کاربرد امواج فراصوت در فراوری مواد غذایی به عنوان یک روش غیر تخریبی

کاربرد امواج فراصوت در فراوری مواد غذایی به عنوان یک روش غیر تخریبی

منا ایوز (دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی)

Email: mona.vosogh@yahoo.com

امروزه استفاده از امواج فراصوت (Ultrasound) با توجه به اثرات موثر آن در نگهداری و فرایند مواد غذایی رو به گسترش می باشد. این امواج مزایای اساسی نسبت به سایر روش های تجزیه‌ای و تکنیک های مورد استفاده برای کنترل عملیات فرایند مواد غذایی دارند، 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.

 اولترا سوند بنا به تعریف به امواج صوتی با فرکانس های بالاتر از حد آستانه شنوایی انسان گفته می شود. شکل ۱ محدوده فرکانس امواج را نشان می دهد. در این روش یک طول موج صوتی با دامنه زیاد در درون ماده مورد آزمایش منتشر می شود سپس از طریق سنجش تاثیر متقابل بین طول موج وماده، اطلاعاتی در مورد خواص ماده به دست می آید. کاربرد فرا صوت در صنعت غذا بسیار گسترده بوده و در دو نوع متفاوت تقسیم بندی شده است: امواج اولتراسوند با شدت پایین و امواج فراصوت با شدت بالا. سه ویژگی مهم این امواج عبارت است از، سرعت انتشار موج فراصوت در یک ماده ، وسعتی که موج ضعیف می شود و مقاوت ظاهری آکوستیک. مواد با دانسیته کمتر یا مقاومت بیشتر به تغییر شکل، سرعت پخش فراصوت بالاتری را نشان می دهند. موج فراصوت پخش شده در میان یک ماده، دامنه اش کاهش پیدا می کند که اصطلاحاً موج ضعیف( میرا ) می شود. دلایل اصلی میرا شدن موج جذب و پراکنش می باشد. جذب به علت مکانیزم هایی است که باعث می شود قسمتی از انرژی فراصوت ذخیره شده و به فرم های دیگر تبدیل گردد و سرانجام به گرما تبدیل شود و پراکنش زمانی رخ می دهد که موج با یک ناپیوستگی (مثلاً ذرات، ترک یا فضای خالی) مواجه شود و بیشتر در مواد هتروژن اهمیت دارد.  مقاومت ظاهری صوت تعیین کننده نسبت یک موج بازتاب شده از مرز بین دو ماده می باشد. شکل ۲ بازتاب و عبور یک موج بازتاب شده را از مرز بین یک ماده نشان می دهد.

شکل۱: محدوده فرکانس صوت

 

شکل ۲: بازتاب و عبور یک موج فراصوت از مرز بین دو ماده.

برای بهینه کردن عبور فراصوت از یک ماده به ماده دیگر لازم است که دو ماده با مقاومت ظاهری صوتی مشابه انتخاب گردد. برای بهینه کردن بازتابش فراصوت باید از موادی با مقاومت ظاهری صوتی متفاوت استفاده کرد. جامدات سرعت فراصوت و مقاومت ظاهری صوتی بالاتری نسبت به مایعات دارند و در مایعات نیز نسبت به گاز ها این مقادیر بالاتر است. هوا مقاومت ظاهری صوتی خیلی پایینی در مقایسه با مایعات یا جامدات دارد که به این معنی می باشد که امواج فراصوت تقریباً بطور کامل از سطح بین هوا و محیط فشرده بازتابیده می شود. این حالت زمانی مشکل ایجاد می کند که فاصله کمی بین ترانسفورماتور و نمونه ایجاد شود که هوای موجود در فاصله ایجاد شده منجر به جلوگیری از نفوذ فراصوت به داخل ماده غذایی شود. مثل پوسته تخم مرغ که برای جلوگیری از این مشکل از مواد اتصال دهنده (اغلب مایعات یا روغن ها) استفاده می شود.

اجزای اصلی در بیشتر سیستم های اندازه گیری اولتراسوند عبارتند از قطعه اندازه گیری measurement) cell )، مولد موج الکتریکی (signal generator) ، مبدل (transducer) و اسیلوسکوپ .

ساده ترین و گسترده ترین تکنیک مورد استفاده در اولتراسونیک، تکنیک پالس- اکو (pulse echo) 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 اسیلوسکوپ مشاهده می شود سرعت و ضریب تضعیف امواج فراصوت با استفاده از این اکوها تعیین می شود. شکل ۳ نمایی از یک سیتم پالس- اکو اولتراسوند را نشان میدهد . هر اکو مسافتی معادل دو برابر طول سلول بیشتر از اکوی قبلی طی می کند و بنابراین، سرعت با اندازه گیری زمان تأخیر بین اکوهای متوالی محاسبه می شود از طرفی در صورتیکه سرعت اولتراسونیک در نمونه مشخص گردد، ضخامت آن را می توان تعیین نمود. تعیین ضخامت لایه های چربی و گوشت بی چربی در بافت حیوانی مشهورترین کاربرد فراصوت در صنایع غذایی در حال حاضر است و تعدادی دستگاه تجارتی برای درجه بندی کیفیت گوشت وجود دارد. این کاربرد بر اساس اندازه گیری فواصل زمانی بین پالس های اولتراسونیک منعکس شده از مرزهای میان لایه های چربی، بافت گوشت بی چربی و استخوان است مزیت این تکنیک ارزان بودن نسبی آن، کاربرد آسان آن و پیش بینی کیفیت گوشت حیوانات زنده می باشد.

شکل ۳: شمایی از پیکره یک سیستم پالس-اکو اولتراسونیک

 

در صورتیکه پالس اولتراسونیک در داخل یک نمونه منتشر گردد، از هر مانعی که سد راه آن قرار گیرد منعکس شده و سبب تفاوت نسبتاً زیادی در مقاومت صوتی بین غذا و ماده خارجی می شود. موادی نظیر شیشه، فلز و چوب که گاهی داخل ماده غذایی راه می یابد مقاومتهای صوتی بزرگتری نسبت به سایر اجزاء غذایی دارند و بنابراین می توانند به آسانی توسط امواج فراصوت مشخص شوند. استفاده از این امواج در تعیین ویژگی های مواد غذایی از جمله وجود یا عدم وجود یک ماده (در قوطی ،لوله ،تانک )، تعیین ضخامت و اندازه ذره، تعیین مسافت طی شده توسط سیالات، تعیین سطح سیال، تشخیص ماده خارجی و تعیین اندازه و محل آن، اندازه گیری سرعت جریان سیالات توسط فلومتر های اولتراسونیک، اندازه گیری درجه حرارت توسط ترمومتر های اولتراسونیک خصوصا برای محیط های مایکروویو یا محیط های با درجه حرارت بالا، تعیین ترکیب و ویژگی های مولکولی و نیز کاربرد به عنوان on-line sensors  تاکنون مورد پژوهش قرار گرفته است.

از امواج  اولتراسوند در مواد غذایی به عنوان مثال برای از بین بردن میکروارگانیزم ها، غیر فعال کردن آنزیم ها، استخراج انواع ترکیبات، امولسیون کردن،  صنعت بسته بندی، فرایند انجماد، خشک کردن و کنترل میزان رسیدگی استفاده می شود که در این مطالعه بررسی شده است.