کاربرد امواج فراصوت در صنایع غذایی

کاربرد امواج فراصوت در صنایع غذایی

آسیه حسن زاده

معاون پژوهش و نوآوری مرکز علمی کاربردی ایثارگران قائم (عج) پارس

 Asiehhasanzadeh@gmail.com

مکانیسم عمل امواج فراصوت

مکانیسم اصلی استخراج با امواج فراصوت به پدیده کاویتاسیون^[۱] مربوط می شود، کاویتاسیون پدیده مهم در اولتراسوند با شدت بالا می باشد و عبارت است از تشکیل، رشد و متلاشی شدن حباب های کوچک در مایع که فشار و دمای بالایی ایجاد کرده و سبب نابودی دیواره سلولی ماتریس گیاهی و آزاد سازی محتویات آن می شود [۹ و ۱۴]. زمانی که یک موج صوتى از میان یک محیط الاستیک عبور مى کند، باعث جابه جایى طولى ذرات شده، به طور موقت مولکول ها از جایگاه اصلى خود جدا شده و مى توانند با مولکول هاى اطراف برخورد کنند. سپس، در طى مرحله انبساط، اولین گروه از مولکول ها به عقب و سمت موقعیت اصلى خود کشیده مى شود و انرژى جنبشى آن ها را بیشتر به عقب مى کشد. بنابراین، مناطق انبساطى در محیط ایجاد مى شود و از آن جا که هر محیط فاصله مولکولى بحرانى دارد، هنگامى که این فاصله بیش از حد شود، فعل و انفعالات مولکولى شکسته شده و حفره ها در مایع ایجاد مى شوند [۲۰]. حفره هاى ایجادشده در محیط، حباب هاى کاویتاسیون ناشى از فراصوت بوده که قادر به رشد در طول مراحل انبساط و کاهش اندازه در سیکل هاى انقباض هستند.

هنگامى که اندازه ى این حباب ها به یک نقطه ى بحرانى مى رسد، آن ها در طول چرخه انقباض متلاشى شده و مقدار زیادى انرژى آزاد مى شود. دما و فشار در لحظه ى متلاشى شدن تا ۵۰۰۰ کلوین و ۵۰۰۰ اتمسفر در حمام اولتراسونیک در دماى اتاق تخمین زده مى شود، ایجاد این نقاط داغ مى تواند به طور چشمگیرى واکنش هاى شیمیایى را در محیط تسریع می بخشد. وقتى این حباب ها روى سطح مواد جامد متلاشى مى شوند، فشار و دماى بالاى آزاد شده به طور مستقیم میکروجت ها و امواج شوک را در سطح جامد تولید مى کند. اصابت این میکروجت ها به سطح باعث سایش، شکستگی و تخریب می گردد [۱۴ و ۱۷].  امواج فراصوت، مراحل فرایند استخراج ترکیبات گیاهى، یعنی تورم بافت به منظور جذب حلال و نیز خروج ترکیبات از بافت به حلال را از طریق ایجاد تخلخل و منافذ در دیواره سلول ها بهبود مى بخشد و انتقال جرم را تسهیل و تسریع می کند [۳ و ۱۸].  مشخصات گیاهی که روغن آن استخراج می شود مثل میزان رطوبت، اندازه ذرات و نوع حلال مورد استفاده، به منظور به دست آوردن استخراج کارامد و موثر مهم هستند. به علاوه فاکتورهای زیادی شامل فرکانس، فشار، دما و زمان، کارکرد امواج صوتی را تحت تاثیر قرار مى دهند [۸ و۱۹].

تجهیزات فراصوت

متداول ترین تجهیزات فراصوت براى مقاصد استخراج از منابع گیاهی حمام خالص سازى اولتراسونیک و سیستم پروب است که در مقیاس صنعتی و آزمایشگاهى قابل اجرا می باشند (شکل۲). حمام فراصوت به طورچشمگیری اندازه ذرات جامد را کاهش می دهد و باعث افزایش قابلیت انحلال پذیری آن می شود. پروب به طور گسترده برای فراصوت دهی نمونه ها با حجم کم استفاده می شودف باید به این موضوع دقت شود که ممکن است افزایش سریع دما در نمونه اتفاق بیافتد. برای اجرای صنعتی در مقیاس بالا از راکتورهایی از ۳۰ تا ۱۰۰۰ لیتر استفاده می شود (شکل ۳). به منظور حفظ درجه حرارت ثابت، راکتور از یک پوشش دو لایه که در آن می تواند آب خنک در گردش باشد، استفاده می شود. این سیستم شامل پمپ جهت پرکردن حمام فراصوت، بهم زدن مخلوط و خالی کردن آن می باشد. مزیت اصلی این نوع دستگاه این است که محصولات طبیعی و حلال استخراج می تواند در یک ظرف مخلوط و فراصوت به صورت مستقیم به مخلوط به کار گرفته شوند [۱ و ۱۶].

شکل ۲. سیستم فراصوت  شامل پروب و حمام

شکل ۳. تجهیزات فراصوت صنعتی

فراصوت و کاربرد در استخراج روغن های گیاهی

استخراج به کمک فراصوت^[۲] یکى از روش هاى دوستدار محیط زیست براى جداسازى ترکیبات طبیعى مفید از بسترهاى گیاهى مى باشد. این روش مى تواند جایگزین روش هاى سنتى استخراج به سبب ارزان، ساده و کارآمد بودن آن گردد. امروزه استفاده از امواج فراصوت با توجه به اثرات موثر آن در استخراج روغن های گیاهی به عنوان یک پیش تیمار رو به گسترش می باشد. اثرات مکانیکی امواج فراصوت و پدیده کاویتاسیون^[۳] ایجاد شده در اثر این امواج، سبب افزایش نفوذپذیری حلال به داخل سلول های گیاهی، افزایش انتقال جرم و به دنبال آن افزایش بازدهی استخراج در دماهای پایین تر می شود.

مزایای استفاده از اولتراسونیک استخراج روغن های خوراکی عملکرد بالاتر، زمان استخراج کوتاه تر بدون و یا کاهش مصرف حلال فرآیند غیر حرارتی و بهبود کیفیت تغذیه ای می باشد [۵ و ۱۵].

فراصوت امواج مکانیکى است که براى پراکندگى به محیط الاستیک نیاز دارد و دارای صداهایى با فرکانس موجى متفاوت می باشد. صداها در فرکانس شنوایى انسان (از ۱۶ هرتز تا ۱۶-۲۰ کیلوهرتز) هستند، در حالى که فراصوت فرکانس هایى بالاتر از شنوایى انسان، اما پایین تر از فرکانس هاى میکروویو (از ۲۰ کیلوهرتز تا ۱۰ مگاهرتز) دارد (شکل ۱).

از اولتراسوند با شدت بالا جهت استخراج روغن می توان استفاده نمود. به کارگیری امواج فراصوت به عنوان یک پیش تیمار می تواند نقش بسزایی در بهبود زمان استخراج و کاهش مصرف انرژی داشته باشد. نتایج  کاربرد فراصوت برای استخراج روغن از شاهدانه نشان داد که در استخراج با امواج فراصوت زمان کوتاه تر بوده و در نتیجه مصرف حلال کمتر خواهد بود[۴ و ۱۱]. در پژوهشی دیگر کارایی استخراج با حلال و نیز مقایسه بین روش استخراج استاتیک، دینامیکی و بدون امواج فراصوت از دانه نخود مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد پیش تیمار فراصوت تأثیر قابل توجهی بر راندمان استخراج داشت [۱۲]. در این مقاله به بررسی کاربرد امواج فراصوت در استخراج روغن های گیاهی می پردازیم.

شکل۱. فرکانس امواج صدا

مزایای روش استخراج به کمک امواج فراصوت

از مزایاى استخراج به کمک امواج فراصوت، سریع تر و ساده تر بودن، افزایش قطبیت سیستم (شامل استخراج کننده، آنالیت ها و ماتریس) و افزایش بازدهى استخراج با حفره زایى است که مى تواند مشابه یا بزرگتر نسبت به استخراج سوکسله باشد. استخراج با کمک امواج فراصوت امکان افزودن یک استخراج کننده کمکى را فراهم مى سازد و موجب افزایش قطبیت فاز مایع مى شود. فراصوت مى تواند دماى عملیاتى را کاهش دهد و امکان استخراج ترکیبات حساس به حرارت را فراهم سازد که تحت شرایط عملیاتى استخراج سوکسله تغییر مى کند. زمان استخراج نسبت به استخراج سوکسله کوتاه تر است [۱۸].

استخراج با کمک فراصوت مى تواند با هر حلالى براى استخراج دامنه وسیعى از ترکیبات طبیعى استفاده شود. به طور کلی می توان گفت در این روش دمای کمتری برای عملیات استخراج لازم است در نتیجه به ترکیبات حساس به حرارت، کمتر آسیب می رسد. در مقایسه این روش با سایر روش های جدید استخراج، این روش آسان تر و ارزان تر بوده، با هر نوع حلالی نیز قابل انجام می باشد [۲ و ۱۳].

معایب روش استخراج به کمک امواج فراصوت

از معایب استخراج به کمک امواج فراصوت، عدم تجدیدپذیرى حلال در سیستم هاى ناپیوسته در طول فرایند است. بنابراین بازده آن تابعى از ضریب توزیع است از طرف دیگر شستشو و صاف کردن بعد از استخراج نسبت به زمان کل فرایند طولانى است. استخراج با حلال تکرار پذیرتر می باشد. کهنگى سطح پروب فراصوت مى تواند بازده استخراج را تغییر دهد. اندازه ذرات، یک فاکتور مهم در کاربردها به کمک فراصوت است. در این روش سلول گیاهی پاره شده و کلیه محتویات سلولی در تماس با حلال قرار می گیرند، بنابراین این روش به طورکلی غیر انتخابی تلقی می شود و تخریب برخی از ترکیبات در اثر اعمال فراصوت به خصوص در شدت های بالا و زمان های زیاد به دلیل خوردگی پروب در اثر مرور زمان از معایب دیگر این سیستم می باشد [۱۰ و ۱۸].

کاربرد فراصوت در غیرفعال سازی میکروارگانیزم ها

روش های حرارتی مثل پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون، تکنیک های مرسومی هستندکه امروزه جهت غیرفعال کردن میکروارگانیسم ها در مواد غذایی از آنها استفاده می شود. استفاده از گرما می تواند منجر به آسیب های حرارتی از قبیل دناتوره شدن پروتئین ها و آنزیم ها شود. همچنین منجر به کاهش مواد مغذی و خصوصیات ارگانولپتیکی مواد می شود. مکانیزم های مؤثر بر غیرفعال سازی سلول های میکروبی توسط فراصوت عبارت از کاویتاسیون، گرم شدن موضعی و تشکیل رادیکال آزاد می باشد.

کاربرد فراصوت در صنایع گوشت

برای اولین بار اولتراسونیک برای تشخیص بافت پیوندی در جگر گاو مورد استفاده قرار گرفت و امروزه در زمینه های مختلفی مانند ارزیابی باروری دام، ذبح دام، تشخیص کیفیت و قابلیت برش پذیری لاشه پس از ذبح کاربرد دارد. به کارگرفتن اولترا سوند روش مؤثری برای تغییر خصوصیات گوشت و محصولات گوشتی است

کاربرد فراصوت در کاهش جذب روغن و بهبود کیفیت محصولات سوخاری

روش های متعددی برای تولید محصولات سرخ شده با چربی کم وجود دارد. استفاده از فرا صوت در پوشش های فرآورده های سرخ کردنی باعث بهبود خصوصیات کیفی و کاهش جذب روغن می شود.

کاربرد فراصوت در اصلاح نشاسته

اصلاح نشاسته با امواج فراصوت می تواند جایگزین مناسبی برای روش های اصلاح شیمیایی نشاسته باشد و بر ویژگی فیزیکوشیمیایی سوسپانسیون نشاسته تأثیر گذارد. تیمار فراصوت می تواند بر دیسپرسیون گرانول های نشاسته و یا بر خمیر نشاسته اعمال شود. تأثیر فراصوت بر ویژگی های فیزیکوشیمیایی نشاسته می تواند از طریق ایجاد حفره در گرانول های نشاسته، تخریب مولکول، و محلول  تخریب شیمیایی با رادیکال های هیدروکسیل شدن گرانول نشاسته باشد.

کاربرد فراصوت در کشاورزی

امواج فراصوت ضمن عبور از داخل بافت میوه، بسته به نوع بافت و تراکم آن تضعیف گردیده و سرعت آن نیز تغییر می کند. بنابراین می توان با محاسبه مقدار ضریب تضعیف و سرعت آن به صورت غیرمخرب، خصوصیات بافت و در نتیجه رسیدگی آن را تعیین کرد. تحقیقات انجام شده نشان داده اند بیان شده که کاربرد امواج فراصوت در فرآیند رسیدگی برخی میوه ها و سبزی ها موجب تسریع عمل و بهبود کیفیت این محصولات شده است [۲].

مراجع

1. شاطرآبادی داریوش، ابونجمی محمد، قربانی جاوید مجید، عرب حسینی اکبر. ۱۳۹۶. مقایسه روش فراصوت با دیگر روش های نوین در استخراج عصاره گیاهان دارویی. نشریۀ علمی ترویجی صوت و ارتعاش. دوره ۶، شماره صفحه ۱۵-۳۰.
2. یوسف زاده ثانی سپیده و همکاران. ۱۳۹۶. کاربردهای امواج فراصوت در صنایع غذایی و تأثیر آن در بهبود کیفیت فراورده های ا نشریۀ علمی ترویجی صوت و ارتعاش. سال ششم. شماره .دوازدهم
3. Bimark, M. A., Rahman, R., SaleenaTaip, F., Adzahan, N. M., Islam Sarker, Z., Ganjloo, A. Ultrasound-assisted extraction of valuable compounds from winter melon(Benincasahispida) seeds. Int. Food Res. J., 2013. 20(1), 331-338.
4. Chemat, S., Lagha, A., Ait Amar, H., Chemat, and F. Ultrasound assisted microwave digestion. Ultrasonics Sonochemistry, 2004.11, 5-8.
5. Dolatwoski, Z. J., Stadnik, J., D. Stasiak. Applications of ultrasound in food technology. ACTA Sci. Pol. Tech. Alimentrai., 2007. 6(3), 89-99.
6. Hu A, J., Zhao, S., Liang, H., Qiu, T., Chen, G. Ultrasound assisted supercritical fluid extraction of oil and coixenolide from adlay seed. Ultrasonics Sonochemistry, 2007. 14, 219-224.
7. Hui, L., Etsuzo, O. & Masao, I. Effects of ultrasound on the extraction of saponin from ginseng. Japanese Journal of Applied Physics, 1994. 33(5B): 3085–۳۰۸۷.
8. Ji J.b. and Lu X.h. Improvement of leaching process of Geniposide with ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, 2006.13:455–۴۶۲.
9. Kentish, S., and Ashokkumar, M., the Physical and Chemical Effects of Ultrasound. “Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing” (H. Feng, G. Barbosa-Canovas and J. Weiss, eds.), Springer New York, New York, 2011, pp.1-12.
10. Lagha, A., Chemat, S., Bartels, P., Chemat, F. Microwave-ultrasound combined reactor suitable for atmospheric sample preparation procedure of biological and chemical products, Analysis, 1999. 27, 452-457.
11. Lin, J. Y., Zeng, Q. X., A, Q., Zeng, Q. Z., Jian, L. X. & Zhu, Z. W. Ultrasonic extraction of hemp seed oil. Journal of Food Process Engineering, 2011. 35, 76–۹۰.
12. Lou, Z., Wang, H., Zhang, M. & Wang, Z. Improved extraction of oil from chickpea under ultrasound in a dynamic system. Journal of Food Engineering, 2010. 98, 13- 18.
13. Luque-García, J.L., Luque de Castro, M.D. Ultrasound-assisted Soxhlet extraction: an expositive approach for solid sample treatment: Application to the extraction of total fat from oleaginous seeds. 2004. 1034, 237-242.
14. McClements DJ. Advances in the application of ultrasound in food analysis and processing. Trends in Food Science & Technology, 1995. 6, 293–۲۹۹.
15. Pawliszyn, J. Comprehensive Sampling and Sample Preparation, in: Pingret, D., Fabiano-Tixier A.S., Chemat F., Accelerated Methods for Sample Preparation in Food, Academic Press, University of Waterloo, Ontario, 2012, 441-455.
16. Romdhane, M., Gourdon, C., Casamatta, G. Local investigation of some ultrasonic devices by means of a thermal sensor. Ultrasonic. 1995. 33, 221-227.
17. Shotipruk, A., Kaufman, P.B. Feasibility study of repeated harvesting of menthol from biologically viable Menthax piperata using ultrasonic extraction. Biotechnology Progress, 2001. 17(5), 924-928.
18. Vinatoru, M. An overview of the ultrasonically assisted extraction of bioactive principles from herbs. Ultrasonics Sonochemistry, 2001. 8, 303-313.
19. Wang, L. and Weller, C.L. Resent advances in extraction of nutraceuticals from plants. Trends Food Sci. Technology, 2006. 17,300-312.
20. Zheng, L., Sun, D. W. Innovative applications of power ultrasound during food freezing processes. a review. Trends in Food Sci. Tech., 2006. 17(1): 16-23.

^[۱] cavitation

^[۲] Ultrasound

[۳] Cavitation

مقالات و یادداشت ها