دانلود مقاله کاربرد اولتراسونیک در صنایع غذایی

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.

کاربردهای اولتراسوند در فرایند مواد غذایی 1- presence / absence detection وجود یا عدم وجود یک ماده در میان یک جفت مبدل یا بین یک مبدل و یک صفحه رفراکتومتر را می توان با اندازه گیری دامنه موج الکتریکی تعیین کرد.

در صورتیکه ماده‌ای وجود داشته باشد دامنه موج الکتریکی کاهش خواهد یافت.

این تکنیک برای شمارش تعداد موادی که از یک نقطه مشخص بر روی نوار نقاله عبور می کنند مفید است.

در صورتیکه سرعت نوار نقاله مشخص باشد اندازه اشیاء را نیز می توان تعیین کرد.

اولتراسوند می تواند برای تشخیص وجود یا عدم وجود یک ماده در قوطی، لوله، تانک و غیره نیز بکار برده شود.

مبدل اولتراسونیک بر روی بخش خارجی دیواره آنها قرار داده شده و دامنه یک اکوی منعکس از قسمت داخلی دیواره اندازه گیری می شود این دامنه بستگی به مقاومت صوتی ماده موجود در تانک دارد.

در صورتی که ماده ای در ظرف وجود نداشته باشد (امپدانس صوتی کم) دامنه اکوی دریافتی بیشتر از حالتی خواهد شد که ماده ای وجود داشته باشد.

این نوع سنسور می تواند برای تعیین اینکه آیا میزان مایع موجود در تانک پایین تر یا بالاتر از حد بحرانی شده است یا نه، و برای تعیین وجود بقای ماده در لوله بکار برده شود و مخصوصاً در رابطه با وسایل و ظروفی که مشاهده داخل آنها امکان پذیر نیست مفید می باشد.

مزیت این روش نسبت به سایر روش های تجارتی این است که در این جا تنها لازم است به یک طرف ظرف یا ماده مورد آزمایش دسترسی داشته باشیم.

2- تعیین ضخامت یک مبدل اولتراسونیک در یک طرف ماده قرار گرفته و مدت زمانی که یک پالس عرض ماده را طی کرده و بر می گردد اندازه گیری می شود.

در صورتیکه سرعت اولتراسوند در ماده مشخص باشد، مسافت طی شده با استفاده از 2d=ct محاسبه می شود.

اولتراسوند مخصوصاً در رابطه با تعیین ویژگی های موادی که دسترسی به آنها با روش های مرسوم مشکل است، مانند تعیین ضخامت لوله در صورتی که فقط دسترسی به قسمت بیرونی لوله امکان پذیر است مفید می باشد.

هم چنین برای اندازه گیری ضخامت لایه های مخصوص در سیستم های چند لایه نیز می تواند بکاربرده شود.

تعیین ضخامت لایه های چربی و گوشت بی چربی دربافت حیوانی مشهورترین کاربرد اولتراسوند 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.

سایر نمونه های تعیین ضخامت شامل تعیین سطح و وجود و یا عدم وجود مایع در تانکها، تعیین میزان مایع موجود در کنسرو، تعیین ضخامت پوشش های فرآورده های قنادی مانند ضخامت لایه شکلات در شیرینی جات و تعیین پوسته تخم مرغ می باشند.

3- تشخیص ماده خارجی مواد خارجی نامطلوب مانند قطعات فلز، شیشه، چوب، پلاستیک و غیره ممکن است سبب آلودگی مواد غذایی در طی فرایند گردند.

بسیاری از مواد غذایی از لحاظ نوری مات هستند و بنابراین روشهائی که از نور استفاده می کنند، نمی توانند کاربرد داشته باشند.

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 به داخل ماده غذایی راه می یابد مقاومتهای صوتی بزرگتری نسبت به سایر اجزاء غذایی دارند و بنابراین می توانند به آسانی توسط اولتراسوند مشخص شوند.

فاصله ماده خارجی از سطح قوطی با اندازه گیری زمان پالس های اولتراسونیک منعکس شده از ماده خارجی و دیواره قوطی تعیین می شود.

d2=d1.t2/t1 با حرکت یک مبدل اولتراسونیک در اطراف نمونه، امکان تعیین اندازه و محل قرار گرفتن ماده خارجی و حتی محل بافت چربی در گوشت وجود دارد.

این تکنیک یک مثال ساده از تکنیک های تصویر نگاری بکار برده شده برای تعیین سلامتی و تعیین جنس جنین در رحم می باشد.

4- اندازه گیری فلوریت اندازه گیری فلوریت مواد در لوله ها در طی فرآیند، در بسیاری از کارخانجات غذائی حائز اهمیت است.

انواع مختلفی از سنسورهای اولتراسونیک در دسترس هستند که می توانند برای اندازه گیری فلوریت (سرعت جریان) مایعات بکار برده شوند.

فلومترهای اولتراسونیک ظرفیت تعیین فلوریت های در حدود چند متر در ثانیه در سیستم هائی که ابعاد آنها کمتر از mm1 است (مانند جریان خون در سیاهرگها) تا بیشتر از km1 (جریان آب در رودخانه ها) را دارند.

5- اندازه گیری درجه حرارت خواص اولتراسونیک مواد نسبت به حرارت حساس می باشند و بهمین دلیل اولتراسوند را می توان در رابطه با اندازه گیری درجه حرارت نیز بکار برد.

ترمومترهای اولتراسونیک از یک ماده استوانه‌ای شکل تشکیل شده اند که یک ماده دیگر با امپدانس صوتی متفاوت به انتهای آن متصل شده است قسمتی از یک پالس اولتراسونیک انتشار یافته در طول استوانه منعکس شده و قسمت دیگر آن در مرز میان دو ماده عبور می کند.

قسمت انعکاس یافته به سمت مولد بر می گردد در حالیکه قسمتی که عبور کرده، قبل از برگشت به مبدل؛ از میان قطعه نهایی عبور می کند.

اختلاف در مدت زمان (t) بین دو اکو زمانی است که طول می کشد تا پالس دو بار طول قطعه نهائی (d) را طی کند.

این زمان بستگی به سرعت اولتراسونیک ماده قطعه نهائی و طول آن دارد که هر دو با تغییر درجه حرارت، تغییر می کنند.

سنسورهای اولتراسوند در مواقعی که کاربرد سنسورهای مرسوم حرارتی براحتی امکان پذیر نیست مانند اندازه گیری درجه حرارت در محیطهای مایکروویو یا در محیطهای با درجه حرارت بالا، مفید هستند.

6- تعیین ترکیب و میکرواستراکچر اولتراسوند برای اندازه گیری اجزاء تشکیل دهنده بسیاری از مواد غذائی مختلف از نیم قرن گذشته بکار برده شده است مانند اندازه گیری نسبت چربی به گوشت بدون چربی در بافت حیوانی (گوشت ها)، میزان روغن مواد غذائی چرب، مقدار چربی جامد، ترکیب شیر، غلظت قند، میزان الکل نوشیدنی های الکلی، تری گلیسریدها در روغن ها، اندازه گیری هوا در مواد غذائی حجیم شده، غلظت نمک در آب نمک و غلظت های بیوپلی مرها در ژل ها و محلولهای آبی.

خواص اولتراسونیک مواد بسیار ریز ناهمگن مانند امولسیون ها و سوسپانسیونها بستگی به اندازه ذرات دارد، در نتیجه بدست آوردن اطلاعاتی در رابطه با ویژگی های ملکولی یا میکرواستراکچر با کاربرد اولتراسوند امکان پذیر است.

اندازه گیری سرعت اولتراسونیک و میزان تضعیف به عنوان تابعی از فرکانس برای تعیین توزیع اندازه ذرات بکار برده می شوند.

اولتراسوند نسبت به سایر تکنیک های مورد استفاده برای تعیین میکرواستراکچر و ترکیب مواد، مزایایی دارد: اندازه گیری دقیق و سریع، کاربرد در سیستم های مات و غیر شفاف، غیر مخرب بوده و می تواند به طریقه on-line بکار برده شود.

7- on-line sensors از ویژگی های این سنسورها توانائی آنها در اندازه گیری سریع، دقیق و غیر تخریبی