Đồ án Ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tinh bột

i tinh bột nào đó sẽ phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc của mạng lưới micelle trong hạt tinh bột, cấu trúc này được đặc trưng bởi hình dáng, kích thước phân tử, khối lượng phân tử, tỉ lệ giữa amylose và amylopectin, mức độ phân nhánh và chiều dài của nhánh amylopectin. Ngoài ra nhiệt độ hồ hóa còn phụ thuộc vào tính chất lý hóa của chất khuếch tán và môi trường khuếch tán. Biliaderis và Tonogai (1991) nghiên cứu những ảnh hưởng khi các hạt tinh bột liên kết với lipid vào những đặc tính nhiệt, nhớt, dẻo của gel tinh bột và nhận thấy việc thêm các lysophospholipid làm giảm enthalpy hồ hóa của tinh bột cùng với sự gia tăng về nhiệt độ tại điểm chuyển đổi amylose – lipid xảy ra. Nguyên nhân là do các lipid tạo phức với amylose trên bề mặt hạt do đó ngăn cản sự xâm nhập các phân tử nước và hạt tinh bột làm hạn chế quá trình trương nở của hạt. Garcia, V. và cộng sự (1997) đã nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc của hạt tinh bột sau khi gia nhiệt trong nước với hàm lượng nước khác nhau. Hình ảnh hiển vi quang học cho thấy hạt khi bị gia nhiệt dưới nhiệt độ bắt đầu hấp thu nhiệt (To) không làm ảnh hưởng đến hạt. Sau khi gia nhiệt đến các nhiệt độ khác nhau, hình ảnh hiển vi quang học cho thấy, tương ứng với hàm lượng nước khác nhau trong suốt quá trình, có 4 hình thái riêng biệt trong tập hợp hạt: hạt nguyên, hạt bị mất một phần tính lưỡng chiết, hạt không có tính lưỡng chiết nhưng còn dạng hình cầu và hạt không còn nguyên vẹn. Sự thay đổi càng rõ ràng khi thực hiện quá trình gia nhiệt với hàm lượng nước và nhiệt độ cao hơn. Hình 13: Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ Ở đây chúng ta cần phân biệt sự hồ hóa và quá trình hydrat hóa của hạt tinh bột. Quá trình hydrat hóa là quá trình hạt tinh bột hút nước làm hạt trương nở dẫn đến tăng độ nhớt của hỗn hợp, còn sự hồ hóa chỉ mức độ hấp thu nước tối đa làm hạt trương nở cực đại dẫn đến độ nhớt đạt cực đại. Mức độ trương nở sẽ phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của hạt. Cấu trúc phân tử bên trong càng cứng, nhiệt độ cho quá trình hồ hóa càng cao. Trong quá trình hồ hóa chúng ta cần quan tâm tới hiện tượng hồ tinh bột sau khi gia nhiệt và được làm nguội, các phân tử amylose sẽ tách ra, tái kết hợp và hợp nhất với các hạt tinh bột đã trương nở theo một cấu trúc có thứ tự làm cho độ nhớt tăng lên (Lai và cộng sự, 2000). Hiện tượng này được xem như là quá trình kết tinh hoặc tái kết tinh (nghĩa là sự hình thành và sự kết hợp của hai đoạn xoắn ốc) của amylose (Seow và cộng sự, 1996). Dịch hóa và đường hóa Sau giai đoạn hồ hóa hạt tinh bột trương nở nhưng vẫn còn nguyên vẹn. Khi ta tiếp tục gia nhiệt hỗn hợp, sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử tinh bột trong hỗn hợp dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ làm cho liên kết giữa các phân tử tinh bột với nhau, giữa tinh bột với nước trở nên lỏng lẻo. Kết quả là các phân tử amylose và amylopectin được giải phóng từ dạng “liên kết” trong cấu trúc hạt tinh bột sang dạng “tự do”. Quá trình này được gọi là quá trình dịch hóa. Sản phẩm tạo thành của quá đường hóa là maltodextrin, các oligosacarit, đường glucose, maltose và maltotriose. Lúc này tinh bột trở nên “hòa tan” trong nước, độ nhớt của hỗn hợp giảm đi đáng kể. Quá trình này được thực hiện dưới sự có mặt của enzyme α-amylase và b-amylase hình thành các phân tử có chiều dài mạch ngắn hơn. Enzyme này có thể có trong bản thân hạt tinh bột hay được bổ sung từ ngoài vào. Tiếp theo enzyme glucose-amylase sẽ được bổ sung vào để tiến hành thủy phân hoàn toàn các phân tử mạch ngắn để hình thành đường glucose. Tùy theo loại sản phẩm mong muốn quá trình chuyển hóa này có thể được xúc tác bởi một hay kết hợp nhiều enzyme. Khi sử dụng enzym amiloglucosidase sẽ cho ra các sản phẩm giàu glucose. Còn thủy phân bằng một hỗn hợp các enzym β - amylase và pululanase thì cho sản phẩm giàu maltose (90%). Để tách riêng hai quá trình dịch hóa và đường hóa thì cần sử dụng những điều kiện nhiệt độ và pH tối ưu để tăng hoạt độ của enzym cũng như để cơ chất có trạng thái hòa tan tốt. Sóng siêu âm Định nghĩa Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số lớn hơn tần số giới hạn trên ngưỡng nghe của người bình thường, tức là có tần số lớn hơn 20 kHz. Sóng siêu âm có những đặc tính của sóng âm như phản xạ, nhiễu xạ, giao thoa và có thể lan truyền trong môi trường khí, rắn, lỏng. Phân loại Dựa vào tần số, sóng siêu âm được chia làm 3 loại: Siêu âm tần số thấp (siêu âm năng lượng cao) (20 – 100 kHz): khi đó có sự hình thành và vỡ ra của các bong bóng khí có kích thước lớn sẽ làm cho nhiệt độ và áp suất tăng cao. Do đó có khả năng làm thay đổi tính chất hóa lý của nguyên liệu. Vì vậy được sử dụng để phá vỡ tế bào hay làm bền hệ nhũ tương. Ngày nay siêu âm tần số thấp được ứng dụng trong điều khiển quá trình kết tinh, loại khí khỏi thực phẩm dạng lỏng, vô hoạt enzyme, tăng hiệu quả quá trình trích ly cũng như tăng tốc độ các phản ứng hóa học (Knorr và cộng sự 2004, McClements 1995, Roberts 1993, Zheng và Sun 2006). Siêu âm tần số cao (siêu âm năng lượng thấp) (100kHz-2MHz): khi tần số cao, kích thước các bong bóng khí khá nhỏ nên quá trình sủi bọt diễn ra nhẹ nhàng hơn. Do đó không làm thay đổi những tính chất hóa lý của nguyên liệu nên được thường được dùng trong phân tích, đặc biệt trong phân tích thực phẩm nhằm xác định tính chất hóa lý của thực phẩm cũng như thành phần cấu trúc và trạng thái vật lý của thực phẩm (Fellows 2000, Jayasooriya và cộng sự 2004, Knorr và cộng sự 2004, McClements 1995). So với các phương pháp phân tích truyền thống với tác dụng tương tự thì việc áp dụng sóng siêu âm đem lại hiệu quả nhanh và chính xác hơn. Siêu âm chẩn đoán (5-10MHz): lúc này không còn hiện tượng sủi bong bóng và cơ chế chính của siêu âm trong khoảng tần số này là dòng âm thanh, dùng để đo hệ số tốc độ và hấp thụ của sóng trong môi trường, dùng trong y học, phân tích hóa học. Phần lớn, những nghiên cứu về sóng siêu âm trong thực phẩm thường giới hạn trong khoảng 20 -40kHz (thuộc vùng tần số thấp, năng lượng cao). Hình 14: Các mức tần số của sóng âm Các thông số cần xác định trong quá trình xử lí bằng sóng siêu âm Ba thông số thường được xác định trong các thí nghiệm siêu âm là vận tốc siêu âm, hệ số suy giảm và âm trở. Những thông số này liên quan tới tính chất vật lý của thực phẩm như thành phần, cấu trúc và trạng thái vật lý (McClements, D.J., 1995) Vận tốc siêu âm Vận tốc (c) sóng siêu âm di chuyển qua nguyên liệu phụ thuộc vào module đàn hồi (E) và tỷ trọng (r) của nó: Module sử dụng ở phép toán trên phụ thuộc vào loại nguyên liệu là khí, lỏng hay rắn, và có sóng nén hay sóng cắt tác động (Hình 1.13). Module đàn hồi và tỷ trọng của nguyên liệu phụ thuộc cấu trúc, thành phần và trạng thái vật lý của nó, do đó vận tốc siêu âm có thể sử dụng để cung cấp thông tin cho các tính chất này. Vận tốc siêu âm của một nguyên liệu có thể được xác định bằng một trong hai cách: hoặc đo chiều dài bước sóng của sóng siêu âm tại một tần số f đã biết c = lf, hay đo thời gian t cần để sóng di chuyển qua một khoảng cách xác định d từ đó tính được c = d/t. Hệ số suy giảm Hệ số suy giảm (α) là phép đo độ giảm biên độ của sóng siêu âm khi nó di chuyển qua nguyên liệu. Những nguyên nhân chính của sự suy giảm là sự hấp phụ và sự phân tán. Sự hấp phụ được tạo nên do cơ chế vật lý biến đổi năng lượng tích trữ được khi siêu âm thành nhiệt, ví dụ như độ nhớt lỏng, sự dẫn nhiệt và giảm khối lượng phân tử. Sự phân tán xuất hiện trong nguyên liệu không đồng nhất, như nhũ tương, huyền phù và bọt, khi sóng siêu âm tác động gián đoạn và được phân tán có hướng khác với sóng tới. Khác với trường hợp hấp phụ, năng lượng vẫn được tích trữ khi siêu âm, nhưng không nhận ra được do sự lan truyền có hướng và pha của nó thay đổi. Phép đo sự hấp phụ và phân tán của sóng siêu âm cung cấp thông tin về tính chất hóa lý của nguyên liệu thực phẩm, bao gồm nồng độ, độ nhớt, độ giảm khối lượng phân tử và cấu trúc vi mô. Hệ số suy giảm của nguyên liệu được biểu thị bằng neper trên mét (Npm-1) và được định nghĩa bằng phép toán sau: Trong đó Ao là biên độ ban đầu của sóng, và x là khoảng cách di chuyển. Hệ số suy giảm được xác định bằng cách đo sự phụ thuộc của biên độ sóng siêu âm vào khoảng cách và “điều chỉnh” phép đo vào công thức trên. Hệ số suy giảm thường được biểu thị bằng decibel trên mét (dBm-1), với 1Np = 8.686 dB Âm trở Khi sóng siêu âm tới bề mặt chung giữa hai nguyên liệu khác nhau, nó bị phản xạ một phần và truyền qua một phần. Tỷ lệ của biên độ của sóng phản xạ (Ar) với sóng tới (Ai) được gọi là hệ số phản xạ (R). Với sóng phẳng thường đến biên phẳng: Trong đó, Z là âm trở (tương đương với rc), và ký hiệu “1” và “2” chỉ hai nguyên liệu khác nhau. Rất ít sóng siêu âm phản xạ từ bề mặt của nguyên liệu có âm trở giống xung quanh. Ngược lại, tỷ lệ phần trăm lớn sóng siêu âm bị phản xạ khi hai nguyên liệu có âm trở rất khác nhau. Giống với vận tốc siêu âm và hệ số suy giảm, âm trở là một chỉ tiêu vật lý cơ bản, phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc vi mô của nguyên liệu. Do đó âm trở có thể được sử dụng để cung cấp các giá trị này của thực phẩm. Cơ chế tác động của sóng siêu âm Cơ chế xâm thực khí Tác động cơ sở của sóng siêu âm lên một môi trường lỏng liên tục là do tác động của một áp suất âm thanh (Pa) và một áp suất thủy tĩnh sẵn có trong môi trường. Áp suất âm thanh là sóng dạng sin, phụ thuộc vào thời gian (t), tần số (f) và biên độ áp suất lớn nhất của sóng (Pa max) (Muthukumaran và cộng sự, 2006): Biên độ áp suất lớn nhất của sóng (Pa max) tỷ lệ thuận với năng lượng đầu vào của nguồn phát siêu âm (transducer). Ở cường độ (biên độ) thấp, sóng áp suất tạo ra sự chuyển động và trộn lẫn bên trong chất lỏng, được gọi là dòng âm thanh (acoustic streaming). Ở cường độ cao hơn, áp suất cục bộ trong pha giãn nở của chu kỳ rơi xuống dưới áp suất hơi của dung dịch, hình thành nên những bong bóng nhỏ (là sự hình thành những bong bóng khí bên trong chất lỏng). Tới một khoảng kích thước tới hạn, sự dao động của các bong bóng sẽ tương ứng với một khoảng tần số sử dụng của sóng âm do đó sẽ làm cho bong bóng nổ. Mô tả hiện tượng Sóng siêu âm, giống như các sóng âm khác, bao gồm các chu kỳ nén và giãn. Các chu kỳ nén tác động một áp suất dương lên chất lỏng, đẩy các phân tử chất lỏng lại gần nhau, các chu kỳ giãn tác động một áp suất âm, kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau. Trong suốt chu kỳ giãn, sóng siêu âm có cường độ đủ lớn có thể tạo ra các bong bóng. Các phân tử chất lỏng được liên kết với nhau nhờ lực hấp dẫn, do đó để một bong bóng hình thành, sóng âm phải tạo ra một áp suất âm trong chu kỳ giãn lớn hơn các lực hấp dẫn của chất lỏng. Lượng áp suất âm tạo ra còn phụ thuộc vào: Loại chất lỏng: lực liên kết giữa các phân tử càng chặt chẽ thì áp suất âm cần tạo ra càng lớn và ngược lại khi lực liên kết giữa các phân tử chất lỏng lỏng lẽo thì áp suất âm chỉ cần đạt một giá trị nhỏ. Độ tinh khiết của chất lỏng: đối với các chất lỏng tinh khiết, sức mạnh liên kết của chất lỏng quá lớn đến nỗi sóng siêu âm không tạo ra được áp suất âm đủ lớn để hình thành bong bóng. Đối với chất lỏng không tinh khiết, sức mạnh liên kết của chất lỏng bị giảm do các khí được bẫy vào trong các rãnh của các phần tử rắn nhỏ. Khi một rãnh đầy khí bị tác động bởi một áp suất âm, lúc này áp suất trong rãnh khí giảm, làm cho khí trong rãnh được kéo giãn ra cho đến khi một bong bóng nhỏ được hình thành trong dung dịch. Hầu hết các chất lỏng đều chứa đủ các phần tử nhỏ để tạo điều kiện cho sự sủi bong bóng. Khi bong bóng được hình thành nó sẽ tiếp tục hấp thụ năng lượng từ các chu kỳ nén và giãn dưới tác động của sóng siêu âm. Điều này làm cho các bong bóng tiếp tục lớn lên. Khi các bong bóng phát triển đạt đến một kích thước tới hạn, nó không có khả năng hấp thụ năng lượng từ sóng siêu âm nữa. Do đó khi không có năng lượng vào, các bong bóng không chịu được áp suất bên trong và cuối cùng bong bóng nổ tung tạo ra sự cân bằng động giữa áp suất bên trong và bên ngoài chất lỏng (Suslick, 1989). Hiện tượng này gọi là hiện tượng sủi bong bóng (hay còn gọi là hiện tượng xâm thực khí – cavitation). Đây cũng là tác động quan trọng nhất của sóng siêu âm năng lượng cao. Thông qua hiện tượng này, năng lượng cơ học của sóng siêu âm được biến đổi và truyền qua dung dịch lỏng. (Suslick, 1988; Laborde, 1998). Hình 15: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bọt khí trong môi trường lỏng (Mason, 1998) Phân loại quá trình sủi bong bóng Sủi bọt khí ổn định(stable cavitation): đó là sự sủi bọt khí từ sóng siêu âm có mức năng lượng thấp tạo ra những bọt khí có kích thước nhỏ và ít thay đổi trong suốt các chu trình nén và giãn nở. Sủi bọt khí nhất thời(transient cavitation): đối với sóng siêu âm có mức năng lượng cao, kích thước của những bọt khí thay đổi rất lớn. Diện tích bề mặt của bọt khí tăng trong suốt chu trình giãn nở. Vì vậy sự thoát khi cũng tăng theo. Kết quả là kích thước của bọt khí tăng lên sau mỗi chu trình. Sau nhiều chu trình nén và giãn nỡ, bọt khí sẽ đạt kích thước giới hạn mà năng lượng âm không còn khả năng giữ pha hơi ở bên trong. Đến chu trình nén tiếp theo, hơi bất chợt ngưng tụ và những bọt khí sẽ vỡ. Những phân tử xung quanh bọt khí va chạm nhau một cách mãnh liệt, tạo ra những vùng có nhiệt độ và áp suất cao lên đến 5500oC và 50MPa. Trong suốt quá trình siêu âm, sự sủi bọt khí ổn định có thể trở thành sự sủi bọt khí nhất thời hay chúng cũng có thể đồng thời xảy ra (Atchley và Crum,1988). Các yếu tố ảnh hưởng Tần số: tần số tỷ lệ nghịch với kích thước bong bóng. Do đó, siêu âm có tần số nhỏ sẽ tạo ra các bong bóng lớn, khi đó hiện tượng sủi bong bóng diễn ra mạnh mẽ. Ngược lại khi tần số gia tăng, khu vực sủi bọt bong bóng trở nên ít dữ dội hơn và khi tần số nằm trong giá trị MHz thì không còn quan sát được hiện tượng sủi bọt bong bóng nữa và cơ chế chính là dòng âm thanh (acoustic streaming). Cường độ: siêu âm cường độ cao có thể làm giãn bong bóng quá nhanh trong suốt chu kỳ áp suất âm do đó làm cho bong bóng không có cơ hội co rút trong chu kỳ áp suất dương. Ngược lại khi cường độ siêu âm nhỏ hơn thì số lần bong bóng giãn ra và nén lại sẽ tăng lên. Do đó thời gian xử lí sẽ dài hơn. Biên độ dao động: khi biên độ dao động tăng thì số lượng bong bóng khí cũng tăng lên do đó cũng góp phần làm tăng cường hiện tượng sủi bọt khí. Áp suất: áp suất thủy tĩnh cao có thể chống lại sự khuếch tán khí ra khỏi bọt khí, làm giảm sự sủi bọt khí. Do đó sự gia tăng áp suất ngoài (được điều khiển bằng áp suất đối) sẽ làm tăng ngưỡng của sự vỡ bọt khí và giảm lượng bọt khí tạo thành. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất ngoài lại làm tăng áp suất bên trong những bọt khí khi chúng vỡ ra, kết quả là sự vỡ bọt khí sẽ diễn ra nhanh hơn và mạnh mẽ hơn. Do đó sự gia tăng áp suất đối là một phương pháp làm gia tăng hiệu quả của quá trình xử lý với sóng siêu âm thay vì thay đổi biên độ dao động. Nhiệt độ: nhiệt độ tăng sẽ làm gia tăng số lượng bọt khí tạo thành, tuy nhiên cường độ sự vỡ bọt khí sẽ bị giảm do ảnh hưởng của áp suất hơi tăng lên và đóng vai trò như lớp đệm, ngăn cản sự va chạm của các phân tử xung quanh khi bọt khí vỡ. Ngược lại, sự vỡ bọt khí sẽ khó khăn khi nhiệt độ giảm, vì độ nhớt môi trường tăng cao. Sự gia tăng nhiệt độ sẽ làm giảm độ nhớt, quá trình vỡ bọt khí diễn ra mạnh mẽ hơn. Do đó, nhiệt độ phải được điều chỉnh sao cho độ nhớt đủ thấp để làm gia tăng độ mạnh của sự vỡ bọt khí, tuy nhiên nhiệt độ cũng không quá cao để không làm giảm độ mạnh của sự vỡ bọt khí bởi áp suất hơi cao. Khuếch tán chỉnh lưu Trong nhiều trường hợp, sự phân phối kích thước các bong bóng là thông số chủ chốt để kiểm tra tác động âm học. Quá trình khuếch tán chỉnh lưu biểu hiện bằng sự không ổn định của khí hòa tan trong dung dịch và khí vào bong bóng để làm tăng bán kính của nó trong trường siêu âm. Do đó, nếu không có sóng siêu âm hay bất kỳ một cơ chế ổn định nào, các bong bóng sẽ hòa tan dần dần (Gupta và Kumar, 1983). Vì vậy cơ chế ổn định thích hợp là: khi cân bằng, thành bong bóng bị lõm, do đó áp suất phụ thuộc sức căng bề mặt giúp cho việc ổn định các bong bóng khí và chống lại sự hòa tan của chúng. Sự khuếch tán chỉnh lưu trực tiếp từ bên trong xoay chuyển thông qua việc bơm khí hòa tan ban đầu trong chất lỏng vào trong bong bóng, sử dụng năng lượng siêu âm. Có hai yếu tố đóng góp vào quá trình này: tác động diện tích và tác động vỏ. Tác động diện tích: là do sự tương ứng giữa phương dòng chảy và diện tích thành bong bóng. Khi bán kính bong bóng nhỏ hơn bán kinh cân bằng, khí bên trong có áp suất cao hơn giá trị cân bằng, do đó khuếch tán ra ngoài chất lỏng. Ngược lại, khi bán kính bong bóng cao hơn nhiều so với bán kính cân bằng, áp suất khí bên trong thấp hơn giá trị cân bằng nên khí khuếch tán từ chất lỏng vào bong bóng. Tuy nhiên, tốc độ dòng chảy thực của khí không cân bằng trong suốt pha nén và pha giãn của sự dịch chuyển bong bóng do diện tích thành bong bóng (bề mặt tương tác trao đổi) của trường hợp sau cao hơn trường hợp đầu. Do đó, theo thời gian sẽ có sự tràn khí vào trong chất lỏng. Tác động vỏ: xuất hiện do tốc độ khuếch tán khí trong chất lỏng tỉ lệ với gradient nồng độ khí hòa tan. Khi bong bóng dao động, vỏ hình cầu của chất lỏng bao quanh bong bóng sẽ thay đổi thể tích nên gradient nồng độ sẽ thay đổi theo. Xét bong bóng ở điều kiện cân bằng với hai lớp vỏ bao quanh nó. Khi bong bóng giãn ra, mỗi lớp vỏ chất lỏng sẽ co lại. Nồng độ khí hòa tan trong chất lỏng sát bong bóng nhỏ hơn giá trị cân bằng (Định luật Henry) nhưng vỏ mỏng hơn so với bong bóng ở bán kính cân bằng dẫn đến gradient giữa hai bên vỏ sẽ cao hơn. Do đó tốc độ khuếch tán khí đi vào và đi ra khỏi bong bóng cao. Khi bong bóng co lại, lớp vỏ chất lỏng xung quanh bong bóng sẽ giãn ra mặc dù nồng độ của khí gần thành bong bóng cao hơn so với khi bong bóng giãn (theo định luật Henry) nhưng độ dày gia tăng của thành bong bóng có nghĩa là gradient nồng độ thấp hơn so với khi bong bóng giãn ra. Hai yếu tố này (nồng độ khí ở thành bong bóng và độ dày vỏ) kết hợp với nhau khi bong bóng giãn ra, nhưng chống lại nhau khi bong bóng co lại. Kết quả là cả diện tích bề mặt thành bong bóng và tốc độ khuếch tán khí hòa tan đều bất đối xứng về phương diện giãn ra và co lại: tác động diện tích và tác động vỏ tăng cường lẫn nhau. Tác động kết hợp có nghĩa là trong suốt quá trình sủi bong bóng phi tuyến trong trường siêu âm vừa cường độ vừa đủ, bán kính cân bằng mà ở đó bong bóng dao động sẽ có khuynh hướng tăng lên (Eller và Flynn, 1965; Eller, 1972; Crum, 1984; Church, 1988a,b). Sự khuếch tán chỉnh lưu của nhiệt có thể xảy ra, trong đó sự dao động của bong bóng gây nên sự hình thành vi phân nhiệt dựa vào gradient tồn tại trong môi trường không có siêu âm (Wang, 1974). Áp suất âm học ngưỡng của sự lớn lên phụ thuộc vào kích thước bong bóng và tần số âm học. Ngưỡng áp suất âm học đạt mức tối thiểu cục bộ ở cộng hưởng điều hòa và cộng hưởng điều hòa dưới nước (Church, 1988a). Tốc độ lớn lên tại thời điểm ngưỡng bị vượt quá do ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự hiện diện của tác nhân hoạt động bề mặt và vi dòng, tác động lên việc vận chuyển khí ra khỏi thành bong bóng (Church, 1988b). Tác động của vi dòng đơn giản về mặt định tính. Khi bong bóng lớn lên nhờ khuếch tán chỉnh lưu, khí hòa tan được lấy từ chất lỏng gần bong bóng. Nếu không có dòng chảy, tốc độ thiếu hụt phụ thuộc vào tốc độ ở đó khí hòa tan có thể khuếch tán từ những vùng xa bong bóng. Do đây là một quá trình chậm, chất lỏng bên ngoài thành bong bóng sẽ bị tháo kiệt khí hòa tan. Sự thay đổi về gradient nồng độ làm giảm tốc độ lớn lên nhiều hơn. Tuy nhiên, các dòng chảy vi dòng có khuynh hướng đem chất lỏng từ xa đến gần thành bong bóng. Sự đối lưu của khí hòa tan làm giảm sự tháo kiệt khí và làm tăng tốc độ lớn lên. Vi dòng sẽ nạp liên tục chất lỏng ở thành bong bóng, cung cấp cho nó một nồng độ khí hòa tan gần với những vùng xa bong bóng. Hiện tượng đối lưu thích hợp: nếu một bong bóng đang hòa tan, vi dòng sẽ có khuynh hướng dịch chuyển từ những vùng bên ngoài thành bong bóng. Do đó, nồng độ khí hòa tan dư làm tăng tốc độ hòa tan. Ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ thực phẩm Bảng 7: Các ứng dụng của siêu âm năng lượng cao trong công nghiệp thực phẩm (Patist, Bates, 2008) Ứng dụng Cơ chế Lợi ích Trích ly Tăng quá trình truyền khối, giải phóng các thành phần có trong tế bào Làm tăng năng suất và hiệu quả trích ly Nhũ hóa Sự vỡ những bọt khí sẽ giúp cho 2 pha không tan lẫn vào nhau được trộn lẫn vào nhau hiệu quả hơn Sự hình thành hệ nhũ hiệu quả hơn Kết tinh Tạo mầm và điểu chỉnh sự hình thành tinh thể Hình thành những tinh thể nhỏ Lọc Làm nhiễu loạn lớp biên Gia tăng tốc độ dòng chảy, giảm tắc nghẽn Thay đổi độ nhớt Thay đổi cấu trúc thuận nghịch hoặc không thuận nghịch, dẫn đến sự hình thành liên kết ngang hoặc tái cấu trúc lại Làm gia tăng bản chất của các quá trình, giảm phụ gia Phá bọt Áp suất âm sẽ làm vỡ những bọt khí Tăng năng suất, làm giảm hoặc loại bỏ những chất hóa học chống tạo bọt Ép đùn Dao động cơ học, giảm ma sát Tăng năng suất Vô hoạt enzyme và VSV Tăng quá trình truyền nhiệt cũng như lực trượt. Sự vỡ những bọt khí sẽ ảnh hưởng lên thành tế bào VSV Vô hoạt enzyme ở nhiệt độ thấp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm Lên men Tăng quá trình truyền cơ chất, kích thích các quá trình sống Tăng sản lượng của chất chuyển hóa, tăng tốc độ quá trình lên men Truyền nhiệt Tăng quá trình truyền nhiệt do sự vỡ bọt khí Tăng tốc quá trình truyền nhiệt, làm lạnh, sấy ở nhiệt độ thấp. Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến quá trình thủy phân tinh bột Dưới tác động của sóng siêu âm các hạt tinh bột sẽ trương nở, phá vỡ hạt, giải phóng ra các sợi amylose và amylopectin, sau đó các sợi này tiếp tục bị cắt ngắn mạch để giải phóng ra các dextrin và cuối cùng là các đường đơn giản như maltose và glucose... Các phản ứng này phụ thuộc vào nguyên liệu, thiết bị sử dụng cũng như điều kiện phản ứng (liên tục hay gián đoạn). Đối với nguyên liệu ngoài yếu tố quan trọng nhất là tỉ lệ amylose / amylopectin hay nói cách khác là tỉ lệ vùng kết tinh / vùng vô định hình thì nồng độ mẫu cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí của sóng siêu âm. Loại máy phát siêu âm ( bể siêu âm hay thanh siêu âm), cường độ và thời gian siêu âm là những yếu tố liên quan đến thiết bị. Thông qua việc khảo sát các thông số này chúng ta có thể xác định được hiệu suất cũng như giúp cho việc điều chỉnh quá trình tối ưu hơn để đưa vào ứng dụng trong thực tiễn. Các thông số tác động đến quá trình Yếu tố thiết bị Hiện nay có hai loại thiết bị được sử dụng để phát siêu âm là bể siêu âm và thanh siêu âm. Bể siêu âm thường được sử dụng với cường độ chiếu nhỏ hơn do diện tích phát siêu âm lớn hơn thông qua thành thiết bị so với thanh siêu âm. Mặc dù vậy thanh siêu lại cho tác dụng cao hơn do việc lan truyền của sóng cao nên dễ dàng va chạm và tác động vào hạt hơn. Từ đó làm hạt trương nở và bị phá hủy nhiều hơn. Đối với các thiết bị giống nhau thông quá việc điều chỉnh cường độ chiếu hay thời gian chiếu cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lí nếu sự thay đổi này được xem là đáng kể. Khuynh hướng chung hiện nay với cường độ siêu âm càng lớn, thời gian chiếu càng dài, mức độ thủy phân sẽ càng nhiều. Đối với các thí nghiệm chỉ yêu cầu hạt trương nở thì việc tăng cường độ cũng như thời gian chiếu sẽ không cho hiệu suất tối đa, còn với yêu cầu phá vỡ hạt mức độ phá vỡ sẽ tăng tỉ lệ với cường độ và thời gian chiếu sóng siêu âm. Nhưng để đạt được hiệu quả năng lượng cao thì chúng ta cần khảo sát thông qua thực nghiệm để tìm được thông số tối ưu nhất để hiệu suất phản ứng cao nhất đồng thời năng lượng sử dụng là thấp nhất. Bởi vì trong quá trình phá vỡ sẽ làm cho độ nhớt dịch tăng lên đến một lúc nào đó khi độ nhớt quá cao sóng siêu âm không thể gây ra được các rung động cho các sợi để tiếp tục phá vỡ nó nữa thì hiệu suất phản ứng sẽ tăng chậm lại hay gần như là không tăng. Nhiệt độ quá trình xử lí cũng có thể được điều chỉnh. Nhiệt độ càng cao gây ra các chuyển động nhiệt hỗn loạn cùng với tác động gây rung động của sóng siêu âm càng làm hạt dễ dàng bị phá vỡ hơn. Chúng ta sẽ cùng khảo sát sự thay đổi các thông số này đối với từng quá trình cụ thể khi tinh bột bị thủy phân. Đầu tiên dưới tác động của cơ chế khuyết tán chỉnh lưu các phân tử nước chuyển động và xâm nhập vào bên trong hạt. Khi đó chúng sẽ liên kết với các sợi trong hạt thông qua các liên kết hydro làm hạt tăng thể tích hay nói cách khác hạt bị trương nở. Đồng thời lúc đó nước cũng lôi kéo các sợi amylose và amylopectin ra bên ngoài làm cấu trúc hạt tinh bột bị phá vỡ. Kết quả làm giảm kích thước hạt nếu thời gian xử lí dài, cường độ chiếu lớn thì hạt không còn nguyên vẹn nữa mà sẽ bị rã ra. Khi đó độ nhớt của dịch tăng lên và việc giải phóng ra các sợi này sẽ làm tăng khả năng hòa tan so với dạng nguyên hạt ban đầu. Ivana Ljubić Herceg (2010) đã tiến hành thí nghiệm với tinh bột bắp nồng độ 10% với sự thay đổi thiết bị chiếu là thanh siêu âm với cường độ 2 W.cm-2 và bể siêu âm với cường độ 34 W.cm-2 trong cùng khoảng thời gian là 15 phút. Kết quả cho thấy hình thái hạt sẽ thay đổi tùy thuộc vào thiết bị sử dụng. Cụ thể khi sử dụng bể siêu âm các hạt có khuynh hướng kết lại nên không có sự thay đổi đáng kể kích thước hạt và chỉ chủ yếu giảm ở một lượng nhỏ những hạt chưa bị kết lại còn khi sử dụng thanh siêu âm kích thước hạt giảm tương đối nhiều hơn. Bên cạnh đó Ivana Ljubić Herceg cũng tiến hành khảo sát sự thay đổi cường độ chiếu trong trường hợp sử dụng thanh siêu âm với cường độ thay đổi 34, 55 và 73 W.cm-2 trong cùng thời gian là 15 phút. Theo lý thuyết cường độ xử lí càng lớn kích thước hạt càng giảm nhiều hơn. Nhưng thực chất dưới tác động của sóng siêu âm bên cạnh việc phá vỡ hạt nó cũng tác động vào các phân tử nước tạo ra các gốc tự do là H+ và OH-. Các gốc tự do sau đó sẽ thoát ra ngoài và có khuynh hướng kết hợp với các phân tử hòa tan khác. Do đó khi cường độ cao hơn mức độ giới hạn các gốc tự do càng nhiều nên các hạt dễ dàng liên kết với nhau thông qua các gốc tự do này dẫn đến kích thước hạt tăng lên và các hạt sẽ kết lại với nhau nhiều hơn. Hình 17: Hình ảnh SEM với cường độ chiếu (a) 34 W.cm-2 (b) 55 W.cm-2 (c) 73 W.cm-2 (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Tương tự khi thay đổi thời gian chiếu kích thước hạt cũng sẽ thay đổi. Đối với cường độ chiếu vừa phải thì khi thời gian chiếu tăng kích thước hạt sẽ giảm theo thời gian. Nhưng trong trường hợp cường độ chiếu cao tương tự như phần giải thích trên kích thước hạt có khuynh hướng ngược lại là tăng lên và kết lại với nhau. Chúng ta có thể quan sát trong các hình ảnh được chụp bằng SEM. Hình 18: Hình ảnh hạt với cường độ chiếu 34 W.cm-2 trong (a) 15 phút (b) 30 phút (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Hình 19: Hình ảnh hạt với cường độ chiếu 73 W.cm-2 trong (a) 15 phút (b) 30 phút (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Wenjian Cheng (2010) cũng tiến hành thí nghiệm và cho kết quả tương tự. Điều kiện thí nghiệm được điều chỉnh với các bước thời gian khác nhau và cường độ chiếu là 74 W.cm-2. Hình: Hình thái hạt tinh bột sau quá trình chiếu sóng siêu âm trong thời gian (a) 0 phút, (b) 2.5 phút, (c) 5 phút, (d) 10 phút, (e) 15 phút dưới kính hiển vi quang học có độ phóng đại là 100. (Wenjian Cheng, 2010) Nhận xét: trước khi xử lí sóng siêu âm hạt gần như còn nguyên vẹn. Sau 15 phút xử lí tất cả các hạt biến mất. Dưới tác động của sóng siêu âm (tác động cơ học và nhiệt độ) là phá vỡ liên kết ngang giữa các polymer (chủ yếu là amylose và amylopectin). Khi đó các hạt rã ra hoàn toàn. Khi hạt bị phá vỡ và giải phóng các sợi độ nhớt hạt và độ hòa tan tăng dần do sự tăng hàm lượng các chất hòa tan. Thời gian chiếu càng dài, cường độ càng lớn, hạt bị phá hủy càng nhiều thì độ nhớt và độ hòa tan càng tăng. Các số liệu cụ thể về độ nhớt và chỉ số hòa tan cho trong bảng sau: Bảng 8:Độ nhớt và chỉ số hòa tan hạt tinh bột với sự thay đổi các thông số về thiết bị khi hạt trương nở và bị phá vỡ (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Thiết bị chiếu Cường độ chiếu (W.cm-2) Thời gian chiếu (phút) Độ nhớt (BU) Chỉ số hòa tan (%) - - 15 30 657 658 0.04 0.03 Bể siêu âm 2 2 15 30 679 851 3.01 3.29 Thanh siêu âm 34 34 15 30 1129 1158 3.86 4.02 Thanh siêu âm 55 55 15 30 1452 1187 5.07 5.28 Thanh siêu âm 73 73 15 30 1080 1346 5.85 6.45 Nhận xét: chỉ số hòa tan tăng tương ứng với sực tăng cường độ và thời gian chiếu. Độ nhớt cũng tăng khi cường độ và thời gian chiếu tăng nhưng khi cường độ đạt đên một giá trị nào đó các sợi sẽ bị cắt ngắn mạch do đó làm độ nhớt giảm và nhưng khi số lượng các phân tử mạch ngắn nhiều hơn thì độ nhớt cũng tăng lên theo. Cũng tương tự với các kết quả trên thanh siêu âm đem lại hiệu quả cao hơn so với bể siêu âm. Hệ quả đi kèm với việc chiếu sóng siêu âm là sự tăng nhiệt độ mẫu. Cường độ chiếu càng lớn, thời gian càng dài nhiệt độ mẫu càng cao. Do đó đây cũng là một tác nhân góp phần tăng hiệu suất quá trình thủy phân. Số liệu cụ thể được trình bày trong bảng sau: Bảng 9: Nhiệt độ huyền phù tinh bột sau quá trình xử lí bằng sóng siêu âm (Ivana Ljubić Herceg, 2010) Thiết bị chiếu Cường độ chiếu (W.cm-2) Thời gian chiếu (phút) Nhiệt độ mẫu sau chiếu siêu âm (0C) - - 15 30 18.1 18.1 Bể siêu âm 2 2 15 30 20.3 21.4 Thanh siêu âm 34 34 15 30 40.2 50 Thanh siêu âm 55 55 15 30 37.2 42.2 Thanh siêu âm 73 73 15 30 49.4 56.4 Tương tự Qiang Huang (2007) cũng tiến hành thí nghiệm khảo sát thời gian xử lí tác động như thế nào đến mức độ thủy phân với nguyên liệu tinh bột bắp độ ẩm 13.5%. Kết quả cho được cũng tương tự như Ivana Ljubić Herceg khi thời gian xử lí tăng mức độ thủy phân hay phá vỡ các hạt cũng tăng. Trong thí nghiệp thời gian sẽ được điều khiển trong khoảng từ 0 – 15 phút với khoảng thời gian thay đổi ngắn hơn thí nghiệm trên. Do đó sẽ giúp chúng ta dự đoán kết quả chính xác hơn. Bảng 10: Sự thay đổi mức độ thủy phân theo thời gian (Qiang Huang, 2007) Thời gian (phút) Mức độ thủy phân (%) 0 0 3 3.1 6 7.8 9 15.7 12 17.6 15 18.4 Nhận xét: mức độ thủy phân tăng nhanh khi thời gian xử lí bằng sóng siêu âm tăng từ 3 – 9 phút. Sóng siêu âm có thể ảnh hưởng đến vùng vô định hình trong thời gian 3 – 9 phút trong khi đó vùng kết tinh không dễ dàng bị ảnh hưởng. Từ 9 – 15 phút quá trình thủy phân các vùng kết tinh xảy ra chủ yếu. Do có các vùng này có cấu trúc khá chặt chẽ nên mức độ thủy phân trong khoảng thời gian này tăng khá chậm. Khi hạt chưa bị thủy phân, bề mặt hạt trơn láng nhưng khi hạt bị thủy phân trên bề mặt hạt bắt đầu xuất hiện các lỗ nhỏ trên bề mặt. Các lỗ to và nhiều hơn khi mức độ thủy phân tăng lên. Các lỗ này phân phối đều nhau và có hình dạng như tổ ong. Hình 20: SEM của hạt tương ứng mức độ thủy phân 0 , 3.1, 18.4% (Qiang Huang, 2007) Wenjian Cheng (2010) cũng tiến hành thí nghiệm với mục đích tương tự. Tinh bột bắp với thành phần hóa học carbonhydrate 99.05%, proteins 0.24%, chất béo 0.45%, tro 0.12% và tỉ lệ amylose là 28%. Huyền phù tinh bột với nồng độ 3%, 5%, 7%, 10% đầu tiên sẽ hồ hóa trước ở 900C trong 30 phút và tốc độ khuấy là 100 rpm. Sau đó được làm nguội xuống 600C và tiến hành chiếu sóng siêu âm trong các khoảng thời gian khác nhau 0, 2.5, 5, 10, 15 và 30 phút ở nhiệt độ là 60 ± 30C với máy phát siêu âm có tần số 20kHz và đầu phát ra âm thanh có đường kính cuối là 0.6 cm, năng lượng được cài đặt ở 74 W/cm2. Mẫu đem chiếu sóng siêu âm được đặt trong bể điều nhiệt để tránh sự tăng nhiệt. Hình 21: Ảnh hưởng của sóng siêu âm lên độ nhớt biểu kiến với sự thay đổi nồng độ dịch tinh bột (Wenjian Cheng, 2010) Nhận xét: kết quả cho thấy độ nhớt biểu kiến giảm nhanh đối với các nồng độ khác nhau của hồ tinh bột sau 15 phút. Sau đó độ nhớt giảm chậm và nếu thời gian kéo dài thì độ nhớt không giảm nữa. Và sau 30 phút xử lí độ nhớt của dịch ở các nồng độ khác nhau gần như xấp xỉ nhau và đạt giá trị khá thấp dao động trong khoảng lân cận 10 mPa.s. Hình 22: Ảnh hưởng của sóng siêu âm lên độ hòa tan (Wenjian Cheng, 2010) Nhận xét: với quá trình xử lí sóng siêu âm kéo dài, độ hòa tan của dịch tăng nhanh là do sự gãy vỡ các liên kết của các hạt làm tăng độ linh động của các mạch polymer. Sau 30 phút xử lí độ hòa tan gần như đạt 100% đối với các dịch có nồng độ khác nhau.. Khi hạt đã bị phá vỡ và cắt mạch tạo thành các dextrin phân tử lượng nhỏ hơn, nếu chúng ta tiếp tục quá trình xử lí thì trong hạt sẽ xảy ra tiếp quá trình đường hóa tạo thành các sản phẩm đường đơn giản. Quá trình này được điều khiển qua sự khảo sát hàm lượng đường khử được giải phóng. Nghiên cứu khác tiến hành với nguyên liệu là tinh bột khoai mì với các chế độ xử lí khác. Các mẫu tinh bột thu được trước và sau khi nấu được xử lý siêu âm trong 20 – 40s ở biên độ dao động từ 180 to 299μmpp, sau đó đem xử lý enzyme (α-amylase và glucoamylase). Kết quả SEM cho thấy các mẫu siêu âm có tốc độ tạo ra đường khử tăng 3 lần so với các mẫu kiểm chứng. (Nitayavardhana, 2008) Hình 23: Hình ảnh SEM của hồ tinh bột khoai mì (a) mẫu kiểm chứng, (b) năng lượng thấp (20s), (c) năng lượng thấp (40s), (d) năng lượng cao (20s), (e) năng lượng cao (40s) (Nitayavardhana, 2008) Lượng đường khử tăng tỉ lệ thuận với năng lượng và thời gian siêu âm (có thể tăng đến 180% so với mẫu không siêu âm). Các mẫu hồ tinh bột được bổ sung enzyme trong suốt quá trình siêu âm cho lượng đường khử cao hơn các mẫu cho enzyme vào sau siêu âm. Nhiệt tỏa ra trong suốt quá trình siêu âm nếu thấp hơn nhiệt độ hồ hóa tinh bột sẽ không làm tăng lượng đường khử (Nitayavardhana). Hình 24: Lượng đường khử và nhiệt độ gia tăng ở những điều kiện siêu âm khác nhau (Nitayavardhana, 2008) Nhận xét : kết quả cho thấy hàm lượng đường khử tăng nhờ siêu âm tỉ lệ thuận với năng lượng và thời gian siêu âm. Hàm lượng đường khử cao nhất là 51 và 46g/100g mẫu thu được khi enzyme cho vào sau siêu âm 40s và enzyme cho vào trước siêu âm 40s, tương ứng, ở mức năng lượng cao. Yếu tố nguyên liệu Các loại nguyên liệu khác nhau thì có tỉ lệ vùng kết tinh / vùng vô định hình khác nhau. Vùng kết tinh liên quan đến hàm lượng amylose được liên kết lại với nhau tạo thành một mạng lưới chặt chẽ còn vùng vô định hình liên quan đến hàm lượng amylopectin ở dạng sợi tự do có cấu trúc mạch dài, cồng kềnh khó tiến gần với nhau để tạo liên kết nên các vùng vô định hình này sẽ bị sóng siêu âm tác động dễ dàng hơn. Nồng độ tinh bột cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí của sóng siêu âm. Tinh bột có nồng độ càng cao thì độ nhớt càng lớn giải thích tương tự như trên kết quả làm giảm hiệu suất phản ứng. Do đó khi xử lí chúng ta cũng cần khảo sát để tìm ra nồng độ tối ưu nhất để hiệu suất phản ứng là cực đại. Trước hết chúng ta sẽ đi vào xem xét đối với các loại hạt khác nhau thì độ hòa tan của hạt sẽ biến đổi như thế nào theo thời gian xử lí. Những nghiên cứu tinh bột khác như khoai tây, khoai mì, khoai lang, tinh bột bắp của Yasuo Iida (2007) cũng cho kết quả tương tự như tinh bột bắp hay khoai mì được khảo sát ở phần trên. Kết quả được tóm tắt trong các bảng kết quả sau với nồng độ tinh bột là 5%. Bảng 11: Sự thay đổi độ hòa tan của các loại hạt tinh bột khác nhau theo thời gian (Yasuo Iida, 2007) Mẫu Thời gian chiếu (phút) Mức độ hòa tan (%) Bắp nếp % amylopectin » 100% 0 1 5 0.004 0.115 0.161 Khoai tây % amylopectin » 78% 0 1 5 0.084 0.63 0.71 Khoai mì % amylopectin » 83% Đường kính hạt 0 1 5 0.13 0.806 0.843 Khoai lang % amylopectin » 90% 0 1 5 0.01 0.021 0.037 Bảng 12: Sự thay đổi độ nhớt của một số loại tinh bột bởi sóng siêu âm trong 30s (Yasuo Iida, 2007) Mẫu Độ nhớt (mPa.s) 60 °C 50 °C 40 °C 30 °C 20 °C Bắp nếp 254 300 372 440 586 Khoai tây 528 782 2100 3110 5410 Khoai mì 574 900 1420 2110 3200 Khoai lang 656 760 912 1140 1310 Nhận xét: khi chiếu sóng siêu âm độ nhớt của các dịch từ các nguồn khác nhau đều có khuynh hướng giảm. Nhiệt độ chiếu càng cao độ nhớt của dịch càng giảm. Mặt khác nồng độ cũng là một yếu tố tác động khác lớn đến hiệu suất phản ứng. Ở nồng độ tinh bột cao (20-33.3% chất khô), hồ tinh bột có thể hóa lỏng nhờ siêu âm. Độ nhớt tinh bột ở nồng độ vừa phải (5-10%) có thể giảm thấp hơn 100 mPas nhờ siêu âm trong 30s. (Yasuo Iida, 2008) Hình 25: Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột lên sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ (Yasuo Iida, 2008) Nhận xét: độ nhớt dịch giảm đáng kể khi siêu âm 30 phút dung dịch tinh bột bắp nếp 5% và 10% trong khoảng nhiệt độ 20 – 600C. Sau 30 phút xử lí siêu âm độ nhớt của mẫu ở hai nồng độ gần như xấp xỉ nhau. Hình 26: Lượng đường khử của các mẫu siêu âm ở mức năng lượng cao trong vòng 30s ở các nồng độ chất khô khác nhau.( Saoharit Nitayavardhana, 2008) Nhận xét : hàm lượng đường khử là 9.7, 14.4 và 22g/100g mẫu ứng với nồng độ 5%, 15% và 25%. Ở nồng độ cao hơn, nhiều hạt được xử lý siêu âm hơn, mở cấu trúc thành tế bào và giải phóng ra nhiều hạt tinh bột hơn cho enzyme thủy phân tạo thành đường sau này. Xét về khía cạnh cân bằng năng lượng, hiệu suất cao nhất thu được ở mức nồng độ 25%. Hiệu suất -64.0%, 59.0%, và 323.0% đạt được ở 5%, 15% và 25%TS, tương ứng. Kết quả này tương ứng với lượng đường khử tạo ra. Khi một nhà máy có quy mô lớn vận hành ở 25-33.3% chất khô, sự kết hợp sóng siêu âm có thể làm tăng đáng kể hiệu quả kinh tế. Hình 27 : Hiệu quả chiếu sóng siêu âm cường lực cao với nồng độ chất khô khác nhau ( Saoharit Nitayavardhana, 2008) Melissa Montalbo-Lomboy (2010) cũng thu được kết quả tương tự qua đồ thị sau : Hình 28: Hàm lượng đường khử sau 3h đường hóa với các chế độ xử lí bằng sóng siêu âm khác nhau trong trường hợp xử lí liên tục so sánh với mẫu đối chứng là đường chấm gạch ngang. (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Nhận xét: quá trình xử lí bằng sóng siêu âm làm tăng cường quá trình đường hóa hồ tinh bột. Hiệu suất xử lí bằng sóng siêu âm tăng từ 40 – 330% so vớ mẫu đối chứng. Hàm lượng đường khử cũng tăng theo năng lượng và thời gian chiếu sóng siêu âm. Thời gian xử lí càng dài, năng lượng sóng càng lớn thì hàm lượng đường giải phóng ra càng nhiều. Trong trường hợp thời gian xử lí 40s hàm lượng đường khử giải phóng ra trong trường hợp năng lượng trung bình và cao gần như xấp xỉ nhau. Do đó tại điểm xử lí năng lượng trung bình, thời gian 40s được xem như là điều kiện tối ưu nên khi tăng năng lượng hay thời gian xử lí thì hàm lượng đường khử không tăng nữa. Và điểm này cũng xem là điểm mà tại đó quá trình đường hóa xảy ra với hiệu suất cao nhất. Hiện tượng này có thể lí giải là do với năng lượng tác động cao sẽ làm vô hoạt gây ức chế hoạt động của enzyme do đó làm giảm hiệu suất phản ứng. Yếu tố điều kiện phản ứng Chúng ta có thể tiến hành phản ứng trong điều kiện liên tục hay gián đoạn. Trong công nghiệp phương pháp liên tục được sử dụng khác phổ biến do đem lại hiệu quả năng lượng cao hơn phương pháp gián đoạn. Ngoài ra trình tự xử lí mẫu bằng sóng siêu âm và bổ sung enzyme cũng tác động đến hiệu suất phản ứng thủy phân. Thông thường sóng siêu âm tác động vào enzyme theo hai hướng: thứ nhất đối với các enzyme trong nguyên liệu sóng siêu âm có tác dụng phá vỡ hạt giải phóng enzyme ra bên ngoài nên làm tăng hoạt lực của enzyme điều này cũng tương tự như enzyme cố định. Thứ hai đối với enzyme bổ sung ở dạng tự do do chúng có bản chất là protein nên các mạch polypeptide của chúng sẽ bị sóng siêu âm tác động gây phá vỡ mạch làm biến tính enzyme dẫn đến hoạt tính enzyme giảm. Vì vậy tùy thuộc nguồn enzyme sử dụng mà chúng ta có chế độ bổ sung khác nhau chẳng hạn với enzyme tự do thường được bổ sung sau khi đã chiếu sóng siêu âm để tránh làm giảm hoạt tính enzyme. Hình 29: Sơ đồ hệ thống thiết bị chiếu siêu âm liên tục (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Melissa Montalbo-Lomboy đã khảo sát sự thay đổi điều kiện thí nghiệm đối với kích thước hạt. Kết quả cho thấy kích thước hạt cũng tăng khi được chiếu sóng siêu âm trong đó phương pháp liên tục là có hiệu quả cao hơn. Tương tự đối với hàm lượng đường khử. Mật độ năng lượng của phương pháp liên tục chỉ dao động trong khoảng nhỏ từ 4 – 14 kJ/L trong khi phương pháp gián đoạn thay đổi từ 87 – 260 kJ/L. Khi mật độ năng lượng tăng sẽ dẫn đến sự tăng hàm lượng đường khử giải phóng ra. Hiệu suất cao nhất của hàm lượng đường khử trong phương pháp liên tục 30.2g/L tương ứng với mật độ năng lượng là 12.6 kJ/L và phương pháp gián đoạn là 61.6 g/L tương ứng với mât độ là 227.4 kJ/L. Phương pháp gián đoạn cho hiệu suất cao hơn gấp 2 lần so với phương pháp liên tục nhưng lại tiêu tốn năng lượng gấp 18 lần. Hiệu suất thu đường khử thấp nhất ở phương pháp liên tục là 18.1 g/L với năng lượng sử dụng là 4.9 kJ/L trong khi đó phương pháp gián đoạn phải tiêu tốn một lượng năng lượng 87.7 kJ để thu hàm lượng đường khử tương đương ( 20.8 g/L). Do đó phương pháp liên tục được xem là có hiệu quả năng lượng cao hơn so với phương pháp gián đoạn và đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Hình 30: Ảnh hưởng của mật độ năng lượng của sóng siêu âm đên kích thước phân tử (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Hình 31: Hàm lượng đường khử và mật độ năng lượng đấu vào của phương pháp liên tục và gián đoạn (Melissa Montalbo-Lomboy, 2010) Trong quá trình đường hóa việc bổ sung enzyme có thể thực hiện theo 2 chế độ sau: bổ sung trước khi chiếu sóng siêu âm (SD) hay bổ sung sau khi chiếu (SA). Qua tiến hành các thí nghiệm, Saoharit Nitayavardhana thấy rằng mẫu trong trường hợp năng lượng sóng siêu âm ở mức trung bình, hiệu suất giải phóng đường khử khi bổ sung enzyme trước sẽ cao hơn nhưng khi năng lượng tăng hàm lượng đường khử giải phóng ra giảm xuống do tác động mạnh của sóng siêu âm sẽ làm vô hoạt một phần enzyme. Do đó tùy thuộc và nguồn enzyme, loại tinh bột,… mà có chế độ xử lí cho phù hợp tránh làm vô hoạt hoạt tính enzyme. Hình 32: Ảnh hưởng của chế độ bổ sung enzyme đối với hàm lượng đường khử (Saoharit Nitayavardhana) Thông thường quá trình xử lí bằng sóng siêu âm tiến hành sau khi hạt đã hồ hóa vì khi đó mẫu ở trạng thái dịch nên sóng siêu âm tác động dễ dàng và đồng đều hơn. Bên cạnh đó sau khi hạt đã được hồ hóa trước thì quá trình xử lí bằng sóng siêu âm sẽ nhẹ nhàng hơn cụ thể cường độ chiếu sẽ thấp hơn và thời gian chiếu có thể ngắn đi. Hệ quả sẽ hạn chế được sự vô hoạt enzyme sử dụng trong quá trình thủy phân. Hình 33: Biểu đồ mô tả quá trình xử hạt tinh bột có sử dụng sóng siêu âm (Yasuo Iida, 2007) Ứng dụng của sóng siêu âm trong quá trình đường hóa Do sóng siêu âm làm tăng hiệu suất thu đường khử do đó được ứng dụng trong các quá trình lên men sản xuất cồn, rượu, bia… với cơ chất là glucose từ các nguồn thực vật khác nhau. Việc sử dụng sóng siêu âm còn có tác dụng tăng cường diện tích tiếp xúc giữa cơ chất và enzyme do đó làm tăng cường hiệu suất phản ứng đem lại giá trị kinh tế cao. Và hiện nay phương pháp này đã được ứng dụng trong việc sản xuất cồn sinh học với mục đích thay thế cho các loại nhiên liệu hóa thạch. Ngoài mục đích giảm giá thành do các nhiên liệu hóa thành có giá thành ngày càng tăng thì cồn sinh học còn có ưu điểm là thân thiện môi trường do giảm đi hiện tượng khí nhà kính do việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch sinh ra. Hiện nay các loại bao bì sinh học ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để thay thế các loại bao bì nhựa truyền thống trước đây. Tinh bột được xem là một trong những nguyên liệu thay thế đầy triển vọng để sản xuất các loại bao bì sinh học này do các đặc tính sau: giá thành nguyên liệu rẻ, thân thiện môi trường do có khả năng tự phân hủy, tính chắn sáng cao so với màng bao nhựa và có nguồn cung cấp khá dồi dào . Để chuyển từ tinh bột thành các lớp màng bao bì có nhiều phương pháp thực hiện như là nguyên liệu được đùn ra từ máy ép đùn và được thổi tạo hình hay nguyên liệu được hồ hóa trước và tiến hành tạo khuôn sau đó được nhúng vào nước hay phun nước lên bề mặt và tiếp tục quá trình sấy khô. Đối với màng thực hiện bằng quy trình ép đùn có tính dẻo thấp và kém bền với nhiệt hơn so với phương pháp tạo khuôn. Do đó phương pháp tạo khuôn hiện nay vẫn còn là phương pháp chủ yếu được sử dụng sản xuất bao bì không độc và có thể ăn được với nồng độ tinh bột không quá cao hoặc quá thấp, thường lấy 6%. Vấn đề được đặt ra đối với màng bao đó là lớp màng này phải đồng nhất, bề mặt trơn nhẵn, và phải có cấu trúc chặt chẽ do đó tinh bột sử dụng phải hoàn toàn tan trong nước hay trong dung môi đem sử dụng. Mặc dù tinh bột tự nhiên có tính ưa nước cao nhưng rất khó để nó hòa tan hoàn tan trong nước do kích thước các phân tử khá lớn và liên kết chặt chẽ giữa các phân tử gây ức chế sự xâm nhập của phân tử nước. Do đó để tinh bột hòa tan hoàn toàn trong nước thì chỉ sử dụng nồng độ thấp và phải cung cấp một lượng nhiệt lớn (trên 1000C) nên sẽ không mang tính kinh tế cao. Vì vậy kĩ thuật siêu âm đã được sử dụng trong quá trình sản xuất này. Kết quả độ nhớt của dịch hồ tinh bột tăng, tăng khả năng hòa tan và độ trong. Nguyên nhân là do sóng siêu âm làm tăng sự linh động của các phân tử tinh bột do đó làm hạt dễ dàng bị phá vỡ và hình thành nên dung dịch đồng nhất. So sánh với phương pháp hòa tan tinh bột truyền thống thì phương pháp này có chi phí thấp hơn và hiệu quả tác động cao hơn. Quá trình xử lí sóng siêu âm thích hợp hơn cho phương pháp tạo khuôn và có thể thực hiện được ngay cả trong điều kiện nồng độ tinh bột cao. Việc xử lí này làm cho màng bao đạt được những tính chất tốt hơn như cải thiện độ trong, tăng khả năng chống thấm và tăng độ bền của màng bao. Bên cạnh đó còn tồn tại một nhược điểm là sự gãy vỡ của màng khi chiếu sóng siêu âm nhưng nó có thể được khắc phục bằng cách thêm vào chất dẻo hóa như glycerol để tăng cường liên kết do đó làm tăng độ bền của màng bao. Kết luận Việc ứng dụng sóng siêu âm để hỗ trợ quá trình thủy phân tinh bột tuy còn khá mới mẻ nhưng ứng dụng này vẫn nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới và bước đầu đạt được một số thành tựu đáng lưu ý. Nếu kết hợp siêu âm - enzyme được đem vào thực tế sản xuất sẽ làm tăng tính kinh tế cho các nhà máy sản xuất do tác dụng làm giảm thời gian dịch hóa, đường hóa, lên men, giảm lượng enzyme sử dụng, tăng đáng kể hàm lượng glucose giải phóng ra và giảm bớt một vài quá trình sản xuất dẫn đến làm giảm chi phí sản xuất, tăng lợi nhuận. Như vậy, những điểm nổi bật trong quá trình xử lý siêu âm hiện nay là: Không sử dụng hóa chất hay phụ gia. Đơn giản, nhanh chóng và có ý nghĩa về mặt kinh tế. Không có biến đổi lớn về cấu trúc hóa học, đặc biệt về đặc tính của tinh bột. Nước ta là một nước nông nghiệp do đó có nguồn tinh bột khá dồi dào nhưng nền công nghiệp sản xuất thực phẩm vẫn còn thực hiện bằng thủ công là chủ yếu. Vì vậy việc áp dụng các biện pháp kĩ thuật hiện đại như siêu âm chẳng hạn sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm nói riêng và ngành công nghiệp nói chung. Từ đó sẽ làm thay đổi nền kinh tế nước ta từ xuấ khẩu các sản phẩm thô là chính sang xuất khẩu các sả phẩm góp phần đem lại lợi nhuận kinh tế cao và nâng cao đời sống nhân dân. Tài liệu tham khảo Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Xương, Nguyễn Xích Liên, Tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn, NXB Khoa học và kĩ thuật, 2005 Lê Ngọc Tú (chủ biên), Hóa sinh công nghiệp, NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội, 2000. Lê Ngọc Tú (chủ biên), Bùi Đức Hợi, Hóa học thực phẩm, NXB Khoa học và kĩ thuật, 1994. Trần Thị Thu Trà, Công nghệ bảo quản và chế biến lương thực, NXB Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, 2007. Anet Rez ˇek Jambrak , Zoran Herceg , Drago Šubaric ´, Jurislav Babic ´, Mladen Brnc ˇic ´, Suzana Rimac Brnc ˇic ´, Tomislav Bosiljkov, Domagoj, Branko Tripalo, Jurica Gelo, Ultrasound effect on physical properties of corn starch, Carbohydrate Polymers 79 (2010) 91–100 C. Aparicio, P. Resa, L. Elvira, A.D. Molina-García, M. Martino, P.D. Sanz, Assessment of starch gelatinization by ultrasonic and calorimetric techniques, Journal of Food Engineering 94 (2009) 295–299 Farid Chemat, Zill-e-Huma, Muhammed Kamran Khan, Applications of ultrasound in food technology: Processing, preservation and extraction, Ultrasonics Sonochemistry 18 (2011) 813–835 J. García-Álvarez, J. Salazar, C.M. Rosell, Ultrasonic study of wheat flour properties, Ultrasonics 51 (2011) 223–228 John F. Robyt, Starch: Structure,Properties, Chemistry and Enzymology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2008) 1438 – 1468 Jozef Synowiecki, The use of starch processing enzymes in the food industry, J. Polaina and A.P. MacCabe (eds.), Industrial Enzymes, 19–34, 2007 Springer. Les Copeland, Jaroslav Blazek, Hayfa Salman, Mary Chiming Tang, Form and functionality of starch, Food Hydrocolloids 23 (2009) 1527–1534. Melissa Montalbo-Lomboy,Samir Kumar Khanal, J. (Hans) van Leeuwen, D. Raj Raman, Larson Dunn Jr, David Grewell, Ultrasonic pretreatment of corn slurry for saccharification: A comparison of batch and continuous systems, Ultrasonics Sonochemistry 17 (2010) 939–946 Narpinder Singh*, Jaspreet Singh, Lovedeep Kaur, Navdeep Singh Sodhi, Balmeet Singh Gill, Morphological, Thermal and rheological properties of starches from different botanical sources, Food Chemistry 81 (2003) 219–231 Qiang Huang, Lin Li, Xiong Fu, Ultrasound Effects on the Structure and Chemical Reactivity of Cornstarch Granules, Starch/Stärke 59 (2007) 371–378 Samir Kumar Khanal, Melissa Montalbo, J. (Hans) van Leeuwen, Gowrishankar Srinivasan, David Grewell , Ultrasound Enhanced Glucose Release From Corn in Ethanol Plants, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 98, No. 5, December 1, 2007 Saoharit Nitayavardhana, Sudip Kumar Rakshit, David Grewell, J. (Hans) van Leeuwen, Samir Kumar Khanal, Ultrasound Pretreatment of Cassava Chip Slurry to Enhance Sugar Release for Subsequent Ethanol Production, Biotechnology and Bioengineering, Vol. 101, No. 3, October 15, 2008 Wenjian Chenga, Jianchu Chena, Donghong Liua, Xingqian Yea,∗, Fansheng Keb, Impact of ultrasonic treatment on properties of starch film-forming dispersion and the resulting films, Carbohydrate Polymers 81 (2010) 707–711 Wenxia Gao, Xiaoqing Lin, Xiepeng Lin, Jinchang Ding, Xiaobo Huang, HuayueWu, Preparation of nano-sized flake carboxymethyl cassava starch under ultrasonic irradiation, Carbohydrate Polymers 84 (2011) 1413–1418 Yasuo Iida , Toru Tuziuti, Kyuichi Yasui, Atsuya Towata, Teruyuki Kozuka, Control of viscosity in starch and polysaccharide solutions with ultrasound after gelatinization, Innovative Food Science and Emerging Technologies 9 (2008) 140–146