Đang tải... (xem toàn văn)
NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Đồ án môn học 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 1 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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 2 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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 3 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 4 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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. 5 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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 6 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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. 1. GIỚI THIỆU Phần lớn các tài liệu về các loại thực phẩm chế biến bằng siêu âm, bao gồm cả việc sử dụng nó để tăng cường cho các kỹ thuật thực phẩm khác, là ứng dụng cụ thể và báo cáo các thông số của quá trình và kết quả cho một loại thử nghiệm duy nhất. Báo cáo này xem xét quá trình các thông số qua nhiều thí nghiệm, cũng như nhiều ứng dụng trong lĩnh vực siêu âm đã có được sự thành công. Cuộc thảo luận bao gồm về các nguyên tắc kỹ thuật sau những kết quả thực nghiệm được báo cáo trong tài liệu. Để thể hiện sự khác biệt giữa siêu âm tần số cao và siêu âm tần số thấp, các thông số và các ứng dụng của siêu âm cũng sẽ được thảo luận. Chú trọng đặc biệt sẽ được đặt vào những ứng dụng trong kỹ thuật thực phẩm như là một sự cập nhật về việc nghiên cứu để bất hoạt vi sinh vật, mô tả các loại thí nghiệm được tiến hành, lý thuyết cơ bản về bất hoạt vi sinh vật, và các quá trình khác nhau có sử dụng nhiệt và 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 7 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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 8 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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) 9 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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 10 [...]... 2004) Những ứng dụng của sóng siêu âm đó liên quan với việc 11 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm 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. .. 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... 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. .. sóng ứng 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. .. 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. .. 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... 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 3.2 Cường độ âm Cường độ âm là một cách để đo công suất truyền đến môi trường từ bề mặt của. .. 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. .. và xâm thực khí nhanh sự gia nhiệt, làm Truyền nhiệt 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. .. 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 30 Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm Xử lý bằng siêu âm có thể có tác dụng gây chết . 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. 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
