Η Χρήση των Υπερήχων στην Τεχνολογία Τροφίμων

Η έννοια των υπερήχων
Οι υπέρηχοι αποτελούν ηχητικά κύματα που χαρακτηρίζονται από υψηλότερη συχνότητα από εκείνη που μπορεί να γίνει αντιληπτή από  την ανθρώπινη ακοή. Η φυσιολογική ανθρώπινη ακοή μπορεί να ανιχνεύσει ήχους  με εύρος συχνότητας από 0.016 εως 18 ή 20 kHz.
Το φάσμα των υπερήχων μπορεί να διαιρεθεί σε δύο υποζώνες, τους υπερήχους υψηλής έντασης με συχνότητα μεταξύ 20 kHz έως 1 MHz και τους  υπερήχους χαμηλής έντασης  ή διαγνωστικούς υπερήχους με συχνότητα μεγαλύτερη του 1MHz, οι οποίοι χρησιμοποιούνται στην ιατροδιαγνωστική απεικόνιση, τη χημική ανάλυση, τον ποιοτικό έλεγχο των τροφίμων (ωριμότητα, σύνθεση) και σε μη καταστρεπτικές μεθόδους ανάλυσης. Ένα σύστημα  μέτρησης υπερήχων χαμηλής έντασης περιλαμβάνει μία πηγή παραγωγής σήματος,  έναν μετατροπέα, έναν ψηφιοποιητή και μια υποδοχή μέτρησης. Παράδειγμα της εφαρμογής αυτής στη βιομηχανία τροφίμων έχουμε κατά την ανίχνευση ξένων σωμάτων σε τρόφιμα κατά τον ποιοτικό έλεγχο και στη μέτρηση του μεγέθους των λιποσφαιρίων των γαλακτωμάτων.
Ακολούθως, οι υπέρηχοι υψηλής έντασης μεταξύ 10 και 1000W/cm² που χαρακτηρίζονται από συχνότητες μεταξύ 20 έως 100 kHz και προορίζονται για εφαρμογές επεξεργασίας τροφίμων παράγονται μέσω μετασχηματιστών που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε ηχητική μέσω δονήσεων. Αυτοί είναι κυρίως δύο τύπων, μαγνητικοί και πιεζοηλεκτρικοί, με τους τελευταίους να αποτελούν την πιο κοινή μορφή.
Το κύριο πλεονέκτημα των υπερήχων για τη βιομηχανία τροφίμων  είναι ότι θεωρούνται μια καλόβουλη τεχνολογία και είναι ευρέως αποδεκτή από το ευρύ καταναλωτικό κοινό. Σε αντιπαράθεση, άλλες τεχνολογίες όπως για παράδειγμα τα μικροκύμματα, η ακτινοβόληση με ακτίνες γάμμα και η χρήση ηλεκτρικών πεδίων αντιμετωπίζονται με καχυποψία από το γενικό πληθυσμό. Συνολικά επομένως, οι υπέρηχοι θεωρούνται γενικά ως ασφαλείς, μη τοξικοί και φιλικοί προς το περιβάλλον.

Η χρήση των υπερήχων στην επεξεργασία των τροφίμων
H χρήση υπερήχων υψηλής έντασης αποτελεί για τη βιομηχανία τροφίμων την τελευταία δεκαετία ενα πολύ αποδοτικό μέσο για διεργασίες μεγάλης κλίμακας όπως η γαλακτωματοποίηση, η ομογενοποίηση, η εκχύλιση, η κρυσταλλοποίηση, η αφυδάτωση, η παστερίωση χαμηλής θερμοκρασίας, η απαέρωση, η απενεργοποίηση ενζύμων, η μείωση  του μεγέθους σωματιδίων και η τροποποίηση του ιξώδους. Το ξαφνικό αυτό άλμα φυσικά που σημειώθηκε στη χρήση των υπερήχων οφείλεται καταρχήν στον πιο αποδοτικό σχεδιασμό και τη μεγαλύτερη αποδοτικότητα των συστημάτων επεξεργασίας μεγάλης κλίμακας και συνεχούς ροής.
Σε κάθε περίπτωση πάντως, η χρήση των υπερήχων απαιτεί εξατομικευμένες τροποποιήσεις για κάθε βιομηχανική εφαρμογή και παρόλο που συχνά χρησιμοποιείται κυρίως για οικονομικούς λόγους, μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή προϊόντων με αυξημένα ποιοτικά χαρακτηριστικά.
Μηχανισμοί δράσης των υπερήχων
Οι υπερήχοι χρησιμοποιούν φυσικά και χημικά φαινόμενα τα οποία είναι κατά βάση πολύ διαφορετικά από αυτά που χρησιμοποιούνται κατά τις  συμβατικές μεθόδους εκχύλισης, επεξεργασίας και συντήρησης και πλεονεκτούν έναντί τους καθώς αυξάνουν την παραγωγικότητα και την αποδοτικότητα των διεργασιών μέσω της μείωσης του χρόνου επεξεργασίας, ενισχύουν την ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων, μειώνουν την πιθανότητα φυσικών και χημικών κινδύνων και είναι περισσότερο φιλικοί στο περιβάλλον.
Εξ ορισμού οι υπέρηχοι συνιστούν κύματα υψηλής συχνότητας που μεταφέρουν πίεση κατά τη διέλευσή τους σε ένα μέσο. Αυτό έχει ως αποτέλσμα τη δημιουργία  περιοχών χαμηλής και υψηλής πίεσης. Η διακύμανση αυτή της πίεσης  αναφέρεται ως πλάτος πίεσης (amplitude) και είναι ανάλογο της ποσότητας ενέργειας που εφαρμόζεται στο σύστημα. Στην περίπτωση που η διακυμάνσεις της πίεσης είναι αρκετά υψηλές (3.000 ΜΡa), τότε ένα υγρό μέσο μπορεί να αποδομηθεί και να έχουμε το σχηματισμό  μικροφυσαλίδων αερίου και ατμού. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως σπηλαίωση (cavitation), ενώ οι φυσαλίδες είναι δυνατόν να διασπώνται και να επαναδημιουργούνται συνεχώς επιφέροντας αλλαγές στη δομή του μέσου που υφίσταται την επίδραση των υπερηχητικών κυμμάτων.
Συχνά, η βίαιη κατάρρευση που συμβαίνει λόγω της μεταβατικής αυτής επαναλαμβανόμενης σπηλαίωσης μπορεί να δημιουργήσει εντοπισμένες υπερθερμίες (>5000Κ), οι οποίες συνδιαζόμενες με τις ταυτόχρονες εναλλαγές της πίεσης μπορούν να επιφέρουν ένα μεγάλο αριθμό χημικών μεταβολών είτε στο εσωτερικό των φυσαλίδων ατμού, είτε στη διεπιφάνεια με το υγρό μέσο. Με την κατάρρευση μίας τέτοιας φυσαλίδας δημιουργούνται ελεύθερες ρίζες ως αποτέλεσμα της υψηλής θερμοκρασίας. Αν αυτό το φαινόμενο συμβεί παρουσία νερού τότε έχουμε το σχηματισμό πρωτογενών ελευθερων ριζών H και ΟΗ, οι οποίες ανασυνδιαζόμενες μπορούν να οδηγήσουν αλυσιδωτά σε δευτερογενή προϊόντα ελευθέρων ριζών, κυρίως υπεροξειδίου του υδρογόνου (Η₂Ο₂).  Οι ελεύθερες ρίζες μπορούν να επιδράσουν χημικά διασπώντας δισουλφυδικους  δεσμούς πρωτεϊνών, να επηρεάσουν το βαθμό υδροξυλίωσης μακρομορίων αυξάνοντας την αντιοξειδωτική τους ικανότητα. Η επίδραση αυτή μπορεί να είναι και αρνητική κατά την επεξεργασία ενός τροφίμου όπως συμβαίνει κατά τις αντιδράσεις πυρόλυσης που πραγματοποιούνται από την εκτεταμένη χρήση υπερήχων σε τρόφιμα που περιέχουν οργανικούς διαλύτες (π.χ.γάλα) και προσδίδουν στο τρόφιμο τη γεύση και το άρωμα ελαστικού. Ωστόσο η χημική επίδραση των υπερήχων περιορίζεται σε ένα αρκετά υψηλό εύρος συχνοτήτων (200-500 kHz) και δεν αποτελεί το κυρίαρχο φαινόμενο σε χαμηλότερες συχνότητες που χρησιμοποιούνται σε διάφορες διεργασίες επεξεργασίας τροφίμων.

Η εφαρμογή των υπερήχων σε μία επεξεργασία μπορεί πραγματοποιηθεί με τρεις διαφορετικές τεχνικές :
-Απευθείας εφαρμογή στο προϊόν
-Σύζευξη με μια άλλη συσκευή επεξεργασίας
-Βύθιση σε λουτρό υπερήχων
Υπάρχει ένας πολύ μεγάλος αριθμός πιθανών εφαρμογών των υπερήχων υψηλής έντασης στην επεξεργασία των τροφίμων και οι σημαντικότερες από αυτές αναλύονται παρακάτω.

Διαχωρισμός-φιλτράρισμα
O διαχωρισμός με τη χρήση φίλτρων είναι πολύ σημαντική διαδικασία για τη βιομηχανία τροφίμων καθώς χρησιμοποιείται είτε για τη διαύγαση ενός υγρού προϊόντος, είτε για την απομόνωση των στερεών συστατικών από ένα υγρό μέσο. Το κύριο πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί σε αυτή τη διεργασία είναι η εναπόθεση στερεών υλικών πάνω στη μεμβράνη  των φίλτρων. Η εφαρμογή των υπερήχων σε αυτή την περίπτωση μπορεί να αυξήσει τη ροή  σπάζοντας τον πλακούντα που δημιουργείται από τη συσσώρευση των στερεών υλικών και εμποδίζοντας την επανασυσώρρευσή τους, χωρίς ωστόσο να υπάρχει αρνητική επίδραση για τη διαπερατότητα της μεμβράνης. Ο κύριος μηχανισμός που προκαλεί αυτού του είδους τον καθαρισμό είναι τα τα τζετ ρεύματα του υγρού που δημιουργούν οι υπέρηχοι με τη συνέργια κάποιων φαινομένων σπηλαίωσης  που δρουν αποφράσσοντας τη μεμβράνη διαχωρισμού.
Ο διαχωρισμός υπερήχων χρησιμοποιείται επιτυχώς για να ενισχύσει την επεξεργασία των υδατικών αποβλήτων των βιομηχανιών, η οποία θεωρείται αρκετά επίπονη διαδικασία.  Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή χυμών και αναψυκτικών. Για παράδειγμα κατά την εκχύλιση χυμού από πούλπα μήλου, η χρήση υπερήχων υπερτερεί έναντι της συμβατικής μεθόδου με φίλτρα κενού απομακρύνοντας 12% περισσότερο χυμό περίπου.
Οι υπέρηχοι γενικά μπορούν να αυξήσουν τη διάρκεια λειτουργίας των φίλτρων εμποδίζοντας τη δημιουργία θρόμβων και συνεχών εναποθέσων του πλακούντα πάνω στη μεμβράνη τους.

Ψήσιμο
Με μία συμβατική μέθοδο ψησίματος, τα τρόφιμα που εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες πολλές φορές καταλήγουν παραψημένα στο εξωτερικό και ωμά στο εσωτερικό με αποτέλεσμα να μειώνεται η ποιότητά τους. Οι υπέρηχοι έχουν την ικανότητα να βελτιώσουν τη ροή μετάδοσης της θερμότητας. Σε μία ευρεσιτεχνία για παράδειγμα περιγράφεται μια φριτέζα στην οποία το λάδι δέχεται την επίδραση των υπερήχων προσφέροντας καλύτερο τηγάνισμα και μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας.
Παρόλο που οι υπάρχουν πολλές μέθοδοι για το ψήσιμο του κρέατος πέραν των συμβατικών, π.χ. οι φούρνοι μικροκυμμάτων, τελικά η μειωμένη υφή και γεύση καθώς και η αυξημένη κατανάλωση ρεύματος αποτελούν εμπόδια για την αποδοχή μιας και μόνο τεχνικής ψησίματος.
Η σύγκριση μιας μεθόδου υπερήχων σε σχέση με μια συμβατική κατά το ψήσιμο βοδινού κρέατος παρουσιάζει πλεονεκτήματα όπως μεγαλύτερη ταχύτητα ψησίματος, υψηλότερη συγκράτηση υγρασίας στο κρέας και εξοικονόμηση ενέργειας, γεγονός που υποδεικνύει ότι μπορεί να αποτελέσει μια νέα ταχεία, αποδοτική μέθοδο ψησίματος που βελτιώνει την υφή του.

Ξήρανση-αφυδάτωση
Η υποβοηθούμενη με υπερήχους ξήρανση υπάρχει στο προσκήνιο εδώ και αρκετά χρόνια.Οι παραδοσιακές μέθοδοι ξήρανσης και αφυδάτωσης τροφίμων με ρεύματα θερμού αέρα είναι μια οικονομική λύση, αλλά χρονοβόρα για την απομάκρυνση του νερού από το κέντρο του τροφίμου. Επιπλέον, οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να βλάψουν το τρόφιμο,τροποποιώντας  το χρώμα, τη γεύση και τη διατροφική αξία του κατά την επανυδάτωση. Εναλλακτικές μέθοδοι μπορεί να ελαχιστοποιούν αυτά τα μειονεκτήματα, αλλά κάποιες όπως η λυοφιλίωση (freeze drying) είναι ακριβές ή άλλες όπως η ξήρανση με καταιονισμό (spray drying) εφαρμόζονται μόνο σε υγρά τρόφιμα. Ωστόσο, η εφαρμογή μικρών δονήσεων μέσω των υπερήχων  μπορεί να εξαλείψει αυτά τα εμπόδια. Ο μηχανισμός αυτός των δονήσεων προκαλεί συμπιέσεις στο τρόφιμο οθώντας κατ’αυτό τον τρόπο κάθε φορά μια μικρή ποσότητα νερού προς την επιφάνεια, απ’όπου μπορεί πλέον εύκολα να απομακρυνθεί. Η τεχνική αυτή έχει μελετηθεί σε προϊόντα όπως το γάλα σε σκόνη, τα λαχανικά και οι κρύσταλλοι ζάχαρης.     

Παστερίωση –αποστείρωση
Ο χρόνος και η θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται στις  κλασσικές μέθοδοι παστερίωσης και αποστείρωσης παρότι είναι αποτελεσματικές ως προς τη μείωση του μικροβιακού φορτίου και την εξάλειψη των παθογόνων μικροοργανισμών, είναι επίσης και ανάλογες με τη μείωση της διατροφικής αξίας, την παραγωγή ανεπιθύμητων οσμών και την τροποποίηση των λειτουργικών ιδιοτήτων των στοιχείων του τροφίμου. Η εφαρμογή των υπερήχων σε αυτή την περίπτωση μπορεί να βελτιώσει μια τέτοια διαδικασία χάρις στο φαινόμενο της σπηλαίωσης και είναι πολύ σημαντική για την παστερίωση του γάλακτος καθώς έχει κριθεί πολύ αποτελεσματική για την καταστροφή παθογόνων οργανισμών όπως το E. coli, Ρseudomonas fluorescens και Listeria monocytogenes, χωρίς να έχει επίπτωση στην ολική πρωτεΐνη ή την καζεΐνη του παστεριωμένου γάλακτος.  Ο κύριος μηχανισμός θανάτωσης των μικροβίων οφείλεται σε λέπτυνση των μικροβιακών μεμβρανών, τοπική υπερθερμία και παραγωγή ελεύθερων ριζών που αποδομούν το μικροβιακό κύτταρο. Ταυτόχρονα, μπορεί να προκαλέσει κ την απενεργοποίηση ενζύμων όπως πηκτινεστεράσες, πολυφαινολοξειδάσες και περοξειδάσες, τα οποία είναι υπεύθυνα για την αποδόμηση χυμών φρούτων και λαχανικών, καθώς και ενζύμων που σχετίζονται με την ποιότητα του γάλακτος.

Γαλακτωματοποίηση-Ομογενοποίηση
Η γαλακτωματοποίηση αποτελεί ένα σημαντικό μέσο για τη μεταφορά πολλών υδρόφοβων βιοενεργών ουσιών σε διάφορα τρόφιμα. Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους:
–    Τα γαλακτώματα που παράγονται περιέχουν λιποσφαίρια εντος της νανοκλίμακας και χαρακτηρίζονται από πολύ στενή κατανομή.
–    Παρουσιάζουν αυξημένη σταθερότητα.
–    Απαιτείται πολύ μικρή ποσότητα γαλακτωματοποιητή για την παραγωγή τους.
–    Η ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή ενός γαλακτώματος είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με αυτή που καταναλώνεται με τις κλασσικές μεθόδους.
Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους ολοένα προσελκύει μεγαλύτερο ενδιαφέρον προκειμένου να εφαρμοστεί σε βιομηχανική κλίμακα και συγκεκριμένα σε τρόφιμα όπως η μαγιονέζα, οι χυμοί φρούτων, η κέτσαπ όπως επίσης και στην ομογενοποίηση του γάλακτος και την παραγωγή μικροκάψουλων αρωματικών ουσιών.

Κατάψυξη και κρυστάλλωση
Η κατάψυξη και η κρυστάλλωση συνδέονται από το γεγονόςότι και οι δυο διεργασίες εμπεριέχουν την έννοια της αρχικής πυρηνοποίησης η οποία ακολουθείται από αυτή της ανάπτυξης των κρυστάλλων. Οι  υπέρηχοι θεωρείται ότι μπορούν να αυξήσουν το ρυθμό πυρηνοποίησης και κρυστάλλωσης παράγοντας ένα μεγάλο αριθμό εστιών πυρηνοποίησης. Οι εστίες αυτές προέρχονται είτε από τις φυσαλίδες που δημιουργούνται και μπορούν να δράσουν οιι ίδιες ως πυρήνες, είτε από τη διάσπαση των υπαρχόντων πυρήνων, οπότε και έχουμε πολλαπλασιασμό του αριθμού τους. Το κύριο πρόβλημα που δημιουργείται με τις κλασσικές μεθόδους κατάψυξης είναι η ανομοιόμορφη παραγωγή μεγάλων κρυστάλλων στα τρόφιμα και επομένως η καταστροφή της δομής και της υφής του τροφίμου και συνεπακόλουθα η μείωση των οργανοληπτικών του χαρακτηριστικών. Ένα μεγάλο πλήθος τροφίμων έχει καταψυχθεί αποτελεσματικά υπό την επίδραση υπερήχων, ωστόσο αυτού του είδους η τεχνολογία δεν ήταν διαθέσιμη παρά μόνο από το 2006 και έπειτα, ενώ η χρήση των υπερήχων στη συγκεκριμένη διεργασία είναι πολλά υποσχόμενη ειδικά στην περίπτωση τροφίμων υψηλής αξίας, αλλά και σε φαρμακευτικά προιόντα. Η τεχνολογία υπερήχων έχει χρησιμοποιηθεί για την κρυστάλλωση λίπους γάλακτος, φυτικών ελαίων και παγωτού.

Καταλήγοντας,το αυξανόμενο ενδιαφέρον των βιομηχανιών για τους υπερήχους οφείλεται στο γεγονός ότι μπορούν εύκολα να προμηθευτούν απλό, πρακτικό και αξιόπιστο μηχανολογικό εξοπλισμό. Επιπρόσθετα, αποτελεί τεχνολογία αιχμής στις μέρες μας και εφιστά την προσοχή ως ¨πράσινη τεχνολογία¨, η οποία μπορεί να συμβάλλει στην περιβαλλοντική αειφορία.

Όλγα Καλτσά, Msc

Y.δρ Τεχνολογίας Τροφίμων