NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................................................1
PHỤ LỤC BẢNG...........................................................................................................................3
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.............................................................................4
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................................5
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................................6
Hình 2.1. Trạng thái của sóng siêu âm (McClements, 1995)..........................................................9
Hình 2.2. Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin , khoảng cách đối lập với biên độ sóng âm.....10
Hình 2.3. Máy phát từ giảo (Magnetostrictive transducer)............................................................14
Hình 2.4. Máy phát điện áp (Piezoelectric transducer)..................................................................15
Bảng 4.1. Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Alex Patist ,
Darren Bates , 2008).....................................................................................................................29
Hình 4.1. Sơ đồ một tế bào vi khuẩn trong suốt quá trình xâm thực khí, cho thấy những hiệu quả
tiêu diệt của siêu âm như sự hình thành các lỗ, sự đứt đoạn màng tế bào , và sự phá vỡ tế bào....37
Hình 4.2. Hình ảnh dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM)độ chân không cao của sự kiểm soát
(trên cùng bên trái) và siêu âm - nhiệt tế bào Listeria, cho thấy những tác động gây chết của xâm
thực khí trong các tế bào chẳng hạn như hình thành lỗ rỗng, sự đứt đoạn màng tế bào, và vỡ tế
bào. Độ phóng đại: (a) 150.000 ×, (b) 50.000 ×, (c)50.000 ×, và (d) × 50.000. ...........................38
Bảng 4.2. Một số nghiên cứu chiết xuất các chất có hoạt tính sinh học hỗ trợ bằng siêu âm
(Kamaljit Vilkhu et al., 2008).......................................................................................................47
Hình 5.1. Nguyên tắc của các hệ thống cắt siêu âm và cấu hình chính cho sự tương tác giữa
nguyên liệu cắt và công cụ cắt. Mô tả chi tiết cho a, b và c, xem văn bản. || là điểm kích thích. Các
mũi tên một đầu chỉ chiều của trục di chuyển; mũi tên hai đầu chỉ chiều của trục rung động.......51
Hình 5.2. Đánh giá lực cắt so với chiều sâu cắt trong một quá trình cắt xén của ruột bánh mì đại
mạch. Điều kiện thí nghiệm: tốc độ cắt tuyến tính, 1.000mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên
độ kích thích, 12 μm.....................................................................................................................52
Hình 5.3. Hình dạng của ruột bánh mì đại mạch trong suốt thời gian cắt thông thường và cắt siêu
âm. Các điều kiện thử nghiệm: vận tốc cắt, 1.000 mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên độ
siêu âm, 12 μm. Mẫu mặt cắt ngang là 30 × 30 mm......................................................................53
Hình 5.4. Hình dạng của các sản phẩm bánh nướng nhiều lớp sau khi cắt thông thường và cắt siêu

âm. Điều kiện thử nghiệm: vận tốc cắt, 1.000 mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên độ siêu
âm, 12 μm. Chiều rộng mẫu xấp xỉ 30 mm...................................................................................54
Hình 5.5. Hoạt động của membrane..............................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................60
1
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
PHỤ LỤC HÌNH
Hình 2.1. Trạng thái của sóng siêu âm (McClements, 1995)..........................................................9
Hình 2.2. Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin , khoảng cách đối lập với biên độ sóng âm.....10
Hình 2.3. Máy phát từ giảo (Magnetostrictive transducer)............................................................14
Hình 2.4. Máy phát điện áp (Piezoelectric transducer)..................................................................15
Hình 4.1. Sơ đồ một tế bào vi khuẩn trong suốt quá trình xâm thực khí, cho thấy những hiệu quả
tiêu diệt của siêu âm như sự hình thành các lỗ, sự đứt đoạn màng tế bào , và sự phá vỡ tế bào....37
Hình 4.2. Hình ảnh dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM)độ chân không cao của sự kiểm soát
(trên cùng bên trái) và siêu âm - nhiệt tế bào Listeria, cho thấy những tác động gây chết của xâm
thực khí trong các tế bào chẳng hạn như hình thành lỗ rỗng, sự đứt đoạn màng tế bào, và vỡ tế
bào. Độ phóng đại: (a) 150.000 ×, (b) 50.000 ×, (c)50.000 ×, và (d) × 50.000. ...........................38
2
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
Hình 5.1. Nguyên tắc của các hệ thống cắt siêu âm và cấu hình chính cho sự tương tác giữa
nguyên liệu cắt và công cụ cắt. Mô tả chi tiết cho a, b và c, xem văn bản. || là điểm kích thích. Các
mũi tên một đầu chỉ chiều của trục di chuyển; mũi tên hai đầu chỉ chiều của trục rung động.......51
Hình 5.2. Đánh giá lực cắt so với chiều sâu cắt trong một quá trình cắt xén của ruột bánh mì đại
mạch. Điều kiện thí nghiệm: tốc độ cắt tuyến tính, 1.000mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên
độ kích thích, 12 μm.....................................................................................................................52
Hình 5.3. Hình dạng của ruột bánh mì đại mạch trong suốt thời gian cắt thông thường và cắt siêu
âm. Các điều kiện thử nghiệm: vận tốc cắt, 1.000 mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên độ
siêu âm, 12 μm. Mẫu mặt cắt ngang là 30 × 30 mm......................................................................53
Hình 5.4. Hình dạng của các sản phẩm bánh nướng nhiều lớp sau khi cắt thông thường và cắt siêu
âm. Điều kiện thử nghiệm: vận tốc cắt, 1.000 mm/phút; tần số kích thích, 40 kHz; biên độ siêu

âm, 12 μm. Chiều rộng mẫu xấp xỉ 30 mm...................................................................................54
Hình 5.5. Hoạt động của membrane..............................................................................................55
PHỤ LỤC BẢNG
PHỤ LỤC BẢNG...........................................................................................................................3
Bảng 4.1. Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Alex Patist ,
Darren Bates , 2008).....................................................................................................................29
Bảng 4.2. Một số nghiên cứu chiết xuất các chất có hoạt tính sinh học hỗ trợ bằng siêu âm
(Kamaljit Vilkhu et al., 2008).......................................................................................................47
3
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
4
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành được đồ án này, em đã vận dụng những kiến thức quý
báu mà mình đã được tiếp thu từ các thầy cô trong suốt gần 4 năm học tập và rèn
luyện ở trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Chính nhờ được học
tập trong một môi trường năng động, luôn khơi dậy tinh thần tự học và sáng tạo của

sinh viên đã giúp em có thêm kinh nghiệm sống và sự tự tin trước khi bước vào con
đường đời đầy chông gai phía trước.
Qua đây em xin được gửi lời cám ơn đặc biệt của mình đến:
+ Thầy Huỳnh Trung Việt, giáo viên hướng dẫn, người đã theo sát em trong suốt
quá trình thực hiện đồ án môn học này. Chính nhờ những lời chỉ dạy kịp thời của
thầy trong 3 tháng qua đã giúp em có thể hoàn thành tốt đồ án này.
+ Các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Thực phẩm trường Đại học Bách Khoa đã
tận tình truyền đạt kiến thức cho em trong 4 năm qua.
5
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn.
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay , các nhà khoa học thực phẩm không những chú trọng đến những thực
phẩm an toàn về mặt vi sinh với thời gian bảo quản lâu , mà còn quan tâm đến
những thực phẩm dạng tươi và chất lượng cao về mùi , hương vị và cấu trúc . Việc
chú trọng này dựa trên nhu cầu của người sử dụng , là một trong những nguyên
nhân chính của việc nghiên cứu liên tiếp trong lĩnh vực được gọi là những kỹ thuật
nổi bật . Theo truyền thống , phương pháp nhiệt được sử dụng để sản xuất những
thực phẩm an toàn. Thanh trùng nước trái cây, sữa , bia và rượu là quá trình phổ
biến trong những sản phẩm có thời gian bảo quản vài tuần ( thường là trong tủ lạnh)
. Tuy nhiên , các vitamin , hương vị , màu sắc và các đặc tính cảm quan đều bị giảm
trong quá trình xử lý nhiệt . Nhiệt độ cao là nguyên nhân gây nên những ảnh hưởng
này và có thể quan sát được sự mất mát của các thành phần dinh dưỡng và sự thay
đổi về hương , mùi vị, cấu trúc , thường phải sử dụng phụ gia để cải thiện sản
phẩm . Vì vậy, một trong những thách thức của ngành khoa học thực phẩm hiện nay
6
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
là phát triển những công nghệ mới có thể đồng thời đảm bảo tính chất lượng cao và
kéo dài thời gian bảo quản. Trong những năm gần đây, những công nghệ mới phổ
biến nhất đang được thử nghiệm trong các phòng thí nghiệm khoa học thực phẩm là

áp lực cao, xung điện, tia tử ngoại, chiếu xạ, xung ánh sáng, và siêu âm, và một số
đã được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, trong khi các công nghệ khác đang
nổi lên vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm ở phòng thí nghiệm. Kỹ thuật siêu âm
được áp dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm chủ yếu như một quá trình hỗ trợ
chế biến và để làm sạch / khử trùng các bề mặt máy, nhưng tính khả dụng của nó
vẫn còn đang được nghiên cứu.
1. GIỚI THIỆU
Phần lớn các tài liệu về các loại thực phẩm chế biến bằng siêu âm, bao gồm cả
việc sử dụng nó để tăng cường cho các kỹ thuật thực phẩm khác, là ứng dụng cụ thể
và báo cáo các thông số của quá trình và kết quả cho một loại thử nghiệm duy nhất.
Báo cáo này xem xét quá trình các thông số qua nhiều thí nghiệm, cũng như nhiều
ứng dụng trong lĩnh vực siêu âm đã có được sự thành công. Cuộc thảo luận bao
gồm về các nguyên tắc kỹ thuật sau những kết quả thực nghiệm được báo cáo trong
tài liệu. Để thể hiện sự khác biệt giữa siêu âm tần số cao và siêu âm tần số thấp, các
thông số và các ứng dụng của siêu âm cũng sẽ được thảo luận. Chú trọng đặc biệt sẽ
được đặt vào những ứng dụng trong kỹ thuật thực phẩm như là một sự cập nhật về
việc nghiên cứu để bất hoạt vi sinh vật, mô tả các loại thí nghiệm được tiến hành, lý
thuyết cơ bản về bất hoạt vi sinh vật, và các quá trình khác nhau có sử dụng nhiệt và
áp lực kết hợp với siêu âm. Sử dụng trong vô hoạt enzyme sẽ được đề cập, mặc dù
thông tin là khan hiếm, và các ứng dụng của siêu âm không phá hủy và siêu âm tần
7
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
số cao sẽ được xem xét trong một nỗ lực để hiển thị các ứng dụng rộng rãi của công
nghệ trong lĩnh vực này.
Như vậy, mục tiêu tổng thể của bài báo cáo này là để hiển thị các thông số, cơ
chế, và kết quả thí nghiệm khác nhau trên thế giới đã sử dụng siêu âm tần số thấp và
siêu âm tần số cao, từ đó có thể dễ dàng hiểu được nguyên tắc cơ bản của công
nghệ, mà đã có chứng minh thành công trong nhiều lĩnh vực khoa học thực phẩm và
công nghệ chế biến thực phẩm.
2. NGUYÊN TẮC CHUNG

Siêu âm bao gồm một loạt các sóng âm với tần số cao, bắt đầu tại 16 kHz, mà là
gần giới hạn trên của ngưỡng nghe được ở con người (Elmehdi et al., 2003; Hecht,
1996). Khi cho một nguồn bức xạ âm thanh vào một môi trường gần đó có khối
lượng (ví dụ, không khí, chất lỏng, hoặc chất rắn), âm thanh lan truyền dạng sóng
hình sin. Môi trường phản hồi lại sự lan truyền của các sóng này và cũng có thể duy
trì chúng bằng cách dao động đàn hồi. Những sự rung động đàn hồi của môi trường
có hai dạng : sự ngưng tụ. và sự làm thoáng ( Hecht, 1996; Knorr v.v...., 2004).
Trong thời gian ngưng tụ, những phần tử của môi trường bị nén (ví dụ như khoảng
cách giữa các phần tử tích tụ lại), gây nên sức ép và mật độ của môi trường tăng
( Gallego- Juárez v.v...., 2003; Hecht,. 1996). Trong thời gian có sự làm thoáng,
những phần tử trong môi trường chuyển dịch một phần, vì thế mật độ và áp lực của
môi trường giảm (American Heritage, 2002; Hecht, 1996)…
McClements (1995) mô tả sâu sắc trạng thái của sóng siêu âm bằng cách quan
sát sóng từ hai góc nhìn : thời gian và khoảng cách. Tại một vị trí cố định trong môi
trường, sóng âm có dạng hình sin theo thời gian. Như được thể hiện ở Hình 2.1,
khoảng thời gian từ một biên độ đỉnh cao đến biên độ đỉnh cao khác là khoảng thời
gian τ của sóng hình sin . Điều này theo vật lý có nghĩa là mỗi phần tử tại độ sâu
nào đó trong môi trường (dọc theo đường cách đều nào đó) phải chờ khoảng thời
gian τ trước khi trải qua sóng âm khác bằng với một sóng âm vừa trải qua. Tần số f
của đường sin đại diện cho số lần hoàn tất một dao động trong một đơn vị thời gian
8
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
và là nghịch đảo của khoảng thời gian như trong phương trình (2.1) (McClements,
1995):
f = 1/τ (2.1)
Hình 2.1. Trạng thái của sóng siêu âm (McClements, 1995)
Khoảng cách xem xét hiệu ứng của sóng âm tại bất kỳ thời điểm cố định nào
trên các phần tử trong môi trường đều sâu hơn. Tại bất kỳ thời điểm nào, biên độ
của sóng âm được nhận thấy mạnh mẽ bởi những phần tử gần nguồn sóng âm,
nhưng những phần tử sâu hơn trong môi trường trải qua sóng âm thì kém mạnh mẽ

hơn. Sự giảm biên độ sóng âm thanh theo khoảng cách vì sự suy giảm từ môi
trường. Đường biểu diễn của khoảng cách biên độ sóng âm thật sự là một đường
hình sin theo hàm số mũ giảm dần, như thể hiện trong Hình 2.2. khoảng cách giữa
những đỉnh biên độ liên tiếp là bước sóng (λ).Bước sóng liên quan đến tần số xuyên
qua vận tốc ánh sáng c , theo phương trình (2.2) (McClements, 1995):
λ = c/f (2.2)
9
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
Hình 2.2. Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin , khoảng cách đối lập với biên độ
sóng âm
Kết quả là , những sóng siêu âm di chuyển xuyên qua môi trường với tốc độ
có thể đo được bởi việc tác dụng lên các phần tử (các hạt) của môi trường. Những
sóng tạo dao động tuần hoàn cho những phần tử (hạt) của môi trường tại những vị
trí cân bằng . Tại một thời điểm nào đó , những phần tử đổi chỗ qua lại cho nhau .
Sự thay đổi này gây ra sự tăng giảm tỷ trọng / mật độ và áp suất . Do đó , chỉ có
một loại năng lượng truyền vào môi trường từ sóng siêu âm là cơ học , nó được liên
kết với sự dao động của các phần tử (hạt) trong môi trường (Hecht, 1996).
Với mong đợi đạt được năng lượng truyền , những quá trình xử lý sử dụng
sóng siêu âm tạo sự khác nhau với những quá trình xử lý có sử dụng sóng điện từ
phổ (electromagnetic –EM) , như các sóng từ tia cực tím (UV) , những sóng tần số
vô tuyến (radio frequency – RF), và vi sóng (microwaves – MV) ( Kardos và
Luche , 2001), cũng tốt như xung điện trường (pulsed electric fields – PEF). Sóng
điện từ phổ (EM) và xung điện trường (PEF) tạo ra năng lượng điện từ lên môi
trường , nó được hấp thu bởi các phần tử (hạt) của môi trường . Ví dụ như ánh sáng
UV từ mặt trời có thể truyền đủ năng lượng nguyên tử (4Ev) để phá hủy liên kết
carbon-carbon . Các sóng điện từ phổ (EM waves) tồn tại khi những thành phần của
nguyên tử thay thế - có phần điện tích dương và điện tích âm – di chuyển tự do
10
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
trong sự chuyển động không định hướng . Giữa các phần tử mang điện tích âm và

dương , lộ ra các vùng điện từ . Các vùng điện từ này đi vào môi trường và tác động
sâu vào các nguyên tử , các ion hoặc các phân tử trong môi trường . Ví dụ, vi sóng
xen vào các phân tử phân cực (có một đầu dương và một đầu âm ) trong môi trường
bởi việc làm cho chúng quay quanh và sắp xếp thẳng hàng với các vùng mang điện
liên kết với vi sóng . Trong các lò vi sóng , các phân tử nước trong thực phẩm hấp
thu nhiều bức xạ vi sóng , và những chuyển động quay sau đó được chuyển thành
năng lượng nhiệt (Hecht, 1996). Do đó , sóng điện từ phổ (EM) truyền năng lượng
điện từ vào môi trường , trong khi sóng âm chỉ truyền năng lượng cơ học .
Cũng rất quan trọng để ghi nhớ trong việc so sánh các sóng siêu âm với ánh
sáng là chỉ có sóng âm không chứa những phần tử (hạt) của chính nó. Sóng âm chỉ
làm gián đoạn sự yên tĩnh của môi trường để tạo dao động các phần tử thuộc môi
trường . Không như âm thanh , các nhà vật lý học dường như làm sáng tỏ một điều
bí ẩn chưa được giải quyết , sóng âm lan truyền đồng thời cả hai dòng là dòng tập
trung năng lượng giống phần tử (hạt) và những sóng không tập trung . Sự khác biệt
này trở nên hiển nhiên trong một khoảng không. Khi những khoảng không không
chứa những phần tử (hạt) môi trường , những sóng âm không tập trung không thể
truyền bởi vì chúng không thể tạo sự tập trung hay phân tác các phần tử (hạt) .
Áp lực tác dụng lên tai người bởi những âm thanh lớn là rất nhỏ (<10Pa)
nhưng áp lực từ sóng siêu âm lên các chất lỏng có thể đủ cao (vài MPa) đủ để hỗ trợ
việc khởi đầu một hiện tượng gọi là xâm thực khí quán tính (inertial cavitation),
hiện tượng này có thể phá hủy môi trường (Hecht, 1996; Povey và Mason , 1998).
Sự xâm thực khí quán tính do hoạt động của bong bóng trong chất lỏng và được tạo
ra bởi những sóng siêu âm cường độ rất cao , chúng có thể phá vỡ một phần những
vi cấu trúc của môi trường và sinh ra những gốc tự do . Hiện tượng xâm thực khí
chủ yếu hướng đến việc phá hủy các tế bào vi sinh vật và tạo ra các gốc tự do và các
âm hóa học (sonochemicals) phản ứng hóa học với môi trường lỏng (Chemat et al.,
2004; Knorr et al., 2004). Những ứng dụng của sóng siêu âm đó liên quan với việc
11
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
phát hiện những tì vết / thiếu sót, như việc đảm bảo chất lượng trong quy trình chế

biến thực phẩm , phải được thiết kế để sự xâm thực khí quán trính không thể xảy
ra . Tuy nhiên , những ứng dụng khác của sóng siêu âm dựa vào sự xâm thực khí
quán tính có định hướng để tạo ra những thay đổi mong muốn trong thực phẩm .
Những thay đổi được tạo ra bởi hiện tượng xâm thực khí bao gồm việc vô hoạt hệ vi
sinh vật và trích ly dầu hoặc các hợp chất dinh dưỡng thông qua việc ăn mòn những
cấu trúc tế bào của thực phẩm (Knorr et al. , 2004; Riera – Franco de Sarabia et al. ,
2000). Do đó , hiện tượng xâm thực khí được tránh trong một nhánh công nghệ chế
biến thực phẩm có sử dụng sóng siêu âm và được nghiên cứu trong những lĩnh vực
khác khi cơ chế thích hợp cho tất cả các hiệu quả mong muốn .
2.1. Tổng quan về thiết bị siêu âm
Bất cứ ngành công nghiệp hoặc ứng dụng nào liên quan , những thành phần
hệ thống cơ bản cần để sinh ra và truyền sóng siêu âm đều giống nhau . Thiết bị siêu
âm gồm có máy phát điện (electrical power generator) , bộ chuyển đổi (transducer)
và máy phát (emitter) , nó có nhiệm vụ phát sóng siêu âm vào môi trường (Povey và
Mason , 1998). Ngoại trừ “tiếng huýt từ chất lỏng”, chúng sử dụng năng lượng cơ
học thuần túy mà không có phát điện để sinh ra siêu âm (Mason et al. , 1996) , và
những hệ thống làm thoáng không khí (airborne systems), chúng không yêu cầu có
máy phát (Gallego – Juárez et al., 2003; Povey và Mason, 1998).
Hai loại hệ thống siêu âm được báo cáo thường được sử dụng trong công
nghệ thực phẩm , một loại sử dụng thanh siêu âm (horn) như một máy phát âm
thanh và loại khác sử dụng bể (bath) . Loại bể được sử dụng một cách truyền thống
trong công nghệ thực phẩm vì dễ dàng sử dụng (Povey và Mason, 1998). Trong
nghiên cứu gần đây , hệ thống dùng thanh siêu âm được trích dẫn thường xuyên như
dạng bể (Aleixo et al. , 2004 ; Duckhouse et al., 2004; Mason et al. , 1996; Neis và
Blume , 2003; Patrick et al., 2004; Tian et al., 2004). Hệ thống sử dụng thanh siêu
âm được sử dụng tốt như dạng bể trong nhiều ứng dụng , từ quá trình chế biến thực
phẩm dùng siêu âm đến việc rửa các bề mặt của thiết bị chế biến thức phẩm .
12
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
2.1.1. Máy phát điện (Electrical Generator)

Máy phát điện là một nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống siêu âm , nó
phải làm cho bộ chuyển đổi (transducer) hoạt động (Povey và Mason , 1998). Tóm
lại , một máy phát điện sinh ra dòng điện với một mức năng lượng được xác định rõ
. Hầu hết những máy phát năng lượng được hiệu chỉnh một cách gián tiếp qua việc
cài đặt hiệu điện thế (V) và cài đặt cường độ dòng điện (I). Hiệu điện thế biểu thị
thế năng được dữ trữ trong các electron (đo bằng volts); cường độ dòng điện biểu
thị bằng điện tích của các electron di chuyển qua một đơn vị diện tích trong một
đơn vị thời gian (đo bằng amps); và năng lượng được tạo ra từ hai giá trị trên được
biểu thị trong phương trình (2.3) (Hecht, 1996).
P = IV [W] , [volt . amps ] , [VA] (2.3)
Các máy phát điện được thiết kế đặc biệt cho siêu âm chủ yếu tập trung trong
việc vệ sinh công nghiệp , và những ứng dụng để xứ lý , kết nối và những ứng dụng
khử trùng, và có tác dụng trong khoảng tần số thấp hơn (10-40 kHz). Những tần số
thấp thường không phải kiểm tra việc không phá hủy cấu trúc thực phẩm , nhưng
siêu âm năng lượng có nhiều ứng dụng tiềm năng trong quá trình chế biến thực
phẩm sẽ trình bày trong phần này.
2.1.2. Bộ chuyển đổi (Transducer)
Mọi hệ thống siêu âm bao gồm một bộ chuyển đổi như một chi tiết trung
tâm, vai trò của nó là để phát siêu âm thực tế. Bộ chuyển đổi chuyển điện năng (hay
cơ năng, trong trường hợp tạo tiếng huýt chất lỏng) thành năng lượng âm thanh
bằng việc rung động cơ học tại những tần số siêu âm (Povey và Mason 1998). Lee
et al. (2003) giải thích rằng một bộ chuyển đổi được đính kèm với một máy phát
điện sẽ tạo ra sự chuyển đổi , ví dụ, 20 kHz được chuyển từ điện năng của máy phát
thành năng lượng siêu âm của cùng tần số bằng việc rung động tại 20.000 chu kỳ
cơ học trong mỗi giây .
13
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
Povey và Mason (1998) tổng kết ba kiểu bộ chuyển đổi chính: dẫn động chất
lỏng (liquiddriven), từ giảo (magnetostrictive), và áp điện (piezoelectric-pzt).
Những bộ chuyển đổi được điều khiển bởi chất lỏng dựa trên năng lượng cơ học

thuần túy để tạo ra siêu âm, nhưng những bộ chuyển đổi từ giảo và những bộ
chuyển đổi áp điện chuyển đổi điện năng và từ tính thành cơ năng, năng lượng siêu
âm. Trong khi việc tạo tiếng huýt trong chất lòng làm cho các quá trình trộn và đồng
hóa diễn ra tốt hơn, ngày nay đa số thiết bị siêu âm năng lượng sử dụng những bộ
chuyển đổi áp điện hay từ giảo ( Knorr et al., 2004; Povey và Mason, 1998).
Hình 2.3. Máy phát từ giảo (Magnetostrictive transducer)
Bộ chuyển đổi áp điện (pzt) là kiểu chung nhất và được sử dụng trong hầu
hết những bộ xử lý và những bể phản ứng siêu âm và trích dẫn thường trong tài liệu
tham khảo ( Aleixo et al., 2004; Gallego- Juárez et al., 2003;. Povey và Mason,
1998). Bộ phận biến đổi áp điện cũng có hiệu quả nhất, đạt được tốt hơn 95% hiệu
suất, và nó được dựa trên một vật liệu ceramic trong suốt để đáp ứng năng lượng
điện.
14
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
Hình 2.4. Máy phát điện áp (Piezoelectric transducer)
Tâm của máy phát điện áp là một hoặc hai đĩa mỏng làm từ vật liệu ceramic .
Vật liệu ceramic này bị đè nén giữa hai khối kim loại (một bằng nhôm , một bằng
thép) . Khi điện áp được đặt vào ceramic , ceramic sẽ giãn ra , phụ thuộc vào chiều
phân cực , do những thay đổi trong cấu trúc lưới của nó . Chính sự dịch chuyển vật
lý này làm cho sóng âm lan truyền vào bên trong dịch được xử lý .
2.1.3. Bộ phận phát (Emitter)
Mục đích của bộ phận phát là tỏa ra sóng siêu âm từ bộ chuyển đổi vào trong
môi trường. Những máy phát cũng có thể hoàn thành vai trò của việc khuyếch đại
những sự rung động siêu âm trong khi phát ra chúng. Hai dạng chính của những bộ
phận phát là bộ phận phát dạng bể và bộ phận phát dạng thanh (ví dụ, những đầu
dò); những máy phát dạng thanh thường được đính kèm một sonotrode (Povey và
Mason, 1998).
Những bộ phận phát dạng bể thông thường gồm có một bể (tank) với một
hoặc nhiều bộ chuyển đổi được gắn liền. Bể chứa mẫu cần xử lý và những bộ
chuyển đổi tỏa ra siêu âm trực tiếp vào trong mẫu (Povey và Mason, 1998). Trong

hệ thống dạng thanh , một thanh được gắn với bộ chuyển đổi đến bộ khuyếch đại tín
hiệu và truyền vào cho mẫu . Đầu của thanh , thường được gắn riêng biệt được biết
như là một sonotrode, phát ra sóng siêu âm vào trong mẫu . Hình dạng của thanh
15
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
tạo nên độ lớn của sự khuếch đại . Do đó , cường độ phát ra siêu âm có thể được
điều khiển bằng cách lựa chọn những thanh có hình dạng khác nhau . Sự khác biệt
chính trong thiết bị được sử dụng trong phòng thí nghiệm so với thiết bị công
nghiệp trên thị trường là loại bộ phận phát. Những bộ phận phát mạnh hầu như
không bị giảm dần chất lượng sau nhiều giờ sử dụng được yêu cầu trong sản xuất
thực phẩm .
2.1.4. Ví dụ về những hệ thống siêu âm trong chế biến thực phẩm
Nhiều ứng dụng trong thực phẩm với quy mô phòng thí nghiệm và quy mô
công nghiệp sử dụng một hệ thống tích hợp được gọi là bộ xử lý siêu âm . Bộ xử lý
siêu âm cũng được gọi là bộ phản ứng (ví dụ như “đầu dò phản ứng” hoặc “bể phản
ứng”) nếu quá trình xử lý siêu âm có khả năng làm biến đổi hóa học trong môi
trường (Mason , 2003) . Những thiết bị sản xuất luôn luôn được thiết kế bộ xử lý
(bộ phản ứng) này với máy phát điện và bộ chuyển đổi , tất cả được chứa trong một
vỏ máy (có trọng lượng nhẹ và có thể di chuyển) và cung cấp vài loại máy phát
khác nhau , chúng được lựa chọn tùy dựa trên việc ứng dụng . Máy phát dạng thanh
(tức là các đầu dò) hoặc dạng sonotrode. Một số lượng lớn các công ty trên thế giới
bán bộ xử lý siêu âm như Hielscher, Branson, Undatim, Sonicmaster, Giken, Sonics
& Materials, và Vibra Cell.
Những công bố trong công nghệ chế biến thực phẩm bao gồm nhiều ví dụ về
những hệ thống siêu âm thành công được thiết kế theo yêu cầu của khách hàng . Ví
dụ như , những nhà nghiên cứu Furuta et al. (2004), trong một báo cáo về sự vô
hoạt những tế bào Escherichia coli , biểu diễn một sơ đồ của một bộ máy bao gồm
một máy phát điện , một bộ chuyển đổi và một máy phát . Một máy phát điện chức
năng bổ sung thêm máy khuếch đại năng lượng được liên kết với một bộ chuyển đổi
siêu âm , loại máy phát sử dụng là dạng thanh (tức là dạng đầu dò) nhúng ngập

trong mẫu. Họ sử dụng một đồng hồ để do độ lệch của biên độ dao động vào / ra
của bề mặt thanh để kiểm tra năng lượng âm được sinh ra truyền đến mẫu . Một hệ
thống theo yêu cầu khác hàng khác nhằm mục đích vô hoạt E. coli trong dịch lỏng
16
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
trứng gà (liquid whole egg – LWE), được báo cáo bởi Lee et al. (2003) . Thiết bị
với quy mô phòng thí nghiệm của họ bao gồm một máy phát điện (với đầu ra cung
cấp năng lượng có thể điều chỉnh được) , một bộ chuyển đổi từ điện máy Bandelin ,
và một thanh phát có thể khuếch đại siêu âm đầu ra và truyền nó vào trong dịch lỏng
trứng gà .
Những nhà nghiên cứu khác đã thành công trong việc khảo sát sự rã đông
của những mẫu thịt và cá bằng siêu âm với những bộ chuyển đổi được thiết kế đặc
trưng cho những thí nghiệm của họ ( đường kính của nó gần bằng với kích thước
của mẫu). Gallego-Juárez et al. (2003) tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng siêu
âm trong không khí hệ thống đặc biệt trong đó một máy phát điện được nối với một
bộ chuyển đổi dạng bước đĩa thiết kế theo yêu cầu của khách hàng. Siêu âm được
phát ra bởi một bộ truyền tản siêu âm và một tấm phẳng song song với nó. Tấm mẫu
được treo và hoạt động như một bộ tương phản để để hỗ trợ hình thành một làn
sóng đứng.
2.2. Siêu âm cường độ cao và siêu âm cường độ thấp
Trong ngành công nghiệp, ứng dụng kỹ thuật siêu âm được phân biệt thành
hai loại: cường độ thấp (còn gọi là siêu âm tần số cao hoặc siêu âm "không phá
hủy") và cường độ cao (còn được gọi là siêu âm tần số thấp hoặc siêu âm "năng
lượng”) (Mason, 2003). Hai loại này khác nhau về mục tiêu cần đạt được, các ứng
dụng, về năng lượng và tần số siêu âm được áp dụng. Mục tiêu của siêu âm cường
độ thấp thường để xác định một số chất vô hình trong môi trường, trong khi siêu âm
cường độ cao thường tập trung vào thay đổi một số phần của môi trường hoặc thúc
đẩy một phản ứng hóa học. Ví dụ, chụp cắt lớp y tế áp dụng siêu âm cường độ thấp
để xác định vị trí và hình ảnh những đối tượng lơ lửng trong môi trường riêng biệt
(Kennedy et al., 2004). Cá heo và dơi cũng giống như vậy , chúng phát ra những

sóng siêu âm cường độ thấp để định hướng bằng những tiếng vang; những hiện
tượng này tương tự tới sự Định vị dưới nước SONAR (Sound Navigation and
Ranging) (Hecht, 1996). Ngược lại, siêu thanh cường độ cao. thường ăn mòn những
17
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
sự nhiễm bẩn bề mặt trong việc hàn và cắt chính xác vật liệu, và cũng để phá hủy
những khối u trong siêu âm dùng trong y học để chữa bệnh ( Kennedy et al., 2004;
Krefting et al., 2004; Mason, 2003; Povey và Mason, 1998).
Những khác biệt này tương tự như trong các ứng dụng trong công nghệ chế
biến thực phẩm, trong khi cường độ thấp siêu âm được áp dụng để xác định vị trí lỗi
và các vật thể lạ trong thực phẩm trong quá trình kiểm tra đảm bảo chất lượng, siêu
âm cường độ cao được áp dụng cho các mục đích như phá hủy thành tế bào của vi
sinh vật trong thực phẩm, biến tính protein, kích thích nảy mầm hạt giống, và nâng
cao kết tinh trong thực phẩm (Knorr et al., 2004;. Mason et al., 1996;. Tian et al.,
2004.). Những thông số chính của quá trình để phân biệt hai loại siêu âm là năng
lượng siêu âm và tần số . Siêu âm cường độ thấp có năng lượng thấp , với những
cường độ năng lượng dưới 1W/cm
2
và tần số cao từ 1-10MHz. Do đó , siêu âm
cường độ thấp cũng được gọi là siêu âm tần số cao . Siêu âm cường độ cao có năng
lượng cao với những cường độ năng lượng trên 10W/cm
2
và tần số thấp từ 10-
100kHz (Povey và Mason , 1998 ; McClements , 1995) . Siêu âm cường độ cao còn
được gọi là siêu âm tần số thấp .
2.2.1. Tổng quan về siêu âm “không phá hủy” cường độ thấp
Siêu âm cường độ thấp (còn gọi là siêu âm không phá hủy , siêu âm cao tần)
được áp dụng để xác định những mục đích chung, và do đó, nó được sử dụng như là
một quá trình hỗ trợ chế biến trong ngành công nghiệp thực phẩm tạo đặc trưng cho
các thành phần thực phẩm, thường trên các dây chuyền đảm bảo chất lượng. Đúng

hơn gọi là quá trình kiểm tra không phá hủy (non-destructive testing - NDT), quá
trình này sẽ phát sóng siêu âm xuyên qua một môi trường mà không gây ra bất kỳ
tính chất vật lý không đổi, hóa học, hoặc thay đổi điện tích trong môi trường, vì
cường độ siêu âm là quá thấp (<1W/cm2) để làm thay đổi các nguyên liệu
(Gestrelius et al., 1993;. McClements, 1995). Những phần tử (hạt) trong môi trường
dao động để phản hồi với năng lượng thấp (cơ học thuần túy) trong khi phơi bày
18
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
những sóng siêu âm và trở lại vị trí cân bằng của họ khi nguồn tạo siêu âm được
loại bỏ.
Khi sóng âm truyền qua môi trường, một phần sóng phản xạ lại hoặc rải rác
ở bất cứ nơi nào môi trường thay đổi từ vật liệu này sang vật liệu khác (Hecht ,
1996). Khoảng cách tới vị trí phản xạ có thể được tính thông qua đặc tính đo đạc
của siêu âm như tần số (luôn cao hơn 1 MHz) và sự suy giảm hệ số, cho phép phát
hiện và xác định vị trí của sự hiện diện của các phần tử lạ và những thay đổi về
thành phần thực phẩm (McClements, 1995).
Siêu âm cường độ thấp có thể hỗ trợ quản lý chất lượng trong sản xuất thực
phẩm, cũng như theo dõi các thay đổi mà các loại thực phẩm trải qua khi chúng
được chế biến (lạnh đông, tạo nhũ tương, sấy khô,…). Các nhà sản xuất thực phẩm
sử dụng siêu âm NDT để xác định vị trí các vật thể lạ như thủy tinh, dư lượng hữu
cơ, hoặc sự nhiễm do vi khuẩn trong chất rắn và chất lỏng - ngay cả sau khi thực
phẩm được đóng gói (Gestrelius et al., 1993; Hæggström và. Luukkala, 2001). Các
ví dụ khác bao gồm mô tả đặc điểm của cấu trúc tế bào của bột nhào trước khi làm
chín để có được dự đoán về chất lượng sản phẩm sau khi làm chín (Elmehdi et al.,
2003) , và theo dõi sự chuyển động của tinh thể đá phía trên thực phẩm dạng rắn
( khi thực phẩm được lạnh đông chậm) để xác định hiệu suất năng lượng của quá
trình đông lạnh ( Sigfusson et al., 2004).
2.2.2. Tổng quan về siêu âm “năng lượng” cường độ cao
Siêu âm ường độ cao (còn gọi là siêu âm tần số thấp, siêu âm năng lượng)
được sử dụng để phá hủy cấu trúc tế bào, hoặc tăng cường hoặc ức chế các hoạt

động trong các loại thực phẩm (Mason và cộng sự, 1996.), và được đặc trưng bởi
cường độ năng lượng sắp xếp từ 10 đến 1.000 W/cm
2
. Các sóng âm thanh cường độ
cao có thể gây ra áp lực cao bên trong các loại thực phẩm dạng lỏng, tạo ra các dòng
bong bóng cực nhỏ (microbubbles) chuyển động nhanh và hình thành các bong
bóng trong chất lỏng rồi nổ vỡ dữ dội (Mann và Krull, 2004). Những loại hoạt động
19
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
của bong bóng trong chất lỏng, tương ứng gọi là xâm thực khí phi quán tính và xâm
thực khí quán tính, là những cơ chế có ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hoá học
của thực phẩm (Povey và Mason, 1998). Hiện tượng xâm thực khí trong chất lỏng
có thể quá mạnh làm phá vỡ thành tế bào sống , các gốc tự do và các phản ứng hóa
học dùng siêu âm (sonochemicals) được hình thành, và các quá trình như hạt giống
nảy mầm được tăng cường tại bất cứ vị trí nào hoạt tình enzyme bị ức chế (Mason,
2003; McClements, 1995; Povey và Mason, 1998). Từ đây, Povey và Mason (1998)
đặt ra thuật ngữ “biến đổi nguyên liệu” (“material-altering) để mô tả siêu âm năng
lượng cao, song song đó là việc miêu tả “không phá hủy” dành cho siêu âm cường
độ thấp .
Các ứng dụng làm thay đổi nguyên liệu của siêu âm cường độ cao rất nhiều
trong phạm vi chế biến thực phẩm. Những trường nghiên cứu chuyên môn làm việc
chủ yếu với siêu âm năng lượng trong chế biến thực phẩm là việc nghiên cứu sự
trích ly, đồng hóa, lọc, kết tinh, sinh ra những thành phần tốt, rã đông, và lạnh
đông, trong khi một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đang xem xét việc vô hoạt hệ
vi sinh vật và enzyme trong thực phẩm (Mason, 2003).
Khi các nhà nghiên cứu phân tích kết quả từ các thí nghiệm siêu âm, họ xác
định và sử dụng các thông số quá trình khác nhau cho các ứng dụng của siêu âm
cường độ nhiều hơn so với các ứng dụng của siêu âm cường độ thấp. Các thông số
thường được sử dụng trong các ứng dụng của cả siêu âm cường độ cao và siêu âm
cường độ thấp bao gồm tần số (f, hoặc tần số góc ω = 2πf) và biên độ năng lương

(ký hiệu là A hay P). Những giá trị này được cài đặt hoặc điều chỉnh bởi thiết bị tạo
siêu âm và được điều khiển bởi các thử nghiệm dựa trên kết quả mong muốn. Tham
số được sử dụng rộng rãi trong siêu âm cường độ thấp bao gồm tần số, biên độ, vận
tốc, thời gian và khoảng cách di chuyển, hệ số tắt, hệ số phản xạ, âm trở kháng, và
mật độ. Các thông số của siêu âm cường độ cao bao gồm năng lượng, tần số, nhiệt
độ xử lý, và thời gian xử lý.
3. CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
20
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
Nhìn chung, công suất đại diện cho cường độ của việc xử lý hoặc , từ một góc
độ khác, những ảnh hưởng lên môi trường của quá trình xử lý là bao nhiêu. Trong
siêu âm, quá trình xử lý được thực hiện bằng cách truyền một làn sóng siêu âm
xuyên qua môi trường, do vậy, công suất của quá trình xử lý được xác định bởi
năng lượng (hoặc cường độ) của sóng siêu âm.
Các nghiên cứu cho thấy công suất mạnh hơn là nguyên nhân tạo ra những
sự thay đổi lớn trong nguyên liệu, ít nhất lên tới một số giới hạn công suất tối đa
nào đó phụ thuộc vào những tính chất của môi trường (De Gennaro et al., 1999;
Furuta et al., 2004; Joyce et al., 2003; Mason et al., 1996; Pagan et al., 1999; Povey
và Mason, 1998; Riera-Franco de Sarabia et al., 2000; Sun và Li, 2003; Tian et al.,
2004). Về mặt lý thuyết, công suất do sóng siêu âm cao tạo áp suất cao trong môi
trường (Hecht, 1996). Những áp suất cao tạo bởi âm thanh này làm tiêu diệt các vi
sinh vật và enzyme trong thực phẩm và phá vỡ các vi cấu trúc, thông qua hiện tượng
xâm thực khí (Povey và Mason, 1998). Tất nhiên, các nhà nghiên cứu nhằm tìm ra
giá trị lực tối thiểu cần thiết để xử lý thực phẩm theo mong muốn và bảo toàn các
vitamin, màu sắc, cấu trúc, và mùi vị trong thực phẩm (De Gennaro et al., 1999;
McClements, 1995;. Riera-Franco de Sarabia et al., 2000).
Công suất cũng liên quan đến năng lượng, và một vài nhà nghiên cứu về siêu
âm thích đo lường năng lượng cung cấp cho môi trường hơn là đo công suất. Ví dụ,
các nhà nghiên cứu Duckhouse et al. (2004) đo thời gian xử lý trong vài giây và
nhân những thời gian này bởi giá trị công suất của chúng để có được năng lượng

Joule tác động lên môi trường. Phương pháp này áp dụng mối quan hệ vật lý cơ bản
dưới đây trong phương trình (2.4) (Hecht, 1996):
1 J = 1 W • s (2.4)
Tương tự, các nhà nghiên cứu khác đã báo cáo mật độ năng lượng bằng
W•s/m tại nơi có mật độ công suất.
3.1. Biên độ dao động
21
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
Theo cách truyền thống, để đại diện cho năng lượng hoặc độ mạnh của sóng
siêu âm là biện pháp đo biên độ của dao động cơ học. Biên độ dao động được đo
như là khoảng dịch chuyển tối đa trong micromet (μm) của đầu dao động của các
sonotrode khi nó sẽ phát các sóng âm vào môi trường. Nói chung, biên độ dao động
được xác định bởi các nhà sản xuất thiết bị. Furuta et al. (2004) và Tsukamoto et al.
(2004a, b) ưa thích sử dụng biên độ dao động, từ 1-7 μm, để đại diện cho năng
lượng âm thực tế cho hệ thống được làm theo yêu cầu của khách hàng để giới thiệu
đến các mẫu sản phẩm của họ. Họ ngụ ý rằng các phép đo biên độ cung cấp một sự
chính xác hơn và sự ổn định của hiện tượng xâm thực khí trong siêu âm hơn thông
số năng lượng được cung cấp, họ đã có thể đo biên độ dao động trong quá trình phát
xạ siêu âm (Tsukamoto et al., 2004a).
Biên độ dao động cũng được báo cáo như một thông số siêu âm trong hai bài
viếtkhác về vô hoạt vi sinh vật, theo Pagán et al. (1999) và Vercet et al.(2002).
Ngoài ra, Mason et al. (1996) đề cập đến biên độ dao động trong phần tổng quan
của họ về sử dụng siêu âm trong chế biến thực phẩm, mặc dù họ cũng tham khảo
nhiều cách khác mà năng lượng siêu âm có thể được đại diện. Các cách khác để đại
diện cho độ mạnh sóng siêu âm không liên quan đến các rung động của bộ chuyển
đổi, nhưng thay vào đó là máy phát điện cấp điện cho các thiết bị siêu âm.
3.2. Cường độ âm
Cường độ âm là một cách để đo công suất truyền đến môi trường từ
bề mặt của đầu sonotrode, hơn là từ các máy phát siêu âm. Nói chung, cường độ âm
P

i
(còn gọi là năng lượng bức xạ) đại diện cho công suất, P, phân phối trên một đơn
vị diện tích bề mặt A như trong phương trình (2.5) (Hecht, 1996):
Pi = P / A [W/m2] (2.5)
Đối với những hệ thống siêu âm, cường độ âm được tính toán để có được
năng lượng bức xạ từ bề mặt của đầu sonotrode (Neis và Blume, 2003). Giá trị
cường độ âm này là công suất thực tế của môi trường gần bề mặt sonotrode, trên
22
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
mỗi đơn vị diện tích của mũi sonotrode. Đối với một sonotrode có một khu vực
tròn, cường độ âm được tính như trong phương trình (2.6):
Pi = P/πr2 [W/m
2
] (2.6)
Cường độ âm cũng có mối quan hệ được thiết lập giữa các kích thước của
sonotrodes và công suất. Ví dụ, nếu một máy phát siêu âm có công suất 360 W và
bán kính sonotrode là 1 cm, thì P
i
bằng 114,59 W/cm
2
. Đối với cùng một công
suấtlà 360 W, nếu một sonotrode chỉ bằng một nửa bán kính (0,5 cm) được sử dụng,
thì P
i
lớn hơn nhiều , bằng 458,37 W/cm
2
. Điều này cho thấy rằng công suất tập
trung nhiều vào các sonotrode nhỏ hơn. Cường độ âm tăng khi sonotrode giảm bán
kính.
Ngày nay, có rất nhiều thông số công suất và năng lượng khác nhau được sử

dụng trong xử lý thực phẩm với bằng siêu âm (thông số này thường không được
giải thích được trong tài liệu) mà các nhà nghiên cứu mới không thể luôn luôn xác
định từ dữ liệu báo cáo bao nhiêu ứng dụng siêu âm là cần thiết để xây dựng dựa
trên các kết quả được công bố. Do đó, việc sử dụng một hoặc hai thông số tiêu
chuẩn, dựa trên các đơn vị đo lường đã được chứng minh và tính toán cho các thông
số này, có thể xóa bỏ sự nhầm lẫn hiện tại.
3.3. Tần số
Siêu âm cường độ cao được thực hiện với tần số từ 10 đến 100 kHz. Các tần
số được sử dụng chủ yếu phụ thuộc vào việc xem xét đến quá trình liên quan tới
thiết bị và điều xem xét đầu tiên là độ lớn giá trị công suất mong muốn, ví dụ, bộ
chuyển đổi tạo bức xạ năng lượng cao ở tần số thấp khi công suất thay đổi tỷ lệ
nghịch với bình phương tần số (Povey và Mason, 1998), được biểu diễn trong
phương trình (2.7):
P α 1 / f
2
(2.7)
23
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
Việc xem xét thứ hai là tần số phụ thuộc vào kích thước cực phát. Những bể
siêu âm, chúng truyền siêu âm trực tiếp vào bể thông qua đầu dò được gắn kèm,
thường hoạt động ở 40 kHz. Tuy nhiên, các hệ thống có gắn kèm một thanh siêu âm
với bộ chuyển đổi để khuếch đại công suất có thể đạt được tần số thấp hơn là 20
kHz. Tần số thấp hơn đạt được bằng cách mở rộng chiều dài thanh siêu âm cung
cấp cho bộ chuyển đổi: tần số là giảm một nửa khi bộ phận phát tăng chiều dài gấp
đôi.
Các tần số lựa chọn cho ứng dụng sẽ có một tác động mạnh đến hiện tượng
xâm thực khí. Mức độ xâm thực khí xảy ra trong chất lỏng phụ thuộc vào mối quan
hệ giữa tần số và kích thước bong bóng. Áp suất cao từ các dao động của âm thanh
tạo ra những bong bóng trong chất lỏng để tăng nhanh về kích thước và để làm vỡ
thậm chí giữa mở rộng và giảm kích thước (Povey và Mason, 1998). Khi sự bể vỡ

bong bóng theo biên độ quá nhiều, sự nổ vỡ của bong bóng càng dữ dội, một hiện
tượng gọi là xâm thực khí quán tính có thể làm thay đổi các tính chất hóa lý của
thực phẩm. Tần số siêu âm sẽ giúp thúc đẩy sự nổ vỡ bong bóng bằng cách dẫn
động bong bóng vào hiện tượng cộng hưởng.
3.4. Nhiệt độ
Xử lý bằng siêu âm làm tăng nhiệt độ của mẫu, thậm chí nếu không có nhiệt
bên ngoài áp dụng thêm vào quá trình siêu âm. Khi bộ chuyển đổi hoặc thanh siêu
âm phát những rung động siêu âm vào môi trường, các dao động phản hồi của các
phần tử (hạt) tạo ra nhiệt theo thời gian. Lực bức xạ âm làm di chuyển môi trường
lỏng trong sóng, tạo ra nhiệt từ chuyển động này (Povey và Mason, 1998). Nhiệt tạo
ra sẽ tăng khi các sóng siêu âm va chạm các bong bóng trong chất lỏng; khi các
bong bóng được tạo trong chuyển động này được chuyển thành nhiệt và giảm độ
nhớt. Ngoài ra, khi siêu âm cường độ cao gây ra xâm thực khí quán tính trong chất
lỏng, ở những nhiệt độ rất cao (lên đến 5.000 K) được tạo ra ở các vùng nhỏ (gọi là
điểm nóng/ điểm tới hạn) trong mẫu do sự nổ vỡ của bong bóng trong chất lỏng.
Ngược lại, càng nhiều các bong bóng của hiện tượng xâm thực khí được tạo ra khi
24
Đồ án môn học Công nghệ thực phẩm
nhiệt độ của mẫu tăng lên, dẫn đến càng nhiều bong bóng do nhiệt tạo ra di chuyển
và nổ vỡ. Kết quả dẫn đến của những tác dụng của sóng siêu âm này là một sự gia
tăng ổn định về nhiệt độ trong một mẫu được xử lý siêu âm theo thời gian.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu thực phẩm có thể chọn để giới thiệu hệ thống
nhiệt ôn hòa nhằm tăng cường ảnh hưởng của siêu âm; việc xử lý kết hợp là gọi là
ứng dụng của siêu âm kết hợp với nhiệt (thermo-sonication) (Povey và Mason,
1998). Ngày nay, một số thực phẩm được chế biến bằng phương pháp nhiệt có thể
gắn các bộ biến đổi vào các bộ phận trao đổi nhiệt và hệ thống truyền nhiệt trong
tương lai, để xử lý bằng siêu âm có thể thực hiện trước quá trình xử lý nhiệt với
nhiệt độ thấp hơn (Povey và Mason, 1998). Đôi khi áp dụng phương siêu âm kết
hợp với nhiệt có thể thực hiện mà không cần thêm nhiệt, bằng cách kiểm soát sự gia
tăng của nhiệt độ trong mẫu trong khi xử lý bằng siêu âm để đạt được một giá trị ổn

định của nhiệt độ theo thời gian.
3.5. Những hiệu quả của siêu âm năng lượng cao
Các ảnh hưởng siêu âm tạo ra trong một môi trường phụ thuộc vào cá pha
rắn, lỏng, khí trong môi trường (Povey và Mason, 1998). Hầu như , môi trường rắn
sẽ chịu một hiệu ứng “xốp” để đáp trả lại sự truyền của các sóng âm thanh, trong đó
những sự hóa đặc và sự tạo chân không trong hoạt động của môi trường với chất rắn
tương tự như sự nén và giãn của một vật liệu xốp (Riera-Franco de Sarabia et al.,
2000). Trong môi trường lỏng, sự hóa đặc và tạo chân không, gây ra các phần tử
chất lỏng tăng tốc trong sự những định hướng có thay đổi (đầu tiên về phía trước,
sau đó đảo ngược), và bất kỳ bong bóng, tức là khí kẹt trong chất lỏng, tăng tốc tốt
(Povey và Mason, 1998). Cuối cùng, những áp lực từ sự hóa đặc / tạo chân không,
có thể gây ra các bong bóng trong nước nổ vỡ dữ dội, một hiện tượng được gọi là
xâm thực khí quán tính (Piyasena et al, 2003.).
3.6. Xâm thực khí
25