Tải bản đầy đủ

ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ thực phẩm

1. Mở đầu
Sóng siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử
trong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người - tần số cao
hơn 18 kHz.
Sóng siêu âm được được ứng dụng rộng rãi từ khoa học, công nghiệp cho đến y
học. Trong công nghiệp thực phẩm sóng siêu âm được ứng dụng trong nhiều quá trình
như: sấy, trích ly, kết tinh, lọc, lạnh đông, phá bọt, lên men, thay đổi hoạt tính enzyme, vệ
sinh 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 gần
giới hạn trên của ngưỡng nghe được ở con người. 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. 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. Trong thời gian làm thoáng, những
phần tử trong môi trường chuyển dịch một phần, vì thế mật độ và áp lực của môi trường
giảm.
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
Page 1


một dao động trong một đơn vị thời gian 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)

Page 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 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
Page 3


điện 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 sóng xen vào các phân tử phân cực (có một đầu dương và một đầu âm ) trong
môi trường bởi việc làm cho chúng quay quanh và sắp xếp thẳng hàng với các vùng mang
điện liên kết với vi sóng . Trong các lò vi sóng , các phân tử nước trong thực phẩm hấp
thu nhiều 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
là chỉ có sóng âm không chứa những phần tử (hạt) của chính nó. Sóng âm chỉ làm gián
đoạn sự yên tĩnh của môi trường để tạo dao động các phần tử thuộc môi trường . Không
như âm thanh , các nhà vật lý học dường như làm sáng tỏ một điều bí ẩn chưa được giải
quyết , sóng âm lan truyền đồng thời cả 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 khoảng không. Khi những khoảng không không chứa những phần tử (hạt) môi
trường , những sóng âm không tập trung không thể truyền bởi vì chúng không thể tạo sự
tập 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 áp
lực từ sóng siêu âm lên các chất lỏng có thể đủ cao (vài MPa) đủ để hỗ trợ việc khởi đầu
một hiện 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 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 ứng
hóa học với môi trường lỏng (Chemat et al., 2004; Knorr et al., 2004). Những ứng dụng
của sóng siêu âm đó liên quan với việc phát hiện những tì vết / thiếu sót, như việc đảm
Page 4


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 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 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 cơ
bản 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 năng
siêu âm (transducer) và hệ thống truyền siêu âm (emitter) .

Hình 2.1 Hệ thống phát sóng siêu âm

Hệ
thống
truyền
siêu âm

Page 5


2.2.1 Máy phát điện siêu âm (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. Máy phát điện siêu âm sẽ chuyển dòng
điện xoay chiều từ hệ thống điện thông dụng là 50 – 60Hz đến một năng lượng điện siêu
âm.
Hình 2.2 Máy phát điện siêu âm

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, vai

trò 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 rung
động 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 biến
năng chất lỏng (liquiddriven), máy biến năng điện từ (magnetostrictive), máy biến năng
điện 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 bọt

Page 6


trong chất lỏng. Việc phát ra liên tiếp áp lực và tạo ra bọt trong thể tích chất lỏng thì tấm
bản 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 tính
làm lõi. Lõi được cấu tạo từ nhiều lớp mỏng niken hoặc hợp kim của nó (hoặc các vật
liệu có từ tính khác) xếp song song với nhau và được quấn xoắn ốc quanh bằng cuộn dây
đồng. Mỗi cạnh của từng lớp niken thì được gắn với một bề mặt khác, bề mặt này sẽ rung
dưới tác dụng của từ trường.
Hình 2.4 Máy biến năng điện từ

Page 7


 Nguyên tắc hoạt động

Năng lượng điện xoay chiều được phát từ máy phát điện siêu âm sẽ đi vào máy
biến năng điện từ. Đầu tiên năng lượng điện này sẽ chuyển thành trường điện từ do các
cuộn 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 ngoài
dưới 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 điện
biến 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 điện
ceramic. Chúng được kẹp giữa hai cực dòng điện. Vật liệu ceramic còn được kẹp chặt bởi
Hình 2.5 Máy biến năng áp điện

Page 8


2 khối kim loại (một nhôm, một thép). Khi ép dòng điện vào 2 cực ceramic sẽ bị
giãn 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 dạng
chính 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 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. Trong hệ thống dạng thanh , một thanh được gắn với bộ
chuyển đổi đến bộ khuyếch đại tín hiệu và truyền vào cho mẫu . Đầu của thanh , thường
được 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 . 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 mạnh hầu như không bị
giảm 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 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 được áp dụng. Mục tiêu của siêu âm cường độ thấp thường để xác định
một số chất vô hình trong môi trường, trong khi siêu âm cường độ cao thường tập trung
Page 9


vào 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 đối
tượng lơ lửng trong môi trường riêng biệt (Kennedy et al., 2004). Cá heo và dơi cũng
giống như vậy , chúng phát ra những sóng siêu âm cường độ thấp để định hướng bằng
những 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, và
cũng để phá hủy những khối u trong siêu âm dùng trong y học để chữa bệnh ( Kennedy et
al., 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 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 nảy mầm hạt giống, và nâng cao kết tinh trong thực
phẩm (Knorr et al., 2004;. Mason et al., 1996;. Tian et al., 2004.). Những thông số chính
của quá trình để phân biệt hai loại siêu âm là năng lượng siêu âm và tần số . Siêu âm
cường độ thấp có năng lượng thấp , với những cường độ năng lượng dưới 1W/cm 2 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/cm 2
và tần số thấp từ 10-100kHz (Povey và Mason , 1998 ; McClements , 1995) . Siêu âm
cường 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 quá
trình hỗ trợ chế biến trong ngành công nghiệp thực phẩm tạo đặc trưng cho các thành
phần thực phẩm, thường trên các dây chuyền đảm bảo chất lượng. Đúng hơn gọi là quá
trình kiểm tra không phá hủy (non-destructive testing - NDT), quá trình này sẽ phát sóng
Page 10


siêu 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 học
thuần túy) trong khi phơi bày những sóng siêu âm và trở lại vị trí cân bằng của họ khi
nguồn 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). Khoảng
cách 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 sự
hiện 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 âm
NDT 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 tả
đặc điểm của cấu trúc tế bào của bột nhào trước khi làm chín để có được dự đoán về chất
lượng sản phẩm sau khi làm chín (Elmehdi et al., 2003) , và theo dõi sự chuyển động của
tinh thể đá phía trên thực phẩm dạng rắn ( khi thực phẩm được lạnh đông chậm) để xác
định 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 sử

dụng để phá hủy cấu trúc tế bào, hoặc tăng cường hoặc ức chế các hoạt động trong các
loại thực phẩm (Mason và cộng sự, 1996.), và được đặc trưng bởi cường độ năng lượng
sắp xếp từ 10 đến 1.000 W/cm2. Các sóng âm thanh cường độ cao có thể gây ra áp lực
Page 11


cao 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 tình
enzyme 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 cho
siêu âm cường độ thấp .
Các ứng dụng làm thay đổi nguyên liệu của siêu âm cường độ cao rất nhiều trong
phạm vi chế biến thực phẩm. Những trường nghiên cứu chuyên môn làm việc chủ yếu
với siêu âm năng lượng trong chế biến thực phẩm là việc nghiên cứu sự trích ly, đồng
hóa, lọc, kết tinh, sinh ra những thành phần tốt, rã đông, và lạnh 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 cả siêu âm cường độ cao và siêu âm cường độ thấp bao gồm
tần số (f, hoặc tần số góc ω = 2πf) và biên độ năng lương (ký hiệu là A hay P). Những giá
trị này được cài đặt hoặc điều chỉnh bởi thiết bị tạo siêu âm và được điều khiển bởi các
thử nghiệm dựa trên kết quả mong muốn. Tham số được sử dụng rộng rãi trong siêu âm
cường 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 cao
bao gồm năng lượng, tần số, nhiệt độ xử lý, và thời gian xử lý.
Page 12


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 được
tin rằng có liên quan đến việc phá hủy thành tế bào và các cấu trúc thành tế bào, được xác
nhận 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 làm
mỏng màng tế bào cùng với việc làm nóng và tạo ra gốc tự do là điều quan trọng trong
việc 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 bong
bóng được hình thành. Các bong bóng được tạo thành rất nhanh chóng và sau đó va đập
với nhau bên trong môi trường. Bên trong môi trường, nhiệt độ tại trung tâm rất cao (lên
tới 5.500oC) và đạt tới áp suất cao (50 MPa), và những sự nổ vỡ cực mãnh liệt xảy ra cuối
cùng, những điều kiện này làm tiêu diệt một số vi khuẩn (Piyasena et al, 2003). Bằng
hiện tượng xâm thực khí, hoặc là cấu trúc thành tế bào bị phá vỡ , đứt đoạn, hoặc các
phần tử bị loại bỏ trên bề mặt (Earnshaw et al., 1995). Xâm thực khí có liên quan với sự
xén đứt đoạn, làm nóng, và sự hình thành gốc tự do, chúng được xem là những hiệu quả
chủ yếu. Thu hẹp các tế bào gây ra bởi siêu âm và thành tế bào bị vỡ, giải phóng tế bào
chất (Earnshaw et al., 1995). Sơ đồ thể hiện điều này trong hình 3.3. Một số nghiên cứu
bằng kính hiển vi sau khi xử lý bằng siêu âm- nhiệt cho phép một số trong những hiệu
ứng đề cập trước để quan sát. Trong hình 3.4, việc sử dụng hiển vi điện tử quét (SEMScanning Electron Microscopy) được hiển thị cho L. innocua sau 30 phút xử lý ở 24 kHz,
400 W, 120 μm 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 thể
được 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 lệ
cao các tế bào này là sự hình thành của các lỗ nhỏ trên lớp ngoài của vi khuẩn. Các lỗ
hổng này, trong một số trường hợp xuất hiện là lỗ hổng lớn, được tạo ra trong tế bào vì áp
Page 13


lực cao trong môi trường và sự bùng nổ mãnh liệt của các bong bóng. Một số tế bào xử lý
bằng siêu âm - nhiệt được phân tán thành nhiều phần nhỏ hơn, trông giống như các tế bào
nhỏ cắt thành các hình dạng không tự nhiên. Các thành tế bào không được xác định bởi
một 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 của
lỗ.

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 kích thước phần tử
và phá vỡ phân tử. Nó bao gồm việc phá hủy phân tử pectin trong dung dịch 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 cập trước 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 kết hợp với sự ổn
Page 14


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 chế chính vô hoạt, sự
đứt đoạn trong màng tế bào. Trong trường hợp của các enzyme, cơ chế chính là sự hình
thành gốc tự do, từ đó cho phép thay đổi một số đặc điểm của các enzyme. Sự đứt đoạn
của mô chủ yếu quan trọng bởi vì nó tạo ra liên kết với bề mặt tốt hơn 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 áp suất làm vô hoạt một
số enzyme ở nhiệt độ thấp hơn và/hoặc trong một thời gian ngắn hơn so với phương
pháp xử lý nhiệt. Độ nhạy của các enzyme để xử lý bằng siêu âm kết hợp với nhiệt và áp
suất độc lập với môi trường xử lý. Ngoài ra, các chất nền, đồng chất tan 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 hơn
siêu âm năng lượng. Ngoài ra, siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng nhiều hơn trong
ngành 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 loại
thực 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 sự
thành 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 mối
nguy hiểm tiềm tàng trong sản xuất một sản phẩm an toàn chất lượng có thể được kiểm
soát.
5.1.

Đảm bảo chất lượng

Đảm bảo chất lượng là một lĩnh vực được quan tâm trong công nghệ thực phẩm vì
cần phải có những thực phẩm chất lượng theo mong muốn của người tiêu dùng. Mỗi
Page 15


ngành công nghiệp thực phẩm phải có một bộ phận giám sát sản xuất để đảm bảo chất
lượng, trong đó yêu cầu kiểm tra các sản phẩm. Trong một số thử nghiệm, thời gian điều
trị lâu dài cần thiết và các kỹ thuật phá hủy được sử dụng. Siêu âm thể hiện hữu ích trong
một số thử nghiệm, trong đó siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng để đánh giá chất
lượng 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 các
loại dầu đã được thẩm định các thông số siêu âm (Benedito et al., 2002), bằng cách áp
dụng lý thuyết về trạng thái sóng như thế nào (ví dụ, vận tốc và độ giảm âm) liên quan
đến các thành phần vật lý của môi trường. Kết cấu của sản phẩm như pho mai và rau
được 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 công
nghiệp thực phẩm quan trọng nhất được chỉ ra trong các báo cáo bán hàng của họ về các
sản phẩm phô mai và báo cáo về nhu cầu tiêu dùng cao. Tùy thuộc vào nơi sản xuất và
loại phô mai, sản xuất phô mai có thể mất vài giờ hoặc vài năm để tạo ra sản phẩm cuối
cùng. Các đặc tính cụ thể được mong muốn trong phô mai phụ thuộc vào sự đa chủng
loại. 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 đoạn
khác nhau của quá trình, ví dụ, trong việc đánh giá các vết nứt bên trong do quá trình lên
men 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 kỹ
thuật 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 được
trực tiếp tham gia vào việc tạo ra loại mềm bằng cách thúc đẩy sự đông tụ của protein và
dầu (Mason, 1996).

Page 16


Siêu âm tần số cao cũng đã được sử dụng để đánh giá chất lượng của đậu phụ
trong suốt quá trình sản xuất. Đậu phụ là một dạng gel dựa trên nước với thành phần chủ
yếu của protein đậu nàn; chất lượng của nó dựa rất nhiều vào cấu trúc cuối cùng của sản
phẩm. Siêu âm có thể được sử dụng để giám sát sự phát triển của cấu trúc đậu phụ trong
quá trình đông tụ. Sự truyền sóng siêu âm qua cấu trúc của gel của đậu hũ được cung cấp
thông 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 sữa
trong suốt quá trình đông tụ.
5.3.

Đồ uống

Siêu âm năng lượng có thể đạt được các tiêu chuẩn thanh trùng cho một số đồ
uống chẳng hạn như sữa, nước ép trái cây, và rượu táo không lên men (cider); nhưng siêu
âm cường độ thấp cũng có thể hữu ích cho mục đích đánh giá chất lượng. Siêu âm đã
được sử dụng để bài khí (loại bỏ oxy) trong nước ép cam, chứng minh rằng hàm lượng
vitamin A cuối trong sản phẩm cao hơn trong suốt thời gian lưu trữ trong nước trái cây đã
được siêu âm so với nước trái cây theo phương pháp xử lý nhiệt thông thường. Trong một
nghiên cứu khác, hàm lượng limonin, những chất màu nâu, và màu sắc được đánh giá
trong nước cam sau khi xử lý bằng siêu âm (500 kHz; 240 W; nhiệt độ thấp, 5 oC và
14◦C), tìm kiếm những thay đổi thứ yếu của những đặc tính này trong sản phẩm (Valero
et al., 2007). Siêu âm đã được sử dụng thành công để xử lý nước quả dâu tây và
blackberry 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 biến
đổi 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 với
việc áp dụng siêu âm vào đầu quá trình nấu (Knorr và cộng sự, 2004). Việc cải thiện hiệu
suất này không chỉ xảy ra với bia mà còn tốt trong sản xuất pho mát, với sự gia tăng sản
lượng sau khi sữa thanh trùng cùng với siêu âm năng lượng, thể hiện lợi ích kinh tế cho
các ngành công nghiệp sữa và bia. Ngoài ra, siêu âm có thể cải thiện một số đặc điểm các
sản phẩm như màu sắc, cấu truch1, và thời gian bảo quản, cũng như duy trì tốt một số giá
Page 17


trị dinh dưỡng giống như được tìm thấy trong các sản phẩm tươi. Một ví dụ là quá trình
oxy hóa sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đồ uống có cồn. Quá trình được sự hỗ
trợ của siêu âm vì nó tăng cường quá trình oxy hóa trong các sản phẩm lên men dẫn tới
tạo 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
vang, rượu whisky, và rượu có cồn (Mason, 1996).
5.4.

Bánh mì

Chất lượng bánh mì luôn luôn là một chủ đề và một yếu tố mà các nhà khoa học
thực phẩm đang cố gắng đổi mới và cải thiện. Hiện nay những sự lựa chọn khác nhau như
bánh mì đông lạnh và sấy thăng hoa có sẵn trên thị trường, cấu trúc của sản phẩm cuối
cùng là một thông số quan trọng. Kỹ thuật truyền thống để đánh giá cấu trúc là rất thường
xuyên làm hư hỏng mẫu. Siêu âm cung cấp các lợi thế là một kỹ thuật không phá hỏng
được biết cấu tạo của bánh mì thông qua các thông số âm thanh. Cấu trúc vật lý của thực
phẩm là việc khó khăn để nghiên cứu vì tính không đồng nhất của thực phẩm, như với
bánh mì, nhưng sóng âm thanh có thể cung cấp thông tin về cấu trúc của ruột bánh mì.
Các tế bào chứa khí xác định tính đồng nhất về cấu trúc của ruột bánh mì, và thông qua
một số thông số siêu âm, cấu trúc vật lý có thể được đánh giá. Vận tốc và độ giảm âm của
sóng siêu âm (tại 54kHz) đã được sử dụng để mô tả các yếu tố chất lượng nhất định của
bánh mì. Ví dụ, thay đổi trong vi cấu trúc của ruột bánh mì sấy thăng hoa do sự thay đổi
tính dày đặc (100-300 kg/m3) đã được đánh giá, cho thấy kích thước và hình dạng của
các tế bào chứa khí trong bánh mì rất nhạy cảm với các phép đo siêu âm, trong khi biên
độ tín hiệu tăng tuyến tính với độ dày đặc (Elmehdi et al., 2003). Kỹ thuật không gây phá
hủy này là một công cụ rất hữu ích trong ngành công nghiệp các sản phẩm từ ngũ cốc
trên thế giới cho phép các nhà sản xuất hiểu được cấu trúc của sản phẩm cuối mà không
cần điều chỉnh.
5.5.

Sự đồng nhất sản phẩm

Page 18


Một lĩnh vực trong đảm bảo chất lượng thực phẩm là đề cập đến việc phát hiện các
vật thể lạ trong sản phẩm cuối cùng. Trong một nỗ lực để đảm bảo sự an toàn của thực
phẩm, tất cả các ngành công nghiệp thực phẩm phải phát hiện tỉ mỉ đối với kim loại, thủy
tinh, xương, và các vật liệu khác mà có thể có khả năng xâm nhập vào thực phẩm trong
dây chuyền chế biến. Xương động vật trong các sản phẩm thịt, mảnh thủy tinh trong lọ
thủy tinh, và phoi kim loại từ trong vật liệu đôi khi được phát hiện trong các sản phẩm do
thực hành sản xuất không tốt (Hæggström và Luukkala, 2001). Các nhà nghiên cứu khác
nhau đã tập trung vào công việc của họ về vấn đề này riêng lẽ. Knorr et al. (2004) cho
thấy các vật thể lạ như thủy tinh và những mảnh nhựa, và vật liệu, có thể được phát hiện
trong sữa chua, nước ép trái cây, và nước sốt cà chua bằng các tín hiệu siêu âm trong một
phân tích thời gian-tần số. Các vật thể cát từ nguyên liệu như đá, thủy tinh, gỗ, nhựa,
xương và những mặt cầu bằng thép đã được phát hiện trong phô mai và mứt marmalade
bằng siêu âm, cho thấy sự không phá hủy này và phương pháp có độ nhạy cao là hữu hiệu
để sử dụng trong một sản phẩm đồng nhất với độ sâu thăm dò 20-75 mm (Hæggström và
Luukkala, 2001). Nén xung siêu âm (UPC – Ultrasonic Pulse Compression) được sử
dụng để phát hiện các biến đổi trong độ sệt của một số chất lỏng, mực chất lỏng trong
chai dạng polymer chứa thức uống, và các vật thể lạ trong các thùng chứa. Đây có thể
những thay đổi trong các thuộc tính âm thanh của môi trường, chủ yếu là sự truyền vận
tốc và trở kháng âm học, có thể liên quan đến những thay đổi trong thành phần của sản
phẩm thực phẩm. Siêu âm được liên kết với không khí (air-coupled ultrasonics) là một kỹ
thuật mới được sử dụng để ước lượng mực nước trong một chai nước uống polymer (Gan
et al., 2002). Các tỷ lệ khối lượng các thành phần trong thực phẩm như syrup, nước quả,
và đồ uống có cồn cũng có thể được xác định bằng sóng siêu âm, và đo lường hàm lượng
của chất béo bán bão hòa cũng đã được thử nghiệm thành công với siêu âm (Coupland,
2004). Mức độ dày đặc của một số loại thực phẩm, bao gồm cả phô mai Cheddar, thịt
hộp, và nước sốt nam việt quất, đã được đo bằng kỹ thuật siêu âm để xác định tốc độ âm
thanh trong sản phẩm, phương pháp này cho kết quả tương tự như các lần kiểm tra khó
khăn hơn sử dụng cặp đo kích thước (Saggin và Coupland, 2001). Trong ví dụ khác, việc
chứng minh hiệu quả của siêu âm lên chất lượng sản phẩm, nồng độ chất khô là một
Page 19


thông số quan trọng trong công nghiệp chế biến sản phẩm dạng huyền phù đặc ; trong
ngành công nghiệp, các thông số về mật độ và độ suy giảm của sóng siêu âm đã được
chứng minh là công cụ hữu ích để đảm bảo chất lượng và kiểm soát quy trình của các hệ
huyền phù dày đặc, cả hai thông số có liên quan đến nồng độ của môi trường (Bamberger
và Greenwood, 2004). Một ứng dụng trực tiếp của loại siêu âm này là trong suốt quá
trình lên men, trong đó nồng độ đường thay đổi cho phù hợp với việc tạo ethanol để nấm
men hoạt động. Nồng độ ethanol và đường có thể được ước tính dựa trên vận tốc sóng âm
đi qua môi trường (Schöck và Becker, 2010). Ở đây quan trọng là phải nhận xét các đặc
tính của sóng siêu âm, chẳng hạn như tần số và cường độ, hoặc các thông số âm thanh
liên quan đến môi trường – như độ hệ số tắt, vận tốc, trở kháng âm thanh, hoặc mật độ phải được lựa chọn thẩm định một cách cẩn thận để xác định các tính chất cụ thể của các
loại thực phẩm mà các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm. Siêu âm cũng đang được thử
nghiệm về kiểm soát chất lượng vi sinh vật : một số nghiên cứu thực hiện trên sữa đóng
gói vô trùng cho thấy sự tạo dòng âm thanh gây ra bởi siêu âm trong chất lỏng bị ảnh
hưởng bởi các hoạt tính vi sinh vật, và do đó, những vi khuẩn làm thay đổi các thông số
hóa lý có thể được phát hiện (về số lượng) thông qua việc sử dụng sóng siêu âm
(Gestrelius et al, 1993).
5.6.

Rã đông / lạnh đông / kết tinh

Như trong trường hợp của kỹ thuật áp suất cao, siêu âm không giới hạn các ví dụ
nêu trên, mỗi ngày các ứng dụng mới đang được sử dụng và thử nghiệm trong công
nghiệp thực phẩm, trong khi một số lượng quan trọng là vẫn còn đang nghiên cứu. Một
trong những ứng dụng sẽ sử dụng trong các quá trình rã đông, siêu âm năng lượng cao
được sử dụng để hỗ trợ làm rã đông thịt bò, thịt lợn,và cá, với tần số và cường độ khoảng
500 kHz và 0,5 W/cm-2. Với bức xạ siêu âm, các vấn đề thường gặp trong rã đông bằng vi
sóng - làm nóng bề mặt - được giảm thiểu, trong đó mẫu được rã đông đến độ sâu 7,6 cm
trong khoảng 2,5 h (Miles et al., 1999).

Page 20


Siêu âm năng lượng, với tần số trong khoảng 20-100 kHz, đã chứng tỏ hữu ích
trong việc hình thành các tinh thể nước đá trong lạnh đông của nước, vì tỷ lệ này được cải
thiện và giảm thiệt hại tế bào. Cơ chế tham gia là xâm thực khí, trong đó các bong bóng
được tạo ra vang âm như là mầm cho sự phát triển tinh thể (Sun và Li, 2003). Siêu âm là
một phương pháp hữu dụng cao trong việc kiểm soát các quá trình kết tinh vì nó làm tăng
tỷ lệ tạo mầm và tốc độ tăng trưởng tinh thể, do đó tạo ra các vị trí tạo mầm mới. Tốc độ
lạnh đông của khoai tây được hỗ trợ bởi siêu âm thì rất nhanh, với công suất là15,85 W
và thời gian xử lý là 2 phút, hơn nữa; một vi cấu trúc tốt hơn đã đạt được trong điều kiện
lạnh đông do tốc độ cao của quá trình (Sun và Li, 2003). Trong một số quá trình kết tinh,
như trong giai đoạn đầu của lạnh đông, siêu âm đóng vai trò rất quan trọng bởi vì nó có
thể thúc đẩy quá trình. Do đó kích thước của các tinh thể nhỏ hơn so với trong lạnh đông
thông thường, và cho một số sản phẩm như dâu tây, kết quả thực tế này giảm thiệt hại
quan trọng cho vi cấu trúc của sản phẩm. Một số nghiên cứu sử dụng siêu âm đã được
thực hiện trên kem que đá (ice lollipop), và mặc dù sự bám dính tốt hơn của kem đá đến
que gỗ được quan sát, phần kem đá trở nên cứng hơn hơn so với sản phẩm thông thường
(Mason, 1996). Siêu âm đã được sử dụng để giám sát quá trình làm lạnh gelatin, thịt gà,
cá hồi, thịt bò, và yogurt bằng cách đo thời gian tiếp xúc của xung siêu âm với bề mặt
làm lạnh. Trong các sản phẩm đồng đều, sự chuyển động của lớp mạ băng được đo bằng
thời gian của một xung siêu âm, bằng cách ghi chép lại các sự lặp lại như là một hàm của
thời gian, tương quan với tỷ lệ phần trăm thực phẩm đông lạnh(Sigfusson et al., 2004).
5.7.

Trích ly

Việc sử dụng siêu âm trong quá trình trích ly mang lại lợi ích bao gồm sự thẩm
thấu tốt hơn của dung môi vào tế bào nguyên liệu, tăng cường sự khuếch tán, và cải thiện
sự thoát tế bào chất do sự đứt đoạn của thành tế bào. Vài ví dụ của việc sử dụng siêu âm
có trong trích ly đường từ củ cải đường, các hợp chất dùng làm thuốc (Helicid, berberine
hydrochloride, bergenin), và protein từ đậu nành đã loại béo và trà. Thông qua trích ly
enzyme rennin để sản xuất phô mai, việc sử dụng siêu âm đạt được năng suất trích ly
enzyme cao hơn so với trích ly thông thường. Những lợi thế của việc sử dụng siêu âm
Page 21


trong quá trình trích ly đang giảm nhiệt độ và rút ngắn thời gian trích ly, dẫn đến một
dịch chiết tinh khiết hơn. Nhiều quá trình trích ly siêu âm đã được tăng lên đến mức công
nghiệp vì trong những lợi thế đã được nêu trên (Mason, 1996). Một ví dụ về một lợi thế
đặc biệt là trong quá trình trích ly các chất rắn từ nước trà, dẫn đến năng suất gia tăng gần
20%. Một ví dụ khác là việc giảm thời gian ngâm đã đạt được với siêu âm trong quá trình
chiết xuất alkaloid reserpine từ Rauwolfia serpentina. Các hợp chất từ Salvia officinalis
cũng trích ly nhanh hơn, và các chất acid antioxidant carnosic chiết xuất từ thảo mộc
Rosmarinus officinalis (cây hương thảo) được tăng lên thậm chí là số lần trích ly đã được
giảm. Trong ví dụ cuối cùng, siêu âm ở 40 kHz được kết hợp với nhiệt độ từ 47◦C đến
53◦C và đánh giá tại 15, 30, và 45 phút; chỉ cần 15 phút là đủ để trích ly hầu hết nguyên
liệu, khi siêu âm tăng cường sự khuếch tán , kết quả của việc phá vỡ tế bào (Albu et al.,
2004.). Trong một ví dụ khác về việc sử dụng siêu âm năng lượng trong quá trình trích ly
đường và protein từ bã đậu nành cho thấy kết quả tuyệt vời của siêu âm sau một thời gian
ngắn (ít hơn 120 s), cho thấy một lượng đường và protein thổng thoát ra lên tới 50 và
46%, một cách tương ứng, so sánh với các mẫu chưa xử lý, nâng cao năng suất trong quá
trình trích ly và giảm chi phí sản xuất (Karki et al., 2010).
Một số nghiên cứu chiết xuất các chất có hoạt tính sinh học hỗ trợ bằng siêu âm
(Kamaljit Vilkhu et al., 2008)
Mục

tiêu Sản phẩm Dung môi

Phương pháp

chiết xuất

Điều

kiện Lượng gia

thực hiện

tăng

hiệu

suất thu hồi
Beta-

Carrot

Nước

carotene

Phòng

thí Xung

(%)
15-25

nghiệm, 24kHz, quanh
20-75Ws/ml.
Ethyl-

Phòng

acetate

nghiệm, 24kHz, quanh
Page 22

thí Xung

8-20


20-75Ws/ml.
Phòng
thí Xung

Polyphenol



s

đỏ

nghiệm, 24kHz, quanh

Trà đen

20-75Ws/ml.
Phòng
thí 90oC

Polyphenol

nho Nước

Nước

s

nghiệm, 24kHz,

Polyphenol

8-10Ws/ml.
Phòng

Táo

Nước

thí 80oC

s

nghiệm, 40kHz,

Gingerols

Carbon

20-75Ws/ml.
Phòng
thí 160bar

dioxide

nghiệm, 20kHz.

Gừng

siêu

11-35

6-18

6

30

tới

hạn

Các báo cáo quá trình trích ly trong tài liệu là việc chiết xuất dầu quả hạnh, những
chất chiết xuất từ thảo dược (thì là, hoa bia, cúc vạn thọ, bạc hà), saponin trong nhân sâm,
gừng, rutin, carnosic acid từ cây hương thảo, polyphenols , acid amin và caffeine từ xanh
trà, và pyrethrins từ hoa. Nói chung tất cả các quá trình này đã được hưởng lợi từ việc sử
dụng siêu âm, cho thấy năng suất trích ly và tốc độ trích ly cao hơn, thời gian xử lý ngắn
hơn, và hiệu quả hơn trên toàn quá trình (Vilkhu et al., Năm 2008).
Gần đây, nghiên cứu về các phản ứng hóa học siêu âm diễn ra trong siêu âm cho
thấy các phản ứng này khi được khống chế thành công có thể là một công cụ quan trọng
để trích ly thực phẩm. Phản ứng hydroxyl hóa của một số hóa chất thực phẩm cộng với
một số các gốc hydroxyl được tạo ra trong quá trình xâm thực khí có thể tăng cường các
đặc tính chức năng của các hóa chất này; ví dụ, các hợp chất phenolic có thể tăng cường
tính chất chống oxy hóa của chúng trong điều kiện siêu âm đặc biệt (Ashokkumar et al.,
2008).

Page 23


5.8.

Làm sạch

Ngoài vô số các ứng dụng khác, siêu âm là một phương pháp rất hiệu quả cho mục
đích làm sạch. Nó có thể đánh bật bụi bẩn và vi khuẩn từ các bề mặt và tiếp cận các kẽ hở
rất khó chạm đến khi sử dụng các phương pháp thông thường. Các dụng cụ và bề mặt
thiết bị y tế, trong phẫu thuật, nha khoa, và trong chế biến thực phẩm được làm sạch bằng
siêu âm. Gần đây, siêu âm đã được áp dụng kết hợp với một chất diệt khuẩn để làm sạch
bề mặt trứng từ trại ấp. Hoạt tính của các đioxit hóa học cũng được nâng cao bởi siêu âm
(Mason, 1996). Hơn nữa, nhiều nghiên cứu cho thấy siêu âm (40 kHz) có thể được sử
dụng để loại bỏ màng sinh học (biofilm), đôi khi là nguyên nhân gây tích tụ bẩn trong
một số thiết bị ngành công nghiệp thực phẩm. Trong ngành công nghiệp sữa, ví dụ như,
sự tích tụ bẩn trong các ống được sử dụng để thanh trùng và xử lý những sản phẩm nào
đó thường là nguyên nhân gây nhiễm bẩn sữa, vì một số vi sinh vật có thể bám vào các
thành ống. Siêu âm có hiệu quả gấp hai lần trong việc loại bỏ màng sinh học từ một số bề
mặt được xử lý so với phương pháp phổ biến là làm thông sạch các thiết bị (OulahalLagsir et al., 2000); cũng vậy, siêu âm là rất hữu ích trong việc làm sạch các quá trình lọc
membrane các sản phẩm từ sữa trong suốt các quá trình siêu lọc khi áp dụng tại một tần
số thấp và ổn định (ví dụ, 50 kHz), so với sử dụng gián đoạn (Muthukumaran et al.,
2007).
Siêu âm cũng đang được nghiên cứu như là một đổi mới cho các quy trình khử
trùng bằng chlore khi khử trùng nước. Do việc tạo ra các gốc tự do trong các dung dịch
nước trong suốt quá trình xử lý bằng siêu âm, một số nghiên cứu đã thực hiện trong nước,
tập trung vào tác nhân gây bệnh nổi bật Cryptosporidium parvum. Với siêu âm như là
một kỹ thuật khử trùng, một số vấn đề liên quan đến sản phẩm gây ung thư hình thành
trong quá trình khử trùng bằng chlore có thể tránh được. Các nghiên cứu được thực hiện
với S. cerevisiae, mà theo tác giả, nó có cấu trúc tương tự như các vi sinh vật gây
bệnh.Với dung dịch natri hypochlorite (NaClO), siêu âm xử lý tại 27,5 MHz cho những
lần xử lý dài còn mang lại một hiệu ứng tốt hơn chống lại các tế bào (Tsukamoto et al.,
2004a, b).
Page 24


5.9.

Cắt thực phẩm

Cắt bằng siêu âm có thể phân biệt với cắt thông thường do đặc tính chuyển động
đặc biệt của công cụ cắt, như sự chuyển động thông thường của thiết bị được chồng chập
bởi rung động siêu âm. Nói chung, hệ thống cắt bằng siêu âm bao gồm một chuỗi các yếu
tố tạo ra và truyền rung động siêu âm cho khu vực tách biệt (Hình 5.1.). Máy phát điện
cung cấp một hiệu điện thế xoay chiều (AC) với tần số siêu âm mong muốn, thường là
trong khoảng 20 - 50 kHz. Dao động điện này được chuyển thành chuyển động cơ xoay
chiều của tần số tương ứng bằng phương tiện của một bộ chuyển đổi điện áp (piezoelectric transducer)(bộ chuyển đổi). Một bộ phận ghép nối (bộ khuếch đại) chuyển thành
các rung động cơ học như sóng âm thanh mang chất rắn đến đầu sonotrode, sau khi
khuếch đại hoặc suy giảm của biên độ. Các sonotrode hoạt động như một bộ cộng hưởng
cơ học, mà rung động chủ yếu theo chiều dọc của trục rung. Các sonotrode có thể thậm
chí hoạt động như các công cụ cắt, tuy nhiên, đòi hỏi phải có biên độ tối đa ở cạnh cắt,
hoặc có thể hành động như một bộ ghép nối cho một lưỡi dao cắt độc lập. Để đảm bảo ổn
định năng suất vận hành máy, toàn bộ hệ thống dao động được điều chỉnh để tần số hoạt
động liên tục.

Page 25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×