کاربرد اولترا سونيک در صنايع غذايي و بسته بندي در صنايع غذايي

چكيده
نحوه استفاده از امواج اولتراسوند در صنايع غذائي دو گونه است. كاربرد اولتراسوند با شدت بالا و با شدت پائين. از امواج اولتراسوند با شدت پايين به عنوان روش تجزيه‌اي در تهيه اطلاعات مربوط به ويژگي هاي فيزيكي و شيميايي مواد غذايي استفاده مي شود. در اين حالت توان به كار رفته به حدي پائين است كه پس از قطع امواج اولتراسونيك هيچگونه تغييري در خواص فيزيكي و شيميايي

مواد غذايي ايجاد نمي شود در نتيجه به اين تكنيك non-destrusive يا غير مخرب گويند و از آن مي توان در اندازه گيري ضخامت، تشخيص جسم خارجي، اندازه گيري فلوريت، تعيين تركيبات متشكله، اندازه ذرات، و غيره استفاده كرد. در حاليكه امواج اولتراسوند با شدت بالا كه در آنها از توان بالا استفاده مي شود به عنوان ابزاري در تغيير ويژگي هاي مواد غذايي نظير هموژنيزه كردن، تميز

كردن، استريل كردن، حرارت دادن، امولسيفيه كردن، مهار فعاليت آنزيم ها و ميكروبها و متلاشي كردن سلول، تشديد واكنش هاي اكسيداسيون، اصلاح گوشت، اصلاح كريستاليزاسيون، و . . . استفاده مي شود.
مقدمه
هدف تمامي صنايع فرايند كننده مواد غذايي توليد فرآورده‌اي با كيفيت بالا و تا حد امكان با حداقل هزينه مي باشد كه اين فرآورده در اثر قرار دادن مواد اوليه در معرض يك سري از فرآيند ها مانند حرارت دادن، خنك كردن، فشار و اختلاط و. . . توليد مي شود. تنوع در مواد خام و شرايط فرآيند سبب بوجود آوردن فرآورده‌اي با كيفيت غير قابل پيش بيني مي‌شود. بهمين دليل بايستي كارخانجات مواد غذايي ويژگي هاي مواد اوليه را تعيين كرده و در هر مرحله از فرآيند، ماده غذايي و شرايط فرآيند را كنترل نمايند تا ويژگي هاي فراورده نهايي تا حد امكان مشابه ويژگي هاي مطلوب از قبل پيش بيني شده باشد.
كاربردهاي مختلف اولتراسوند در رابطه با مواد غذائي از حدود ۵۰ سال پيش شروع شده و در حال حاضر كاربرد زيادي در كنترل عمليات فرآيند مواد غذايي پيدا كرده است پيشرفت در زمينه ميكروالكترونيك سبب شده كه بتوان از اولتراسونيك براي اندازه گيري هاي دقيق و با هزينه نسبتاً پايين استفاده كرد.

در اين روش يك طول موج صوتي با دامنه زياد در درون ماده مورد آزمايش منتشر مي شود. سپس از طريق سنجش تأثير متقابل بين طول موج و ماده، اطلاعاتي در مورد خواص ماده بدست مي آيد.
اولتراسوند مزاياي اساسي نسبت به ساير روش هاي تجزيه‌اي و تكنيك هاي مورد استفاده براي كنترل عمليات فرايند مواد غذايي دارد، زيرا در حاليكه بسياري از اين روشها تخريبي و وقت گير بوده و نياز به نيروي كار زياد و آماده كردن مقادير زيادي نمونه و هم چنين وجود سيستم هائي كه نور را از خود عبور مي دهند دارند، اين روش نيازي به آماده سازي نمونه نداشته، دقيق و نسبتاً ارزان است و مي تواند به سرعت (كمتر از يك ثانيه) به طور غير تخريبي در طي فرآيند مواد غذايي

در تعيين ويژگي ها و كيفيت غذاها حتي مواد غذايي تغليظ شده و از لحاظ نوري كدر نيز به كاربرده شود و بنابراين سبب افزايش راندمان و كاهش هزينه توليد محصول مي شود. در نتيجه انتظار مي رود در آينده اولتراسوند هم به عنوان يك ابزار اصلي تحقيق در تهيه اطلاعاتي راجع به رابطه بين خواص فيزيكو شيميايي غذاها با ويژگي هاي ملكولي ساختماني آنها و هم به منظور بررسي مداوم و بهتر كيفيت و خواص مواد غذايي در طي توليد و نگهداري به عنوان on-line sensor كاربرده فزاينده‌اي داشته باشد.
از جمله كاربردهاي مفيد امواج اولتراسوند بررسي بافت، ويسكوزيته و غلظت برخي مواد غذايي جامد و مايع، اندازه گيري ضخامت، سطح و درجه حرارت و هم چنين تعيين تركيبات ميوه ها، سبزيها، گوشت، لبنيات و ساير محصولات است. علاوه بر اين، استفاده از اولتراسونيك بدست آوردن اطلاعات را در مواردي كه به كمك ساير روش ها دشوار است براحتي امكان پذير مي سازد. از آن جمله كنترل و بازرسي مداوم و اتوماتيك عمليات خط توليد نظير تعيين اندازه ذرات توليد شده بوسيله هموژنايزر، آسياب كلوئيدي و مخلوط كن مي باشد، هم چنين تعيين ميزان جرم گرفتگي لوله ها، ضخامت لايه‌هاي شكلات و شيريني جات و ضخامت چربي يا بافت بدون چربي در گوشت و اندازه گيري مايعات موجود در تانكها و تعيين درجه حرارت در شرايطي كه با استفاده از سنسورهاي متداول امكان پذير نمي باشد.
بخش هاي سيستم هاي اندازه گيري به طريقه اولتراسونيك
اجزاء اصلي در بيشتر سيستم هاي اندازه گيري اولتراسونيك عبارتند از: ۱- قطعه اندازه گيري يا measurement cell 2- مولد موج الكتريكي يا signal generator 3- مبدل يا transducer، ۴- اسيلوسكوپ .

 

ساده ترين و گسترده ترين تكنيك مورد استفاده در اولتراسونيك، تكنيك- pulse echo (پالس- اكو) است. مولد موج الكتريكي يك پالس الكتريكي با فركانس و دامنه مشخص را توليد مي كند. سپس مبدل، پالس الكتريكي را به پالس اولتراسونيك تبديل مي كند. اين پالس از نمونه موجود در قطعه اندازه گيري عبور مي كند و پس از برخورد با ديواره داخلي قطعه منعكس شده و به مبدل، جائي كه در آن تشخيص داده مي شود باز مي گردد. در حقيقت مبدل به صورت يك دريافت كننده عمل كرده و پالس اولتراسونيك برگشتي را به يك پالس تبديل مي كند كه بر روي اسيلوسكوپ آشكار

مي‌شود. از آنجائي كه بخشي از پالس منعكس شده و بخش از آن عبور مي كند يك سري از اكوها روي نوسان نما (اسيلوسكوپ) مشاهده مي شود سرعت و ضريب تضعيف امواج اولتراسونيك با استفاده از اين اكوها تعيين مي شود.
هر اكو مسافتي معادل دو برابر طول سلول (d) بيشتر از اكوي قبلي طي مي كند و بنابراين، سرعت با اندازه گيري زمان تأخير (t) بين اكوهاي متوالي محاسبه مي شود:
از طرفي در صورتيكه سرعت اولتراسونيك در نمونه مشخص گردد،ضخامت آن را
مي توان تعيين كرد.
كاربرد اولتراسونيك در برخي مواد غذائي
روغن ها و چربي هاي خوراكي
برخي از ويژگيهاي فيزيكي مواد چرب نظير بافت و قوام كه اهميت تجارتي دارند بستگي به نسبت چربي جامد به مايع در دامنه خاصي از درجه حرات دارند، بنابراين تعيين ميزان چربي جامد (SFG) از اهميت خاصي برخودار است. سرعت اولتراسوند در چربي جامد بيشتر از روغن مايع است بنابراين اندازه گيري سرعت اولتراسونيك در مخلوط چربي- روغن مي‌تواند در تعيين SFG بكار رود. اين روش مي تواند به سرعت و با دقت، اندازه گيري در نمونه هاي با SFG پايين را انجام دهد. نسبتاً ارزان قيمت است و به آساني در محل توليد بكار مي رود. از اندازه گيري سرعت اولتراسونيك هم چنين مي توان در تعيين تركيب روغن و كيفيت آن استفاده كرد زيرا تري گليسريدهاي مختلف مايع موجود در روغن ها بدليل تفاوت ساختمان شيميائي، سرعت هاي اولتراسونيك متفاوتي دارند.
فرآورده هاي لبني
كاربرد عمده اولتراسونيك با شدت پايين در صنايع لبنيات، تعيين تركيب شير و محصولات لبني يعني غلظت گلبول هاي چربي، مواد جامد غير چرب و كل ماده جامد است. سرعت و تضعيف امواج اولتراسونيك در لبنيات به ساختمان ميكروسكوپي و تركيب آنها بستگي دارد. اندازه گيري ميزان تضعيف اولتراسونيك روش مفيدي در تعيين زمان انعقاد شير و تغييرات ويسكوزيته ظاهري حين انعقاد شير به صورت غير تخريبي است. زماني كه شير منعقد مي شود ضريب تضعيف آن به ش

دت كاهش مي يابد. از امواج اولتراسوند در بررسي نحوه رسيدن پنير ضايعات ساختمان و تشكيل حفرات توخالي در پنير استفاده مي شود زيرا خواص پنير و تعيين در سرعت و تضعيف اولتراسوند اثر مي گذارد. علاوه بر اين براي تخمين اندازه و غلظت حبابهاي موجود در خامه زده شده و ماست از اين روش استفاده مي شود. اثر اولتراسوند در افزايش هيدروليزلاكتوز در شير تخميري بالاكتوسيلوس دلبروكي زير گونه بولگاريكوس بررسي شده است. شيرهاي تخمير شده حاوي

مقادير كمي لاكتوز براي افرادي هستند كه نمي توانند لاكتوز را تحمل نمايند. تابش اولتراسونيك سبب رهاسازي بتاگالاكتوزيداز داخلي سلول شده و در نتيجه هيدروليز لاكتوز افزايش مي يابد. به طور كلي كاربردهاي اين تكنيك در صنايع لبنيات شامل تميزسازي، غير فعال كردن باكتريها و آنزيم ها و هموژنيزاسيون مي باشد.

گوشت و ماهي
اندازه گيري تركيب و ضخامت بافت چربي در حيوانات زنده و لاشه ها (نظير ماهي، بز و خوك، گوسفند و طيور) بيشترين كاربرد اولتراسونيك را در ۳۰ سال گذشته در صنايع غذائي به خود اختصاص داده اند. در حاليكه روش هاي NMR و تصوير نگاري با اشعه X جهت استفاده در صنايع گوشت به طور روتين بسيار گران، دشوار و پر زحمت و كند مي باشند، تجهيزات اولتراسونيك براي انتخاب و درجه بندي گوشت حيوانات زنده و لاشه ها بسيار با ارزش هستند زيرا اندازه گيري با آنها سريع، واقعي و دور از نظريات و سلايق شخصي است. در اين روش از اختلاف سرعت عبور پالس اولتراسونيك در بافت چربي و گوشت استفاده مي شود.

ميوه ها و سبزي ها
به منظور استفاده از التراسوند در تعيين ويژگي هاي ميوه ها و سبزيها لازم است كه ويژگي هاي مهم آنها نظير رسيدگي را به پارامترهاي قابل اندازه گيري نظير سرعت، تضعيف و مقاومت ارتباط دهيم. وجود فضاهاي هوائي بين سلول بيشترين تأثير را بر خواص اولتراسونيك ميوه ها و سبزيها مي گذارد. بنابراين برخي از ميوه ها و سبزيها (نظير سيب، موز، خيار و هندوانه، سيب زميني

و كدو) ضرايب تضعيف بسيار زيادي دارند و سرعت اولتراسونيك آنها كمتر از سرعت اولترا سونيك هواست. محققان با اندازه گيري دامنه يك پالس منعكس شده اولتراسونيك از سطح ميوه ها و سبزيهاي مختلف نظير گوجه فرنگي و ذرت شيرين براي تعيين ميزان صافي، تركها و معايب سطحي آنها استفاده كرده اند. علاوه بر اين آنها كيفيت آب مركبات بسته بندي شده در پاكتهاي كاغذي را بوسيله سنسورهاي اولتراسونيك به طريقه on-line مورد بررسي قرار داده اند. اولتراسوند

قابل رقابت با ساير تكنيك ها جهت تعيين ميزان قند در آبميوه ها ونوشيدني هاست. مزيت آن بر ساير روش ها اينست كه مي تواند جهت كنترل فرايند به طريقه on-line بكار برده شود.
محلول هاي آبي و ژل ها
ابزارهايي كه بر اساس اولتراسوند هستند مي توانند اطلاعات با ارزشي در مورد خواص جسم حل شونده نظير ساختمان و غلظت آن ارائه كنند. اين روش در اندازه گيري درجه رقت نوشابه، سس ها؛ بررسي غلظت اجسام حل شونده حين فرآيندهاي تبخير، و تعيين غلظت نمكها و اسيدهاي آمينه هم چنين غلظت بيولي مرها نظير پروتئين ها و كربوهيدارت ها در محلول ها بكار برده مي شود. اين اندازه گيري ها با تعيين سرعت اولتراسونيك امكان پذير است. در مورد برخي از محلول هاي آبي بيوپلي مرها و ژلها، سرعت اولتراسونيك و ضريب تضعيف با افزايش غلظت جسم حل شونده تا غلظت هاي بسيار زياد به طور خطي افزايش مي يابد.
ساير كاربردها
از طريق اولتراسونيك تعيين غلظت و اندازه ذرات در امولسيون ها و سوسپانسيون هاي غذايي نظير اندازه ذرات و قطرات ميسل هاي كازئين، امولسيون هاي روغن در آب و ذرات كلوئيدي در آب پرتقال امكان پذير است. از مزاياي اين روش اين است كه مي تواند براي سيستم هائي كه از لحاظ نوري كدر هستند، محيطهاي تغليظ شده و غير هادي الكتريسيته بكار رود. هم چنين در تعيين ويژگي هاي غذاهائي كه حاوي هواي نامحلول به شكل حباب يا سلولهاي حاوي هوا هستند نظير نان، ميوه ها، خامه زده شده كاربرد زيادي دارد چون وجود اندكي گاز نامحلول در محيط مي تواند تغييرات زيادي در خواص اولتراسونيك ماده ايجاد نمايد.
از كاربردهاي ديگر اولتراسونيك در تعيين ميزان تردي بيسكويت و تعيين بافت لايه‌هاي ويفر است زيرا اندازه گيري با اين روش سريع و غير تخريبي مي باشد.
جديدترين كاربرد آن در برش مواد غذايي نظير كيكها، پنير، خمير پيتزا، فرآوردهاي قنادي، نان، صمغ ها، آب نبات و . . . است. اين برش زدن بسيار تميز صورت گرفته، ماده غذائي خرد نشده و حتي در صورتي كه مغزها در بين لايه هاي ماده غذايي باشند، خرد نمي شوند. تيغه هايي كه به اين منظور به كار برده مي شوند، ۲۰۰۰۰ بار در ثانيه لرزش دارند تا مينيمم اصطكاك سطحي را ب

ا فرآورده در حال برش داشته باشند.
كاربرد تجهيزات اولتراسونيك جهت تميز سازي و ضدعفوني چاقوهاي آلوده به پروتئين گوشت در كشتارگاهها وكارخانجات گوشت گزارش شده است. در صورتيكه اين چاقوها در ۰c 82 تميز شوند، فيلم پروتئيني منعقد شده اي بر روي آنها تشكيل مي شود. البته كاهش درجه حرارت شستشو تا ۰c 60 از تشكيل اين فيلم جلوگيري مي كند ولي مجاز نيست. نتايج كاربرد اولتراسوند نشان داده است كه مي توان با استفاده از آن، چاقوها راحتي بدون افزودن عوامل فعال كننده سطحي در

آب به اندازه كافي تميز كرد و مواد باقيمانده پروتئيني در ۰c 82 بسيار كاهش يافت و در ۰c 60 حذف گرديد. و تميز سازي با اولتراسونيك در آب در درجه حرارت محيط به مدت ۱۵-۳۰ ثانيه قبل از ضدعفوني پيشنهاد گرديد.
Presence Detection
Absence
وجود يا عدم وجود يك ماده در ميان يك جفت مبدل يا بين يك مبدل و يك صفحه رفراكتومتر را مي توان با اندازه گيري دامنه موج الكتريكي تعيين كرد. در صورتيكه ماده‌اي وجود داشته باشد دامنه موج الكتريكي كاهش خواهد يافت. اين تكنيك براي شمارش تعداد موادي كه از يك نقطه مشخص بر روي نوار نقاله عبور مي كنند مفيد است. در صورتيكه سرعت نوار نقاله مشخص باشد اندازه اشياء را نيز مي توان تعيين كرد.
اولتراسوند مي تواند براي تشخيص وجود يا عدم وجود يك ماده در قوطي، لوله، تانك و غيره نيز بكار برده شود. مبدل اولتراسونيك بر روي بخش خارجي ديواره آنها قرار داده شده و دامنه يك اكوي

منعكس از قسمت داخلي ديواره اندازه گيري مي شود اين دامنه بستگي به مقاومت صوتي ماده موجود در تانك دارد. در صورتي كه ماده اي در ظرف وجود نداشته باشد (امپدانس صوتي كم) دامنه اكوي دريافتي بيشتر از حالتي خواهد شد كه ماده اي وجود داشته باشد.
اين نوع سنسور مي تواند براي تعيين اينكه آيا ميزان مايع موجود در تانك پايين تر يا بالاتر از حد بحراني شده است يا نه، و براي تعيين وجود بقاي ماده در لوله بكار برده شود و مخصوصاً در رابطه

با وسايل و ظروفي كه مشاهده داخل آنها امكان پذير نيست مفيد مي باشد.
مزيت اين روش نسبت به ساير روش هاي تجارتي اين است كه در اين جا تنها لازم است به يك طرف ظرف يا ماده مورد آزمايش دسترسي داشته باشيم.

تعيين ضخامت
يك مبدل اولتراسونيك در يك طرف ماده قرار گرفته و مدت زماني كه يك پالس عرض ماده را طي كرده و بر مي گردد اندازه گيري مي شود. در صورتيكه سرعت اولتراسوند در ماده مشخص باشد، مسافت طي شده با استفاده از ۲d=ct محاسبه مي شود.
اولتراسوند مخصوصاً در رابطه با تعيين ويژگي هاي موادي كه دسترسي به آنها با روش هاي مرسوم مشكل است، مانند تعيين ضخامت لوله در صورتي كه فقط دسترسي به قسمت بيروني لوله امكان پذير است مفيد مي باشد. هم چنين براي اندازه گيري ضخامت لايه هاي مخصوص در سيستم هاي چند لايه نيز مي تواند بكاربرده شود.
تعيين ضخامت لايه هاي چربي و گوشت بي چربي دربافت حيواني مشهورترين كاربرد اولتراسوند در صنايع غذايي در حال حاضر است و تعدادي دستگاه تجارتي براي درجه بندي كيفيت گوشت وجود دارد. اين كاربرد بر اساس اندازه گيري فواصل زماني بين پالس هاي اولتراسونيك منعكس شده از مرزهاي ميان لايه هاي چربي، بافت گوشت بي چربي و استخوان است مزيت اين تكنيك ارزان بودن نسبي آن، كاربرد آسان آن و پيش بيني كيفيت گوشت حيوانات زنده مي باشد.
ساير نمونه هاي تعيين ضخامت شامل تعيين سطح و وجود و يا عدم وجود مايع در تانكها، تعيين ميزان مايع موجود در كنسرو، تعيين ضخامت پوشش هاي فرآورده هاي قنادي مانند ضخامت لايه شكلات در شيريني جات و تعيين پوسته تخم مرغ مي باشند.
تشخيص ماده خارجي
مواد خارجي نامطلوب مانند قطعات فلز، شيشه، چوب، پلاستيك و غيره ممكن است سبب آلودگي مواد غذايي در طي فرايند گردند. بسياري از مواد غذايي از لحاظ نوري مات هستند و بنابراين روشهائي كه از نور استفاده مي كنند، نمي توانند كاربرد داشته باشند. در صورتيكه پالس

اولتراسونيك در داخل يك نمونه منتشر گردد، از هر مانعي كه سد راه آن قرار گيرد منعكس شده و سبب تفاوت نسبتاً زيادي در مقاومت صوتي بين غذا و ماده خارجي مي شود. موادي نظير شيشه، فلز و چوب كه گاهي به داخل ماده غذايي راه مي يابد مقاومتهاي صوتي بزرگتري نسبت به

ساير اجزاء غذايي دارند و بنابراين مي توانند به آساني توسط اولتراسوند مشخص شوند.
فاصله ماده خارجي از سطح قوطي با اندازه گيري زمان پالس هاي اولتراسونيك منعكس شده از ماده خارجي و ديواره قوطي تعيين مي شود.
d2=d1.t2/t1
با حركت يك مبدل اولتراسونيك در اطراف نمونه، امكان تعيين اندازه و محل قرار گرفتن ماده خارجي و حتي محل بافت چربي در گوشت وجود دارد. اين تكنيك يك مثال ساده از تكنيك هاي تصوير نگاري بكار برده شده براي تعيين سلامتي و تعيين جنس جنين در رحم مي باشد.

اندازه گيري فلوريت
اندازه گيري فلوريت مواد در لوله ها در طي فرآيند، در بسياري از كارخانجات غذائي حائز اهم

 

يت است. انواع مختلفي از سنسورهاي اولتراسونيك در دسترس هستند كه مي توانند براي اندازه گيري فلوريت (سرعت جريان) مايعات بكار برده شوند. فلومترهاي اولتراسونيك ظرفيت تعيين فلوريت هاي در حدود چند متر در ثانيه در سيستم هائي كه ابعاد آنها كمتر از mm1 است (مانند جريان خون در سياهرگها) تا بيشتر از km1 (جريان آب در رودخانه ها) را دارند.
اندازه گيري درجه حرارت
خواص اولتراسونيك مواد نسبت به حرارت حساس مي باشند و بهمين دليل اولتراسوند را مي توان در رابطه با اندازه گيري درجه حرارت نيز بكار برد. ترمومترهاي اولتراسونيك از يك ماده استوانه‌اي شكل تشكيل شده اند كه يك ماده ديگر با امپدانس صوتي متفاوت به انتهاي آن متصل شده است قسمتي از يك پالس اولتراسونيك انتشار يافته در طول استوانه منعكس شده و قسمت ديگر آن در مرز ميان دو ماده عبور مي كند. قسمت انعكاس يافته به سمت مولد بر مي گردد در حاليكه قسمتي كه عبور كرده، قبل از برگشت به مبدل؛ از ميان قطعه نهايي عبور مي كند. اختلاف در مدت زمان (t) بين دو اكو زماني است كه طول مي كشد تا پالس دو بار طول قطعه نهائي (d) را طي كند. اين زمان بستگي به سرعت اولتراسونيك ماده قطعه نهائي و طول آن دارد كه هر دو با تغيير درجه حرارت، تغيير مي كنند.
سنسورهاي اولتراسوند در مواقعي كه كاربرد سنسورهاي مرسوم حرارتي براحتي امكان پذير نيست مانند اندازه گيري درجه حرارت در محيطهاي مايكروويو يا در محيطهاي با درجه حرارت بالا، مفيد هستند.
تعيين تركيب و ميكرواستراكچر
اولتراسوند براي اندازه گيري اجزاء تشكيل دهنده بسياري از مواد غذائي مختلف از نيم قرن گذ

شته بكار برده شده است مانند اندازه گيري نسبت چربي به گوشت بدون چربي در بافت حيواني (گوشت ها)، ميزان روغن مواد غذائي چرب، مقدار چربي جامد، تركيب شير، غلظت قند، ميزان الكل نوشيدني هاي الكلي، تري گليسريدها در روغن ها، اندازه گيري هوا در مواد غذائي حجيم شده، غلظت نمك در آب نمك و غلظت هاي بيوپلي مرها در ژل ها و محلولهاي آبي.