Ultrasunetele Aplicate in Industria Alimentara [PDF]

Zitiervorschau

Ultrasunetele aplicate în industria alimentară Asemenea industriei farmaceutice, industria alimentară implică uzitarea ultrasunetelor ceea ce oferă numeroase posibilităţi de dezvoltare şi îmbunătăţire al acestui domeniu. Procesoarele ce utilizează ultrasunetele sunt folosite în industria alimentară pentru realizarea diferitelor procedee industriale: • dezintegrare celulară • extragere (extragerea componentelor intercelulare sau obţinerea enzimelor celulare antibacteriene) • activarea (accelerarea) reacţiei enzimelor în alimentele lichide • accelerarea fermentaţiei • amestecare • omogenizare • dispersia unei pulberi de substanţă într-un lichid • emulsifierea uleiului/grăsimii la vapori de apă • pulverizare • degazare • cercetare/expertiză (ex: în cazul industriei băuturilor) • dezactivarea enzimelor • conservare microbiană • cristalizare • procesarea cărnii • stimularea celulelor vii • intensificarea oxidării Prin utilizarea unor materiale speciale, ca titaniul sau oţelului inoxidabil de calităţi diferite, compatibilitatea tehnicii de lucru cu procesul de realizare este garantată. Dezintegrarea celulară Dezintegrarea structurii celulare cu ajutorul ultrasunetelor Folosirea ultrasunetelor este o metodă efectivă pentru a distruge legăturile intercelulare. Acest efect poate fi observat pentru extragerea materiei intercelulare, de exemplu extragerea amidonului din matriţe. Utilizarea ultrasunetelor generează alternarea undelor de presiune înaltă cu cele de presiune joasă într-un lichid. În timpul ciclului presiunii joase, undele ultrasunetelor creează mici bule de vid în lichid care se ciocnesc şi conduc la declanşarea ciclului presiunii înalte. Fenomenul poartă numele de cavitaţie. În urma imploziei bulelor, rezultă puternice forţe hidrodinamice, numite forţe de separare sau „shear-forces”. Forţele de separare pot dezintegra materii fibroase, celulare în particule fine şi distruge pereţii celulelor. Acestea au capacitatea de a disemina mare parte din materia intracelulară, asemenea amidonului sau zaharului din lichide. În urma acestui proces, materialul din care este alcătuit peretele celular este distrus în particule mici. Acest efect poate fi utilizat pentru fermentare, digestie şi alte procese de transformare a materiei organice. După măcinarea şi distrugerea materiei intercelulare, ultrasunetele 1

transformă mare parte din materia intracelulară, de exemplu amidonul la fel cum şi rămăşiţele de celule din pereţii intracelulari sunt preschimbate de către enzime în zaharuri. În urma acestui proces este sporit numărul enzimelor prin intermediul lichefierii şi zaharificării. Acest fapt creşte viteza şi randamentul fermentării drojdiei de bere şi ale altor procese de conversie, de exemplu mărirea producţiei de etanol din biomasă. Dezintegrarea intercelulară cu ajutorul ultrasunetelor poate fi testată cu uşurinţă la orice cantitate de substanţă. Extracţie Extragerea şi conservarea cu ajutorul ultrasunetelor Dezintegrarea celulară (liza) cu ajutorul ultrasunetelor este folosită pentru extragerea componentelor intracelulare sau pentru conservarea microbiană. În microbiologie, ultrasunetele sunt de obicei asociate cu dezintegrarea celulară (liza), conform lui Allinger 1975. Când lichidele sunt supuse acţiunii ultrasunetelor la intensităţi mari, undele care se propagă în lichid rezultă în urma alternării ciclurilor de presiune la nivel înalt (compresie) cu presiunea joasă, depinzând în mare măsură de frecvenţă. În timpul ciclului presiunii joase, undele ultrasonice de intensitate mare creează bule ce vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, se sparg în timpul ciclului la presiune înaltă. Acest fenomen este numit cavitaţie. În timpul imploziei se ajunge la temperaturi (aproximativ 5,000 K) şi presiune (aproximativ 2,000 atm) foarte ridicate. Ultrasunetele pot avea efecte constructive sau distructive asupra celulelor în funcţie de parametrii la care sunt folosite ultrasunetele. Dezintegrare celulară Sub acţiunea intensă a ultrasunetelor, enzimele sau proteinele pot fi desprinse din celule sau organisme subcelulare ca rezultat al dezintegrării celulare. În acest caz, compusul de dizolvat într-un solvent este înconjurat într-o structură insolubilă. Pentru a-l extrage, membrana celulară trebuie să fie distrusă. În acest caz, ultrasunetele constituie un mijloc uşor de utilizat pentru dezintegrare celulară. Astfel, efectele mecanice ale ultrasunetelor permit mai rapidă şi mai completă a solventului în materialul intracelular şi facilitarea transferului de masă. Transferul de masă In general, ultrasunetele pot transfera permeabilitatea de la membranele celulare la ioni (Mummery, 1978) şi pot reduce proprietatea de selectivitate a membranelor celulare în mod semnificativ. Aşa cum ultrasunetele pot distruge peretele celulei prin acţiuni mecanice ale forţelor de separare, acestea facilitează transferul de la celulă în solvent. Reducerea dimensiunii particulelor prin intermediul cavitaţiei produse de ultrasunete măreşte suprafaţa de contact dintre lichid şi solid. Extracţia proteinelor şi enzimelor

2

Extracţia enzimelor şi proteinelor existente în celule şi particule microcelulare este o aplicaţie unică a ultrasunetelor la intensitate ridicată, aşa cum extragerea componentelor organice conţinute de plante în tulpini şi seminţe de către un solvent pot fi îmbunătăţite în mod semnificativ. Ca element important, ultrasunetele aduc beneficii în extracţia şi izolarea potenţialului bioactiv inedit al componentelor. Lipide şi proteine Tehnologia care foloseşte ultrasunetele este deseori folosită pentru a îmbunătăţi procesul de extracţie al lipidelor şi proteinelor din seminţele plantelor, cum ar fi soia sau alte seminţe din care se obţine ulei prin presare. În acest caz, distrugerea pereţilor celulelor facilitează presarea şi reduce formarea uleiului rezidual sau a grăsimilor. Acest proces se aplică la: uleiul de citrice din fructe, extragerea uleiului din boabele de muştar, alune, rapiţă, echinaceea, porumb, soia. Conservarea microbiană şi a enzimelor Conservarea microbiană şi a enzimelor, de exemplu în sucurile de fructe sau sosuri este o altă aplicaţie a ultrasunetelor în procesarea alimentelor. În prezent, conservarea prin creşterea temperaturii pentru perioade scurte (Pasteurizarea) este încă cea mai des folosită metodă pentru conservarea microbiană şi enzimală care conduce la păstrare pe termen lung. Din cauza expunerii la temperaturi ridicate, această metodă calorică oferă de obicei dezavantaje pentru multe produse alimentare. Producerea de noi substanţe în urma reacţiilor cu catalizatori la temperaturi înalte şi modificările macromoleculare, la fel ca şi deformarea structurilor celulare de plante şi animale pot cauza o reducere a calităţii. Tratarea la temperaturi ridicate a alimentelor poate cauza alterări nedorite ale atributelor senzoriale: textură, culoare, miros şi calităţi nutriţionale,vitamine şi proteine. Ultrasunetele şi-au dovedit potenţialul în distrugerea patogenilor existenţi în alimente ca: E-coli, Salmonela, Ascaris, Giargia şi Poliovirus. Sinergii ale ultrasunetelor cu temperatura şi presiunea Tehnologia ultrasunetelor este de obicei mai eficientă când este combinată cu alte metode antimicrobiene, ca: • • •

ultrasunete + temperatură, în prezenţa căldurii şi a ultrasunetelor presiune + ultrasunete presiune + temperatură + ultrasunete

Avantajul tehnologiei cu ultrasunete Utilizarea ultrasunetelor pentru extracţia şi conservarea alimentelor este un nou şi important proces tehnologic ce poate fi aplicat în siguranţă, nedăunând mediului, dar în acelaşi timp fiind eficient şi economic. Efectul de omogenizare şi conservare poate fi folosit cu uşurinţă pentru sucuri şi piureuri de fructe ( portocale, mere, grapefruit, mango, struguri, prune) la fel şi pentru sosurile si supele de legume, ca sosul de roşii sau supa de sparanghel. 3

Omogenizarea Omogenizarea şi amestecarea sub influenţa ultrasunetelor Omogenizarea sub influenţa ultrasunetelor este un proces mecanic de reducere al particulelor mici dintr-un lichid pentru a deveni uniforme şi distribuite în mod egal. Impactul omogenizării Când procesoarele ultrasonice sunt folosite ca omogenizatori, scopul lor este de a reduce particulele mici dintr-un lichid pentru a îmbunătăţi uniformitatea şi stabilitatea. Aceste particule pot fi solide sau lichide. O reducere a diametrului sporeşte numărul de particule individuale. Acest fapt duce la o reducere a distanţei medii dintre particule şi sporeşte suprafaţa pe care se află particulele. Omogenizarea la presiune ridicată Cel mai întâlnit mecanism pentru omogenizare este omogenizarea la presiune ridicată. Acolo, lichidul este agitat la presiune ridicată (aprox. 2000 de bari) printr-o valvă omogenizantă. După ce trece de valvă, lichidul este supus unei alternări de presiune joasă şi înaltă. În timp ce acest mecanism funcţionează foarte bine pentru particule mici şi fine, ca globulele grase din lapte, pentru materialele abrazive sau dure, ca pigmenţii, oxizii de metal, sau materialele fibroase (piureuri de fructe) este limitat. Avantajele omogenizării cu ajutorul ultrasunetelor Omogenizarea cu ultrasunete este foarte eficientă pentru reducerea particulelor fine şi dure. Omogenizarea se bazează pe cavitaţie. Un avantaj major al omogenizării cu ultrasunete este numărul scăzut al părţilor în mişcare şi umede. Acest fapt reduce frecarea.

Dispersia Dispersia şi deaglomerarea cu ajutorul ultrasunetelor

4

Dispersia şi deaglomerarea solidelor în lichide este un proces important ce implică utilizarea ultrasunetelor. Amestecul substanţelor sub formă de pulbere cu lichide este un procedeul frecvent întâlnit în prepararea diferitelor produse ca cerneala, şampoanele sau băuturile. Particulele individuale sunt ţinute împreună prin atracţie de forţede natură fizică sau chimică, incluzând forţele Wan der Waals şi tensiunea de suprafaţă a lichidelor. Acest efect este mai puternic pentru lichidele foarte vâscoase, ca polimerii sau răşinile. Emulsificarea Fabricarea emulsiilor prin intermediul cavitaţiei rezultate din interacţiunea cu ultrasunete O mare varietate de produse intermediare şi de consum, cum ar fi cosmeticele sau produsele de îngrijire a tenului, unguentele farmaceutice, lacuri, vopsele, lubrifianţi şi combustibili sunt formaţi în totalitate sau în mare parte din emulsii. Obţinerea emulsiilor constă în dispersia a două sau mai multe lichide nemiscibile. Ultrasunetele de intensităţi ridicate conferă forţa necesară pentru dispersia unui lichid în particule mici. În timpul dispersiei, implozia de bule rezultate în urma cavitaţiei cauzează unde intense de şoc în lichid şi conduc la formarea jeturilor în lichidul agitat. Pentru a stabiliza noile picături formate pe suprafaţa dispersată şi a împiedica fuzionarea acestora, emulsificatorii (substanţe active la suprafată, surfactanţi) şi stabilizatori sunt adăugaţi emulsiei. Stabilizatorii au rolul de a menţine picăturile nou formate la o densitate constantă. Studiile asupra uleiului amestecat cu apă au arătat corelaţia dintre densitate şi mărimea picăturilor. Se observă o tendinţă a picăturilor de dimensiuni mici de a-şi mări densitatea. La densiţăţi de valori apropiate, ultrasunetele pot contribui la mărirea diametrului picăturilor până la valori de aproximativ 1 micron (microemulsie). Degazarea Degazarea lichidelor cu ajutorul ultrasunetelor Degazarea lichidelor este o aplicaţie interesantă a utilizării ultrasunetelor. În acest caz, ultrasunetele înlătură micile bule de aer din lichid şi reduc nivelul de gaz dizolvat în structura moleculară a acestuia. Degazarea lichidului este necesară în realizarea mai multor procese ca: - pregătirea procesului de măsurare a mărimii particulelor pentru a evita măsurarea cu erori; - degazarea uleiului şi a lubrifiantului înainte de a fi pompate, pentru a reduce uzura pompei datorată cavitaţiei; - degazarea alimentelor lichide, ca sucurile, sosurile sau vinurile, pentru a reduce sporirea stratului microbian; - degazarea polimerilor şi lacurilor înainte de aplicare şi conservare

5

Degazarea apei cu ajutorul ultrasunetelor (5 secunde)

Degazarea uleiului cu ajutorul ultrasunetelor (5 secunde) Detectarea scurgerii lichidelor din sticle sau cutii cu ajutorul ultrasunetelor Ultrasunetele sunt folosite în industrie pentru îmbuteliatul şi umplerea recipientelor. Degajarea intstantanee de dioxid de carbon constituie un defect de etanşeitate al recipienţilor în care vor fi îmbuteliate băuturile carbogazoase. Băuturile carbogazoase, ca apa minerală şi berea au o concentraţie mare de dioxid de carbon dizolvat. Ultrasunetele vor mări viteza de degazare în mod semnificativ. În cazul băuturilor carbogazoase, dioxidul de carbon va forma instantaneu bule care se vor ridica la suprafaţă.

Avantajele folosirii ultrasunetelor în industria îmbutelierii • •

economisire siguranţă

•

continuitate

•

posibilitatea de aumple peste 36,000 de sticle pe ora

•

aparatură compactă

Efectul constă într-o creştere rapidă a presiunii din recipienţii de aliminiu sau sticle. Presiunea ridicată conduce la o curgere imediată a lichidului, dacă recipientul nu este anti-scurgere. Cu sisteme de control al nivelului şi presiunii, recipienţii care curg pot fi înlăturaţi fără a se pierde din lichid. Pentru testarea acestora, un aparat bazat pe folosirea ultrasunetelor este integrat în maşina de umplere, în acest fel, sticlele şi cutiile de aluminiu defecte sunt înlăturate.

6

•

atmosfera uscată

•

ultrasunetele sunt utilizate în timp ce recipienţii sunt în mişcare

7