong khi cường độ thấp siêu âm được áp dụng để xác định vị trí lỗi và các vậtthể lạ trong thực phẩm trong quá trình kiểm tra đảm bảo chất lượng, siêu âm cường độcao được áp dụng cho các mục đích như phá hủy thành tế bào của vi sinh vật trong thựcphẩm, biến tính protein, kích thích nảy mầm hạt giống, và nâng cao kết tinh trong thựcphẩm (Knorr et al., 2004; Mason et al., 1996; Tian et al., 2004.) Những thông số chínhcủa quá trình để phân biệt hai loại siêu âm là năng lượng siêu âm và tần số Siêu âmcường 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 âmcường độ cao còn được gọi là siêu âm tần số thấp

3.1 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 quátrình hỗ trợ chế biến trong ngành công nghiệp thực phẩm tạo đặc trưng cho các thànhphần thực phẩm, thường trên các dây chuyền đảm bảo chất lượng Đúng hơn gọi là quátrình kiểm tra không phá hủy (non-destructive testing - NDT), quá trình này sẽ phát sóngsiêu 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 họcthuần túy) trong khi phơi bày những sóng siêu âm và trở lại vị trí cân bằng của họ khinguồn 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) Khoảngcách 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 sựhiện 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 âmNDT 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 tảđặc điểm của cấu trúc tế bào của bột nhào trước khi làm chín để có được dự đoán về chấtlượng sản phẩm sau khi làm chín (Elmehdi et al., 2003) , và theo dõi sự chuyển động củatinh thể đá phía trên thực phẩm dạng rắn ( khi thực phẩm được lạnh đông chậm) để xácđịnh hiệu suất năng lượng của quá trình đông lạnh ( Sigfusson et al., 2004)

3.2 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 sửdụng để phá hủy cấu trúc tế bào, hoặc tăng cường hoặc ức chế các hoạt động trong cácloại thực phẩm (Mason và cộng sự, 1996.), và được đặc trưng bởi cường độ năng lượngsắp xếp từ 10 đến 1.000 W/cm2 Các sóng âm thanh cường độ cao có thể gây ra áp lựccao 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 tìnhenzyme 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 chosiêu âm cường độ thấp

Các ứng dụng làm thay đổi nguyên liệu của siêu âm cường độ cao rất nhiều trongphạm vi chế biến thực phẩm Những trường nghiên cứu chuyên môn làm việc chủ yếuvới siêu âm năng lượng trong chế biến thực phẩm là việc nghiên cứu sự trích ly, đồnghóa, lọc, kết tinh, sinh ra những thành phần tốt, rã đông, và lạnh đông, trong khi một sốnhóm nghiên cứu trên thế giới đang xem xét việc vô hoạt hệ vi sinh vật và enzyme trongthực 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 độnhiều hơn so với các ứng dụng của siêu âm cường độ thấp Các thông số thường được sửdụng trong các ứng dụng của cả siêu âm cường độ cao và siêu âm cường độ thấp bao gồmtần số (f, hoặc tần số góc ω = 2πf) và biên độ năng lương (ký hiệu là A hay P) Những giáf) và biên độ năng lương (ký hiệu là A hay P) Những giátrị này được cài đặt hoặc điều chỉnh bởi thiết bị tạo siêu âm và được điều khiển bởi cácthử nghiệm dựa trên kết quả mong muốn Tham số được sử dụng rộng rãi trong siêu âmcường 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 caobao gồm năng lượng, tần số, nhiệt độ xử lý, và thời gian xử lý

4 CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM LÊN VI SINH VẬT VÀ ENZYME

4.1 Phương thức tác động của siêu âm lên vi sinh vật

Phương thức tác động của siêu âm lên khả năng vô hoạt vi sinh vật hiện nay đượctin rằng có liên quan đến việc phá hủy thành tế bào và các cấu trúc thành tế bào, được xácnhận bởi thực tế rằng một số vi khuẩn của các loài đặc biệt có khả năng chống xâm thực

khí hơn những loài khác trong các điều kiện xử lý tương tự (Knorr et al., 2004) Việc làmmỏng màng tế bào cùng với việc làm nóng và tạo ra gốc tự do là điều quan trọng trongviệc vô hoạt Khi sóng siêu âm đi qua một chất lỏng, một số vùng nén và giãn được tạo

ra Trong các khu vực này hiện tượng vật lý xâm thực khí bắt đầu và hàng ngàn bongbóng được hình thành Các bong bóng được tạo thành rất nhanh chóng và sau đó va đậpvới nhau bên trong môi trường Bên trong môi trường, nhiệt độ tại trung tâm rất cao (lêntới 5.500oC) và đạt tới áp suất cao (50 MPa), và những sự nổ vỡ cực mãnh liệt xảy ra cuốicùng, những điều kiện này làm tiêu diệt một số vi khuẩn (Piyasena et al, 2003) Bằnghiện tượng xâm thực khí, hoặc là cấu trúc thành tế bào bị phá vỡ , đứt đoạn, hoặc cácphần tử bị loại bỏ trên bề mặt (Earnshaw et al., 1995) Xâm thực khí có liên quan với sựxén đứt đoạn, làm nóng, và sự hình thành gốc tự do, chúng được xem là những hiệu quảchủ yếu Thu hẹp các tế bào gây ra bởi siêu âm và thành tế bào bị vỡ, giải phóng tế bàochất (Earnshaw et al., 1995) Sơ đồ thể hiện điều này trong hình 3.3 Một số nghiên cứubằng kính hiển vi sau khi xử lý bằng siêu âm- nhiệt cho phép một số trong những hiệuứng đề cập trước để quan sát Trong hình 3.4, việc sử dụng hiển vi điện tử quét (SEM-

Scanning Electron Microscopy) được hiển thị cho L innocua sau 30 phút xử lý ở 24 kHz,

400 W, 120 μm và 63m và 63oC trong sữa (Bermúdez-Aguirre, D., và Barbosa-Cánovas GV(2008) "Dữ liệu chưa được công bố") Trước tiên, sự đứt đoạn của thành tế bào có thểđược quan sát thấy trong các tế bào bị phá hủy Ở đây, tế bào chất thoát ra ngoài tế bào,gây ra cái chết của vi sinh vật Một đặc tính thông thường được quan sát trong một tỷ lệcao các tế bào này là sự hình thành của các lỗ nhỏ trên lớp ngoài của vi khuẩn Các lỗhổng này, trong một số trường hợp xuất hiện là lỗ hổng lớn, được tạo ra trong tế bào vì áplực cao trong môi trường và sự bùng nổ mãnh liệt của các bong bóng Một số tế bào xử lýbằng siêu âm - nhiệt được phân tán thành nhiều phần nhỏ hơn, trông giống như các tế bàonhỏ cắt thành các hình dạng không tự nhiên Các thành tế bào không được xác định bởimột hoặc nhiều bên do sự phá vỡ suốt trong quá trình siêu âm Ngoài ra, các thành tế bào

có thể là yếu hơn do xử lý nhiệt, làm cho các tế bào nhạy cảm hơn với sự hình thành củalỗ

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.

4.2 Phương thức tác động của siêu âm lên enzyme: Phương thức tác động

của siêu âm trong sự ức chế các enzyme có vẻ là tương tự như phương thức tác động làm

vô hoạt vi sinh vật Siêu âm kết hợp nhiệt và áp lực có liên quan đến việc giảm kíchthước phần tử và phá vỡ phân tử Nó bao gồm việc phá hủy phân tử pectin trong dungdịch pectin tinh khiết Nó cũng có thể là siêu âm tạo ra sự biến tính protein (Vercet et al,2002) Thay đổi áp suất tạo ra kéo và nén trong các tế bào và mô Nhưng như đã đề cậptrước đây sự tạo thành các gốc tự do được thúc đẩy bởi siêu âm Những gốc tự do như là

H+ và OH-có thể tái tổ hợp có dư lượng acid amin của các enzym Các dư lượng này kếthợp với sự ổn định cơ cấu, chất ràng buộc, và chức năng xúc tác (Cruz et al, 2006).Trong trường hợp của vi sinh vật, hình thành gốc tự do có vẻ là quan trọng trong cơ chếchính vô hoạt, sự đứt đoạn trong màng tế bào Trong trường hợp của các enzyme, cơ chếchính là sự hình thành gốc tự do, từ đó cho phép thay đổi một số đặc điểm của cácenzyme Sự đứt đoạn của mô chủ yếu quan trọng bởi vì nó tạo ra liên kết với bề mặt tốthơn giữa các enzyme và các gốc tự do Ví dụ, oxidases thường bị vô hoạt bởi siêu âm,trong khi catalases bị ảnh hưởng ở nồng độ thấp Reductases và amylases được đánh giá

cao khả năng chống siêu âm (Mason, 1996) Kỹ thuật siêu âm kết hợp với nhiệt và ápsuất làm vô hoạt một số enzyme ở nhiệt độ thấp hơn và/hoặc trong một thời gian ngắnhơn so với phương pháp xử lý nhiệt Độ nhạy của các enzyme để xử lý bằng siêu âm kếthợp với nhiệt và áp suất độc lập với môi trường xử lý Ngoài ra, các chất nền, đồng chấttan nhỏ, và các protein khác không thể để bảo vệ các enzyme trong quá trình xử lý(Vercet et al, 2001).

5 ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

Trong các lĩnh vực khoa học khác, siêu âm tần số cao có nhiều ứng dụng hơn hơnsiêu âm năng lượng Ngoài ra, siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng nhiều hơn trongngành công nghiệp thực phẩm hơn so với siêu âm năng lượng do nó không phá hủy,nhanh chóng, và thuận tiện Nó đã được sử dụng để đánh giá chất lượng của một số loạithực phẩm như thịt, cá, đồ uống, dầu, rau quả, và các sản phẩm từ sữa (Benedito et al.,2002) Tuy nhiên, siêu âm là một công nghệ mới ở nhiều nước, và vì lý do này, Chemat

và Hoarau (2004) cho thấy siêu âm hoạt động trong kỹ thuật thực phẩm yêu cầu có sựthành lập một chương trình phân tích mối nguy và điểm kiểm soát tới hạn (HACCP),trong đó các điểm kiểm soát tới hạn trong chế biến thực phẩm được xác định, để mốinguy hiểm tiềm tàng trong sản xuất một sản phẩm an toàn chất lượng có thể được kiểmsoát

5.1 Đảm bảo chất lượng

Đảm bảo chất lượng là một lĩnh vực được quan tâm trong công nghệ thực phẩm vìcần phải có những thực phẩm chất lượng theo mong muốn của người tiêu dùng Mỗingành công nghiệp thực phẩm phải có một bộ phận giám sát sản xuất để đảm bảo chấtlượng, trong đó yêu cầu kiểm tra các sản phẩm Trong một số thử nghiệm, thời gian điềutrị lâu dài cần thiết và các kỹ thuật phá hủy được sử dụng Siêu âm thể hiện hữu ích trongmột số thử nghiệm, trong đó siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng để đánh giá chấtlượng của các quả bơ, xoài, và dưa hấu theo độ chín bằng cách đánh giá các thông số siêu

âm như vận tốc và độ giảm âm liên quan đến các đặc tính vật lý của môi trường Chất

lượng của thịt bò, thịt gà, cá tuyết, thịt lợn, sữa, rượu vang, các dung dịch đường, và cácloại dầu đã được thẩm định các thông số siêu âm (Benedito et al., 2002), bằng cách ápdụng lý thuyết về trạng thái sóng như thế nào (ví dụ, vận tốc và độ giảm âm) liên quanđến các thành phần vật lý của môi trường Kết cấu của sản phẩm như pho mai và rauđược nấu chín và độ chín của trái cây, tất cả được xác định bằng việc sử dụng sóng siêu

âm (Coupland, 2004)

5.2 Sản xuất phô mai và đậu phụ

Ở nhiều quốc gia, công nghiệp sản xuất phô mai là một trong những ngành côngnghiệp thực phẩm quan trọng nhất được chỉ ra trong các báo cáo bán hàng của họ về cácsản phẩm phô mai và báo cáo về nhu cầu tiêu dùng cao Tùy thuộc vào nơi sản xuất vàloại phô mai, sản xuất phô mai có thể mất vài giờ hoặc vài năm để tạo ra sản phẩm cuốicùng Các đặc tính cụ thể được mong muốn trong phô mai phụ thuộc vào sự đa chủngloại Sản xuất pho mát bao gồm các giai đoạn khác nhau như đông tụ, tách huyết thanh,ướp muối, và ủ chín Siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng để theo dõi các giai đoạnkhác nhau của quá trình, ví dụ, trong việc đánh giá các vết nứt bên trong do quá trình lênmen không tốt và trong việc xác định thời gian đông tụ tối ưu; ngoài ra, các thành phần

và cấu trúc của hàng trăm loại phô mai trên thế giới có thể được đánh giá bằng cách kỹthuật không gây phá hủy này để cải thiện trong đóng gói và lưu trữ (Benedito et al.,2002) Cùng với việc giám sát các phô mai khi chúng được sản xuất, siêu âm đã đượctrực tiếp tham gia vào việc tạo ra loại mềm bằng cách thúc đẩy sự đông tụ của protein vàdầu (Mason, 1996)

Siêu âm tần số cao cũng đã được sử dụng để đánh giá chất lượng của đậu phụtrong suốt quá trình sản xuất Đậu phụ là một dạng gel dựa trên nước với thành phần chủyếu của protein đậu nàn; chất lượng của nó dựa rất nhiều vào cấu trúc cuối cùng của sảnphẩm Siêu âm có thể được sử dụng để giám sát sự phát triển của cấu trúc đậu phụ trongquá trình đông tụ Sự truyền sóng siêu âm qua cấu trúc của gel của đậu hũ được cung cấpthông tin về toàn bộ quá trình (Ting et al., 2009), như trong trường hợp làm phô mai, liên

quan đến việc dùng các thông số khả biến của siêu âm để hoạt hóa enzyme trong sữatrong suốt quá trình đông tụ.

et al., 2007) Siêu âm đã được sử dụng thành công để xử lý nước quả dâu tây vàblackberry và rượu táo (cider) cho kết quả tốt Những enzyme như pectin methylesterase

và polyphenol oxidase bị vô hoạt song song với tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh Những biếnđổi rất nhỏ trong acid ascorbic và anthocyanins cũng được phát hiện trong nước quả được

xử lý siêu âm(Valdramidis et al., 2010) Hiệu suất sản xuất bia cũng được cải thiện vớiviệc áp dụng siêu âm vào đầu quá trình nấu (Knorr và cộng sự, 2004) Việc cải thiện hiệusuất này không chỉ xảy ra với bia mà còn tốt trong sản xuất pho mát, với sự gia tăng sảnlượng sau khi sữa thanh trùng cùng với siêu âm năng lượng, thể hiện lợi ích kinh tế chocác ngành công nghiệp sữa và bia Ngoài ra, siêu âm có thể cải thiện một số đặc điểm cácsản phẩm như màu sắc, cấu truch1, và thời gian bảo quản, cũng như duy trì tốt một số giátrị dinh dưỡng giống như được tìm thấy trong các sản phẩm tươi Một ví dụ là quá trìnhoxy hóa sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đồ uống có cồn Quá trình được sự hỗtrợ của siêu âm vì nó tăng cường quá trình oxy hóa trong các sản phẩm lên men dẫn tớitạo hương vị đặc trưng và làm chín sớm Siêu âm là 1MHz làm thay đổi cân bằng rượu /ester tạo ra sự làm chín rõ ràng trong sản phẩm Nó đã được sử dụng cho các loại rượu