Elintarvikkeiden ultraäänitekniikka
sovellus
Kuluttajien kysynnän kasvun sekä elintarvike- ja ympäristösäännösten kiristymisen myötä perinteiset elintarvikkeiden jalostustekniikat ovat menettäneet parhaan suorituskykynsä, mikä on johtanut ylivoimaisesti kehittyvään teknologiaan. Ultraääni on nopea, monikäyttöinen, kehittyvä ja lupaava vihreä rikkoutumaton tekniikka, jota on käytetty elintarviketeollisuudessa viime vuosina. Ultraääniä käytetään elintarviketekniikan eri aloilla, kuten kiteytys, pakastaminen, valkaisu, kaasunpoisto, uuttaminen, kuivaus, suodatus, emulgointi, sterilointi, leikkaus jne. Tehokkaana säilytysvälineenä ultraääntä on käytetty laajalti elintarviketeollisuuden aloilla, kuten hedelminä ja vihanneksina, vilja, hunaja, geelit, proteiinit, entsyymit, mikrobien inaktivaatio, vilja-, vedenkäsittely- ja maitoteknologia.
Johdanto
Vuosien mittaan elintarviketeollisuuden vähimmäistarve jalostetuille elintarvikkeille on johtanut suuriin muutoksiin jalostusmenetelmissä, koska kriittisissä olosuhteissa jotkut jalostustekniikat vähentävät ravintotasojaan ja biologista hyötyosuuttaan aiheuttamalla fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia, mikä vähentää aistien hyväksymistä sukupuoleen. Siksi ravitsemuksellisten, ravitsemuksellisten (biologisen aktiivisuuden) ja aistien ominaisuuksien säilyttämiseksi elintarviketeollisuus on suunnitellut uudemmat hellävaraiset käsittelymenetelmät korvaamaan nämä tekniikat. Ultraäänimenetelmä on yksi nopeasti kehittyvistä tekniikoista, joiden tarkoituksena on vähentää jalostusta, parantaa laatua ja varmistaa elintarviketurvallisuus. Ultraäänitekniikka, joka on keskeinen tutkimus- ja kehitysalue elintarviketeollisuudessa, perustuu mekaanisiin aaltoihin, joiden taajuus on suurempi kuin ihmisen kuuloraja (GG gt; 16 kHz), ja ne voidaan jakaa kahteen taajuusalueeseen: matala energia ja korkea energia. Pienenerginen (matala teho, matala intensiteetti) ultraääni on yli 100 kHz taajuuksilla, jotka ovat alle 1 Wcm − 2, ja korkean energian (suuritehoiset, suuritehoiset) ultraääni taajuuksilla, jotka ovat 20–500 kHz, yli 1. Wcm − 2.
Ultraäänitekniikassa yleisesti käytetty edustava taajuusalue on välillä 20 kHz - 60 kHz. Analyyttisenä tekniikkana korkeataajuista ultraääntä käytetään tietojen saamiseen elintarvikkeiden fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista, kuten happamuudesta, kovuudesta, sokeripitoisuudesta ja kypsyydestä. Matalataajuinen ultraääni muuttaa ruoan fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia indusoimalla paine-, leikkaus- ja lämpötilaeroja levitettävässä väliaineessa ja tuottaa tyhjiöitä, jolloin inaktivoivat mikro-organismit ruoassa. Ultraäänikäsittely soveltuu tuoreiden vihannesten ja hedelmien laadunvalvontaan ennen sadonkorjuuta ja sen jälkeen, juuston jalostuksen, kaupallisen ruokaöljyn, leivän ja viljatuotteiden, irtotavarana valmistettujen ja emulgoitujen rasvojen, ruokageelien, hiilihapotettujen elintarvikkeiden ja pakasteiden käsittelyyn. Muita sovelluksia ovat hunajan väärentämisen ja aggregaatiotilan, koon ja proteiinityypin arviointi. Matalataajuisen ultraäänen taajuusalue ja spektri sekä ydinmagneettinen resonanssi (NMR) ovat tällä hetkellä suosituimpia, käytännöllisimpiä ja yleisimmin käytettyjä rikkomattomia analyysimenetelmiä. Vuosien varrella matalataajuista ultraääntä on käytetty menestyksekkäästi nestemäisten elintarvikkeiden fysikaalis-kemiallisten ja rakenteellisten ominaisuuksien tutkimiseen.
Mekanismi
Ultraääniaaltojen käyttö nestejärjestelmissä voi aiheuttaa akustisen kavitaation eli kuplien muodostumisen, kasvun ja mahdollisen repeämisen. Kun ultraääniaallot etenevät, kuplat värähtelevät ja puhkeavat aiheuttaen lämpö-, mekaanisia ja kemiallisia vaikutuksia. Mekaanisiin vaikutuksiin kuuluvat romahtamispaine, turbulenssi ja leikkausjännitys, kun taas kemiallisilla vaikutuksilla ei ole mitään tekemistä vapaiden radikaalien muodostumisen kanssa. Kavitaatiovyöhyke tuottaa erittäin korkean lämpötilan (5000 K) ja paineen (1000 atm). Ultraäänitaajuudesta riippuen paikallisesti muodostuva positiivinen ja negatiivinen paine voivat aiheuttaa materiaalin laajenemisen tai puristumisen, mikä johtaa solujen repeytymiseen. Ultraääni voi hydrolysoida värähtelevissä kuplissa olevan veden muodostaen H + - ja OH-vapaita radikaaleja. Nämä vapaat radikaalit voidaan siepata tietyissä kemiallisissa reaktioissa. Esimerkiksi vapaat radikaalit voivat olla mukana rakenteellisessa stabiloinnissa, substraatin sitoutumisessa tai entsyymien katalyyttisessä toiminnassa. Aminohappo puhdistetaan. Homogeeninen neste tukahduttaa merkittävästi tämän ultraäänimurtovaikutuksen.
Ultraäänikäsittelyn aikana syntyneet kuplat voidaan jakaa kahteen luokkaan rakenteensa mukaan:
Suuren epälineaarisen, tasapainokokoisen kuplapilven muodostumista painesyklin aikana kutsutaan stabiiliksi kavitaatiokuplaksi.
Epävakaa, nopea romahtaminen ja hajoaminen pienemmiksi kupliksi kutsutaan sisäisiksi (ohimeneviksi) kavitaatiokupliksi.
Nämä pienet kuplat liukenevat nopeasti, mutta kuplan venytysprosessin aikana massansiirtorajakerros on ohuempi ja rajapinta-ala on suurempi kuin rajapinta-ala, kun kupla puhkeaa. Tämä tarkoittaa, että kuplaan venytysvaiheen aikana saapuva ilma on suurempi kuin murtumisvaiheessa virtaava ilma.
