بهبود ژل شدن میوه و سبزیجات با استفاده از اولتراسونیک (دستگاه هموژنایزر صنعتی)

غلیظ کردن سس‌ها، آب‌میوه‌ها، مرباها و سایر غذاها به‌وسیله ژله‌سازی فرآیندی رایج در تولید مواد خوراکی مایع است. استخراج اولتراسونیک با دستگاه هموژنایزر صنعتی پکتین ها و قندهای طبیعی درون سلولی از میوه ها و سبزیجات یک روش بسیار کارآمد برای بهبود ژل شدن محصولات غذایی بدون افزودن قندهای تصفیه شده است. در نتیجه، فراصوت (اولتراسونیک) نه تنها با کاهش هزینه‌های تولید، بازده اقتصادی را افزایش می‌دهد (زیرا قند و افزودنی‌های غلیظ‌کننده غیر ضروری هستند)، بلکه به تولید غذاهای سالم‌تر و کم‌کالری کمک می‌کند.

ژل شدن و غلیظ شدن محصولات غذایی

تهیه ژل از میوه های غنی از پکتین یک فرآیند پراستفاده برای تولید محصولات غذایی مختلف از جمله سس، پوره، سس کچاپ، آب میوه، اسموتی، مارمالاد و مربا است. غلیظ شدن و ژله شدن چنین غذاهایی اغلب مستلزم افزودن شکر در مقادیر زیاد برای رسیدن به درجه ژل شدن مطلوب است. افزودن قندهای تصفیه شده به این علت ضروری است که پکتین ها و قند طبیعی موجود در میوه ها و سبزیجات در ماتریکس سلولی سلول های گیاهی محبوس می شوند و در آنجا عمدتاً بدون استفاده باقی می مانند.

راه حل: استخراج اولتراسونیک پکتین ها و قندهای طبیعی

فراصوت (اولتراسونیک) یک فناوری اثبات شده برای استخراج مولکول های فعال زیستی از گیاهانی مانند میوه ها و سبزیجات است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین، فراصوت (اولتراسونیک) یک تکنیک ارزشمند در فرآوری مواد غذایی مانند تولید آبمیوه، اسموتی، نوشیدنی، سس، پوره، سس گوجه فرنگی، کنسانتره میوه، مربا و مارمالاد است که در آن امواج اولتراسونیک به آزادسازی ترکیبات طعم دهنده، پکتین ها و قندها (به عنوان مثال فروکتوز) از ماتریکس سلولی مواد گیاهی کمک می کنند. این بدان معناست که التراسونیک نه تنها ژل شدن را تقویت می کند، بلکه محصولات غذایی را بدون افزودن طعم دهنده ها، قندها و سایر مواد افزودنی طعم دارتر و شیرین تر می کند. با افزایش تقاضا برای غذاهای طبیعی و کم فرآوری شده، فرآوری مواد غذایی با امواج مافوق صوت فناوری ایده آلی برای ایجاد غذاهای سالم و با طعم قوی است. استخراج پکتین التراسونیک با دستگاه هموژنایزر صنعتی یک استراتژی آماده سازی بسیار به صرفه، کارآمد، قابل اعتماد، همراه باصرفه جویی در انرژی و سازگار با محیط زیست است، به ویژه برای پکتین کم متوکسیل.

پکتین به دلیل خاصیت ژل‌سازی، یک ماده مناسب در محصولات غذایی کم قند و سالم است. با اعمال تابش اولترا سونیک با دستگاه هموژنایزر صنعتی به مایعات مبتنی بر میوه و سبزیجات، می توان از افزودن شکر تصفیه شده جلوگیری کرد یا به میزان قابل توجهی کاهش داد، زیرا پکتین خواص ژل شدن مورد نظر را از خود بروز داده و به خواص رئولوژیکی مطلوب محصول غذایی نیز کمک می کند.

از دیگر مزایای فرآوری مواد غذایی با دستگاه التراسونیک هموژنایزر می توان به غیرفعال کردن آنزیم هایی مانند پکتین متیل استراز و همچنین همگن سازی (بافت صاف تر) و پاستوریزاسیون (بهبود پایداری میکروبی) اشاره کرد.

مزایای استخراج پکتین اولتراسونیک با دستگاه هموژنایزر صنعتی و ژل کردن

• فرآیند ملایم

• بدون شکر یا با شکر کمتر

• سرعت بالا

• بدون مواد افزودنی، یا با مواد افزودنی کمتر

• محصولات غذایی سالم

• عملیات کاملاً مکانیکی

• از نظر اقتصادی سودمند / مقرون به صرفه

• کارکرد آسان و ایمن

• نصب ساده یا نصب مجدد

• به طور کامل مقیاس پذیر خطی

• قابل اجرا در هر ظرفیت

استخراج پکتین، طعم طبیعی و قند توسط اولتراسونیک از ماتریکس سلولی گیاهی با موفقیت در مرکبات، پرتقال، لیمو، انبه، پشن فروت، سیب، گلابی، هلو، گوجه فرنگی و بسیاری از میوه ها و سبزیجات دیگر اعمال شده است.

چگونه از تخریب ساختار پکتین مولکولی جلوگیری کنیم؟

فراصوت (اولتراسونیک) می تواند تشکیل ژل را در محصولات میوه و سبزیجات حاوی پکتین بسیار تقویت کند. با این حال، اعمال کردن امواج التراسونیک با شدت زیاد توسط دستگاه هموژنایزر صنعتی یا برای مدت طولانی، می تواند ساختار مولکولی پکتین را از بین ببرد و در نتیجه کیفیت ژل شدن را کاهش دهد.شرکت فاپن با ساخت پیشرفته ترین دستگاه های اولتراسونیک در ایران، این امکان را فراهم می کند که تنظیمات دقیق عملیات، کنترل و نظارت بر فرآیند استخراج پکتین در اختیار مشتریان قرار بگیرد. تنظیمات به راحتی در دسترس، گزینه ای برای ذخیره پارامترهای فرایند اطمینان حاصل می کند که محصول شما تحت شرایط بهینه تحت تابش امواج فراصوت (اولتراسونیک) قرار می گیرند.

دستگاه التراسونیک هموژنایزرهای ایرانی ساخت شرکت دانش بنیان فناوری ایرانیان پژوهش نصیر (فاپن) می تواند به طور مداوم عملکرد 24/7 داشته باشد و با پشتیبانی مناسب و خدمات پس از فروش، به خریدار اطمینان خاطر بالایی جهت مداوم بودن روند تولید ارائه کند.

نکات دانستنی جالب:

پکتین در مواد غذایی

پکتین یک پلی ساکارید است که در دیواره سلولی اکثر سبزیجات و میوه ها وجود دارد. پکتین ها به دلیل خواص ژل کنندگی و غلیظ کنندگی قابل توجه خود شناخته می شوند که پکتین ها را به یک افزودنی پرکاربرد در صنایع غذایی تبدیل می کند. علاوه بر این، پکتین ها به دلیل خواص مفید برای سلامتی شناخته شده اند.

تولید ژل با میوه ها یا سبزیجاتی که مقدار زیادی پکتین در خود دارند چالش برانگیز نیست. افزودن شکر باعث ژل شدن پکتین با پکتین کم متوکسیل (LM) می شود. با این حال، استفاده از پکتین کم متوکسیل (LM) به طور متوسط به مقدار زیادی قند اضافه شده (تقریباً 50 درصد وزنی) نیاز دارد. بنابراین، پکتین های کم متوکسیل (LM) در ترکیب با مقادیر بسیار زیاد قندهای افزوده شده فقط برای دسرها، مرباها و مارمالادها مناسب است.

به عنوان مثال، آنزیم های پلی گالاکتروناز، پکتین لیاز و پکتین متیل استراز (PME) بخشی از گروه آنزیم های پکتینولیتیک یا پکتینازها هستند که پیوندهای گلیکوزیدی مواد پکتی را هیدرولیز می کنند. امواج اولتراسونیک برای غیرفعال کردن آنزیم هایی مانند پکتینازها به منظور به دست آوردن محصولات غذایی پایدارتر استفاده می شود.

اهمیت تابش فراصوت:

تابش امواج فراصوت با مبدلی که معمولاً به شکل حمام فراصوت [ⁱ] یا پروب فراصوت [ⁱⁱ] است، انجام میشود. انتشار امواج فراصوت در محیط مایع سبب حفره‌سازی صوتی می‌گردد و نتیجة آن تشکیل، رشد و فروپاشی حباب‌ها همراه با انتشار جریان صوتی است. فروپاشی حباب می‌تواند منجر به غلظت بسیار زیاد انرژی ناشی از تبدیل انرژی جنبشی حرکت مایع به حرارت دادن محتویات حباب شود. دمای محلی 5000 کلوین و فشار 1000 اتمسفر همراه با خنک شدن فوق العاده سریع، وسیله‌ای برای انجام واکنش‌های شیمیایی در شرایط شدید فراهم می‌کنند[ⁱⁱⁱ]. با عبور امواج فراصوت از میان محیط مایع، امواج سینوسی در محیط پخش می‌شوند. در طول مرحلة رقیق شدن در نیم‌دورة فراصوت، هنگامی که فشار متراکم ‌شده در محیط به اندازة کافی زیر فشار هوا یا فشار استاتیک باشد، حباب‌های درون محیط رشد می‌کنند. هسته‌های احتمالی برای وقوع حفره‌سازی حباب‌های گازی هستند که در دیواره‌ها و شکاف‌های راکتور به دام افتاده‌اند و یا حباب‌های کوچکی هستند که از قبل در محیط حضور داشتند. اگر دامنة فشار امواج فراصوت به اندازة کافی بالا باشد، حباب‌ها به سرعت دچار انبساط می‌شوند (بیش از دو برابر اندازة اصلی). رشد حباب با تبخیر آب در سطح داخلی آن همراه است (فرض بر این است که محیط واکنش فقط آب است) و مولکول‌های بخار آب در حباب پخش می‌شوند[^iv]. تعدادی از حباب‌هایی که به حداکثر رشد خود می‌رسند، ناپایدارند و دچار فروپاشی می‌شوند. فروپاشی حباب‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و به‌همین دلیل این فرایند به‌صورت بی‌دررو اتفاق می‌افتد.

مولکول‌های بخار وارد شده به حباب در طول انبساط، در فاز فشرده‌سازی به طرف سطح داخلی حباب حرکت می‌کنند و در آنجا داخلی متراکم می‌شوند. لحظات نهایی فروپاشی حباب، حرکت شعاعی حباب سریع انجام می‌شود و همة مولکول‌های بخار آب قادر نیستند بر روی دیوارة حباب جایگزین شوند. پس همة مولکول‌های بخاری که به سطح حباب نزدیک می‌شوند نمی‌توانند به آن بچسبند و مجبور به تراکم می‌شوند. در نتیجه بخار آب در حباب به دام می‌افتد و در معرض دماهای شدید و شرایط فشار تولید شده در حباب در زمان فروپاشی قرار می‌گیرد. در نهایت مولکول‌های بخار آب دچار گسستگی می‌شوند و رادیکال‌ها تولید می‌شوند. سرعت تولید رادیکال‌ها وابسته به تعداد کل مولوکول‌های آب موجود در حباب در طول فروپاشی، شدت فروپاشی (یعنی مقدار دما و فشار موجود در حباب در لحظة فروپاشی) و تعداد حبابها در محیط است. رادیکال‌ها باعث سریع شدن واکنش‌های شیمیایی می‌شوند[^v].

نکتة قابل ذکر این است که خصوصیات پدیده‌هایی که در سونوراکتورها دخیل هستند برای طراحی بهینه فرایندهای شیمیایی مهم هستند [^vi].

اثرات شیمیایی سونوشیمی:

اثر اصلی شیمیایی ناشی از انتشار امواج فراصوت در محیط مایع تولید رادیکال‌ها از طریق فروپاشی گذرای حفرة حباب است که واکنش‌ها را تسریع می‌کند[v].

اثرات فیزیکی سونوشیمی:

اثرات فیزیکی ناشی از انتشار امواج فراصوت چندین مورد است. این اثرات عمدتا باعث جابجایی‌های قوی در محیط مایع از طریق مکانیسم‌های مختلف هستند که در زیر شرح داده شده اند:

جریان صوتی

انتشار امواج فراصوت در محیط مایع باعث ایجاد دامنة حرکت نوسانی کوچک عناصر مایع در اطراف موقعیت میانی می‌شود. این پدیده Microstreaming(ریز جریان) نامیده می‌شود[^vii]. سرعت آن به‌صورت = V داده می‌شود که فشار میدان نوسانی موج فراصوت، چگالی محیط و c سرعت صوت در محیط است.

ریز آشفتگی

حرکت شعاعی حفرة حباب باعث حرکت نوسانی مایع در مجاورت خودش می‌شود که Microturbulence (آشفتگی کوچک) نامیده می‌شود. این پدیده به شرح زیر است: در طول فاز انبساط، مایع از مرکز حباب جابجا می‌شود. درطول فاز فروپاشی مایع به طرف حباب کشیده می‌شود چنانکه آنرا پر می‌کند و در واقع خلأ ایجاد شده با کاهش سایز حباب با مایع پر می‌شود. متوسط سرعت آشفتگی کوچک وابسته به دامنة نوسان حباب است. با این حال باید توجه داشت که این پدیده تنها در ناحیه بسته مجاورت حباب اتفاق می‌افتد. سرعت آن در فاصله ای دور از حباب خیلی سریع کاهش می‌یابد[v].

موج شوک یا شاک ویو

همانطور که در بالا ذکر شد در طول حرکت شعاعی فشرده‌سازی ، عناصر مایع مجاور حباب، به سمت دیوارة حباب همگرا می‌شوند. برای یک حباب گاز (حاوی گاز غیر متراکم مانند هوا) فشرده‌سازی بی‌دررو اتفاق می‌افتد. در نقطة حداقل شعاع (حداکثر فشرده‌سازی) دیوارة حباب دچار توقف ناگهانی و برگشت پذیر با سرعت بالا می‌شود[v]. این بازتاب موج شوک را می‌سازد که در محیط پخش می‌شود. در واقع موج شوک ناشی از حرکت مایع اطراف حباب تولید میشود که در انتهای فاز فشرده‌سازی تمایل به حرکت به سمت خارج از مرکز حباب دارد.

اولین تحقیقات مربوط به تاثیر ویسکوزیته برای وقوع موج شوک اولیه در مایعات بیش از 50 سال پیش توسط پوریتسکی، زباباخین و20 سال پیش توسط برنن انجام شد. در نتیجه نشان داده‌شد که موج شوک در مایعات با ویسکوزیتة به اندازة کافی بالا مانند گلیسیرین ناپدید می‌شود. علاوه بر این، بررسی عددی و تجربی Hegedus و همکارانش نشان دادکه شکل گیری امواج شوک نه تنها وابسته به عدد ماخ لحظه‌ای است، بلکه به عدد Reynolds لحظه ای به صورت = (r(t) r ̇(t)) /ϑ نیز بستگی دارد ، که r(t) شعاع حباب وابسته به زمان و ϑ ویسکوزیته سینماتیک است[^viii].

با توجه به کاهش سریع ویسکوزیته در مایعات با افزایش دما، تاثیر ویسکوزیته به دمای پایین برای مایعات محدود می‌شود. از سوی دیگر، برنن دریافت که دینامیک حباب و موج شوک عمدتا تحت تاثیر فشار بخار است البته در صورتیکه دمای مایع حدود 70-80 درصد از دمای جوش خود باشد[^ix]. در کاربردهای واقعی، مانند زمینه‌های به سرعت در حال توسعه از تکنولوژی فراصوت، امواج شوک تولید شده از یک فروپاشی حباب می‌تواند به روش‌های مختلفی استفاده شود. به عنوان مثال برای کاهش وزن مولکولی پلیمرها، برای افزایش بازده کاتالیز ناهمگن و یا برای مخلوط کردن دو مایع ناپیوسته برای تولید امولسیون‌های بسیار پایدار[viii].

میکروجت

حباب در طول حرکت شعاعی هندسة کروی خود را تا زمانی که حرکت مایع در مجاورت آن متقارن و یکنواخت است نگه می‌دارد، در نتیجه گرادیان فشار وجود ندارد. اما اگر حباب نزدیک به مرز قرار بگیرد (جامد-مایع یا گاز-مایع یا مایع-مایع) از حرکت مایع در نزدیکی آن مرز ممانعت می‌شود و نتیجه رشد گرادیان فشار نزدیک آن است. این غیر یکنواختی فشار نتیجه‌اش از دست دادن هندسة کروی حباب است. در طول حرکت شعاعی نامتقارن بخشی از حباب که در معرض فشار بالاتر است زودتر از بقیة حباب دچار فروپاشی می‌شود که این باعث افزایش تولید جت مایع با سرعت بالا می شود. با این حال جهت این جت وابسته به خصوصیات مرزی است. برای یک مرز سخت میکروجت‌ها به سمت مرز هدایت می‌شوند درحالیکه برای یک مرز آزاد میکروجت‌ها به دور از مرز هدایت می‌شوند. سرعت میکروجت‌ها در محدودة m/s 120- 150 تخمین زده‌شده‌است. در مورد مرزهای سخت این جت‌ها می‌توانند باعث آسیب شدید در نقطة ضربه شوند و سطح را ساییده کنند[v].

i - Yadav, R. S., Mishra, P., & Pandey, A. C. (2008). Growth mechanism and optical property of ZnO nanoparticles synthesized by sonochemical method. Ultrasonics sonochemistry, 15(5), 863-868.

ii - Prasad, K., Pinjari, D. V., Pandit, A. B., & Mhaske, S. T. (2010). Synthesis of titanium dioxide by ultrasound assisted sol–gel technique: effect of amplitude (power density) variation. Ultrasonics sonochemistry, 17(4), 697-703.

iii - Suslick, K. S., & Price, G. J. (1999). Applications of ultrasound to materials chemistry. Annual Review of Materials Science, 29(1), 295-326.

iv - Atchley, A. A., & Prosperetti, A. (1989). The crevice model of bubble nucleation. The Journal of the Acoustical Society of America, 86(3), 1065-1084.

v - Kuppa, R., & Moholkar, V. S. (2010). Physical features of ultrasound-enhanced heterogeneous permanganate oxidation. Ultrasonics sonochemistry, 17(1), 123-131.

vi - Jüschke, M., & Koch, C. (2012). Model processes and cavitation indicators for a quantitative description of an ultrasonic cleaning vessel: Part I: Experimental results. Ultrasonics sonochemistry, 19(4), 787-795.

vii - Leighton, T. G. (1995). Bubble population phenomena in acoustic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry, 2(2), S123-S136.

viii - Garen, W., Hegedűs, F., Kai, Y., Koch, S., Meyerer, B., Neu, W., & Teubner, U. (2016). Shock wave emission during the collapse of cavitation bubbles. Shock Waves, 26(4), 385-394.

ix - Akhatov, I., Lindau, O., Topolnikov, A., Mettin, R., Vakhitova, N., & Lauterborn, W. (2001). Collapse and rebound of a laser-induced cavitation bubble. Physics of Fluids, 13(10), 2805-2819.