فراصوت و کاربرد آن در صنایع غذایی

1- مقدمه

هدف تمامی صنایع فرایند کننده مواد غذایی تولید فرآورده ای با کیفیت بالا و تا حد امکان با حداقل هزینه می باشد که این فرآورده در اثر قرار دادن مواد اولیه در معرض یک سری از فرآیندها مانند حرارت دادن،خنک کردن، فشار و اختلاط و ... تولید می شود .تنوع در مواد خام و شرایط فرآیند سبب بوجود آوردن فرآورده ای با کیفیت غیر قابل پیش بینی می شود. به همین دلیل بایستی کارنجات موادغذایی ویژگی های مواد اولیه را تعیین کرده و در هر مرحله از فرایند،ماده غذایی و شرایط فرآیند را کنترل نمایند تا ویژگی های فرآورده نهایی تا حدامکان مشابه ویژگی های مطلوب از قبل پیش بینی شده باشد.

اولتراسوند به معنای فراصوت می باشد .فراصوت به صورت موج صوتی تعریف می شود که دارای فرکانس فراتر از حد شنوایی انسان (20 کیلوهرتز) است.اگرچه انسان نمیتواند امواج فراصوت را بشنود ولی اگر در معرض آن قرار بگیرد دچار سرگیجه،تهوع و سردرد می شود.

کاربرد های مختلف اولتراسوند در رابطه با موادغذایی از حدود 50 سال پیش شروع شده و در حال حاضرکاربرد زیادی در کنترل عملیات فرآیند موادغذایی پیدا کرده است.پیشرفت در زمینه میکروالکترونیک سبب شده که بتوان از اولتراسونیک برای اندازه گیری های دقیق و با هزینه نسبتا پایین استفاده کرد.

در این روش یک طول موج صوتی با دامنه زیاد در درون ماده مورد آزمایش منتشر می شود سپس از طریق سنجش تاثیر متقابل بین طول موج و ماده،اطلاعاتی در مورد خواص ماده به دست می آید.امواج فراصوت به صورت یک نفوذ موج صوتی سینوسی و در نتیجه ان ایجاد یک فشار صوتی در مایع می باشد. در شدت های بالا،یک موج ایجاد شده سبب انبساط مایع و ایجاد یک خلا در زیر فشار بخار مایع شده که منجر به ایجاد حباب در سیستم می شود.

شکل 1-مکانیسم تاثیر نیرو در امواج فراصوت و ایجاد حباب (Kardos and luche.2001)

با ادامه ایجاد صوت در سیستم با حرکت نوسانی ،تشدید تولید حباب مشاهده می شود که به صورت یک چرخه متوالی انجام می شود. در طی چرخش انتشار موج،حباب فشرده شده تا حدی که این فشار منجر به ترکیدن آن با سرعت زیاد می شود که موجب تولید دما،فشار و نیروی برشی بالا میگردد و به آن کاویتاسیون گفته می شود که مهمترین دلیل تاثیر امواج فراصوت با شدت های بالا می باشد.کاویتاسیون عبارت است از تشکیل،رشد و متلاشی شدن حباب های کوچک در مایع که در اثر فشار منفی ایجاد می شود.

بنابراین اعمال امواج فراصوت بر مولکول های یک سیال سبب خارج شدن یک مولکول از دایره ارتباطی مولکول مجاورش شده و منجر به تولید حباب میگردد که سبب ایجاد کاویتاسیون می شود و در واقع معادل جوشیدن سرد است.رابطه معکوسی  بین اندازه حباب و فرکانس وجود دارد، بنابراین امواج فراصوتی که در محدوده 1 تا 100 کیلوهرتز می باشند حباب های بیشتر و در پی آن خلا بیشتر ایجاد می کنند که منجر به ایجاد دما و فشار و نیروی برشی بیشتر می شود و اثر بیشتری در تجزیه ساختاری مواد دارد.(شکل 2)

شکل 2-شماتیک مراحل تولید حباب در فرآیند کاویتاسیون توسط امواج فراصوت در یک سیال(Soria and Villamiel.2010)

2- اثرات فراصوت بر مواد غذایی

2-1- غیرفعال سازی میکروبی

فراصوت به طور موفقیت آمیزی برای غیرفعال سازی میکروبی در نمونه های غذایی شامل لیپید بالا مورد استفاده قرار گرفته است که به عنوان تکنولوژی جایگزین برای برای روش های مرسوم بوده است که مزیت استفاده از دماهای ملایم تر را داشته که از افت ترکیب های حساس به دما در یک زمان کاهش یافته فرآوری جلوگیری می کند.از آنجایی که فراصوت در زمانی یکسان هموزنیزه سازی،کاهش سایز گلبول های چربی و غیرفعال سازی میکروبی را به دست می آورد،گزارش شده است که پردازش به روش فراصوت جریان پیوسته میتواند یک تکنیک امیدبخش در فرآوری شیر باشد.استفاده از امواج فراصوت در فرایند پاستوریزاسیون و استرلیزاسیون موادغذایی سبب افزایش کیفیت و بهبود محتوای موادغذایی مغذی محصولات فرایند شده با این روش می شود.البته به دلیل این که فراصوت به تنهایی جهت تخریب و نابودی میکروارگانیسم ها،موثر نیست به صورت فرایندهای ترکیبی با دما(ترموسونیک)،فشار(مانوسونیک)یا هر دو (مانوترموسونیک)استفاده می شود.

2-2- اثر فراصوت بر برش موادغذایی

جدیدترین کاربرد فراصوت در برش موادغذایی نظیر کیکها،پنیر،خمیرپیتزا،فرآورده های قنادی،نان،صمغ ها،آب نبات و ...است. این برش زدن بسیار تمیز صورت گرفته ،ماده غذایی خرد نشده و حتی در صورتی که مغزها در بین لایه های ماده غذایی باشند،خرد نمی شوند.تیغه هایی که به این منظور به کار برده می شوند20000 بار در ثانیه لرزش دارند تا مینیمم اصطکاک سطحی با فرآورده در حال برش داشته باشند، در نتیجه برش غذا توسط فراصوت،نوآوری ها و مزیت هایی را در بریدن و تکه کردن محصولات غذایی ارائه میکند که باعث داشتن دور ریز کمتر و هزینه های نگهداری پایین تر مخصوصا وقتی که برای محصولات مقاوم و چندلایه نظیر پنیر،ماهی،آبنبات های میله ای و نان ها استفاده می شود.

2-3- بهبود خواص کاربردی پروتئین ها

استفاده از امواج فراصوت در بهبود خواص کاربردی پروتئین ها نیز انجام شده و به عنوان عامل ایجاد کننده اتصالات عرضی آنزیمها کاربرد داشته است.به عنوان مثال در آنزیم لیزوزیم اتصالات عرضی توسط گروه های تیول (-SH) در سطح آن و به کمک رادیکال های آزاد تولیدشده در فرایندکاویتاسیون امواج فراصوت،ایجاد می شود.

2-4- فیلتراسیون موادغذایی

یکی دیگر از انواع کاربرد های امواج فراصوت، تسهیل و بهبود فرایند فیلتراسیون از افزایش نفوذپذیری سطح فیلتر می باشد که فیلتراسیون صوتی نامیده می شود.امواج فراصوت از دو طریق سبب افزایش بازدهی فرایند فیلتراسیون می شوند که عبارتند از : جلوگیری از انسداد فیلتر از طریق کاهش تراکم آگلومریزاسیون ذرات و در نتیجه کاهش فشردگی فیلتر کیک،تسریع در فرآیند فیلتراسیون و ارتعاش در ذرات و افزایش نفوذپذیری در سطح فیلتر از طریق افزایش تخلخل. از امواج فراصوت در توان های کم جهت جداسازی و فیلتراسیون آب پنیر نیز استفاده شده است. به علاوه استفاده از امواج فراصوت در افزایش عمر فیلتر نیز تاثیر دارد.

جدول 1 –مقایسه انواع فیلتراسیون در صنعت غذا(clasi.2001)

2-5- عصاره گیری

عصاره گیری از گیاه که در حوزه غذایی مورد استفاده قرار میگیرد معمولا توسط حلال ها انجام میگیرد که هزینه های بالا،آلاینده ها و تکنیک های بسیار مشکل را به همراه دارد. مزیت های استفاده از فراصوت فرکانس های پایین به طور گسترده ای گزارش شده اند که افزایش بازیابی مواد با شرایط عصاره گیری ملایم تر در زمان کوتاه تر را آشکار می سازد،که یا با استفاده از حلال های طبیعی مانند هگزان یا با دیگر مواد بی ضرر تر مانند اتانول انجام می پذیرد. با این وجود،محصولات غذایی با چربی بالا که به منظور عصاره گیری در معرض فراصوت قرارگرفته اند،تغییراتی را در ویژگی های شیمیایی و ارگانولیپتیک نمایان ساخته اند،اگرچه بازده عصاره گیری در این روش از بقیه روش های مرسوم زیادتر می باشد.روغن کشی از دانه کتان به کمک فراصوت همچنین از دست رفتن جزیی  اسیدهای چرب را نشان داد،اگرچه مقدار پرکسیدها افزایش یافت که این محققان را به این باور رساند که شاید رادیکال های آزاد نیز تولید شده اند.

استخراج موادغذایی با استفاده از امواج فراصوت روش جدید استخراج است که به تکنیک سبز مشهور است .افزایش استخراج آب سیب ،از تفاله سیب به کمک امواج فراصوت نیز انجام شده است .همچنین امواج فراصوت در تبدیل موادخام پلی مری مانند کربوهیدرات های طویل به موادی مفید با وزن مولکولی کم اهمیت داشته و قابل مقایسه با فرایند های نوین دیگری همچون اشعه گاما و مایکرویو می باشد.

شکل 3 –مکانیسم استخراج روغن از یک سلول بیولوژیکی با استفاده از امواج فراصوت (Chemet et al.2011)

2-6- اثر فراصوت بر رئولوژی موادغذایی

اثر فراصوت روی رئولوژی موادغذایی عمدتا به دلیل پدیده کاویتاسیون است . اثرات مکانیکی ،حرارتی و شیمیایی فراصوت به تشکیل سریع،از بین رفتن حباب های کاویتاسیون و تنش های برشی می باشد.

شکل 4-تشکیل و از بین رفتن حباب ها

2-7- اثر فراصوت بر ویسکوزیته مواد غذایی

تاثیر فراصوت در ویسکوزیته موادغذایی هم به صورت کاهشی و هم افزایشی دیده شده که این تاثیرات می توانند دائمی یا موقت باشند .در سیالیت تبکسوتروپیک امواج فراصوت سبب کاهش ویسکوزیته می شوند که این تاثیر در توان های کم امواج فراصوت،بر ویسکوزیته موقتی می باشد اما چنانچه انرژی کافی وجود داشته باشد وزن مولکولی کاهش یافته و در پی آن کاهش ویسکوزیته دائمی است.تاثیر امواج فراصوت بر افزایش ویسکوزیته،در پوره سبزیجات مانند پوره گوجه فرنگی دیده شده است که علت آن،افزایش نفوذ رطوبت به شبکه فیبری ماده غذایی و در نتیجه افزایش ویسکوزیته آن می باشد.

3- کاربرد فراصوت در صنایع غذایی

3-1- فرآورده های لبنی

کاربرد عمده اولتراسونیک با انرژی پایین در صنایع لبنیات،تعیین ترکیب محصولات لبنی که شامل غلظت گلبول های چربی ،مواد جامد غیرچرب و کل ماده جامد می باشد. میزان تضعیف اولتراسونیک روش مفیدی در تعیین زمان انعقاد شیر و تغییرات ویسکوزیته ظاهری حین انعقاد شیر می باشد. از امواج اولتراسونیک در بررسی نحوه رسیدن پنیر نیز استفاده می شود زیرا خواص پنیر در تعیین در سرعت و تضعیف اولتراسوند اثر می گذارد. علاوه بر این برای تخمین اندازه و غلظت حباب های موجود در خامه زده شده و ماست از این روش استفاده می شود. به طور کلی کاربرد فراصوت در صنایع لبنی شامل تمیزسازی،غیر فعال کردن باکتری ها و آنزیم ها و هموزنیزاسیون می باشد.

3-2- گوشت و ماهی

یکی از بیشترین موارد کاربرد اولتراسوند در صنایع غذایی،اندازه گیری ترکیب ضخامت بافت چربی در حیوانات زنده و لاشه ها(نظیر ماهی،بز،گوسفند و طیور)است.درحالیکه روش های  NMR و تصویر نگاری با اشعه ایکس جهت استفاده در صنایع گوشت معمولا بسیار گران و پرزحمت می باشند.تجهیزات اولتراسونیک برای انتخاب درجه بندی گوشت حیوانات زنده و لاشه ها بسیار باارزش هستند زیرا اندازه گیری با آنها سریع و واقعی است.در این روش از اختلاف سرعت عبور پالس اولتراسونیک در بافت چربی و گوشت استفاده می شود.

3-3- میوه ها و سبزی ها

وجود فضاهای هوایی بین سلول بیشترین تاثیر را بر خواص اولتراسونیک میوه ها و سبزی ها می گذارد. بنابراین برخی از میوه ها و سبزی ها دارای ضریب تضعیف اولتراسونیک بسیار بالایی هستند .سرعت اولتراسونیک آنها کمتر از سرعت اولتراسونیک هواست.با اندازه گیری دامنه پالس منعکس شده اولتراسونیک از سطح میوه و سبزی ها میتوان ویژگی های سطح آنها را تعیین کرد.

3-4- فرآورده های غلات

از فراصوت می توان برای بررسی کنترل کیفیت خمیر استفاده کرد.درواقع اولتراسونیک در اینجا ویژگی های رئولوژیکی خمیر را بررسی می کند.اخیرا استفاده از امواج اولتراسونیک با فرکانس پایین جهت تخمین خواص ساختاری و مکانیکی فراورده های غلات مثل ورقه های ویفر،نان ترد،کراکر و ... توسعه یافته است.

3-5- عسل

فراصوت با فرکانس پایین جهت تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی عسل به کار می رود.جهت کنترل کیفیت،اندازه گیری سرعت امواج اولتراسوند،راهی موثر جهت شناسایی تقلبات در عسل می باشد.همچنین می توان با این روش عسل های مختلف را به وسیله اندازه گیریزخواص ریولوژی ،ویسکوزیته و مقدار رطوبت مقایسه نمود.

3-6- محلول های آبی و ژل ها

یکی از موارد کاربرد اولتراسونیک در صنایع غذایی،جمع آوری اطلاعات در مورد خواص جسم حل شونده مثل ساختمان و غلظت آن است.برای مثال میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

• اندازه گیری درجه رقت نوشابه و سس ها

• بررسی غلظت اجسام حل شونده حین فرآیندهای تبخیر

• تعیین غلظت نمک ها و اسیدهای امینه

• تعیین غلظت بیوپلیمرهایی مثل پروتیین ها و کربوهیدرات ها در محلول ها

این اندازه گیری ها با تعیین سرعت اولتراسونیک امکان پذیر است.

3-7- چربی و فرآورده های امولسیونی

مقدار چربی جامد محصولات غذایی حاوی مقدار زیاد چربی،تعیین کننده بسیاری از خواص حسی آن می باشد.از این رو تععین مقدار چربی جامد یک فرآیند ضروری جهت اطمینان از کیفیت محصولات غذایی می باشد.در گذشته مقدار چربی جامد به وسیله NMR اندازه گیری می شد.عمده ترین معایب به کارگیری NMR  دشواری اندازه گیری می باشد.یکی دیگر از کاربرد های امواج فراصوت در صنایع غذایی فبررسی موارد زیر در مورد چربی و فرآورده های امولسیونی است:

• ارزیابی خواص فیزیکی و شیمیایی نظیر کریستالیزاسیون و دمای ذوب

• تعیین مقدار چربی جامد

• تعیین مقدار و ترکیب روغن

• تعیین خواص فیزیکی امولسیون های روغن در آب مثل جز حجمی فاز پراکنده

• نسبت کریستالیزاسیون در امولسیون های چربی خوراکی

• ارزیابی پایداری امولسیون

4- نتیجه گیری کلی

اثر فراصوت روی رئولوژی موادغذایی عمدتا به دلیل پدیده کاویتاسیون می باشد و کاربرد آن به تنهایی یا در ترکیب با حرارت ملایم و فشار پایین در فرآوری موادغذایی ،اثبات شده است و در بسیاری از زمینه های آزمایشگاهی و صنعتی و همچنین در صنایع مختلف دارای قابلیت بکارگیری بالایی است.اگرچه امواج فراصوت ثابت کرده است که روشی جدید و بسیار موثر در فرایند موادغذایی بوده است و در بسیاری از فرآیند ها به عنوان مثال امولسیون،تبلورفهمگن کردن،برش،هیدرولیز،استخراج و غیرفعال کردن آنزیمی و میکروبی در محصولات کاربردی بوده است، اما باید این نکته را هم درنظر بگیریم که امواج فراصوت به تنهایی نمی توانند برای جلوگیری از فاسد شدن و غیرفعال کردن آنزیم های مضر  موجود در موادغذایی کافی باشد و همراه با عملیات حرارتی خفیف یا فشار،میتواند پتانسیل خود را برای غیر فعال کردن آنزیم ها و میکروب ها نشان دهد،ولی با این حال از بین روش های دیگر،امواج فراصوت ترجیح داده می شود.