شنبه , ۱ مهر ۱۳۹۶
خانه / مقالات علمی / مقالات / داخلی / کاربرد اولتراسوند (فراصوت) در صنایع غذایی

کاربرد اولتراسوند (فراصوت) در صنایع غذایی

كاربردهاي اولتراسونيك در صنعت غذا رو به افزايش است و از موارد كاربردهاي آن مي توان در هموژن كردن، از بين بردن ميكروارگانيسمها، تهيه امولسيونها و استخراج اسانسها و رنگدانه ها اشاره نمود. از اين تكنيك در صنعت فرآوري غلات نيز مي توان ا ستفاده كرد. تحقيقات نشان داده اند كه مي توان از اولتراسوند در تهيه خمير كيك استفاده نمود و در نتيجه زمان تهيه خمير كيك، يكنواختي خمير حاصل و دانه بندي ظريف و يكنواخت و نيز حجم بيشتر را در محصول نهايي ايجاد نمود. همچنين مي توان از فراصوت به منظور از بين بردن آنزيمهاي مخرب در صنعت نانوايي استفاده كرد. به عنوان مثال گندم هاي سن زده به دليل بالا بودن آنزيم پروتئاز در آنها قابليت نانوايي را ندارند و معمولاً به هدر مي روند. ا ما با استفاده از فراصوت مي توان باعث تخريب آنزيمهاي پروتئاز در گندم هاي سن زده شده و در نتيجه كاربرد اين گندمها را در تهيه نان امكان پذير كرد. از اولتراسوند مي توان در تخريب تركيبات مضر طبيعي كه در فرايند توليد نان اختلال ايجاد مي نمايند استفاده نمود. به عنوان مثال براي تخريب گلوتاتيون موجود در جوانه گندم كه يك پتيد مزاحم در كاربرد جوانه در صنعت نانوايي است مي توان از اولتراسوند استفاده كرد. همچنيناز اولتراسوند براي توليد برخي نشاسته هاي اصلاح شده با كاربردهاي جديد در صنعت غذا مي توان استفاده كرد. توليد اين نوع نشاسته ها كه به روش فيزيكي اصلاح شده اند آسان تر و بدون مواد شيميايي صورت مي گيرد و لذا براي كاربردهاي غذايي مناسبتر مي باشند. از فراصوت مي توان در تهيه پوشش ها و فيلمهاي خوراكي بر پايه غلات استفاده نمود زيرا اين روش مي تواند باعث توليد مولكولهاي كوچك شود و پراكندگي بهتر آنها در محلول شود و در نتيجه فيلم حاصل يكنواخت تر و مطلوب تر باشد. در مجموع با توجه به قابليت هاي اين تكنيك و نيز تنوع محصولات صنايع غلات لازم است موفقيت آميز بودن كاربردهاي ديگر اين تكنيك در تهيه و تولدي ساير محصولات غلات مورد بررسي قرار گيرد

استخراج به کمک امواج فراصوت (UAE)

اصول و مکانیسم

امواج صوتی ارتعاشات مکانیکی هستند که برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند. نیاز امواج صوتی به محیط مادی برای انتشار، تفاوت اصلی این امواج با امواج الکترومغناطیسی است. زمانیکه امواج صوتی انتشار می­یابند باعث ایجاد سیکل­های انبساط و انقباض در محیط می­شوند. در سیکل انبساط مولکول­ها از هم جدا می­شوند در حالیکه در سیکل انقباض مولکول­ها به سمت هم کشیده می­شوند[1].

فرکانس امواج فراصوت بالاتر از آستانه شنوایی انسان (kHz 20) است. از اینرو فرکانس kHz 20 به عنوان پایینترین فرکانس امواج فراصوت پذیرفته شده است[1]. دامنه فرکانس امواج صوتی در شکل 1-3 نشان داده شده است.

دامنه فرکانس امواج صوتی

شکل1- 3. دامنه فرکانس امواج صوتی

 

در محیط مایع سیکل انبساط ایجاد فشار منفی می­کند. در صورتیکه شدت اولتراسوند به اندازه کافی باشد انبساط می­تواند حباب­ها و حفره­هایی را در درون مایع بوجود آورد. این پدیده زمانی اتفاق می­افتد که فشار منفی ایجاد شده از تنش کششی موضعی مایع که بسته به ماهیت و خلوص آن متفاوت است ،تجاوز کند. فرایند تشکیل، رشد و متلاشی شدن حباب­ها به کاویتاسیون یا حفره­زائی معروف است. کل این فرایند در حدود چند میکرو ثانیه اتفاق می­افتد[1].

کاویتاسیون در نقاط ضعیفی که از قبل در محیط وجود دارد مثلا” شکاف­های درون ذرات معلق در درون مایع که با گاز پرشده است، اتفاق می­افتد و اکثر مایعات به اندازه کافی مقادیر زیادی ذرات کوچک برای ایجاد کاویتاسیون را دارند[1].

پس از یک مدت زمان خاص حباب­ها دیگر قادر به جذب انرژی از امواج فراصوت نیستند و نمی­توانند رشد کنند، و ازاینرو متلاشی می­شوند. نزدیک مرز جامد حفرگی ناشی از ترکیدن حباب­ها، نامتقارن بوده و تولید جت­های پرسرعت مایع می­کند. جت­های مایع باعث ایجاد ضربه­های قوی بر روی سطح مواد جامد می­شوند[1]

انقباض آدیاباتیک سریع گازها و بخارها در درون حباب­ها درجه حرارت­های بسیار بالایی ایجاد می­کند. تخمین زده است که درجه حرارت این نقاط داغ می­تواند به C° 5000 و فشار به 1000 اتمسفر برسد. با این وجود این میزان بسیار بالای حرارت تولید شده نمی­تواند بر روی توده محیط اثرگذار باشد زیرا حباب­ها بسیار ریز هستند و حرارت در مدت زمان بسیار کوتاهی به محیط هدر می­رود. به عبارت دیگر برآورد شده است که سرعت سرد شدن پس از ترکیدن حباب­ها، 10 میلیارد درجه سلسیوس در هر ثانیه می­باشد[1].

هنگام برخورد امواج فراصوت به یک ماده، این امواج نیرویی را اعمال می­کنند که اگر عمود بر سطح باشد به صورت موج فشاری از درون محیط عبور می­کند و در صورتیکه موازی با سطح باشد باعث ایجاد موج برشی می­گردد. هردو نوع موج در هنگام عبور از محیط تضعیف می­شوند و به این ترتیب نواحی متغیر منقبض­شونده و منبسط­شونده بوجود می­آید. در این نواحی به دلیل تغییرات فشار، حباب­های گاز در محیط ایجاد می­شود. این حباب­ها در سیکل انبساط دارای سطح زیادی هستند که در این حالت انتشار گاز زیاد می­شود. در مرحله بعد در اثر فشرده شدن حباب­ها یک میعان سریع در داخل حباب­ها رخ می­دهد. مولکول­های میعان شده به شدت به هم می­خورند و امواج لرزشی ایجاد می­کنند. این تغییرات ناگهانی در فشار و دما باعث تجزیه و متلاشی کردن بافت و همچنین باعث نازک کردن غشای سلولی می­شود. به همین دلیل از این امواج در استخراج نیز استفاده می­شود.

آستانه حفره­زایی در محیط بستگی به چند عامل از جمله مقدار گاز نامحلول، فشار هیدرواستاتیک، گرمای ویژه مایع، گاز درون حباب و نیروی کششی مایع دارد. عامل بسیار مهم دیگر دما می­باشد که با آستانه حفره­زایی رابطه عکس دارد. فرکانس امواج فراصوت استفاده شده باید زیر 5/2 مگاهرتز باشد زیرا حفره­زایی در فرکانس بالاتر ایجاد نمی­شود

مکانیسم استخراج به کمک امواج فرا صوت (UAE)

در این روش امواج فراصوت با فرکانس بالاتر از 20 کیلو هرتز، به داخل ماده نفوذ کرده و موجب ایجاد کشیدگی و جمع شدن­هاي پی­درپی­در آن شده که در نتیجه آن حفراتی در داخل ماده گیاهی ایجاد می­شود. این حفرات به صورت نامتقارن، به هم پیوسته و موجب خروج سریع مواد از داخل سلولها به خارج از آن می­شود. به علاوه این امواج می­توانند موجب تخریب دیواره سلولهاي زیستی شده و موجب تسهیل خروج مواد گردند[1].

افزایش راندمان استخراج بوسیله اولتراسوند به انتشار امواج فراصوت فشاری و نیز پدیده کاویتاسیون بوجود آمده نسبت داده شده است. نیروهای فشاری باعث افزایش انتقال جرم مواد استخراج­شونده می­شود(جیان- بینگ و همکاران،2006). متلاشی شدن حباب­های کاویتاسیونی باعث بوجود آمدن تلاطم، برخوردهای بین ذره­ای سرعت بالا و اغتشاش در خلل و فرج بسیار ریز ذرات ماده گیاهی می­شود که نفوذ گرایی و انتشار داخلی را تسریع می­کند. علاوه بر این کاویتاسیون در نزدیکی سطح مشترک مایع-جامد، جریان سریع­السیری از مایع را از درون حفره به سطح می­فرستد. جت­های ریز مایع بوجود آمده در طی کاویتاسیون بر روی سطح ماده گیاهی برخورد کرده و باعث پوست­گیری سطحی، فرسایش و تخریب ذره می­شود. این پدیده بوسیله ریزنگاری با میکروسکوپ الکترونی روبشی روی برگ­ها و کرک­های گیاه نعناع تایید شده است. پس از اینکه این برگ­ها به منظور استخراج ترکیب منتول تحت تیمار با امواج اولتراسوند قرار گرفتند نتایج میکروسکوپی نشان داد که دو مکانیسم در استخراج شرکت دارند : a) انتشار ترکیب از طریق کوتیکول­های غده­ای نعناع b) تراوش ترکیب از کرک­های شکسته­شده و آسیب­دیده[2]. هر دو مکانیسم به صورت چشمگیری به وسیله پرتودهی با امواج فراصوت تحت تاثیر قرار می­گیرند(ویناتورو، 2001).

تسریع در سینتیک استخراج و افزایش راندمان استخراج پیرترین از گل داوودی تا حد زیادی به تیمار با امواج فراصوت نسبت داده شد که انتشار برون ذره­ای ترکیب را که مرحله محدود­کننده سرعت در نظر گرفته می­شود، افزایش می­دهد[3].

اگر سوبسترا خشک باشد تیمار با اولتراسوند می­تواند متورم شدن و هیدراته شدن سلول­ها را سریعتر کرده و از اینرو باعث بزرگ شدن سوراخهای دیواره سلولی شود( ویناتورو، 2001).

زمانیکه امواج اولتراسوند با دامنه زیاد (فرکانس کم) از درون یک توده محیط عبور می­کند، ترکیدن حباب­های کاویتاسیونی می­تواند در مجاورت یا در سطح غشای سلول­های گیاهی اتفاق افتاده و باعث ایجاد شکستگی­های بسیار ریز در آن شود. بوجود آمدن این شکستگی­های ریز بوسیله اولتراسوند در پرک­های دانه سویا نشان داده شده است[4]. متلاشی شدن کاویتاسیونی می­تواند بر روی سطوح گیاه رخ داده و منجر به بوجود آمدن جت­های ریز هدایت شده به سمت سطح جامد شود.کاویتاسیون این قابلیت را دارد که دیواره سلولی را در سطح سلول سوراخ کند. اخیرا” این موضوع با اعمال تیمار فراصوت بر سلول باکتریایی نشان داده شده است.

می­توان انتظار داشت فاکتورهایی مانند تورم بافت گیاهی و تحرک ذراتی مانند گرانول­های نشاسته در درون سیتوپلاسم سلول بر روی پخش شدن انرژی حاصل از امواج اولتراسوند و کارآیی استخراج تاثیر گذار باشند[5]

 

تجهیزات استخراج با امواج اولتراسوند

حمام و پروب اولتراسوند دو شکل رایج از دستگاه­های استخراج با امواج فراصوت هستند که طرحی از آنها به صورت شماتیک در شکل 1-4 و 1-6 نشان داده شده است.

تانک، ژنراتور و مبدل(ترانسفورماتور) سه قسمت اصلی تشکیل­دهنده یک حمام اولتراسونیک هستند. نقش اصلی ژنراتور تبدیل یک فرکانس الکتریکی استاندارد(5 تا 60 هرتز) به فرکانس متناوب(بالای 20 کیلوهرتز) است. مبدل­ها به کف حمام اولتراسونیک وصل می­شوند و می­توانند از نوع مغناطیسی یا پیزوالکتریک(کریستالی) باشند.

حمام اولتراسوند

شکل1- 4. حمام اولتراسوند

 

وظیفه مبدل­ها انتقال فرکانس الکتریکی به صورت ارتعاشات مکانیکی به درون مایع فرآوری­کننده است. در شکل 1-5 طرحی از یک مبدل مغناطیسی نشان داده شده است. اعمال جریان برق به مارپیچ ایجاد یک میدان مغناطیسی می­کند که منجر به [6] کاهش ابعاد هسته می­شود. قطع جریان برق باعث می­شود که هسته به ابعاد اولیه خود برگردد. تغییرات مداوم در ابعاد هسته باعث ایجاد ارتعاشات مکانیکی در مایع می­شود

در شکل 1-6 نیز طرح یک مبدل اولتراسونیک از نوع پیزوالکتریک نشان داده شده است. این نوع از مبدل­ها رایج­ترین نوع مبدل­های مورد استفاده هستند و در ساختار آنها سرامیک­های پیزوالکتریک به کار رفته است که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی متناوب منبسط و منقبض شده و منجر به تولید امواج فشاری منتقل شونده از درون محیط می­شود[4].

مبدل اولتراسونیک از نوع مغناطیسی

شکل1- 5. مبدل اولتراسونیک از نوع مغناطیسی [7]

مبدل اولتراسونیک از نوع پیزوالکترونیک

شکل1- 6. مبدل اولتراسونیک از نوع پیزوالکتریک ([7])

 

حمام­های اولتراسوند با وجود آنکه به صورت گسترده­تری مورد استفاده قرار می­گیرند ولی دو اشکال عمده دارند که باعث می­شود تکرار­پذیری آزمایش تا حد قابل ملاحظه­ای کم شود[1]:

1- عدم یکنواختی در توزیع انرژی اولتراسوند (فقط بخش کوچکی از کل حجم مایع که در مجاورت منبع تولید­کننده امواج اولتراسوند است، کاویتاسیون را دریافت می­کند).

2- تقلیل یافتن توان اعمال شده با گذشت زمان از اینرو انرژی به جای آنکه به حمام اولتراسوند منتقل شود به هدر می­رود.

از طرف دیگر پروب­های اولتراسونیک نسبت به حمام­های اولتراسونیک این مزیت را دارند که انرژی را در یک ناحیه موضعی از نمونه متمرکز می­کنند و از اینرو باعث کاویتاسیون موثرتر در مایع می-شوند[1]. طرحی از یک پروب اولتراسونیک در شکل 1-7 نمایش داده شده است. شاخک­ها (پروب­ها) باید طوری طراحی شوند که در فرکانسی برابر با فرکانس مبدل به حرکت در­آورنده آن نوسان کنند. دستیابی به یک دامنه حرکت مناسب برای نوک شاخک که بستگی به شکل و ابعاد آن دارد، مهم است[1]

پروب اولتراسونیک

شکل1- 7. پروب اولتراسونیک [7]

 

 

نکات مهم در روش استخراج به کمک امواج فراصوت

در این روش محتواي رطوبت ماده گیاهی اهمیت فراوانی دارد زیرا حداکثر قدرت امواج در مجاورت منبع تولید موج بوده و با افزایش فاصله از منبع، قدرت امواج کاهش می­یابد به علاوه هر چه ماده موجود در مسیر تابش، جامد و متراکم­تر باشد میزان کاهش امواج بیشتر خواهد بود، بنابراین با به­کار­بردن ماده گیاهی مرطوب می­توان از کاهش قدرت امواج جلوگیري کرد[3].

کاهش اندازه ذرات ماده گیاهی در این روش نیز موجب افزایش بازده می­گردد. فرکانس امواج می­تواند در بازده تاثیرگذار باشد به طوريکه در استخراج پیرترینها از پیرتروم افزایش کوچکی در فرکانس منجر به افزایش 22 درصدی در بازده شده است، اما در عصاره­گیري از گیاه مریم گلی افزایش فرکانس تأثیر قابل توجهی بر بازده نداشته است.

مزایا و معایب استخراج به کمک اولتراسوند

استخراج به کمک اولتراسوند جایگزینی ارزان، ساده و کارآمد برای تکنیک­های مرسوم استخراج می­باشد. فواید عمده استفاده از اولتراسوند در استخراج جامد- مایع شامل افزایش راندمان و سینتیک سریعتر استخراج می­باشد. اولتراسوند همچنین با کاهش درجه حرارت عملیاتی امکان استخراج ترکیبات حساس به حرارت را فراهم می­کند. در مقایسه با دیگر روش­های نوین استخراج مانند استخراج با مایکروویو، تجهیزات اولتراسوند ارزانتر و کار کردن با آن آسانتر است. علاوه بر این در استخراج به کمک اولتراسوند نیز مانند استخراج سوکسله می­توان از هر نوع حلالی برای استخراج طیف وسیعی از ترکیبات طبیعی استفاده کرد[2].

با این وجود اثرات اولتراسوند در راندمان و سینتیک استخراج ممکن است با طبیعت ماتریکس گیاهی مرتبط باشد. حضور یک فاز پراکنده به تضعیف امواج اولتراسوند کمک کرده و بخش فعال در داخل استخراج کننده به قسمت­های مجاور منبع تولید امواج اولتراسوند محدود می­شود[2].

پس از عصاره­گیري با این روش، فیلتراسیون و جدا کردن عصاره از باقیمانده ماده گیاهی نیاز است. اگر چه می­توان با به کار بردن حلال­هاي اختصاصی تا حدودي روش را انتخابی کرد اما به هر حال چون در این روش سلول گیاهی پاره شده و کلیه محتویات سلولی در تماس با حلال قرار می­گیرند، این روش به طورکلی غیر­انتخابی تلقی می­شود.

 

 

  1. Luque-Garcıa, J. and M. Luque de Castro, Ultrasound: a powerful tool for leaching. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2003. 22(1): p. 41-47.
  2. Wang, L. and C.L. Weller, Recent advances in extraction of nutraceuticals from plants. Trends in Food Science & Technology, 2006. 17(6): p. 300-312.
  3. Romdhane, M. and C. Gourdon, Investigation in solid–liquid extraction: influence of ultrasound. Chemical Engineering Journal, 2002. 87(1): p. 11-19.
  4. Seshadri, R., et al., Ultrasonic processing influences rheological and optical properties of high-methoxyl pectin dispersions. Food Hydrocolloids, 2003. 17(2): p. 191-197.
  5. Funami, T., et al., Effects of the proteinaceous moiety on the emulsifying properties of sugar beet pectin. Food Hydrocolloids, 2007. 21(8): p. 1319-1329.
  6. Garna, H., et al., Effect of extraction conditions on the yield and purity of apple pomace pectin precipitated but not washed by alcohol. Journal of food science, 2007. 72(1): p. C001-C009.
  7. Panchev, I., N. Kirtchev, and C.G. Kratchanov, On the production of low esterified pectins by acid maceration of pectic raw materials with ultrasound treatment. Food hydrocolloids, 1994. 8(1): p. 9-17.

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دو × چهار =