tìm hiểu về kĩ thuật siêu âm trong công nghệ thực phẩm

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

TIỂU LUẬN:
Môn: Công nghệ bảo quản và chế biến nông sản
Đề tài:
Tìm hiểu về

GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Lớp HP : 210503301
Tên: Lê Nguyễn Ngọc Trân
Lớp: DHTP7A MSSV:11058191
Tp HCM, Tháng 5 năm 2015
Mục lục
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
I. Nguyên lý của phương pháp
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 và cộng sự, 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 và cộng sự, 2004). Trong thời gian
ngưng tụ, những phân 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 và cộng sự,
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)…
McClement (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 (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 t 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 và là nghịch đảo của khoảng thời gian như trong
phương trình sau đây (1) (McClements, 1995):
F = 1/τ (1)
Kĩ thuật siêu âm Page 3
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Hình 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 phân 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
mâ thanh theo khoảng cách vì sự suy giảm từ môi trường. Đường biểu diễn của khoảng
cách biên độ sóng âm thực sự là một đường hình sin theo hàm số mũ giảm dần, như thể
hiện trong hình 2, khoảng cách giữa những đỉnh biên độ tiếp theo là bước sóng (λ).
Bước sóng liên quan đến tần số xuyên qua vận tốc ánh sáng c, theo phương trình (2)
(McClement, 1995):
λ= c/f (2)
Kĩ thuật siêu âm Page 4
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Hình 2. Biểu đồ thể hiện sóng âm dạng hình sin, khoảng cách đối lập và 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 (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 sống 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 điên từ phổ
(electromagnetic –EM) và vi sóng (microwaves – MV) (Kardos và Luche, 2011), cũng
tốt như xung điên trường (pulsed electric fields – PEF). Sóng điện từ phổ (EM) và xung
điên 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 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
Kĩ thuật siêu âm Page 5
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
trường và tác động sâu vào các nguyên tử, các ion hoặc các phân tử trong môi trường. Ví
dụ, vi song 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 phần 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 cua3 môi trường để tạo dao động các phân tử thuộc môi trường. Không như
âm thanh, các nhà vật lý học dường như làm sáng tỏ một diều bí ẩn chưa được giải quyết,
sóng âm lan truyền đồng thời 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 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 và cộng sự, 2004; Knorr và cộng sự, 2004). nHững ứng dụng
của sóng siêu âm đó liên quan với việc 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 tính không thể xảy ra. Tuy nhiên, những ứng dụng khác của sóng siêu âm dự vào sự
Kĩ thuật siêu âm Page 6
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
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 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 và
cộng sự, 2004; Riera – Franco de Sarabia và cộng sự, 2000). Do đó, hiện tượng xâm
thực khí được tránh trong một nhánh 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 các các hiệu quả
mong muốn.
 Hiện tượng xâm khí thực:
Khi sóng siêu âm được truyền vào chất lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếp
được tạo thành. Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ
liên kết hóa học. Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và
trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa. Áp lực âm trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng
các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ. Bọt khí trở thành hạt
nhân của hiện tượng xâm thực khí, bao gồm bọt khí ổn định và bọt khí tạm thời
(Kuldiloke J, 2002).
Các bọt khí ổn định là nguồn gốc của những bong bóng khí nhỏ, kích thước của

chúng dao động nhẹ nhàng trong các chu trình kéo và nén. Sau hàng ngàn chu trình,
chúng tăng thêm về kích thước. Trong suốt quá trình dao động, bọt khí ổn định có thể
chuyển thành bọt khí tạm thời. Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này, tạo nên
hiện tưởng “sốc sóng” và hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng. Bọt khí ổn định có
thể lôi kéo những bọt khí khác vào trong trường sóng, kết hợp lại với nhau và tạo thành
dòng nhiệt nhỏ (Kuldiloke J., 2002).
Các bọt khí tạm thời có kích cỡ thay đổi rất nhanh chóng, chỉ qua vài chu trình
chúng bị vỡ ra. Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo giãn và kết hơp lại cho đến khi
đạt được cân bằng hơi nước ở bên trong và bên ngoài bọt khí. Diện tích bề mặt bọt khí
Kĩ thuật siêu âm Page 7
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén, vì vậy sự khuếch tán khí trong chu trình
kéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên theo mỗi chu trình. Các bọt khí lớn dần đến
một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí
khiến các bọt khí nổ tung dữ dội (Kuldiloke J., 2002).
 Các hiệu ứng vật lý và hóa học khi chiếu siêu âm lên hệ chất lỏng
Hiện tượng sủi bọt (cavitation): sóng siêu âm được tạo ra bằng các dao động cơ ở
tần số cao hớn 15kHz. Khi truyền trong môi trường lỏng, các phần tử trong trường siêu
âm trải qua các chu trình nén và duỗi và những dao động này sẽ lan truyền cho các phần
tử kế cận. Khi năng lượng đủ lớn, tại chu trình duỗi, tương tác giữa các phân tử sẽ vượt
quá lực hấp dẫn nội tại và các lỗ hỏng nhỏ trong lòng chất lỏng được hình thành. Hiện
tượng trên còn được gọi là hiện tượng sủi bọt. NHững bóng sủi này sẽ lớn dần lên bởi
quá trình khuếch tán một lượng nhỏ các cấu tử khí (hoặc hơi) từ pha lỏng trong suốt pha
dãn nở và không được hấp thụ hoàn toàn trở lại trong quá trình nén.
Hiện tượng vỡ bóng: khi chúng đạt đến một thể tích mà chúng không còn có thể
hấp thu được năng lượng, chúng vỡ ra một cách đột ngột và nhanh chóng. Trong suốt quá
trình vỡ, nhiệt độ và áp suất sẽ tăng lên rất cao. Thể tích chất lỏng bị gia nhiệt là rất nhỏ
và nhanh chóng bị tiêu tan, mặc dù nhiệt độ tại vùng này rất cao trong vào μs. Mặt khác,
nhiệt độ và áp suất cao tạo ra khi nổ bong bóng sẽ dẫn tới sự tạo thành các gốc tự do như
H

.
và OH
.
II. Máy móc và 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 (transduccer) 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
Kĩ thuật siêu âm Page 8
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
không có phát điện để sinh ra siêu âm (Mason và cộng sự, 1996), và những hệ thống làm
thoáng không khí (airborne systems), chúng không yêu cầu có máy phát (Gallego –
Juarez và cộng sự, 2003; Povey và Mason, 1998)
Hai loại hệ thống siêu âm được báo cáo thường được sử dụng trong công nghiệp 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). 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 thực phẩm.
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 cái đặt cường độ dòng điện (I). Hiệu điện thế biểu thị thế năng được dự trữ trong
các electron (do 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 (3) (Hecht, 1996).
P = IV [W] , [volt, amps] , [VA] (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 xử 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 phá hủy cấu trúc thực phẩm, nhưng siêu âm năng lượng có
nhiều ứng dụng tiềm năng trong quá trình chế biến thực phẩm.
Kĩ thuật siêu âm Page 9
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
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 và cộng sự (2003) giải thích
rằng một bộ chuyển đổi được đính kèm với một máy phát điện sẽ tạo ra sự chuyển đổi, ví
dụ, 20kHz được chuyển từ điện năng của máy phát thành năng lượng siêu âm của cùng
tần số bằng việc rung độn tại 20.000 chu kỳ cơ học trong mỗi giây.
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 lỏng 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 và
cộng sự, 2004; Povey và Mason, 1998).
Hình3. Máy phát từ giảo (Magnetostrictive transducer)
Kĩ thuật siêu âm Page 10
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
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 (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.

Hình 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.
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 khuếch 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
Kĩ thuật siêu âm Page 11
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
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 khuếch 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 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.
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 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 & materrials, 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 và cộng sự (2004), trong một báo cáo về sự vô hoạt những
tế bào Escherrchia 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 đo độ lệch của biên độ dao động vào/ra của bề mặt thanh để kiểm tra năng lượng âm
Kĩ thuật siêu âm Page 12
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
được sinh ra truyền đến mẫu. Một hệ thống theo yêu cầu khách hàng nhằm mục đích vô
hoạt E.coli trong dịch lỏng trứng gà (liquid whole egg – LWE), được báo cáo bởi Lee và
cộng sự (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-Juarez
và cộng sự (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 kết 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 hỗ trợ hình thành một làn sóng đứng.

III. Ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong công nghệ thực phẩm
Siêu âm là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển nhanh trong công nghệ
thực phẩm. Nó có thể được phân loại thành 2 lĩnh vực được ứng dụng chính trong công
nghiệp thực phẩm (Liyun Zheng và Da-Wen, 2006)
Tần số cao và năng lượng thấp, siêu âm chuẩn đoán, trong khoảng tần số MHz. Phần
này được sử dụng như một kỹ thuật phân tích đảm bảo chất lượng, qui trình điều khiển và
kiểm tra không làm phá huỷ cấu trúc, điều này được ứng dụng trong xác định tính chất
thực phẩm, đo tốc độ dòng chảy, kiểm tra bao gói thực phẩm…( Floros và Liang, 1994;
McClements,1995; Mason, Paniwnyk và Lorimer, 1996; Mason1998).
Tần số thấp và siêu âm năng lượng cao. Phần này được ứng dụng rộng rãi như một
qui trình hỗ trợ trong hàng loạt các lĩnh vực như: kết tinh, sấy, bài khí, trích ly, lọc, đồng
hoá, làm mềm thịt, quá trình oxi hoá, quá trình tiệt trùng …(Mason, 1998; Mason và
cộng sự, 1996; McClements, 1995).
Kĩ thuật siêu âm Page 13
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
III. Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghệ thực phẩm (Povey và Mason,
1998)
 Tác dụng cơ học:
Quá trình kết tinh
Quá trình bài khí
Quá trình phá bọt
Trích ly
Quá trình lọc và sấy
Lạnh đông
Trộn và đồng hoá
Làm mềm thịt
 Tác động hoá học và vi sinh
Quá trình oxi hoá
Tiệt trùng dụng cụ
Ưc chế enzym

Tiêu diệt vi sinh vật
Ta sẽ đi vào tìm hiểu một số ứng dụng cụ thể của kỹ thuật siêu âm trong công
nghệ thực phẩm:
1. Ứng dụng siêu âm trong quá trình trích ly (Povey và Mason, 1998; Mason và cộng
sự, 1996)
Cơ chế của sóng siêu âm giúp làm tăng khả năng trích ly của các qui trình trích ly cổ
điển là dựa trên:
Kĩ thuật siêu âm Page 14
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
¯ Tạo ra một áp lực lớn xuyên qua dung môi và tác động đến tế bào vật liệu
¯ Tăng khả năng truyền khối tới bề mặt phân cách
¯ Phá vỡ thành tế bào trên bề mặt và bên trong của vật liệu, giúp quá trình thoát chất
tan được dễ dàng.
Siêu âm năng lượng cao được áp dụng trong quá trình trích ly đường từ củ cải đường
(Chendke và Fogler, 1975). Siêu âm hỗ trợ cho quá trình trích ly còn đước ứng dụng
trong sản xuất các hợp chất dược như helicid, berberine hydrochloride, và berberine từ
những loại cây Trung Quốc (Zhaovà cộng sự,1991). Helicid, thường được trích ly bằng
phương pháp trích ly ngược dòng trong ethanol, nhưng khi sử dụng sóng siêu âm thì
lượng helicid thu nhận cao hơn 50 % trong khoảng thời gian chỉ bằng một nửa phương
pháp cổ điển ở nhiệt độ thường.
Quá trình trích ly protein từ đậu nành cũng được nghiên cứu bởi Wang (1975). Một
qui trình sản xuất liên tục đã được phát triển, trong đó có áp dụng siêu âm hoạt động ở
tần số 20 kHz, đầu dò 550 W, sẽ cho kết quả trích ly tốt hơn các phương pháp từng sử
dụng trước đây. Nhờ đó ta có thể nhân rộng quá trình trích ly protein đậu nành lên mô
hình pilot (Moulton và Wang,1982).
Quá trình trích ly các chất tan trong trà từ lá trá là một quá trình quan trọng về mặt
thương mại, vì nó tạo ra một điểm khởi đầu trong công nghệ sản xuất trà hoà tan. Trà hoà
tan là sản phẩm dạng bột từ quá trình sấy phun dịch trà. Việc sử dụng sóng siêu âm có thể
tăng quá trình trích ly ở 60
0

C lên 20 % (Mason và Zhao, 1994) bảng 2.2 . Hiệu quả của
trích ly siêu âm thì tốt hơn phương pháp trích ly nhiệt thông thường, nó đòi hỏi thời gian
ngắn hơn, những chất tan chính sẽ được trích ra trong vòng 10 phút đầu của phương pháp
siêu âm.
Bảng 1. Trích ly trà xanh bằng sóng siêu âm (20 kHz, xử lý trong 10 phút)
Điều kiện trích ly Chất rắn được trích ly (% khối lượng)
Sử dụng nhiệt ở 100
o
C
Sử dụng nhiệt ở 60
o
C
Sử dụng siêu âm ở 60
o
C
38
28
33
Kĩ thuật siêu âm Page 15
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Siêu âm ở 60 – 100
o
C 40
2. Ứng dụng siêu âm trong quá trình kết tinh (Hong Li và cộng sự, 2006; Povey và
Mason, 1998)
Siêu âm năng lượng cao đã được chứng thực là một phương pháp rất hữu ích trong
quá trình kết tinh. Nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình gieo mầm ban đầu, sau đó
là hình thành tinh thể và phát triển. Một tính năng hữu ích khác của siêu âm trong quy
trình này là dựa vào hoạt động làm sạch của các bong bóng khí giúp ngăn cản việc hình
thành một lớp vỏ bên ngoài tinh thể trong quá trình làm lạnh, do đó giúp làm tăng hiệu

quả truyền nhiệt. Ngoài ra một ứng dụng quan trọng đáng kể đó là nó có khả năng điều
khiển thời điểm bắt đầu xảy ra kết tinh ở quy mô sản xuất lớn. Thông thường quá trình
kết tinh xảy ra thì không thể điều khiển một cách dễ dàng thông qua giảm nhẹ nhiệt độ
hay áp suất. Hơn thế nữa việc điều khiển thời điểm bắt đầu kết tinh thường vô cùng khó
khăn bởi vì điều này có thể xảy ra mà không phải do tác động của các nhân tố bên ngoài
như nhiệt độ hay áp suất. Siêu âm có thể cải tiến cả tốc độ tạo thành tinh thể và tốc độ
phát triển của tinh thể trong môi trường bão hoà hoặc làm lạnh bằng cách tạo ra trong
môi trường có nhiều vị trí kết tinh. Điều này là do các bọt khí được tạo thành sẽ đóng vai
trò như các tâm cho tinh thể phát triển hoặc nó sẽ phá vỡ các mầm đã tồn tại trong môi
trường do đó nó sẽ làm tăng các tâm hoạt động trong dung dịch.
Việc nhân rộng mô hình siêu âm hỗ trợ cho quá trình kết tinh đã rất thành công trong
việc sản xuất ra các dược phẩm kết tinh. Nguồn phát siêu âm được đặt tại đáy của tháp
kết tinh nhằm 2 mục đích. Đầu tiên dung dịch bão hoà sẽ được gieo mầm kích thích bằng
siêu âm, những mầm tinh thể sẽ lớn dần khi dòng chảy được khuấy trộn, nó sẽ tiếp tục
phát triển cho tới khi nó đủ lớn để chìm xuống dưới tác dụng của trọng lực. Các tinh thể
lớn này sẽ vị vỡ ra do tác động của các bọt khí khi chúng chìm xuống gần nguồn phát
siêu âm. Những mảnh vỡ nhỏ này lại tiếp tục lớn lên, chúng đóng vai trò cung cấp một
lượng lớn các mầm tinh thể cho quá trình kết tinh hơn nữa.
Kĩ thuật siêu âm Page 16
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Một lĩnh vực vô cùng quan trọng liên quan đến quá trình kết tinh trong công nghệ
thực phẩm đó là việc hình thành các tinh thể đá trong quá trình lạnh đông nước. Khi rã
đông các sản phẩm đông lạnh thì chất lượng của thực phẩm có thể bị giảm do sự thay đổi
cấu trúc sản phẩm. Điều này đặc biệt xảy ra với những trái cây mềm như dâu tây. Điều
này là do các tinh thể đá nhỏ được hình thành trong giai đoạn đầu trong tế bào sản phẩm
sẽ lớn dần lên, khi các tinh thể đá lớn nó có thể phá vỡ cấu trúc tế bào của nguyên liệu
dẫn tới việc phá huỷ cấu trúc sản phẩm. Có một khoảng thời gian ” dừng ” đáng kể giữa
thời điểm bắt đầu kết tinh (khoảng – 3
0
C) đến khi kết tinh hoàn toàn và từ điểm này nhiệt

độ của toàn hệ thống sẽ giảm xuống (hình 5). Dưới tác dụng của siêu âm thì tốc độ kết
tinh sẽ nhanh hơn và do đó khoảng thời gian ” dừng ” sẽ ngắn hơn (Acton và Morris,
1992).
Ngoài ra, các tinh thể đá được tạo thành sẽ nhỏ hơn do đó ít nguy hại đến các tế bào
hơn. Trong các lĩnh vực có liên quan khác, thì việc sử dụng siêu âm trong sản phẩm kem
que cũng đã được nghiên cứu (Wiltshire,1992). Siêu âm giúp tạo ra các tinh thể đá nhỏ và
phân bố đều trong sản phẩm. Giúp sản phẩm kem que mềm và mịn hơn, dễ cắn hơn kem
que truyền thống. Đây là một ưu điểm lớn, tuy nhiên nó làm cho kem dính chặt hơn vào
que gỗ.

Kĩ thuật siêu âm Page 17
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Hình 5. Ảnh hưởng của siêu âm đến quá trình lạnh đông
3. Ứng dụng siêu âm trong quá trình bài khí (Povey và Mason, 1998)
Kết quả tạo bọt của siêu âm đã được áp dụng trong việc bài khí trong chất lỏng. Bất kì
các loại khí hay các bong bóng khí hoà tan trong môi trường đều đóng vai trò như một
tâm hình thành các bọt khí. Các bọt khí này không dễ dàng vỡ dưới lực nén chu kỳ của
sóng do nó chứa các khí và chúng sẽ tiếp tục lớn dần, và cuối cùng sẽ nổi lên bề mặt. Chu
kỳ này khí xảy ra rất nhanh (40.000 lần/ giây), các bọt khí lớn rất nhanh và sự bài khí sẽ
diễn ra ngay lập tức.
Việc loại các khí không mong muốn là một qui trình rất quan trọng trong công nghiệp
thực phẩm, và nó được xem nhu là một qui trình vô cùng khó khăn đối với các chất lỏng
có độ nhớt cao như chocolate. Siêu âm hỗ trợ giúp quá trình bài khí diễn ra cực nhanh.
Nó đóng vai trò quan trọng khi quá trình bài khi đòi hỏi tốc độ cao và được điều khiển.
4. Ứng dụng siêu âm trong quá trình lọc (Povey và Mason, 1998; Takaobi Kobayasi và
cộng sự, 2003)
Việc loại bỏ các pha huyền phù trong chất lỏng là một qui quan trọng trong hoá học
và kỹ thuật, đặc biệt là trong thực phẩm. Quá trình lọc này nhằm loại các chất rắn tự do
hay các chất rắn dạng huyền phù trong dung dịch. Quá trình lọc siêu âm nhằm loại bỏ các
phần tử cực nhỏ từ chất lỏng ngày càng được quan tâm, bởi vì tốc độ dòng chảy qua lọc

có thể gia tăng một cách đáng kể khi áp dụng siêu âm.
Thông thường, rất nhiều loại membrane được sử dụng từ những tấm lọc đơn giản đến
các loại membrane bán thẩm thấu. Tuy nhiên, phương pháp truyền thống này thường dẫn
tới nghẹt màng lọc do đó ta phải thường xuyên thay các màng lọc. Siêu âm được áp dụng
để cải tiến kỹ thuật lọc này là do: nó sẽ cung cấp một năng lượng rung đủ lớn di chuyển
các phân tử huyền phù ra khỏi rãnh lọc, do đó tạo ra nhiều rãnh trống cho chất lỏng đi
qua, vì vậy làm tăng tốc độ lọc nhanh hơn các phương pháp thông thường khác trong
cùng thời gian như nhau.
Kĩ thuật siêu âm Page 18
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Trong nghiên cứu Takaomi Kobayashi và cộng sự (2003) đã đề nghị sử dụng kỹ thuật
làm sạch siêu âm để làm giảm hiệu ứng fouling của màng siêu lọc (UF) và màng vi lọc
(MF) khi chúng dùng để lọc dung dịch pepton và dung dịch sữa. Hiệu ứng fouling là hiện
tượng giảm lưu lượng dòng permeate do màng membrane bị nghẹt. Siêu âm được áp
dụng ở tần số 28, 45 và 100 kHz và năng suất đầu ra là 23 W/cm2. Các nghiên cứu được
tiến hành trên các membrane làm từ vật liệu polysulfone của UF và cellulose của MF khi
có hiện tương fouling xảy ra. Tác giả cho rằng ở tần số 28 kHz của siêu âm sẽ có hiệu
quả làm sạch lại màng membrane khi màng đã xảy ra hiện tượng fouling Ngoài ra, tác
giả còn tiến hành nghiên cứu siêu âm cải thiện tính thấm của màng membrane. Kết quả
cho thấy rằng siêu âm có thể làm giảm hiện tượng fouling trong cả hai hệ thống màng
trên khi siêu âm được áp dụng trước khi xảy ra hiện rượng fouling. Cơ chế ảnh hưởng
của siêu âm lên các màng xốp membrane thì vẫn chưa hiểu rõ hoàn toàn, nhưng hầu hết
các nghiên cứu đều cho rằng siêu âm giúp loại bỏ các tác nhân gây nghẹt màng, ngoài ra
cường độ và tần số siêu âm giúp làm tăng tốc độ dòng permeate.
Hình 6. Sơ đồ minh hoạ hiệu quả của siêu âm trên (a) Cải thiện tính thấm của màng, hạn
chế hiện tượng fouling và (b) làm sạch màng sau khi hiện tương fouling xảy ra (Takaomi
Kobayashi và cộng sự (2003)
Kĩ thuật siêu âm Page 19
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
5. Ứng dụng siêu âm trong quá trình sấy (Povey và Mason, 1998; Fuente-Blanco và

cộng sự, 2006)
Trong thời gian gần đây, việc tiêu thụ các sản phẩm sấy đang ngày càng gia tăng. Các
phương pháp sấy truyền thống dựa trên không khí nóng đã được sử dụng một cách rộng
rãi nhưng chúng có thể làm giảm chất lượng của sản phẩm cuối cùng, một số hợp chất
hương, màu và vitamin bị phá huỷ, và thất thoát một số các acid amin cần thiết. Vì vậy,
ngày nay người ta quan tâm đến các phương pháp sấy mà không ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng sản phẩm. Giữa các kỹ thuật mới nổi bật thì sấy siêu âm là một kỹ thuật đầy
hứa hẹn, bởi vì quá trình sấy siêu âm ở nhiệt độ thấp sẽ làm giảm thiểu sự thất thoát các
cấu tử quí nhạy cảm với nhiệt độ. Ngoài ra siêu âm cho phép loại ẩm từ thể rắn mà
không cần chuyển qua thể lỏng. Ngoài ra siêu âm còn được ứng dụng trong sấy những
nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt độ
Nguyên lý: khi sóng siêu âm cường độ cao tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, chúng sẽ
xuyên qua môi trường rắn và tạo ra hàng loạt các hoạt động nén giãn liên tục. Các lực
nén trên các bề mặt làm tạo ra các kênh rãnh nhỏ giúp cho quá trình thoát hơi nước được
dễ dàng hơn. Ngoài ra, siêu âm sẽ tạo ra bọt giúp làm tăng khả năng thoát ẩm liên kết.
Và một số ảnh hưởng khác được quan tâm đó là sự biến đổi của độ nhớt, sự biến dạng
của các vật liệu rắn xốp, các ảnh hưởng này giúp tạo ra các rãnh siêu nhỏ, làm giảm sự
khuếch tán ở các lớp biên, và làm gia tăng sự đối lưu vật chất trong thực phẩm. Tuy
nhiên, chưa có bằng chứng thực nghiệm nào xác định cơ chế nào là có ảnh hưởng lớn
nhất đến quá trình sấy siêu âm. Đây chính là lý do chính giải thích tại sao tính khả quan
của phương pháp này vẫn dưới dạng tiềm năng.
Từ những kết quả hứa hẹn đã nhận được từ mô hình thí nghiệm, đã làm tăng tiềm
năng sử dụng năng lượng rung siêu âm. Tuy nhiên trong công nghiệp thì hệ thống sấy
siêu âm đòi hỏi phải điều khiển được các thông số trong quá trình sấy. Có nghĩa là chúng
ta cần tập trung vào:
Kĩ thuật siêu âm Page 20
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
¯ Những hiểu biết sâu hơn về những cơ chế chính giúp làm thoát ẩm bên trong vật
liệu bằng siêu âm
¯ Phát triển các mô hình sấy siêu âm mẫu trong thời kỳ tiền kỹ nghệ

Theo nhóm tác giả Fuente-Blanco và cộng sự ( 2006) đã tiến hành nghiên cứu sấy
mẫu cà rốt hình trụ, tuy nhiên công việc này có thể mở rộng cho một số sản phẩm khác
như khoai tây và táo. Trong nghiên cứu này các vật liệu có cấu trúc đặc trưng khác nhau
(thân củ, rễ, quả) sẽ được xử lý.
Các vật mẫu sẽ được cắt thành dạng hình trụ (đường kính 24 mm, dày 8 mm). Để chuẩn
bị sấy mẫu cà rốt chúng ta phải tuân theo một số qui định chung: chọn rau quả non, rửa
sạch , loại bỏ phần hư hỏng và cắt chúng thành các mẫu nhỏ đồng đều, ngoài ra mẫu còn
được chần một thời gian trong nước nóng truớc khi sấy. Tất cả các quá trình chuẩn bị này
nhằm tránh enzym tấn công và sự oxi hoá sản phẩm. Sau đó mẫu sẽ được trữ đông.
Mô hình thí nghiệm được đưa ra như sau:
Kĩ thuật siêu âm Page 21
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Hình 7. Mô hình hệ thống sấy siêu âm trực tiếp, bao gồm: Buồng sấy, hệ thống phát năng
lượng siêu âm, bộ điều khiển , đơn vị thu thập dữ liệu và máy tính. (Fuente-Blanco và
cộng sự, 2006)
Hệ thống bao gồm một số phần như sau: (a) buồng sấy, (b) hệ thống phát năng lượng
siêu âm, (c) bộ điều khiển, (d) đơn vị thu thập dữ liệu và (e) máy tính để xác định và
điều khiển các thông số của quá trình sấy.
(a) Buồng sấy: quá trình sấy diễn ra trong buồng sấy. Máy biến năng siêu âm đặt phía
trên buồng sấy. Buồng chân không đặt trong buồng sấy song song với máy biến năng, bề
mặt xốp phía trên của buồng chân không được đặt các mẫu trên đó và cũng được sử dụng
để thoát ẩm ra khỏi mẫu. Một trụ khí áp suất được điều kiển bởi một máy điều chỉnh
được đặt dưới buồng chân không và chúng tạo ra một áp lực ổn định giữa bề mặt phân
cách giữa máy biến áp và vật thể. Một thiết bị thổi không khí cưỡng bức với tốc độ dòng
khí và nhiệt độ được điều khiển, giúp làm tăng khả năng thoát ẩm trên bề mặt vật thể.
Tốc độ không khí được điều khiển bởi PWM (điều rộng xung). Nhiệt độ của mẫu được
đo bằng cặp nhiệt điện và được theo dõi trong suốt quá trình thông qua máy tính.
(b) Hệ thống phát năng lượng siêu âm: gồm một hộp trở kháng thích hợp, một bộ phận
khuếch đại và một hệ thống điều khiển tần số cộng hưởng. Hệ thống này đươc điều khiển
đặc biệt để giữ cho năng lượng cung cấp được ổn định ở tần số cộng hưởng của máy biến

năng trong suốt qúa trình sấy, không phụ thuộc vào sự thay đổi của trở kháng âm thanh
của tải trọng. Hệ thống phát siêu âm có công suất tối đa là 250 W. Các thông số của máy
biến năng (tần số, hiệu điện thế, dòng điện và pha) được điều khiển ổn định liên tục thể
hiện trên máy tính
Tất cả các hệ thống cơ điện và khí được đặt trong buồng sấy được điều khiển trực tiếp
bằng máy tính bằng các phần mềm đặc biệt ( LabView và Mathematica code), và máy
điều hoà tín hiệu và năng luợng bằng PWM. Ngoài ra hệ thống sấy siêu âm có thể tiến
hành các bước khác nhau của quá trình sấy tự động bằng phần mềm tự động. Việc đánh
Kĩ thuật siêu âm Page 22
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
giá các thông số của quá trình cũng được phân tích. Ngoài ra quá trình này cho phép áp
dụng, giám sát, điều khiển các thông số của quá trình
Kết quả và bàn luận
Thí nghiệm đầu tiên được tiến hành để khảo sát ảnh hưởng của năng lượng siêu âm ( 0
W, 25W, 50 W, 75 W và 100 W) vào động lực quá trình sấy. Trong các thí nghiệm thì
một số thông số đuợc giữ cố định như:
- Nhiệt độ buồng sấy: 24-260C và độ ẩm tương ứng là : 30 – 46 %
- Ap suất tĩnh: 0.06 kg/cm2
- Lực hút: 60 mBar
- Tốc độ dòng khí: 2 m/s
- Nhiệt độ dòng khí: 30 0C
Hàm ẩm của mẫu được đo thông qua khối lượng mỗi 15 phút một lần.
Kĩ thuật siêu âm Page 23
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến
Hình 8. Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đến động lực của quá trình sấy mẫu cà rốt
hình trụ (Fuente-Blanco và cộng sự, 2006)
Hình 8 thể hiện sự thay đổi phần trăm khối lượng trong suốt quá trình sấy của 30 mẫu cà
rốt khi có sử dụng siêu âm và không sử dụng siêu âm. Việc sấy mẫu chuẩn trong nghiên
cứu này nhằm thể hiện vai trò của công suất siêu âm đến động lực quá trình sấy trong khi
các thông số khác được giữ cố định. Kết quả đã thể hiện rất rõ ảnh hưởng của công suất

âm đến quá trình sấy. Khi công suất siêu âm tăng thì tốc độ sấy tăng.
Hình 9. Sơ đồ hệ thống sấy siêu âm đa mẫu
Ngoài ra theo các tác giả Povey và Mason (1998) cũng đề cập tới 2 phương pháp sấy
kết hợp với siêu âm là:
Quá trình sấy bằng không khí cưỡng bức kết hợp với siêu âm có áp suất tĩnh( tương tự
như hệ thống đã được trình bày ở trên). Quá trình sấy này được mô tả như hình (hình 10).
Trong đó vận tốc dòng khí áp dụng là 1m/s ở 22
0
C, hiệu quả của quá trình sấy được tính
toán thông qua trọng lượng của mẫu ở các thời điểm khác nhau trong quá trình sấy. Hình
11 là kết quả nhận được khi sấy các mẫu cà rốt dày 2, 4 và 8 mm với đường kính 14 mm
Kĩ thuật siêu âm Page 24
GVHD: Nguyễn Thị Hoàng Yến

Hình 10. Mô hình sấy bằng không khí cưỡng bức kết hợp với siêu âm (air-borne
ultrasonic)
Kĩ thuật siêu âm Page 25