Ultrazvučno ohmsko zagrijavanje u preradi hrane

Potražnja za blagim, ali učinkovitim tehnologijama prerade u prehrambenom sektoru porasla je zbog potrebe za usklađivanjem mikrobiološke sigurnosti s očuvanjem nutritivnih i senzorskih svojstava. Konvencionalne toplinske obrade često se oslanjaju na prijenos topline od površine prema središtu, koji je spor i sklon neujednačenosti. Ohmsko zagrijavanje, koje se temelji na pretvorbi električne energije u toplinu izravno unutar prehrambene matrice, rješava taj izazov omogućujući brzo i volumetrijsko zagrijavanje. U kombinaciji s ultrazvukom proces se dodatno poboljšava: ultrazvučna kavitacija potiče razaranje stanica, homogenizaciju i prijenos tvari te tako prevladava razlike u električnoj vodljivosti koje bi inače mogle stvoriti lokalizirane toplinske kanale.

Ultrazvučno ohmsko zagrijavanje – blago, ali vrlo učinkovito

Ekstrakcija ultrazvučnim ohmskim zagrijavanjem kombinira ravnomjerno volumetrijsko zagrijavanje s mehaničkom homogenizacijom ultrazvukom kako bi se postigla učinkovita prerada hrane u razmjerno blagim uvjetima. Za razliku od konvencionalnog ohmskog zagrijavanja, koje može uzrokovati lokalizirane toplinske kanale i toplinsku razgradnju (tj. pregrijavanje), dodavanje ultrazvuka potiče kavitaciju i mikrostrujanje koji ujednačavaju električnu vodljivost i ravnomjernije raspodjeljuju toplinu. Ta sinergija omogućuje brzu ekstrakciju pri nižim efektivnim toplinskim opterećenjima, čuvajući spojeve osjetljive na toplinu uz istodobno smanjenje ukupne potrebe za energijom. Stoga se ultrazvučno ohmsko zagrijavanje ističe kao blag, ali snažan pristup proizvodnji visokokvalitetnih prehrambenih proizvoda.

Ovaj videozapis prikazuje pozitivan utjecaj izravne ultrazvučne obrade elektrode na električnu struju. Upotrebljava se ultrazvučni homogenizator Hielscher UP100H (100 vata, 30kHz) s nadogradnjom za elektrokemiju i titanijskom elektrodom/sonotrodom. Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plinoviti vodik i kisik. Ultrazvučna obrada smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos tvari tijekom elektrolize.

Ultrazvučno ohmsko zagrijavanje – brojne primjene u preradi hrane

Ultrazvučno ohmsko zagrijavanje istraživano je u širokom rasponu primjena u preradi hrane. Pri pasterizaciji i sterilizaciji ta tehnika osigurava brzu i ravnomjernu inaktivaciju mikroorganizama uz očuvanje vitamina, aroma i svojstava teksture. U postupcima stabilizacije, kao što su inaktivacija enzima ili dekontaminacija sjemena, omogućuje preciznu kontrolu intenziteta obrade. Metoda osobito obećava u ekstrakciji – bilo eteričnih ulja, biljnih proteina ili bioaktivnih spojeva – pri čemu kavitacija izazvana ultrazvukom ubrzava oslobađanje, a ohmsko zagrijavanje olakšava učinkovito prodiranje otapala. Primijenjena je i u preradi tekuće i polučvrste hrane, uključujući mliječne proizvode, voćne pulpe, sokove i emulzije, pri čemu su ravnomjerno zagrijavanje i miješanje ključni.

Glavne primjene ultrazvučnog ohmskog zagrijavanja u prehrambenoj industriji uključuju:

Pasterizacija i sterilizacija: brza, ravnomjerna inaktivacija mikroorganizama uz očuvanje senzorske i nutritivne kvalitete.
Ekstrakcija bioaktivnih spojeva i eteričnih ulja: kavitacija izazvana ultrazvukom u kombinaciji s ohmskom elektroporacijom ubrzava oslobađanje fitokemikalija, proteina i lipida.
Blanširanje voća i povrća: učinkovita inaktivacija enzima uz minimalan gubitak boje, arome ili vitamina.
Postupci dehidracije i isparavanja: ubrzano uklanjanje vlage i ušteda energije u fazama sušenja ili koncentriranja.
Potpora fermentaciji: kontrolirano zagrijavanje i poboljšan prijenos tvari mogu poboljšati aktivnost mikroorganizama i prinos.
Opće zagrijavanje tekuće i polučvrste hrane: homogena raspodjela temperature u mliječnim proizvodima, sokovima, pireima i emulzijama, uz izbjegavanje lokalno pregrijanih područja.

Ovaj video prikazuje pozitivan utjecaj izravne ultrazvučne obrade elektrode na električnu struju u elektrolizatoru s ćelijom tipa H. Upotrebljava se ultrazvučni homogenizator Hielscher UP100H (100 vata, 30kHz) s nadogradnjom za elektrokemiju i titanijevom elektrodom/sonotrodom. Elektrolizom razrijeđene sumporne kiseline nastaju plinoviti vodik i kisik. Ultrazvučna obrada smanjuje debljinu difuzijskog sloja na površini elektrode i poboljšava prijenos tvari tijekom elektrolize. Ultrazvučna obrada može znatno povećati brzinu proizvodnje plinovitog vodika u elektrolitičkoj ćeliji.

Prednosti ultrazvučnog ohmskog zagrijavanja za prehrambenu industriju

Prednosti ultrazvučnog omskog zagrijavanja za prehrambenu industriju su mnogostruke. Ova tehnologija smanjuje vrijeme obrade i potrošnju energije, omogućuje vrlo ujednačeno zagrijavanje čak i u heterogenim matricama te svodi toplinsku razgradnju spojeva osjetljivih na toplinu na najmanju moguću mjeru. Budući da se i toplina i učinci ultrazvuka stvaraju unutar same hrane, postupak uklanja potrebu za velikim vanjskim izmjenjivačima topline i smanjuje troškove održavanja. Najvažnije je da je usklađen sa sve većim naglaskom na proizvodima s čistom deklaracijom i održivoj obradi jer smanjuje oslanjanje na agresivne postupke obrade ili kemijske dodatke. Stoga se ultrazvučno omsko zagrijavanje ističe kao moćan alat za ispunjavanje budućih zahtjeva za proizvodnjom sigurne i hranjive hrane na ekološki odgovoran način.

Prednosti

Ujednačeno zagrijavanje: Ultrazvuk suzbija nastanak toplinskih kanala, osiguravajući homogenu raspodjelu temperature u heterogenoj hrani.
Brza obrada: Kombinirani učinci omskog zagrijavanja i ultrazvuka skraćuju vrijeme pasterizacije, sterilizacije i ekstrakcije.
Energetska učinkovitost: Manja ukupna potrošnja energije u usporedbi s konvencionalnim toplinskim postupcima obrade.
Očuvanje hranjivih tvari i arome: Blaža toplinska opterećenja čuvaju vitamine, antioksidanse i hlapljive aromatske spojeve.
Poboljšana ekstrakcija: Elektroporacija i kavitacija ubrzavaju oslobađanje bioaktivnih spojeva, eteričnih ulja i proteina.
Sigurnost hrane: Učinkovita inaktivacija mikroorganizama i enzima uz minimalan gubitak kvalitete.
Skalabilnost i fleksibilnost: Primjenjivo na tekuću i polučvrstu hranu.
Čista obrada: Bez otapala i kemikalija te u skladu s održivom proizvodnjom s „čistom deklaracijom”.

Ultrazvučne elektrode za poboljšano omsko zagrijavanje u preradi hrane

Hielscher ultrazvučne elektrode (sonoelektrode) nude posebnu prednost pri omskom zagrijavanju jer objedinjuju dva komplementarna mehanizma u jednom sustavu: dovođenje električne struje i ultrazvučno mehaničko djelovanje. Dok elektroda dovodi izmjeničnu struju potrebnu za volumensko Jouleovo zagrijavanje, njezino istodobno titranje na 20 kHz stvara kavitaciju, mikrostrujanje i smične sile koje razaraju stanične stijenke biljaka i homogeniziraju medij. Ovo dvostruko djelovanje svodi nastanak toplinskih kanala na najmanju moguću mjeru, osigurava ujednačeniju električnu vodljivost i time dovodi do ravnomjernog zagrijavanja cijelog uzorka. Istodobno učinak ultrazvučne ekstrakcije ubrzava prijenos tvari i potiče oslobađanje unutarstaničnih spojeva, dodatno povećavajući prinos i kvalitetu. U komercijalnoj primjeni elektrodni sustav Hielscher UIP2000hdT (2000 W po elektrodi) pruža robusnost potrebnu za kontinuiranu industrijsku proizvodnju, dok manji sustavi poput UP100H (100 W) i VialTweeter služe kao fleksibilni alati za istraživanje u laboratorijskom mjerilu i optimizaciju procesa.

Zašto Hielscher Ultrasonics?

visoka učinkovitost
najsuvremenija tehnologija
pouzdanost i robusnost
prilagodljiva, precizna kontrola procesa
šaržna i protočna obrada
za bilo koji volumen
inteligentan softver
pametne značajke (npr. mogućnost programiranja, bilježenje podataka, daljinsko upravljanje)
jednostavno i sigurno rukovanje
mali zahtjevi za održavanjem
CIP (čišćenje na mjestu)

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših sonikatora / ultrazvučnih elektroda za omsko zagrijavanje:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
0,5 do 1,5mL	nije primjenjivo	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju jednostavnu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom i poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Povezane teme

Literatura / reference

Kumar, R., Chopra, S., Choudhary, A.K. et al. (2023): Cleaner production of essential oils from Indian basil, lemongrass and coriander leaves using ultrasonic and ohmic heating pre-treatment systems. Scientific Reports 13, 4434 (2023).
Eun-Rae Cho, Dong-Hyun Kang (2024): Development and investigation of ultrasound-assisted pulsed ohmic heating for inactivation of foodborne pathogens in milk with different fat content. Food Research International,Volume 179,2024,
Kutlu, N., Isci, A., Sakiyan, O., & Yilmaz, A. E. (2021): Effect of ohmic heating on ultrasound extraction of phenolic compounds from cornelian cherry (Cornus mas). Journal of Food Processing and Preservation, 45, e15818.

Često postavljana pitanja

Jesu li omsko zagrijavanje i Jouleovo zagrijavanje isto?

Ne sasvim. Jouleovo zagrijavanje temeljni je fizikalni učinak: kada električna struja prolazi kroz vodič, električna energija pretvara se u toplinu ovisno o otporu materijala. Omsko zagrijavanje, s druge strane, praktična je primjena tog učinka. U prehrambenim, biljnim ili biološkim sustavima izmjenična struja namjerno se propušta kroz materijal koji služi kao otporni medij, pri čemu se toplina ravnomjerno stvara u cijelom njegovu volumenu. Ukratko, Jouleovo zagrijavanje predstavlja načelo, dok je omsko zagrijavanje proces koji se na njemu temelji.

Od kojih se dijelova sastoji sustav za omsko zagrijavanje?

Tipičan sustav za omsko zagrijavanje uključuje izvor napajanja za dovod izmjenične struje, komoru za obradu u kojoj se nalazi proizvod te elektrode postavljene tako da omogućuju prolazak struje kroz uzorak. Kako bi se osiguralo precizno upravljanje, sustav je opremljen senzorima za praćenje napona, struje i temperature te regulacijskim jedinicama za održavanje ujednačenih uvjeta zagrijavanja.

Što je Jouleovo zagrijavanje?

Jouleovo zagrijavanje – koje se naziva i otpornim zagrijavanjem – nastaje kada električna struja teče kroz vodljivi materijal i oslobađa toplinu. Količina nastale topline razmjerna je otporu materijala i kvadratu jakosti struje.

Koja je razlika između omskog zagrijavanja i Jouleova zagrijavanja?

Jouleovo zagrijavanje odnosi se na opći fizikalni proces stvaranja topline uslijed električnog otpora. Omsko zagrijavanje ciljana je primjena tog načela pri kojoj se izmjenična struja usmjerava kroz hranu ili biološke materijale kako bi se iskorištavanjem njihove prirodne vodljivosti postiglo brzo i ujednačeno volumetrijsko zagrijavanje.

Gdje se primjenjuje omsko zagrijavanje?

Omsko zagrijavanje primjenjuje se u preradi hrane, ekstrakciji iz biljnih materijala, pasterizaciji, sterilizaciji, inaktivaciji enzima te u znanosti o materijalima gdje god je potrebno brzo, ujednačeno unutarnje zagrijavanje bez oslanjanja na vanjski prijenos topline.

Što je omska plazma?

Omska plazma je plazma u kojoj električna struja disipira energiju uslijed otpora, zagrijavajući čestice plazme Jouleovim učinkom. Taj je koncept temeljan u istraživanju zadržavanja plazme i nuklearne fuzije.

Koje su prednosti omskog zagrijavanja u prehrambenoj industriji?

U prehrambenim primjenama omsko zagrijavanje omogućuje brzo i ujednačeno zagrijavanje, minimizira temperaturne gradijente i skraćuje vrijeme obrade. Pomaže očuvati hranjive tvari, arome i teksture uz smanjenje potrošnje energije. Zbog tih je svojstava privlačna tehnologija za suvremenu proizvodnju hrane s „čistom deklaracijom”.