چکیده
نحوه استفاده از امواج اولتراسوند در صنایع غذائی دو گونه است. کاربرد اولتراسوند با شدت بالا و با شدت پائین. از امواج اولتراسوند با شدت پایین به عنوان روش تجزیه‌ای در تهیه اطلاعات مربوط به ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مواد غذایی استفاده می شود. در این حالت توان به کار رفته به حدی پائین است که پس از قطع امواج اولتراسونیک هیچگونه تغییری در خواص فیزیکی و شیمیایی مواد غذایی ایجاد نمی شود در نتیجه به این تکنیک non-destrusive یا غیر مخرب گویند و از آن می توان در اندازه گیری ضخامت، تشخیص جسم خارجی، اندازه گیری فلوریت، تعیین ترکیبات متشکله، اندازه ذرات، و غیره استفاده کرد. در حالیکه امواج اولتراسوند با شدت بالا که در آنها از توان بالا استفاده می شود به عنوان ابزاری در تغییر ویژگی های مواد غذایی نظیر هموژنیزه کردن، تمیز کردن، استریل کردن، حرارت دادن، امولسیفیه کردن، مهار فعالیت آنزیم ها و میکروبها و متلاشی کردن سلول، تشدید واکنش های اکسیداسیون، اصلاح گوشت، اصلاح کریستالیزاسیون، و . . . استفاده می شود.
مقدمه
هدف تمامی صنایع فرایند کننده مواد غذایی تولید فرآورده‌ای با کیفیت بالا و تا حد امکان با حداقل هزینه می باشد که این فرآورده در اثر قرار دادن مواد اولیه در معرض یک سری از فرآیند ها مانند حرارت دادن، خنک کردن، فشار و اختلاط و. . . تولید می شود. تنوع در مواد خام و شرایط فرآیند سبب بوجود آوردن فرآورده‌ای با کیفیت غیر قابل پیش بینی می‌شود. بهمین دلیل بایستی کارخانجات مواد غذایی ویژگی های مواد اولیه را تعیین کرده و در هر مرحله از فرآیند، ماده غذایی و شرایط فرآیند را کنترل نمایند تا ویژگی های فراورده نهایی تا حد امکان مشابه ویژگی های مطلوب از قبل پیش بینی شده باشد.
کاربردهای مختلف اولتراسوند در رابطه با مواد غذائی از حدود 50 سال پیش شروع شده و در حال حاضر کاربرد زیادی در کنترل عملیات فرآیند مواد غذایی پیدا کرده است پیشرفت در زمینه میکروالکترونیک سبب شده که بتوان از اولتراسونیک برای اندازه گیری های دقیق و با هزینه نسبتاً پایین استفاده کرد.
در این روش یک طول موج صوتی با دامنه زیاد در درون ماده مورد آزمایش منتشر می شود. سپس از طریق سنجش تأثیر متقابل بین طول موج و ماده، اطلاعاتی در مورد خواص ماده بدست می آید.
اولتراسوند مزایای اساسی نسبت به سایر روش های تجزیه‌ای و تکنیک های مورد استفاده برای کنترل عملیات فرایند مواد غذایی دارد، زیرا در حالیکه بسیاری از این روشها تخریبی و وقت گیر بوده و نیاز به نیروی کار زیاد و آماده کردن مقادیر زیادی نمونه و هم چنین وجود سیستم هائی که نور را از خود عبور می دهند دارند، این روش نیازی به آماده سازی نمونه نداشته، دقیق و نسبتاً ارزان است و می تواند به سرعت (کمتر از یک ثانیه) به طور غیر تخریبی در طی فرآیند مواد غذایی در تعیین ویژگی ها و کیفیت غذاها حتی مواد غذایی تغلیظ شده و از لحاظ نوری کدر نیز به کاربرده شود و بنابراین سبب افزایش راندمان و کاهش هزینه تولید محصول می شود. در نتیجه انتظار می رود در آینده اولتراسوند هم به عنوان یک ابزار اصلی تحقیق در تهیه اطلاعاتی راجع به رابطه بین خواص فیزیکو شیمیایی غذاها با ویژگی های ملکولی ساختمانی آنها و هم به منظور بررسی مداوم و بهتر کیفیت و خواص مواد غذایی در طی تولید و نگهداری به عنوان on-line sensor کاربرده فزاینده‌ای داشته باشد.
از جمله کاربردهای مفید امواج اولتراسوند بررسی بافت، ویسکوزیته و غلظت برخی مواد غذایی جامد و مایع، اندازه گیری ضخامت، سطح و درجه حرارت و هم چنین تعیین ترکیبات میوه ها، سبزیها، گوشت، لبنیات و سایر محصولات است. علاوه بر این، استفاده از اولتراسونیک بدست آوردن اطلاعات را در مواردی که به کمک سایر روش ها دشوار است براحتی امکان پذیر می سازد. از آن جمله کنترل و بازرسی مداوم و اتوماتیک عملیات خط تولید نظیر تعیین اندازه ذرات تولید شده بوسیله هموژنایزر، آسیاب کلوئیدی و مخلوط کن می باشد، هم چنین تعیین میزان جرم گرفتگی لوله ها، ضخامت لایه‌های شکلات و شیرینی جات و ضخامت چربی یا بافت بدون چربی در گوشت و اندازه گیری مایعات موجود در تانکها و تعیین درجه حرارت در شرایطی که با استفاده از سنسورهای متداول امکان پذیر نمی باشد.
بخش های سیستم های اندازه گیری به طریقه اولتراسونیک
اجزاء اصلی در بیشتر سیستم های اندازه گیری اولتراسونیک عبارتند از: 1- قطعه اندازه گیری یا measurement cell 2- مولد موج الکتریکی یا signal generator 3- مبدل یا transducer، 4- اسیلوسکوپ .
ساده ترین و گسترده ترین تکنیک مورد استفاده در اولتراسونیک، تکنیک- pulse echo (پالس- اکو) است. مولد موج الکتریکی یک پالس الکتریکی با فرکانس و دامنه مشخص را تولید می کند. سپس مبدل، پالس الکتریکی را به پالس اولتراسونیک تبدیل می کند. این پالس از نمونه موجود در قطعه اندازه گیری عبور می کند و پس از برخورد با دیواره داخلی قطعه منعکس شده و به مبدل، جائی که در آن تشخیص داده می شود باز می گردد. در حقیقت مبدل به صورت یک دریافت کننده عمل کرده و پالس اولتراسونیک برگشتی را به یک پالس تبدیل می کند که بر روی اسیلوسکوپ آشکار می‌شود. از آنجائی که بخشی از پالس منعکس شده و بخش از آن عبور می کند یک سری از اکوها روی نوسان نما (اسیلوسکوپ) مشاهده می شود سرعت و ضریب تضعیف امواج اولتراسونیک با استفاده از این اکوها تعیین می شود.
هر اکو مسافتی معادل دو برابر طول سلول (d) بیشتر از اکوی قبلی طی می کند و بنابراین، سرعت با اندازه گیری زمان تأخیر (t) بین اکوهای متوالی محاسبه می شود:
از طرفی در صورتیکه سرعت اولتراسونیک در نمونه مشخص گردد،ضخامت آن را
می توان تعیین کرد.
کاربرد اولتراسونیک در برخی مواد غذائی
روغن ها و چربی های خوراکی
برخی از ویژگیهای فیزیکی مواد چرب نظیر بافت و قوام که اهمیت تجارتی دارند بستگی به نسبت چربی جامد به مایع در دامنه خاصی از درجه حرات دارند، بنابراین تعیین میزان چربی جامد (SFG) از اهمیت خاصی برخودار است. سرعت اولتراسوند در چربی جامد بیشتر از روغن مایع است بنابراین اندازه گیری سرعت اولتراسونیک در مخلوط چربی- روغن می‌تواند در تعیین SFG بکار رود. این روش می تواند به سرعت و با دقت، اندازه گیری در نمونه های با SFG پایین را انجام دهد. نسبتاً ارزان قیمت است و به آسانی در محل تولید بکار می رود. از اندازه گیری سرعت اولتراسونیک هم چنین می توان در تعیین ترکیب روغن و کیفیت آن استفاده کرد زیرا تری گلیسریدهای مختلف مایع موجود در روغن ها بدلیل تفاوت ساختمان شیمیائی، سرعت های اولتراسونیک متفاوتی دارند.
فرآورده های لبنی
کاربرد عمده اولتراسونیک با شدت پایین در صنایع لبنیات، تعیین ترکیب شیر و محصولات لبنی یعنی غلظت گلبول های چربی، مواد جامد غیر چرب و کل ماده جامد است. سرعت و تضعیف امواج اولتراسونیک در لبنیات به ساختمان میکروسکوپی و ترکیب آنها بستگی دارد. اندازه گیری میزان تضعیف اولتراسونیک روش مفیدی در تعیین زمان انعقاد شیر و تغییرات ویسکوزیته ظاهری حین انعقاد شیر به صورت غیر تخریبی است. زمانی که شیر منعقد می شود ضریب تضعیف آن به شدت کاهش می یابد. از امواج اولتراسوند در بررسی نحوه رسیدن پنیر ضایعات ساختمان و تشکیل حفرات توخالی در پنیر استفاده می شود زیرا خواص پنیر و تعیین در سرعت و تضعیف اولتراسوند اثر می گذارد. علاوه بر این برای تخمین اندازه و غلظت حبابهای موجود در خامه زده شده و ماست از این روش استفاده می شود. اثر اولتراسوند در افزایش هیدرولیزلاکتوز در شیر تخمیری بالاکتوسیلوس دلبروکی زیر گونه بولگاریکوس بررسی شده است. شیرهای تخمیر شده حاوی مقادیر کمی لاکتوز برای افرادی هستند که نمی توانند لاکتوز را تحمل نمایند. تابش اولتراسونیک سبب رهاسازی بتاگالاکتوزیداز داخلی سلول شده و در نتیجه هیدرولیز لاکتوز افزایش می یابد. به طور کلی کاربردهای این تکنیک در صنایع لبنیات شامل تمیزسازی، غیر فعال کردن باکتریها و آنزیم ها و هموژنیزاسیون می باشد.
گوشت و ماهی
اندازه گیری ترکیب و ضخامت بافت چربی در حیوانات زنده و لاشه ها (نظیر ماهی، بز و خوک، گوسفند و طیور) بیشترین کاربرد اولتراسونیک را در 30 سال گذشته در صنایع غذائی به خود اختصاص داده اند. در حالیکه روش های NMR و تصویر نگاری با اشعه X جهت استفاده در صنایع گوشت به طور روتین بسیار گران، دشوار و پر زحمت و کند می باشند، تجهیزات اولتراسونیک برای انتخاب و درجه بندی گوشت حیوانات زنده و لاشه ها بسیار با ارزش هستند زیرا اندازه گیری با آنها سریع، واقعی و دور از نظریات و سلایق شخصی است. در این روش از اختلاف سرعت عبور پالس اولتراسونیک در بافت چربی و گوشت استفاده می شود.
میوه ها و سبزی ها
به منظور استفاده از التراسوند در تعیین ویژگی های میوه ها و سبزیها لازم است که ویژگی های مهم آنها نظیر رسیدگی را به پارامترهای قابل اندازه گیری نظیر سرعت، تضعیف و مقاومت ارتباط دهیم. وجود فضاهای هوائی بین سلول بیشترین تأثیر را بر خواص اولتراسونیک میوه ها و سبزیها می گذارد. بنابراین برخی از میوه ها و سبزیها (نظیر سیب، موز، خیار و هندوانه، سیب زمینی و کدو) ضرایب تضعیف بسیار زیادی دارند و سرعت اولتراسونیک آنها کمتر از سرعت اولترا سونیک هواست. محققان با اندازه گیری دامنه یک پالس منعکس شده اولتراسونیک از سطح میوه ها و سبزیهای مختلف نظیر گوجه فرنگی و ذرت شیرین برای تعیین میزان صافی، ترکها و معایب سطحی آنها استفاده کرده اند. علاوه بر این آنها کیفیت آب مرکبات بسته بندی شده در پاکتهای کاغذی را بوسیله سنسورهای اولتراسونیک به طریقه on-line مورد بررسی قرار داده اند. اولتراسوند قابل رقابت با سایر تکنیک ها جهت تعیین میزان قند در آبمیوه ها ونوشیدنی هاست. مزیت آن بر سایر روش ها اینست که می تواند جهت کنترل فرایند به طریقه on-line بکار برده شود.
محلول های آبی و ژل ها
ابزارهایی که بر اساس اولتراسوند هستند می توانند اطلاعات با ارزشی در مورد خواص جسم حل شونده نظیر ساختمان و غلظت آن ارائه کنند. این روش در اندازه گیری درجه رقت نوشابه، سس ها؛ بررسی غلظت اجسام حل شونده حین فرآیندهای تبخیر، و تعیین غلظت نمکها و اسیدهای آمینه هم چنین غلظت بیولی مرها نظیر پروتئین ها و کربوهیدارت ها در محلول ها بکار برده می شود. این اندازه گیری ها با تعیین سرعت اولتراسونیک امکان پذیر است. در مورد برخی از محلول های آبی بیوپلی مرها و ژلها، سرعت اولتراسونیک و ضریب تضعیف با افزایش غلظت جسم حل شونده تا غلظت های بسیار زیاد به طور خطی افزایش می یابد.
سایر کاربردها
از طریق اولتراسونیک تعیین غلظت و اندازه ذرات در امولسیون ها و سوسپانسیون های غذایی نظیر اندازه ذرات و قطرات میسل های کازئین، امولسیون های روغن در آب و ذرات کلوئیدی در آب پرتقال امکان پذیر است. از مزایای این روش این است که می تواند برای سیستم هائی که از لحاظ نوری کدر هستند، محیطهای تغلیظ شده و غیر هادی الکتریسیته بکار رود. هم چنین در تعیین ویژگی های غذاهائی که حاوی هوای نامحلول به شکل حباب یا سلولهای حاوی هوا هستند نظیر نان، میوه ها، خامه زده شده کاربرد زیادی دارد چون وجود اندکی گاز نامحلول در محیط می تواند تغییرات زیادی در خواص اولتراسونیک ماده ایجاد نماید.