Đồ án Môn học Công nghệ thực phẩm

MỤC LỤC 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) 15 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. 38 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. 39 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. 52 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. 53 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 54 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 55 Hình 5.5. Hoạt động của membrane 56 PHỤ LỤC BẢNG 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) 48 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 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. 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 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. 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 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. 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 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) 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 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 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 . Tổng quan về thiết bị 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 . Thiết bị siêu âm gồm có máy phát điện (electrical power generator) , bộ chuyển đổi (transducer) và máy phát (emitter) , nó có nhiệm vụ phát sóng siêu âm vào môi trường (Povey và Mason , 1998). Ngoại trừ “tiếng huýt từ chất lỏng”, chúng sử dụng năng lượng cơ học thuần túy mà không có phát điện để sinh ra siêu âm (Mason et al. , 1996) , và những hệ thống làm thoáng không khí (airborne systems), chúng không yêu cầu có máy phát (Gallego – Juárez et al., 2003; Povey và Mason, 1998). Hai loại hệ thống siêu âm được báo cáo thường được sử dụng trong công nghệ thực phẩm , một loại sử dụng thanh siêu âm (horn) như một máy phát âm thanh và loại khác sử dụng bể (bath) . Loại bể được sử dụng một cách truyền thống trong công nghệ thực phẩm vì dễ dàng sử dụng (Povey và Mason, 1998). Trong nghiên cứu gần đây , hệ thống dùng thanh siêu âm được trích dẫn thường xuyên như dạng bể (Aleixo et al. , 2004 ; Duckhouse et al., 2004; Mason et al. , 1996; Neis và Blume , 2003; Patrick et al., 2004; Tian et al., 2004). Hệ thống sử dụng thanh siêu âm được sử dụng tốt như dạng bể trong nhiều ứng dụng , từ quá trình chế biến thực phẩm dùng siêu âm đến việc rửa các bề mặt của thiết bị chế biến thức phẩm . Máy phát điện (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 (Povey và Mason , 1998). Tóm lại , một máy phát điện sinh ra dòng điện với một mức năng lượng được xác định rõ . Hầu hết những máy phát năng lượng được hiệu chỉnh một cách gián tiếp qua việc cài đặt hiệu điện thế (V) và cài đặt cường độ dòng điện (I). Hiệu điện thế biểu thị thế năng được dữ trữ trong các electron (đo bằng volts); cường độ dòng điện biểu thị bằng điện tích của các electron di chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (đo bằng amps); và năng lượng được tạo ra từ hai giá trị trên được biểu thị trong phương trình (2.3) (Hecht, 1996). P = IV [W] , [volt . amps ] , [VA] (2.3) Các máy phát điện được thiết kế đặc biệt cho siêu âm chủ yếu tập trung trong việc vệ sinh công nghiệp , và những ứng dụng để xứ lý , kết nối và những ứng dụng khử trùng, và có tác dụng trong khoảng tần số thấp hơn (10-40 kHz). Những tần số thấp thường không phải kiểm tra việc không phá hủy cấu trúc thực phẩm , nhưng siêu âm năng lượng có nhiều ứng dụng tiềm năng trong quá trình chế biến thực phẩm sẽ trình bày trong phần này. Bộ chuyển đổi (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 (Povey và Mason 1998). Lee et al. (2003) giải thích rằng một bộ chuyển đổi được đính kèm với một máy phát điện sẽ tạo ra sự chuyển đổi , ví dụ, 20 kHz được chuyển từ điện năng của máy phát thành năng lượng siêu âm của cùng tần số bằng việc rung động tại 20.000 chu kỳ cơ học trong mỗi giây . Povey và Mason (1998) tổng kết ba kiểu bộ chuyển đổi chính: dẫn động chất lỏng (liquiddriven), từ giảo (magnetostrictive), và áp điện (piezoelectric-pzt). Những bộ chuyển đổi được điều khiển bởi chất lỏng dựa trên năng lượng cơ học thuần túy để tạo ra siêu âm, nhưng những bộ chuyển đổi từ giảo và những bộ chuyển đổi áp điện chuyển đổi điện năng và từ tính thành cơ năng, năng lượng siêu âm. Trong khi việc tạo tiếng huýt trong chất lòng làm cho các quá trình trộn và đồng hóa diễn ra tốt hơn, ngày nay đa số thiết bị siêu âm năng lượng sử dụng những bộ chuyển đổi áp điện hay từ giảo ( Knorr et al., 2004; Povey và Mason, 1998). Hình 2.3. Máy phát từ giảo (Magnetostrictive transducer) Bộ chuyển đổi áp điện (pzt) là kiểu chung nhất và được sử dụng trong hầu hết những bộ xử lý và những bể phản ứng siêu âm và trích dẫn thường trong tài liệu tham khảo ( Aleixo et al., 2004; Gallego- Juárez et al., 2003;. Povey và Mason, 1998). Bộ phận biến đổi áp điện cũng có hiệu quả nhất, đạt được tốt hơn 95% hiệu suất, và nó được dựa trên một vật liệu ceramic trong suốt để đáp ứng năng lượng điện. Hình 2.4. Máy phát điện áp (Piezoelectric transducer) Tâm của máy phát điện áp là một hoặc hai đĩa mỏng làm từ vật liệu ceramic . Vật liệu ceramic này bị đè nén giữa hai khối kim loại (một bằng nhôm , một bằng thép) . Khi điện áp được đặt vào ceramic , ceramic sẽ giãn ra , phụ thuộc vào chiều phân cực , do những thay đổi trong cấu trúc lưới của nó . Chính sự dịch chuyển vật lý này làm cho sóng âm lan truyền vào bên trong dịch được xử lý . Bộ phận phát (Emitter) Mục đích của bộ phận phát là tỏa ra sóng siêu âm từ bộ chuyển đổi vào trong môi trường. Những máy phát cũng có thể hoàn thành vai trò của việc khuyếch đại những sự rung động siêu âm trong khi phát ra chúng. Hai dạng chính của những bộ phận phát là bộ phận phát dạng bể và bộ phận phát dạng thanh (ví dụ, những đầu dò); những máy phát dạng thanh thường được đính kèm một sonotrode (Povey và Mason, 1998). Những bộ phận phát dạng bể 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 (Povey và Mason, 1998). 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 . Ví dụ về những hệ thống siêu âm trong chế biến thực phẩm Nhiều ứng dụng trong thực phẩm với quy mô phòng thí nghiệm và quy mô công nghiệp sử dụng một hệ thống tích hợp được gọi là bộ xử lý siêu âm . Bộ xử lý siêu âm cũng được gọi là bộ phản ứng (ví dụ như “đầu dò phản ứng” hoặc “bể phản ứng”) nếu quá trình xử lý siêu âm có khả năng làm biến đổi hóa học trong môi trường (Mason , 2003) . Những thiết bị sản xuất luôn luôn được thiết kế bộ xử lý (bộ phản ứng) này với máy phát điện và bộ chuyển đổi , tất cả được chứa trong một vỏ máy (có trọng lượng nhẹ và có thể di chuyển) và cung cấp vài loại máy phát khác nhau , chúng được lựa chọn tùy dựa trên việc ứng dụng . Máy phát dạng thanh (tức là các đầu dò) hoặc dạng sonotrode. Một số lượng lớn các công ty trên thế giới bán bộ xử lý siêu âm như Hielscher, Branson, Undatim, Sonicmaster, Giken, Sonics & Materials, và Vibra Cell. Những công bố trong công nghệ chế biến thực phẩm bao gồm nhiều ví dụ về những hệ thống siêu âm thành công được thiết kế theo yêu cầu của khách hàng . Ví dụ như , những nhà nghiên cứu Furuta et al. (2004), trong một báo cáo về sự vô hoạt những tế bào Escherichia coli , biểu diễn một sơ đồ của một bộ máy bao gồm một máy phát điện , một bộ chuyển đổi và một máy phát . Một máy phát điện chức năng bổ sung thêm máy khuếch đại năng lượng được liên kết với một bộ chuyển đổi siêu âm , loại máy phát sử dụng là dạng thanh (tức là dạng đầu dò) nhúng ngập trong mẫu. Họ sử dụng một đồng hồ để do độ lệch của biên độ dao động vào / ra của bề mặt thanh để kiểm tra năng lượng âm được sinh ra truyền đến mẫu . Một hệ thống theo yêu cầu khác hàng khác nhằm mục đích vô hoạt E. coli trong dịch lỏng trứng gà (liquid whole egg – LWE), được báo cáo bởi Lee et al. (2003) . Thiết bị với quy mô phòng thí nghiệm của họ bao gồm một máy phát điện (với đầu ra cung cấp năng lượng có thể điều chỉnh được) , một bộ chuyển đổi từ điện máy Bandelin , và một thanh phát có thể khuếch đại siêu âm đầu ra và truyền nó vào trong dịch lỏng trứng gà . Những nhà nghiên cứu khác đã thành công trong việc khảo sát sự rã đông của những mẫu thịt và cá bằng siêu âm với những bộ chuyển đổi được thiết kế đặc trưng cho những thí nghiệm của họ ( đường kính của nó gần bằng với kích thước của mẫu). Gallego-Juárez et al. (2003) tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng siêu âm trong không khí hệ thống đặc biệt trong đó một máy phát điện được nối với một bộ chuyển đổi dạng bước đĩa thiết kế theo yêu cầu của khách hàng. Siêu âm được phát ra bởi một bộ truyền tản siêu âm và một tấm phẳng song song với nó. Tấm mẫu được treo và hoạt động như một bộ tương phản để để hỗ trợ hình thành một làn sóng đứng. 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 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 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/cm2 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/cm2 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 . 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 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). 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 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. CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Nhìn chung, công suất đại diện cho cường độ của việc xử lý hoặc , từ một góc độ khác, những ảnh hưởng lên môi trường của quá trình xử lý là bao nhiêu. Trong siêu âm, quá trình xử lý được thực hiện bằng cách truyền một làn sóng siêu âm xuyên qua môi trường, do vậy, công suất của quá trình xử lý được xác định bởi năng lượng (hoặc cường độ) của sóng siêu âm. Các nghiên cứu cho thấy công suất mạnh hơn là nguyên nhân tạo ra những sự thay đổi lớn trong nguyên liệu, ít nhất lên tới một số giới hạn công suất tối đa nào đó phụ thuộc vào những tính chất của môi trường (De Gennaro et al., 1999; Furuta et al., 2004; Joyce et al., 2003; Mason et al., 1996; Pagan et al., 1999; Povey và Mason, 1998; Riera-Franco de Sarabia et al., 2000; Sun và Li, 2003; Tian et al., 2004). Về mặt lý thuyết, công suất do sóng siêu âm cao tạo áp suất cao trong môi trường (Hecht, 1996). Những áp suất cao tạo bởi âm thanh này làm tiêu diệt các vi sinh vật và enzyme trong thực phẩm và phá vỡ các vi cấu trúc, thông qua hiện tượng xâm thực khí (Povey và Mason, 1998). Tất nhiên, các nhà nghiên cứu nhằm tìm ra giá trị lực tối thiểu cần thiết để xử lý thực phẩm theo mong muốn và bảo toàn các vitamin, màu sắc, cấu trúc, và mùi vị trong thực phẩm (De Gennaro et al., 1999; McClements, 1995;. Riera-Franco de Sarabia et al., 2000). Công suất cũng liên quan đến năng lượng, và một vài nhà nghiên cứu về siêu âm thích đo lường năng lượng cung cấp cho môi trường hơn là đo công suất. Ví dụ, các nhà nghiên cứu Duckhouse et al. (2004) đo thời gian xử lý trong vài giây và nhân những thời gian này bởi giá trị công suất của chúng để có được năng lượng Joule tác động lên môi trường. Phương pháp này áp dụng mối quan hệ vật lý cơ bản dưới đây trong phương trình (2.4) (Hecht, 1996): 1 J = 1 W • s (2.4) Tương tự, các nhà nghiên cứu khác đã báo cáo mật độ năng lượng bằng W•s/m tại nơi có mật độ công suất. Biên độ dao động Theo cách truyền thống, để đại diện cho năng lượng hoặc độ mạnh của sóng siêu âm là biện pháp đo biên độ của dao động cơ học. Biên độ dao động được đo như là khoảng dịch chuyển tối đa trong micromet (μm) của đầu dao động của các sonotrode khi nó sẽ phát các sóng âm vào môi trường. Nói chung, biên độ dao động được xác định bởi các nhà sản xuất thiết bị. Furuta et al. (2004) và Tsukamoto et al. (2004a, b) ưa thích sử dụng biên độ dao động, từ 1-7 μm, để đại diện cho năng lượng âm thực tế cho hệ thống được làm theo yêu cầu của khách hàng để giới thiệu đến các mẫu sản phẩm của họ. Họ ngụ ý rằng các phép đo biên độ cung cấp một sự chính xác hơn và sự ổn định của hiện tượng xâm thực khí trong siêu âm hơn thông số năng lượng được cung cấp, họ đã có thể đo biên độ dao động trong quá trình phát xạ siêu âm (Tsukamoto et al., 2004a). Biên độ dao động cũng được báo cáo như một thông số siêu âm trong hai bài viếtkhác về vô hoạt vi sinh vật, theo Pagán et al. (1999) và Vercet et al.(2002). Ngoài ra, Mason et al. (1996) đề cập đến biên độ dao động trong phần tổng 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. Cường độ âm Cường độ âm là một cách để đo công suất truyền đến môi trường từ bề mặt của đầu sonotrode, hơn là từ các máy phát siêu âm. Nói chung, cường độ âm Pi (còn gọi là năng lượng bức xạ) đại diện cho công suất, P, phân phối trên một đơn vị diện tích bề mặt A như trong phương trình (2.5) (Hecht, 1996): Pi = P / A [W/m2] (2.5) Đối với những hệ thống siêu âm, cường độ âm được tính toán để có được năng lượng bức xạ từ bề mặt của đầu sonotrode (Neis và Blume, 2003). Giá trị cường độ âm này là công suất thực tế của môi trường gần bề mặt sonotrode, trên mỗi đơn vị diện tích của mũi sonotrode. Đối với một sonotrode có một khu vực tròn, cường độ âm được tính như trong phương trình (2.6): Pi = P/πr2 [W/m2] (2.6) Cường độ âm cũng có mối quan hệ được thiết lập giữa các kích thước của sonotrodes và công suất. Ví dụ, nếu một máy phát siêu âm có công suất 360 W và bán kính sonotrode là 1 cm, thì Pi bằng 114,59 W/cm2. Đối với cùng một công suấtlà 360 W, nếu một sonotrode chỉ bằng một nửa bán kính (0,5 cm) được sử dụng, thì Pi lớn hơn nhiều , bằng 458,37 W/cm2. Điều này cho thấy rằng công suất tập trung nhiều vào các sonotrode nhỏ hơn. Cường độ âm tăng khi sonotrode giảm bán kính. Ngày nay, có rất nhiều thông số công suất và năng lượng khác nhau được sử dụng trong xử lý thực phẩm với bằng siêu âm (thông số này thường không được giải thích được trong tài liệu) mà các nhà nghiên cứu mới không thể luôn luôn xác định từ dữ liệu báo cáo bao nhiêu ứng dụng siêu âm là cần thiết để xây dựng dựa trên các kết quả được công bố. Do đó, việc sử dụng một hoặc hai thông số tiêu chuẩn, dựa trên các đơn vị đo lường đã được chứng minh và tính toán cho các thông số này, có thể xóa bỏ sự nhầm lẫn hiện tại. Tần số Siêu âm cường độ cao được thực hiện với tần số từ 10 đến 100 kHz. Các tần số được sử dụng chủ yếu phụ thuộc vào việc xem xét đến quá trình liên quan tới thiết bị và điều xem xét đầu tiên là độ lớn giá trị công suất mong muốn, ví dụ, bộ chuyển đổi tạo bức xạ năng lượng cao ở tần số thấp khi công suất thay đổi tỷ lệ nghịch với bình phương tần số (Povey và Mason, 1998), được biểu diễn trong phương trình (2.7): P α 1 / f 2 (2.7) Việc xem xét thứ hai là tần số phụ thuộc vào kích thước cực phát. Những bể siêu âm, chúng truyền siêu âm trực tiếp vào bể thông qua đầu dò được gắn kèm, thường hoạt động ở 40 kHz. Tuy nhiên, các hệ thống có gắn kèm một thanh siêu âm với bộ chuyển đổi để khuếch đại công suất có thể đạt được tần số thấp hơn là 20 kHz. Tần số thấp hơn đạt được bằng cách mở rộng chiều dài thanh siêu âm cung cấp cho bộ chuyển đổi: tần số là giảm một nửa khi bộ phận phát tăng chiều dài gấp đôi. Các tần số lựa chọn cho ứng dụng sẽ có một tác động mạnh đến hiện tượng xâm thực khí. Mức độ xâm thực khí xảy ra trong chất lỏng phụ thuộc vào mối quan hệ giữa tần số và kích thước bong bóng. Áp suất cao từ các dao động của âm thanh tạo ra những bong bóng trong chất lỏng để tăng nhanh về kích thước và để làm vỡ thậm chí giữa mở rộng và giảm kích thước (Povey và Mason, 1998). Khi sự bể vỡ bong bóng theo biên độ quá nhiều, sự nổ vỡ của bong bóng càng dữ dội, một hiện tượng gọi là xâm thực khí quán tính có thể làm thay đổi các tính chất hóa lý của thực phẩm. Tần số siêu âm sẽ giúp thúc đẩy sự nổ vỡ bong bóng bằng cách dẫn động bong bóng vào hiện tượng cộng hưởng. Nhiệt độ Xử lý bằng siêu âm làm tăng nhiệt độ của mẫu, thậm chí nếu không có nhiệt bên ngoài áp dụng thêm vào quá trình siêu âm. Khi bộ chuyển đổi hoặc thanh siêu âm phát những rung động siêu âm vào môi trường, các dao động phản hồi của các phần tử (hạt) tạo ra nhiệt theo thời gian. Lực bức xạ âm làm di chuyển môi trường lỏng trong sóng, tạo ra nhiệt từ chuyển động này (Povey và Mason, 1998). Nhiệt tạo ra sẽ tăng khi các sóng siêu âm va chạm các bong bóng trong chất lỏng; khi các bong bóng được tạo trong chuyển động này được chuyển thành nhiệt và giảm độ nhớt. Ngoài ra, khi siêu âm cường độ cao gây ra xâm thực khí quán tính trong chất lỏng, ở những nhiệt độ rất cao (lên đến 5.000 K) được tạo ra ở các vùng nhỏ (gọi là điểm nóng/ điểm tới hạn) trong mẫu do sự nổ vỡ của bong bóng trong chất lỏng. Ngược lại, càng nhiều các bong bóng của hiện tượng xâm thực khí được tạo ra khi nhiệt độ của mẫu tăng lên, dẫn đến càng nhiều bong bóng do nhiệt tạo ra di chuyển và nổ vỡ. Kết quả dẫn đến của những tác dụng của sóng siêu âm này là một sự gia tăng ổn định về nhiệt độ trong một mẫu được xử lý siêu âm theo thời gian. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu thực phẩm có thể chọn để giới thiệu hệ thống nhiệt ôn hòa nhằm tăng cường ảnh hưởng của siêu âm; việc xử lý kết hợp là gọi là ứng dụng của siêu âm kết hợp với nhiệt (thermo-sonication) (Povey và Mason, 1998). Ngày nay, một số thực phẩm được chế biến bằng phương pháp nhiệt có thể gắn các bộ biến đổi vào các bộ phận trao đổi nhiệt và hệ thống truyền nhiệt trong tương lai, để xử lý bằng siêu âm có thể thực hiện trước quá trình xử lý nhiệt với nhiệt độ thấp hơn (Povey và Mason, 1998). Đôi khi áp dụng phương siêu âm kết hợp với nhiệt có thể thực hiện mà không cần thêm nhiệt, bằng cách kiểm soát sự gia tăng của nhiệt độ trong mẫu trong khi xử lý bằng siêu âm để đạt được một giá trị ổn định của nhiệt độ theo thời gian. Những hiệu quả của siêu âm năng lượng cao Các ảnh hưởng siêu âm tạo ra trong một môi trường phụ thuộc vào cá pha rắn, lỏng, khí trong môi trường (Povey và Mason, 1998). Hầu như , môi trường rắn sẽ chịu một hiệu ứng “xốp” để đáp trả lại sự truyền của các sóng âm thanh, trong đó những sự hóa đặc và sự tạo chân không trong hoạt động của môi trường với chất rắn tương tự như sự nén và giãn của một vật liệu xốp (Riera-Franco de Sarabia et al., 2000). Trong môi trường lỏng, sự hóa đặc và tạo chân không, gây ra các phần tử chất lỏng tăng tốc trong sự những định hướng có thay đổi (đầu tiên về phía trước, sau đó đảo ngược), và bất kỳ bong bóng, tức là khí kẹt trong chất lỏng, tăng tốc tốt (Povey và Mason, 1998). Cuối cùng, những áp lực từ sự hóa đặc / tạo chân không, có thể gây ra các bong bóng trong nước nổ vỡ dữ dội, một hiện tượng được gọi là xâm thực khí quán tính (Piyasena et al, 2003.). Xâm thực khí Xâm thực khí là cơ chế có khả năng tạo những hiệu quả mong muốn của siêu âm “năng lượng” cường độ cao xảy ra trong thực phẩm. Những hiệu quả về phá hủy tế bào, sự ức chế hoạt động enzyme, sự hoàn thiện của các loại rượu vang, làm sạch bề mặt sản xuất, trích ly, lọc, nhũ tương hóa, và kết tinh tất cả phụ thuộc vào cơ chế xâm thực khí (Mason và cộng sự, 1996;. Povey và Mason, 1998). Các nghiên cứu về xâm thực khí tập trung vào hoạt động của các bong bóng trong các chất lỏng (Povey và Mason, 1998). Các hoạt động của các bong bóng xác định có hai loại xâm thực khí xảy ra, xâm thực khí quán tính và xâm thực khí phi quán tính; cả hai tạo ra các hiệu quả rất khác nhau trong môi trường. Khi xâm thực khí quán tính xảy ra, động lực của bong bóng từ sau khi các hoạt động xảy ra trong thực phẩm, ví dụ, cho dù các gốc tự do được tạo ra (hay không) và mức độ xâm thực xảy ra trong thực phẩm (Mason et al., 1996;. Patrick et al, 2004).. Tuy nhiên, các bong bóng không thể kiểm soát trực tiếp trong các thí nghiệm (Povey và Mason, 1998). Thay vào đó, những ảnh hưởng của các thông số khác lên bong bóng phải được nghiên cứu sâu nếu xâm thực khí được tối ưu hóa cho các hiệu quả tốt nhất. Các tham số này bao gồm các biên độ áp lực âm thanh (điều khiển bởi biên độ sóng siêu âm) và tần số âm thanh Xâm thực khí quán tính và xâm thực khí phi quán tính Hai loại xâm thực khí đã đề cập, loại quán tính (còn được gọi là "tạm thời") và loại phi quán tính (còn được gọi là "ổn định") (Povey và Mason, 1998), bao hàm một trường âm thanh dẫn truyền các bong bóng trong một chất lỏng vào một số loại phản ứng. Một phản ứng xảy ra trong cả hai trường hợp xâm thực khí là tăng trưởng bong bóng, trong một quá trình gọi là sự lan rộng được chỉnh lưu, bong bóng gia tăng kích thước bằng cách lôi cuốn nhiều khí hơn từ chất lỏng xung quanh vào trong bong bóng. Các bong bóng cũng giảm kích thước bằng cách đuổi khí thành vào trong chất lỏng. Áp lực biến đổi trong môi trường xác định xem khí sẽ được lôi cuốn vào trong bong bóng (khi áp suất khí bên trong bong bóng xảy ra ít hơn so với áp lực môi trường chất lỏng xung quanh) hoặc đuổi khí từ các bong bóng vào trong chất lỏng. Trong xâm thực khí phi quán tính, trường âm thanh gây ra bong bóng hoặc là tăng kích thước và sau đó tan biến hoặc tạo dao động giữa một kích thước nhỏ hơn và lớn hơn qua chu kỳ âm thanh. Bởi vì các bong bóng không bao giờ nổ vỡ hoặc phá vỡ thành nhiều bong bóng nhỏ hơn, hình thức xâm thực khí dạng này ban đầu được gọi là xâm thực khí ổn định. Xâm thực khí quán tính được đặc trưng bằng sự tăng trưởng nhanh chóng theo sự nổ vỡ nhanh chóng của các bong bóng hoặc bằng các rung động với biên độ cực kỳ cao, trong đó các bong bóng phồng to hơn và kết hợp với nhau mạnh hơn, liên tục và cuối cùng bị nổ vỡ (Povey và Mason, 1998). Sau khi bong bóng nổ vỡ, nó có thể vỡ vụn thành nhiều bong bóng nhỏ hơn hay phát triển lại để trải qua nhiều rung động hơn và / hoặc nhiều sự nổ vỡ hơn. Bởi vì những điều quan sát thấy đầu tiên của xâm thực khí quán tính bao gồm sự phát quang do siêu âm (sonoluminescence) từ những bong bóng đã vỡ vụn sau một vài chu kỳ, hiện tượng này được gọi là xâm thực tạm thời. Những ảnh hưởng của xâm thực khí có thể tạo ra một số thay đổi mong muốn trong thực phẩm, chẳng hạn như sự ăn mòn cơ học và bẻ gãy các phần tử thức ăn (để cải thiện quá trình phân loại, phối trộn, và trích ly), được gây ra bởi áp lực cắt thủy động lực từ rung động biên độ cao, áp lực phục hồi rung động từ một bong bóng bị nổ vỡ ; vi xoáy; và kỹ thuật vòi phun (Behrend và Schubert, 2001; Joyce et al, 2003. Li et al., 2004;. Povey và Mason, 1998; Riera-Franco de Sarabia et al., 2000). Kỹ thuật vòi phun (jetting) đặc biệt có thể đánh bật bụi bẩn và vi khuẩn từ các bề mặt thực phẩm, chẳng hạn như trứng, và các nhà máy chế biến thực phẩm (Povey và Mason, 1998). Các thay đổi khác có thể thuộc về sinh học, chẳng hạn như kích thích tăng trưởng - hạt giống và sự ấp trứng là ví dụ; các điểm tới hạn được tạo ra bởi sự nổ vỡ bong bóng có thể làm suy giảm các chất ô nhiễm kỵ nước có trong nước (Mason, 2003). Thay đổi cũng xảy ra từ phản ứng hóa học, chẳng hạn như phân hủy các chất ô nhiễm ưa nước có trong nước bởi các gốc hydroxyl được tạo ra trong suốt quá trình xâm thực khí quán tính (Mason, 2003). Việc vô hoạt hệ vi sinh vật, enzyme trong các loại thực phẩm xảy ra từ sự kết hợp các hiệu quả của quá trình cơ học , hóa học và sinh học. VÔ HOẠT VI SINH VẬT VÀ ENZYME TRONG THỰC PHẨM SỬ DỤNG SIÊU ÂM Như đã được đề cập trước đó, tùy thuộc vào tần số, siêu âm được sử dụng trong hai lĩnh vực lớn của chế biến thực phẩm. Trong phần này, một cái nhìn chi tiết hơn về một số ứng dụng của nó được mô tả. Trước tiên, siêu âm cường độ cao được sử dụng cho bài khí các loại thực phẩm lỏng; sự khơi mào các phản ứng oxy hóa / khử; sự trích ly, tách chiết các enzyme và protein; sự vô hoạt các enzyme và các vi sinh vật; và sự khơi mào các quá trình kết tinh. Đôi khi siêu âm kết hợp với các loại phương pháp xử lý khác để nâng cao hiệu quả của quá trình xử lý. Vô hoạt các vi sinh vật bằng cách kết hợp phương pháp siêu âm với kháng sinh, áp lực, và nhiệt được cung cấp tài liệu rộng rãi (Knorr et al., 2004). Siêu âm cường độ thấp được sử dụng trong sự hoạt hóa các tế bào sống và enzyme, làm sạch bề mặt thực phẩm, hỗ trợ trích ly bằng siêu âm, kết tinh chất béo và đường, phá bọt, chiết xuất hương liệu, nhũ tương hóa, lọc, sấy, lạnh đông và làm mềm thịt (Chemat và Hoarau, 2004;. Knorr et al., 2004), sự đo lường tập trung các dung dịch hòa tan đơn giản và thành phần thịt (Saggin và Coupland, 2001), phối trộn và đồng hóa, và kết chùm bột trên không (airborne powders) (Mason, 1996). Mặc dù vậy, 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 dạng lỏng, ngay cả sau khi thực phẩm được đóng gói (Gestrelius et al., 1993;. Hæggström và Luukkala, 2000). Các ứng dụng khác bao gồm mô tả đặc điểm của cấu trúc tế bào của bột nhào được làm chín sơ bộ để có được dự đoán chất lượng của sản phẩm sau khi chín (Elmehdi et al., 2003) và giám sát sự chuyển động của bề mặt băng trên thực phẩm dạng rắn khi nó được lạnh đông chậm để xác định hiệu quả năng lượng của quá trình đông lạnh (Sigfusson et al, 2004). Bảng 4.1. Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Alex Patist , Darren Bates , 2008) Ứng dụng Cơ chế Lợi ích Chiết xuất Gia tăng sự truyền khối của dung môi , giải phóng nguyên liệu tế bào thực vật (sự phá vỡ bằng xâm thực khí). Hiệu suất chiết xuất được gia tăng trong dung môi, nước hay hệ thống siêu tới hạn. Nhũ hóa hay đồng hóa Vi dòng Sự hình thành dung dịch đồng nhất , hiệu quả về chi phí Kết tinh Sự hình thành nhân và điều chỉnh sự hình thành tinh thể Hình thành những tinh thể nhỏ hơn Lọc Làm xáo trộn các lớp biên Tốc độ lọc được gia tăng , giảm sự tắt nghẽn Phân riêng Sự kết tụ các thành phần ở các điểm nút áp suất Không dùng phụ gia hóa học Thay đổi độ nhớt Điều chỉnh cấu trúc thuận nghịch và không thuận nghịch qua tác động vi dòng và rung động. Điều chỉnh về hóa học liên quan đến các liên kết ngang và việc tái cấu trúc. Điều chỉnh không dùng chất hóa học giúp cải thiện các đặc tính chế biến , giảm lượng phụ gia, nhiều công dụng khác. Phá bọt Sóng áp suất trong không khí gây vỡ bong bóng. Gia tăng sản lượng , giảm lượng hóa chất phá bọt , giảm mất mát trong quá trình đóng chai. Ép đùn Chấn động cơ học , giảm ma sát Gia tăng năng suất Vô hoạt enzyme và vi khuẩn Gia tăng truyền nhiệt và lực cắt, phá hủy trực tiếp màng tế bào vi khuẩn Vô hoạt enzyme ở nhiệt độ thấp hơn , giúp cải thiện chất lượng Lên men Gia tăng vận chuyển cơ chất , kích thích tế bào sống và enzyme Gia tăng sản lượng các chất trao đổi , làm nhanh quá trình lên men Truyền nhiệt Cải thiện truyền nhiệt qua tác động dòng chảy và xâm thực khí Gia tăng truyền nhiệt , làm nhanh sự gia nhiệt, làm 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. Hệ vi sinh vật Mục tiêu của những công nghệ đang nổi lên trong công nghệ chế biến thực phẩm là vô hoạt hệ vi sinh vật ban đầu đến một mức độ an toàn với mối nguy hại tối thiểu cho thuộc tính chất lượng của sản phẩm. Tuy nhiên, với một số công nghệ đang nổi lên, vi sinh vật trở nên có sức đề kháng mạnh hơn theo thời gian đối với các hành động của một yếu tố cụ thể như áp lực, điện, hoặc sóng âm. Trong thực tế một số vi sinh vật tìm 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. Xử lý bằng siêu âm có thể có tác dụng gây chết vi sinh vật khi áp dụng với cường độ đủ cao (ví dụ, tần số trên 18 kHz) (Rodríguez et al., 2003). Một số tài liệu báo cáo yêu cầu vô hoạt vi sinh vật với tần số thấp như 14 kHz, mặc dù tần số phổ biến nhất là 20 và 24 kHz. Tuy nhiên, nó đã được chứng minh rằng siêu âm với tần số đó thường không đủ để giảm số lượng vi sinh vật. Sóng âm nên được áp dụng với các yếu tố bảo quản khác để tăng hiệu quả xử lý. Việc sử dụng siêu âm kết hợp với nhiệt, áp lực, hoặc cả hai có vẻ là một lựa chọn tốt. Raso và Barbosa-Cánovas (2003) báo cáo rằng việc sử dụng siêu âm, áp suất, và nhiệt cùng với hoạt độ của nước thấp (aw) là một sự kết hợp tốt cho việc giảm số lượng vi sinh vật trong thực phẩm. Tuy nhiên ảnh hưởng của pH có vẻ là ít quan trọng hơn khi kết hợp với siêu âm, và chỉ có một vài báo cáo tập trung vào hiệu quả của nó. Jiménez-Fernández et al. (2001) nghiên cứu tác động của độ pH trong Aspergillus flavus trong suốt quá trình xử lý bằng siêu âm kết hợp với nhiệt, tùy thuộc vào các điều kiện khác của môi trường như aw, ảnh hưởng do độ pH được tìm thấy là có liên quan chỉ trong một số trường hợp. Khi aw là không đổi và độ pH được giảm, các giá trị D thấp hơn, nhưng khi pH không đổi, giá trị D thấp hơn đã đạt được với giá trị aw cao nhất (0,99). Đây là kết quả hợp lý, sự xem xét một số các cơ chế vô hoạt, và sẽ được mô tả trong phần kế tiếp. Trong một nghiên cứu khác sử dụng siêu âm để vô hoạt E. coli trong môi trường có tính acid (như nước ép cam và táo, pH = 3) cho thấy rằng ở cường độ thấp (20 kHz; 0,4 và 7,5 μm) tỷ lệ vô hoạt ảnh hưởng bởi loài vi sinh vật và sự thích nghi với acid của vi khuẩn trong môi trường; tuy nhiên, ở cường độ cao hơn những yếu tố này không quan trọng (Patil et al., 2009). Hoạt độ của nước cao hơn có nghĩa là sự hiện diện của nước tự do trong môi trường, làm tăng sự tạo thành các gốc tự do vì sự phân hủy của các phân tử nước được tạo ra bởi các sóng âm thanh, tăng tính gây chết của các vi sinh vật. Trong nghiên cứu tương tự, kỹ thuật tạm thời được sử dụng với kháng sinh như kali sorbate và vanillin thêm vào siêu âm, nhiệt, pH, và hoạt độ của nước, hiển thị kết quả tốt theo các giá trị D được báo cáo. Guerrero et al. (2001) báo cáo không có thay đổi về độ nhạy cảm của Saccharomyces cerevisiae khi siêu âm và nhiệt đã được áp dụng trong môi trường canh (broth) với giá trị pH khác nhau. Nhưng trong môi trường canh Sabouraud broth, ở pH 5.6, việc bổ sung chitosan làm tăng hoạt sự vô hoạt nấm men dưới tác dụng của phương pháp siêu âm kết hợp với nhiệt độ (Guerrero et al., 2005). Các báo cáo về việc sử dụng siêu âm và nhiệt (thermo-sonication) cho thấy làm thế nào kết hợp một số các yếu tố ảnh hưởng đến các vi sinh vật khác nhau theo những cách khác nhau. Ví dụ, Knorr et al. (2004) báo cáo rằng sự vô hoạt Bacillus stearothermophilus và E. coli K12 DH5α đã được cải thiện với việc sử dụng hơi nước trực tiếp đưa vào quá trình xử lý bằng siêu âm, dẫn đến giảm nhiệt độ và thời gian quá trình. Phương pháp này là phương pháp nhiệt có hỗ trợ siêu âm (UST – Ultrasound-assisted thermal). Tuy nhiên, một loại vi sinh vật khác, Lactobacillus acidophilus, ổn định hơn với quá trình kết hợp UST. Từ nghiên cứu trước đây, sử dụng áp suất cao để vô hoạt sự các vi sinh vật xuất hiện như là một lựa chọn tốt thay cho việc sử dụng nhiệt. Vì lý do này, áp lực cao đã được sử dụng kết hợp với các yếu tố bảo quản khác như nhiệt độ và chất kháng sinh. Trong kỹ thuật siêu âm, một lĩnh vực mới gọi là mano-sonication hiện đang được thử nghiệm, trong đó việc sử dụng áp lực trung bình và cao, kết hợp với siêu âm làm giảm một cách hiệu quả mức độ ban đầu của số lượng vi sinh vật. Một số các vi sinh vật được nghiên cứu nhiều nhất trong kỹ thuật không sử dụng nhiệt được gọi là vi sinh vật gây bệnh nổi bật, chẳng hạn như E. coli, Salmonella và Listeria monocytogenes, vì tầm ảnh hưởng quan trọng của chúng trong vi sinh thực phẩm và tác động lên sự an toàn của thực phẩm. Các báo cáo cho thấy những cải tiến trong vô hoạt E. coli qua việc kết hợp phương pháp siêu âm và áp suất cao, cũng tốt như việc sử dụng kết hợp nhiệt, âm thanh, và áp suất, đạt được sự giảm hoạt tính enzyme của một số vi sinh vật gây bệnh ưa nhiệt. Các trở ngại khác sử dụng trong việc kết hợp với MTS là các chất kháng sinh tạo kết quả tốt trong việc vô hoạt vi sinh vật (Knorr et al., 2004). Mano-sonication và xử lý nhiệt cũng đã được báo cáo là đạt được hiệu quả thêm trong vô hoạt L. monocytogenes.When các vi sinh vật chịu năng lượng sóng siêu âm ở 20 KHz và 117 μm ở điều kiện môi trường xung quanh, không đạt được những biến đổi quan trọng; tuy nhiên, khi áp suất được thêm vào như sự khắc phục để việc vô hoạt vi sinh vật là đáng kể. Sử dụng 200 kPa dưới cùng điều kiện siêu âm mô tả ở trên, giá trị D là 1,5 phút, giảm còn 1 phút khi áp suất tăng lên đến 400 kPa. Thí nghiệm được thực hiện tại các nhiệt độ khác nhau lên tới 50oC nhưng hiệu quả của tham số này không đáng kể tại các mức độ nghiên cứu (Piyasena et al, 2003). Những mô hình toán học đã được phát triển để mô tả sức đề kháng của các vi khuẩn khác nhau đến phương pháp mano-sonication (Raso và Barbosa-Cánovas, 2003). Tiến sĩ Javier Raso và nhóm nghiên cứu của ông tại Đại học của Zaragoza ở Tây Ban Nha là một trong số những người tiên phong hiện đang kết hợp áp suất, nhiệt, và âm thanh để đạt được sự vô hoạt vi sinh vật. Bắt đầu từ cuối những năm 1990 và trong 5 năm cuối thập niên, nghiên cứu siêu âm từ trường đại học này đã đạt được sự liên quan quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thực phẩm trên toàn thế giới. Sự vô hoạt một số vi sinh vật được thể hiện cho những môi trường xử lý khác nhau và điều kiện hoạt động khác nhau. Với sự kết hợp của nhiệt và siêu âm, giảm thiểu đáng kể các giá trị D thu được cho Listeria innocua và Salmonella. Rõ ràng, các nghiên cứu với Zygosaccharomyces bailii đã chỉ ra rằng phương pháp siêu âm kết hợp với nhiệt là không phụ thuộc vào môi trường xử lý, ít nhất là trong trường hợp này. Sự giảm nhanh giá trị D được thu nhận với sự kết hợp của nhiệt độ và siêu âm. Hơn nữa, sự kết hợp của siêu âm với áp suất cải thiện một cách rõ ràng khả năng vô hoạt vi sinh vật theo Pagán et al. (1999) đã cho thấy đối với L. innocua. Một tác dụng phụ đã được thể hiện với MTS trong các tế bào thực vật, cho Enterococcus faecium và bào tử Bacillus subtilis, hiệu quả được thể hiện là đồng bộ (Raso và Barbosa-Cánovas, 2003). Theo nghiên cứu của Guerrero et al. (2001) với S. cerevisiae cho thấy kết quả tốt, cho thấy một hiệu quả đồng bộ giữa nhiệt và siêu âm trong vô hoạt nấm men. Hơn nữa, khi nhiệt độ thường xuyên duy trì các giá trị dưới giá trị gây tiêu diệt, sự gia tăng cường độ của sóng siêu âm là giá trị quan trọng nhất trong vô hoạt các vi sinh vật, nhưng kết quả không rõ ràng như trong ví dụ trước đó. Raso et al. (1998b) cũng cho thấy rằng việc sử dụng áp lực kết hợp với siêu âm có sử dụng nhiệt nâng cao sự vô hoạt bào tử B.subtilis, so với xử lý bằng phương pháp nhiệt. Kết quả phương pháp xử lý bằng siêu âm và nhiệt kiểm tra trên mốc như A. flavus và Penicillium digitatum cho thấy hiệu quả của việc thêm kháng sinh để tăng cường sự vô hoạt. Việc sử dụng chitosan hàm lượng thấp (1000 ppm) là một chất kháng sinh tự nhiên trong môi trường dưới tác dụng của siêu âm và nhiệt (45 º C) tăng cường sự vô hoạt so với điều trị chỉ dùng siêu âm nhiệt (Guerrero và cộng sự, 2005). Tuy nhiên, áp suất, siêu âm, nhiệt, và các yếu tố bảo quản khác không cần có chất phụ gia hoặc có hiệu quả đồng bộ trong mọi trường hợp. Mỗi vi sinh vật cần được nghiên cứu theo phương pháp xử lý khác nhau để biết phản ứng của nó. Ví dụ, phản ứng của các bào tử với các kỹ thuật khác nhau luôn luôn khác nhau từ các loại tế bào khác nhau, vì các đặc tính nội tại của họ. Những kết quả của mano-thermo-sonication (siêu âm , nhiệt , áp suất) áp dụng trên bào tử B. subtilis cho thấy, khi áp suất tăng lên, trong kết hợp với nhiệt và siêu âm, khả năng vô hoạt được nâng cao. Tuy nhiên, khi quá 500kPa, áp lực không còn một yếu tố quan trọng bởi vì khả năng vô hoạt không tăng lên, không có tác dụng hơn nữa trong việc vô hoạt bào tử được quan sát dưới các điều kiện thử nghiệm (70◦C, 117 μm, và 20kHz) (Raso et al., 1998b). Một nghiên cứu thú vị về việc sử dụng siêu âm được ứng dụng năng lượng này để trì hoãn sự thối rữa trái cây và duy trì chất lượng quả. Ví dụ, siêu âm đã được sử dụng tại những tần số khác nhau (tối đa 59 kHz) và nhiệt độ 20◦C để xử lý dâu tây ngâm trong nước. Sự thối rữa đã được trì hoãn và số lượng vi sinh vật giảm. Độ cứng của quả và tổng chất rắn hòa tan, độ chua, và hàm lượng vitamin C cũng được giữ lại sau khi chế biến (Cao et al, 2010). Một nhân tố bổ sung cần được nghiên cứu là môi trường xử lý. Là một công nghệ mới, siêu âm đang được thử nghiệm dưới nhiều điều kiện khác nhau, và một số kết quả đã chỉ ra rằng sự vô hoạt các tế bào có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào thành phần của môi trường. So sánh kết quả của các vi sinh vật dưới tác dụng của siêu âm là rất khó khăn vì các dữ liệu không thống nhất để điều chỉnh các điều kiện. Là một công nghệ mới, tính đồng nhất nhiều hơn trong một số dữ liệu bắt đầu được quan trọng bởi vì thiết bị thường khác nhau và một số nhà nghiên cứu không báo cáo đầy đủ dữ liệu. Bởi vì tài liệu khan hiếm, mục tiêu chỉ là để tóm tắt hoặc rút ra kết luận chung mà các vi sinh vật có tính kháng thể mạnh hơn (vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, hoặc các bào tử) và / hoặc các điều kiện tốt nhất để vô hoạt các sinh vật cụ thể. Chỉ tiêu vi sinh vật dưới một số điều kiện của siêu âm, nhiệt độ, áp suất, và thành phần môi trường (trong số những điều kiện khác) đã được ước tính. Mặc dù vậy, nhiều nghiên cứu và sự thống nhất trong thiết kế thí nghiệm và kết quả có thể tạo ra thông tin bổ sung để rút ra những kết luận xa hơn. Tuy nhiên, dựa trên các thông tin bổ sung ở trên, siêu âm rõ ràng là một công nghệ tiềm năng cho việc vô hoạt vi sinh vật. Phương thức tác động của siêu âm lên vi sinh vật Siêu âm đã được nghiên cứu như là một kỹ thuật vô hoạt vi sinh vật lần đầu tiên trong những năm 1960 (Piyasena et al, 2003). Hiệu quả tiêu diệt lần đầu tiên được quan sát thấy khi sóng siêu âm đã được áp dụng trong một thí nghiệm của quân đội Mỹ để điều tra sử dụng trong việc chống tàu ngầm chiến tranh, và cá chết với số lượng lớn. Những ảnh hưởng của sự vô hoạt tế bào bằng siêu âm đã được cho là do sự phá hủy, làm nóng, và sinh ra gốc tự do. Trong những năm 1970, một số tế bào cho thấy sự tách biệt giữa màng tế bào chất và thành tế bào sau khi sau khi xử lý bằng siêu âm nhanh (Earnshaw et al., 1995). Tuy nhiên, nền tảng của kỹ thuật siêu âm tiết lộ rằng sự phát triển và nghiên cứu đang bị dừng lại tạm thời do thiếu sự phát triển về thiết bị cần thiết để tạo ra kết quả tốt, cũng như quan tâm hơn trong các kỹ thuật khác đang nổi lên bởi các nhà nghiên cứu, như trường hợp của gia nhiệt bằng điện thở thuần (ohmic heating). Nhưng dần dần siêu âm bắt đầu được khám phá bởi các nhà nghiên cứu nhiều hơn vì hiệu quả của nó ở khả năng vô hoạt vi khuẩn. Do lịch sử này, các cơ chế chính của việc vô hoạt vi sinh vật không được hiểu rõ hoàn toàn, mặc dù đã có một vài lý thuyết. Những báo cáo về siêu âm thảo luận trước đây đã được quan tâm với việc xác minh vi khuẩn bị vô hoạt bằng sóng âm thanh như thế nào. 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 (SEM- Scanning 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 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. Enzyme Vô hoạt enzyme bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau là một lĩnh vực được nghiên cứu rộng rãi và nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để đạt được hoạt tính còn lại của enzyme thấp trong một số sản phẩm. Từ quan điểm về chất lượng, các phản ứng có xúc tác enzyme gây nên những biến đổi không mong muốn trong nhiều loại thực phẩm trong quá trình chế biến và bảo quản. Vì lý do này, các kỹ thuật không sử dụng nhiệt đang được thử nghiệm như một sự lựa chọn cho việc giảm hoạt tính của enzyme trong thực phẩm. 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. Các nghiên cứu đầu tiên trong vô hoạt enzyme đã được tiến hành cách đây gần 60 năm, trong đó pepsin tinh khiết đã được vô hoạt bằng siêu âm, có thể là do sự xâm thực khí. Một nghiên cứu gần đây hơn cho thấy sự ức chế của quá trình nghịch đảo saccharose cũng có thể đạt được bằng cách xâm thực khí. Kể từ đó việc sử dụng siêu âm kết hợp với nhiệt độ và áp suất được chứng minh có hiệu quả trong vô hoạt các enzyme. Ví dụ về các enzyme này như lipoxygenase trong đậu nành, peroxidase trong cây cải ngựa, enzyme pectic trong cà chua, pectin methylesterase trong cam (Vercet et al, 2002), peroxidase trong xà lách xoong (Cruz et al., 2006), PPO, lipase, và protease, trong số những loại khác (Raso và Barbosa-Cánovas, 2003). Một số các enzyme này đã được thử nghiệm trong một số lượng những sản phẩm thực phẩm khác nhau, bởi vì, như trường hợp của vi sinh vật, môi trường là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ vô hoạt các enzyme. Được khuyến khích bởi các kết quả của việc vô hoạt vi sinh vật bằng cách sử dụng siêu âm, một số các nhà nghiên cứu hiện nay tập trung vào vô hoạt enzyme với kỹ thuật này. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn của việc sử dụng siêu âm là tái cấu trúc không đồng nhất của thực phẩm dạng kết dính, nó cần phải đạt được việc vô hoạt enzyme tốt không chỉ sau khi chế biến và trong suốt quá trình bảo quản. Phương thức tác động của siêu âm lên sự vô hoạt 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 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). NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ 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. 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 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). 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). 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. 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 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 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). 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. Sự đồng nhất sản phẩm 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 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). 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). 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). 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 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). 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) Mục tiêu chiết xuất Sản phẩm Dung môi Phương pháp Điều kiện thực hiện Lượng gia tăng hiệu suất thu hồi (%) Beta-carotene Carrot Nước Ethyl-acetate Phòng thí nghiệm, 24kHz, 20-75Ws/ml. Phòng thí nghiệm, 24kHz, 20-75Ws/ml. Xung quanh Xung quanh 15-25 8-20 Polyphenols Bã nho đỏ Nước Phòng thí nghiệm, 24kHz, 20-75Ws/ml. Xung quanh 11-35 Polyphenols Trà đen Nước Phòng thí nghiệm, 24kHz, 8-10Ws/ml. 90oC 6-18 Polyphenols Táo Nước Phòng thí nghiệm, 40kHz, 20-75Ws/ml. 80oC 6 Gingerols Gừng Carbon dioxide siêu tới hạn Phòng thí nghiệm, 20kHz. 160bar 30 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). 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 (Oulahal-Lagsir 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). 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 (piezo-electric 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. 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. Tùy thuộc vào việc lắp của công cụ cắt đến sonotrode và trên định hướng của cạnh cắt tương đối so với trục rung động, ba cấu hình chính có thể được phân biệt: Trục rung động chính và trục chuyển động của các công cụ cắt là giống nhau, nhưng trục rung động chính là vuông góc với cạnh cắt (Hình 9.3a). Ví dụ , điều này là sự thật trong một cắt kiểu máy xén nơi tạo ứng suất và sức căng trên nguyên liệu do sự chuyển động của nguyên liệu thô cung cấp cho máy được tăng cường hoặc giảm mạnh bởi một ứng suất theo chu kỳ bằng một tần số cao (20-50 kHz) và một biên độ thấp (trong phạm vi vài micromet). Ứng suất và sức căng được sử dụng trong khu vực riêng nơi cạnh được tiếp xúc với mũi vết nứt trong sản phẩm. Một hướng dao động vuông góc với cả hai trục chuyển động và trục cạnh (Hình 9.3b) hỗ trợ tách sản phẩm khi những khoảng cách mở rộng do một hướng rung động vuông góc với khoảng cách của chính nó. Sự mở rộng này gây ra bởi những ứng suất rất cao tại mũi vết nứt trong vùng riêng biệt, do đó tăng sự truyền vết cắt. Ngoài ra, những cơ chế liên quan cũng như lực ma sát ở hai bên sườn công cụ bị ảnh hưởng đáng kể. Khi hướng dao động vuông góc với trục di chuyển, nhưng song song với cạnh (Hình 9.3c), thành phần biểu kiến thông thường được chồng chập bởi sự chuyển động rất nhỏ của tiếp tuyến, gây ra chuyển động cưa hai chiều. 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. Nó là điển hình cho các hệ thống theo chiều dọc điều hành mà các vật liệu công cụ phải chịu nén – giãn định kỳ. Tuy nhiên, hiệu quả bề mặt đạt kết quả trong một kết hợp phức tạp của dao động ngang, dọc và uốn. Những thay đổi ở chế độ rung thường liên kết với một sự thay đổi tần số, kết quả tương ứng là sự tổn thất năng lượng (Cardoni et al, 2004;. Lucas et al., 2001). 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 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 Làm sạch membrane Membrane là một loại vật liệu bán thấm cho phép sự đi qua của một số phân tử trong khi giữ lại những phân tử còn lại. Membrane có thể phân loại các thành phần dựa trên kích thước, nồng độ, hoặc khả năng tích điện. Màng được sử dụng rộng rãi trên công nghệ thực phẩm và các ngành công nghệ sinh học cho cả hai mục đích là phân tách và cô đặc. Những ứng dụng cụ thể bao gồm : - Vi lọc (MF) sữa để tăng nồng độ caseins (Lê Berre và Daufin, 1994, 1996, 1998), - Vi lọc (MF) các sản phẩm sữa lên men để giữ lại vi khuẩn và bào tử (Krstic et al., 2001) - Siêu lọc (UF) whey từ sữa và sữa tách kem để cô đặc chất khô trước khi sấy phun (De Boer và Hiddink, 1980; De Boer et al., 1977; Renner, 1984), - Màng phản ứng sinh học cho nuôi cấy tế bào (Drioli và De Bartolo, 2006) và lên men enzyme (Prazeres và Cabral, năm 1994; Rios et al., 2004) - Tăng hương vị và màu sắc (Babu et al, 2006; Rodrigues et al., 2004..), - Những phương pháp membrane ái lực để tách protein (Charcosset, năm 1998; Klein, 2000; Zou et al., 2001) - Thẩm thấu ngược để sản xuất nước tinh khiết cho các quá trình sinh học và cho sự tạo hơi nước (Noble và Stern, 1995), - Đồng hóa (Joscelyne và Tragardh, 2000), và - Phân loại các loại bia và nước trái cây (Cassano et al., 2003; Gan et al., 1999;Vaillant et al., 2005). Màng lọc ceramic thường được cung cấp như những ống hoặc đĩa phẳng. Ngược lại, màng cao phân tử có thể được cung cấp trong một định dạng xoắn ốc hoặc dạng sợi rỗng. Trong mọi trường hợp, chất lỏng chảy tiếp tuyến với bề mặt màng (hình 5.5) Hình 5.5. Hoạt động của membrane Cường độ siêu âm có thể được tăng lên bằng cách gia tăng lực tác dụng hoặc giảm tần số. Mật độ năng lượng giữa 0,05 (Muthukumaran et al., 2007) và 83W/cm2 đã được báo cáo (Li et al., 2002), với tần số giữa 1MHz (Lamminen et al., 2004) và 20kHz (Chen et al., 2006a). Hầu hết các công nhân lưu ý rằng tăng cường thông lượng được cải thiện như tăng cường độ siêu âm (Kylloenen et al., 2006; Muthukumaran et al., 2007). Tại siêu âm cường độ thấp, đó là, ở mật độ năng lượng thấp hoặc tần số cao, tăng cường thông lượng chủ yếu phát sinh thông qua các hiệu ứng sự tạo dòng âm thanh. Như vậy, theo Muthukumaran et al. (2005a), thực hiện tại khoảng 0,05 W/cm2 và 50kHz, thấy rằng các cơ chế chính liên quan đến việc tăng cường thông lượng là do sự tạo dòng âm thanh. Tuy nhiên, như tăng cường độ âm thanh, hoặc thông qua việc làm thấp tần số siêu âm hoặc thông qua sự gia tăng công suất, bong bóng bắt đầu hình thành thông qua quá trình được gọi là xâm thực khí. Như vậy, Lamminen et al. (2004) thấy rằng ở 0,2-0,5 W/cm2 và 205-620 kHz, các phần tử đã được nới lỏng từ bề mặt membrane theo cơ chế xâm thực khí (các vi dòng và các vi tia), mặc dù sự tạo dòng âm thanh hỗ trợ trong chuyển động của các phần tử ra khỏi bề mặt (xem hình 5.6). Latt et al. (2004), thực hiện ở 28 kHz và mật độ năng lượng tương đương, kết luận rằng sự nổ vỡ mạnh mẽ của bong bóng là nguồn gốc của tăng cường tính thấm. Làm sạch màng membrane được thực hiện lý tưởng ở áp suất thẩm thấu thấp và vận tốc dòng chảy cao. Một số nhà nghiên cứu (Li et al., 2002; Muthukumaran et al., 2005b) đã tìm thấy rằng tác động làm sạch của siêu âm là không giảm bởi vận tốc dòng chảy cao hơn. Khi áp lực thấp thường kết hợp với hoạt động xâm thực khí tối đa, những điều kiện này là cũng thuận lợi cho quá trình làm sạch bằng siêu âm. Thật vậy, Bayevsky (2004) cho thấy rằng một áp suất chân không nên được áp dụng trong quá trình làm sạch để giảm bớt sự ngưỡng xâm thực khí. Điều này cho phép xâm thực khí hoạt động ở áp lực âm thanh thấp hơn, làm giảm nhu cầu năng lượng và thiệt hại tiềm tang đến màng lọc membrane nhạy cảm. Nhiều tác giả cũng chỉ ra rằng tần số thấp hơn (từ 20 đến 50 kHz) tạo hiệu quả làm sạch membrane tốt hơn hơn so với tần số cao hơn (từ 100 và kHz 200) (Kobayashi et al., 2003; Lamminen et al., 2004; Wakeman và Tarleton, 1991). Đôi khi nó được lập luận rằng đó là môi trường hấp dẫn để sử dụng siêu âm để giảm các chất hóa học cao và sử dụng nước làm sạch membrane cổ điển. Tuy nhiên, một phân tích môi trường thật sử cũng phải bao gồm việc thải khí nhà kính liên quan với các yêu cầu về năng lượng của siêu âm. Cảnh cáo cũng phải được áp dụng cho đảm bảo rằng việc sử dụng siêu âm để làm sạch là khả thi về mặt kinh tế. Những tính toán hiện tại cho thấy các ứng dụng làm sạch membrane có thể không cung cấp đủ để hoàn vốn đầu tư trừ khi triển khai kết hợp với tăng cường thông lượng. Các ứng dụng khác Những thay đổi trong các thông số siêu âm thường được gắn liền với những thay đổi trong sản phẩm thực phẩm khác nhau trong suốt quá trình chế biến. Sự truyền dẫn siêu âm trong thịt bò băm trong suốt quá trình rán tự động được mô phỏng cho thấy kết quả tốt như là một kỹ thuật thay thế nhiệt độ và điều khiển quá trình. Nhiệt độ dao động từ 45◦C đến 74◦C, với thiết bị siêu âm đặt tại 300 kHz, và chỉ có miếng thịt bò băm nhỏ được sử dụng có độ dày từ 7,15 và 15 mm (Hæggström và Luukkala, 2000). Siêu âm cũng được sử dụng để nghiên cứu những thay đổi trong trạng thái của dòng chảy và đặc tính nhiệt vật lý của whey protein isolate (WPI) và whey protein concentrate (WPC). Độ hòa tan với nước của cả WPI và WPC đã tăng lên đáng kể sau khi xử lý siêu âm so với mẫu đối chứng. Đối với trạng thái của dòng chảy, độ nhớt biểu kiến ​​và chỉ số trạng thái lưu lượng và hệ số độ đặc của WPI và WPC thay đổi đáng kể sau khi được siêu âm. Các đặc tính nhiệt vật lý, chẳng hạn như nhiệt độ lạnh đông ban đầu và nhiệt độ rã đông ban đầu, cũng đã được thay đổi so với mẫu đối chứng (Krešic et al., 2008). Ngoài ra, những hiệu quả của siêu âm về độ hòa tan và đặc tính tạo bọt của whey protein đã được nghiên cứu; các hiệu quả quan trọng trên các đặc tính này đã được quan sát khi whey protein được đặt vào tần số thấp (20 kHz) so với tần số cao (40 kHz); thậm chí tần số cao hơn (ví dụ, 500 kHz) không có một hiệu quả đáng kể. Một hiệu quả quan trọng với việc tăng nhiệt độ cũng được quan sát thấy trong các mẫu được siêu âm sau khi xử lý ở tần số thấp (Jambrak et al., 2008). Những hệ nhũ tương ổn định được tạo ra với việc sử dụng siêu âm yêu cầu ít nếu sử chất hoạt động bề mặt nào đó, một số ví dụ trong đó bao gồm sốt cà chua cà chua và sốt mayonnaise (Mason, 1996). Vận tốc siêu âm và quang phổ đo độ suy giảm cũng được đo lường như là một hàm tần số trong các hệ nhũ tương được xử lý bằng siêu âm (1-5 MHz). Các nhũ tương được làm từ dầu bắp trong nước và vận tốc và độ suy giảm tăng theo tần số trong tất cả các hệ nhũ tương có kích thước hạt khác nhau, khi được đánh giá từ quang phổ siêu âm (Coupland và McClements, 2001). Mặc dù siêu âm đang được thử nghiệm để vô hoạt các vi sinh vật kết hợp với nhiệt và áp suất, siêu âm cũng có thể hoạt hóa các tế bào sống. Ứng dụng này là rất hữu ích trong việc sản xuất yogurt, trong đó lên đến 40% thời gian sản xuất được giảm bằng cách sử dụng siêu âm. Hơn nữa, sữa được đồng hóa tốt hơn bằng cách sử dụng siêu âm so với phương pháp thông thường. Các hiệu quả tích cực được bổ sung trong yogurt do siêu âm làm cải thiện tính đồng nhất và cấu trúc, các hiệu quả làm tăng độ ngọt, và giảm sự vón cục (Mason, 1996; Wu et al., 2001). Nảy mầm nhanh hơn của cây trồng nông nghiệp đã được quan sát khi hạt được xử lý siêu âm (Mason, 1996). Ngoài ra, siêu âm có thể được sử dụng trong một số nước thải xử lý các nhà máy trong ngành công nghiệp thực phẩm. Việc sử dụng sóng âm được hỗ trợ phương pháp sinh học và hoạt tính sinh học tăng , giảm đã được quan sát. Vẫn còn cần nghiên cứu thêm trong lĩnh vực này khi các thông số cụ thể của siêu âm, chẳng hạn như cường độ của quá trình xử lý, có thể dẫn đến giảm hoặc tăng hoạt tính sinh học (Schläfer et al., 2002). Các ứng dụng khác đang được thử nghiệm là việc sử dụng siêu âm trong công nghiệp lọc các hỗn hợp, chất chiết từ ​​trái cây, và các thức uống, và các quá trình sấy của bột cam, phô mai dạng bột, các hạt gelatin, và các hạt lúa. Trong quá trình sấy, tốc độ sấy đã được tăng lên và độ ẩm cuối giảm vì phương pháp siêu âm thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (Mason, 1996). Những nghiên cứu tiếp theo đã chỉ ra rằng siêu âm tiền xử lý các loại rau cho mục đích sấy khô không chỉ làm giảm thời gian sấy đáng kể, vì tăng cường sự mất nước, nhưng đặc tính hydrate hóa lại ở một số loại rau (ví dụ, nấm, giá, và súp lơ) tốt hơn so với những loại rau khác (Jambrak et al., 2007). Những kết quả tương tự đã đạt được trong thời gian sấy chuối, siêu âm thực hiện trước khi sấy bằng không khí cho thấy những hiệu quả quan trọng trên các mô của chuối, thời gian sấy được giảm đến 11%, khi siêu âm cho phép loại bỏ lượng nước lớn từ quả (Fernandes và Rodrigues, 2007). Siêu âm cũng đã được chứng minh là có hiệu quả trong quá trình mất nước thẩm thấu trong việc thúc đẩy và tăng cường độ khuếch tán của nước và các chất rắn. Cárcel et al. (2007) cho thấy siêu âm có thể làm tăng độ khuếch tán nước lên đến 117% và khuếch tán chất khô lên tới 137% trong dung dịch táo-sucrose. Quá trình này không phải là một hiện tượng làm khô phổ biến, chỉ liên quan đến sự mất nước; ứng dụng siêu âm có hiệu quả không chỉ trong việc loại bỏ nước từ cấu trúc tế bào của mô quả táo, mà còn trong việc thu nhận các chất rắn từ dung dịch sucrose. NHẬN XÉT Ngày nay siêu âm được áp dụng trong phạm vi tần số cao nhiều công nghiệp chế biến thực phẩm. Lợi dụng ưu điểm không gây phá hủy cấu trúc của siêu âm ở tần số cao, các máy chế biến thực phẩm được thay thế một số phương pháp truyền thống bằng kỹ thuật siêu âm để theo dõi chất lượng thực phẩm trong các dây chuyền sản xuất. Những khái niệm khoa học cơ bản định nghĩa trạng thái sóng cho phép trong các ngành công nghiệp thực phẩm để xác định đặc tính của thực phẩm trước, trong và sau khi chế biến. Tuy nhiên , gần đây hơn và một trong những lĩnh vực thú vị nhất đối với các nhà khoa học thực phẩm là siêu âm cường độ cao ở tần số thấp. Việc bất hoạt vi sinh vật và enzyme bằng sóng âm thanh kết hợp với nhiệt độ, áp suất, và các chất bảo quản khác tất cả cho thấy hiệu quả tích cực. Thêm lợi thế để những sản phẩm xử lý bằng siêu âm bao gồm những thay đổi tích cực trong cấu trúc, năng suất, và màu sắc. Do đó, siêu âm hiện nay là một lựa chọn triển vọng để thanh trùng cho các sản phẩm như sữa, nước trái cây, và các thực phẩm lỏng khác. Từ một cách nhìn kinh tế, thiết bị siêu âm không phải là đắt so các kỹ thuật khác. Tuy n