Ultradźwięki w przemyśle spożywczym

Ultradźwięki dużej mocy znajdują liczne zastosowania w przetwórstwie żywności, w tym w ekstrakcji, homogenizacji, pasteryzacji i fermentacji. Jako obróbka nietermiczna sonikacja usprawnia procesy produkcji żywności, zapewniając wyższą wydajność, wyższą jakość, lepsze profile składników odżywczych i smaku oraz przetwarzanie pozwalające oszczędzać czas i koszty.

Zastosowania ultradźwięków w przetwórstwie żywności

Ultradźwięki dużej mocy mają szeroki zakres zastosowań w przetwórstwie żywności, w tym w ekstrakcji, mieszaniu, emulgowaniu, pasteryzacji, odgazowywaniu i zmiękczaniu mięsa. Oprócz tych głównych zastosowań ultradźwięki dużej mocy wykorzystuje się również do usprawniania zamrażania, rozmrażania i suszenia produktów spożywczych.
Główne zalety ultradźwięków o wysokim natężeniu wiążą się z usprawnianiem różnych operacji przetwórstwa żywności, takich jak skracanie czasu przetwarzania, zwiększanie wydajności i poprawa jakości produktów, a także umożliwianiem bardziej ekonomicznego przetwarzania dzięki większym oszczędnościom czasu i kosztów.

Poniżej przedstawiono główne zastosowania ultradźwięków o wysokim natężeniu w przemyśle spożywczym:

• Ekstrakcja: Ultradźwięki można stosować do ekstrakcji związków bioaktywnych z materiałów roślinnych, takich jak przeciwutleniacze, barwniki i olejki eteryczne. Proces ten jest znany jako ekstrakcja wspomagana sonikacją i może służyć do wytwarzania wysokiej jakości ekstraktów w krótszym czasie i przy mniejszym zużyciu rozpuszczalnika niż w metodach tradycyjnych.
  Przeczytaj więcej o zaletach ultradźwiękowej ekstrakcji surowców roślinnych!
• Homogenizacja i emulgowanie: Homogenizację ultradźwiękową można stosować do wytwarzania stabilnych emulsji i zawiesin, takich jak sosy sałatkowe, majonez, kremy i produkty mleczne. Proces polega na wykorzystaniu fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości do rozdrabniania kuleczek tłuszczu w cieczy, co pozwala uzyskać gładką i jednorodną konsystencję.
  Dowiedz się więcej o sonikacji emulsji spożywczych!
  Tutaj znajdziesz instrukcję krok po kroku oraz film dotyczący ultradźwiękowego emulgowania majonezu!
• Utrwalanie: Ultradźwięki o wysokim natężeniu można stosować do inaktywacji mikroorganizmów, takich jak bakterie i drożdże, w produktach spożywczych. Proces ten, znany jako pasteryzacja wspomagana sonikacją, może wydłużyć okres przydatności produktów spożywczych do spożycia i zmniejszyć ryzyko chorób przenoszonych przez żywność. Jako nietermiczna technika przetwarzania sonikacja pozwala uniknąć stosowania bardzo wysokich temperatur, zapobiegając tym samym związanej z nimi degradacji składników odżywczych wrażliwych na ciepło.
  Przeczytaj więcej o wydłużaniu okresu przydatności do spożycia i zachowaniu składników odżywczych dzięki sonikacji!

• Odgazowywanie: Pod wpływem ultradźwięków działających na ciecz uwięzione w niej pęcherzyki gazu zostają wprawione w ruch. W rezultacie pęcherzyki powietrza i gazu zbliżają się do siebie i łączą. Oznacza to, że powstają większe pęcherzyki, które mogą wypływać na powierzchnię cieczy i być łatwo usuwane.
• Rozpuszczanie: Dzięki wyjątkowym możliwościom mieszania i łączenia składników ultradźwięki są wysoce skuteczne w wytwarzaniu roztworów o wysokim stopniu nasycenia, a nawet roztworów przesyconych. Wykorzystuje się to w procesach krystalizacji oraz w produkcji solanek.
• Fermentacja: Ponieważ fale ultradźwiękowe perforują i rozbijają ściany komórkowe mikroorganizmów, mikroorganizmy stają się bardziej podatne na proces fermentacji. Jednocześnie ultradźwięki przyspieszają transport składników odżywczych i tlenu do mikroorganizmów, zwiększając tym samym ich aktywność metaboliczną. Ogólnie rzecz biorąc, sonikacja zwiększa szybkość fermentacji, skraca jej czas i poprawia wydajność otrzymywania pożądanego produktu końcowego. Technologia ta jest szczególnie przydatna w produkcji żywności i napojów, takich jak produkty mleczne, jogurt, piwo, kombucha i wino.
• Zmniejszanie lepkości przed suszeniem rozpyłowym: Ultradźwiękowe siły ścinające mogą znacznie zmniejszyć lepkość zawiesin rozrzedzanych ścinaniem i zawiesin tiksotropowych. Zastosowanie ultradźwiękowego rozrzedzania ścinaniem przed rozpylaniem i suszeniem rozpyłowym pozwala znacznie zwiększyć przepustowość urządzeń rozpylających. Wieże suszenia rozpyłowego często stanowią wąskie gardło linii produkcyjnej. Dzięki ultradźwiękom można zwiększyć wydajność istniejących suszarek rozpyłowych.

• Zamrażanie: Zamrażanie ultradźwiękowe można stosować w celu ograniczenia powstawania kryształów lodu w produktach spożywczych podczas zamrażania. Proces polega na poddawaniu żywności działaniu fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości w trakcie jej zamrażania. Fale ultradźwiękowe wytwarzają drgania zapobiegające powstawaniu dużych kryształów lodu, co pozwala uzyskać produkt o gładszej teksturze i lepszej jakości.
• Rozmrażanie: Rozmrażanie ultradźwiękowe można stosować w celu skrócenia czasu rozmrażania zamrożonych produktów spożywczych. Proces polega na poddawaniu zamrożonego produktu działaniu fal ultradźwiękowych, które wytwarzają ciepło i przyspieszają rozmrażanie. Ponieważ ultradźwięki sprzyjają bardzo równomiernemu rozkładowi energii, rozmrażanie ultradźwiękowe może być szczególnie przydatne w przypadku produktów, które trudno rozmrozić równomiernie, takich jak mięso, owoce morza, owoce i warzywa.
  Podczas zamrażania, rozmrażania i suszenia ultradźwięki dużej mocy znacznie usprawniają procesy przenoszenia masy i energii, co przyspiesza te procesy i czyni je bardziej ekonomicznymi.
• Wykrywanie nieszczelności butelek: Ultradźwięki są bardzo efektywnym sposobem wykrywania nieszczelności i pęknięć w butelkach i puszkach z napojami gazowanymi, takimi jak napoje orzeźwiające, piwo, wino musujące itp. Ultradźwięki stosuje się również do odgazowywania napojów gazowanych, np. piwa przed butelkowaniem, w procesie znanym jako de-fobbing.
• Solankowanie / marynowanie: Solankowanie jest powszechnym procesem utrwalania i wytwarzania żywności, zwłaszcza mięsa, ryb, sera i warzyw. Sonikacja skraca czas solankowania i pozwala stosować mniejsze ilości chlorku sodu w porównaniu z żywnością tradycyjnie poddawaną solankowaniu i marynowaniu.
• Uwodnienie / rehydratacja: Ultradźwięki dużej mocy stanowią prostą, a zarazem wysoce skuteczną metodę uwadniania lub ponownego uwadniania produktów spożywczych, takich jak suszone nasiona roślin strączkowych (np. fasola, ciecierzyca) lub suszone grzyby. Ponieważ ultradźwięki otwierają pory komórkowe w żywności, woda może szybko do niej wnikać. Prowadzi to do przyspieszonego pęcznienia nasion roślin strączkowych, a następnie do skrócenia czasu gotowania.
• Dekrystalizacja miodu: Jako obróbka nietermiczna ultradźwięki są skutecznie wykorzystywane do zapobiegania powstawaniu dużych kryształów cukru w miodzie. Ponadto duże kryształy, które już powstały w miodzie, można poddać dekrystalizacji za pomocą obróbki ultradźwiękowej. Sonikatory z sondą zapewniają wysoce skuteczną technikę rozpuszczania kryształów cukru, pozwalając uzyskać miód o jednolicie gładkiej konsystencji. Dodatkowo ultradźwięki poprawiają jakość mikrobiologiczną miodu, ponieważ niepożądane mikroorganizmy są inaktywowane wskutek ultradźwiękowego rozbijania komórek.
• Smażenie: Smażenie ultradźwiękowe można stosować w celu ograniczenia wchłaniania oleju przez smażone produkty spożywcze. Proces polega na zanurzaniu mięsa lub warzyw w gorącym oleju i jednoczesnym poddawaniu ich działaniu fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości. Fale ultradźwiękowe tworzą małe pęcherzyki na powierzchni żywności, które zmniejszają powierzchnię kontaktu między warzywami / mięsem a olejem, co skutkuje mniejszym wchłanianiem oleju i zdrowszym produktem końcowym. Smażenie ultradźwiękowe pozwala przygotowywać żywność w niższych temperaturach, uzyskując doskonalsze profile smakowe i zachowując składniki odżywcze.
  Dowiedz się, jak smażenie wspomagane ultradźwiękami pozwala uzyskać zdrowsze, smaczniejsze i bardziej chrupiące frytki oraz chipsy ziemniaczane!

Wysokowydajne sonikatory do przetwórstwa żywności

Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics to wysokowydajne sonikatory, którymi można precyzyjnie sterować, co pozwala uzyskiwać powtarzalne wyniki i stałą jakość produktów. Dzięki możliwości osiągania bardzo wysokich amplitud procesory ultradźwiękowe Hielscher można stosować w bardzo wymagających zastosowaniach.
Klienci są zadowoleni z wyjątkowej wytrzymałości i niezawodności systemów Hielscher Ultrasonics. Sonikatory Hielscher działają niezawodnie w zastosowaniach związanych z dużymi obciążeniami, w wymagających środowiskach i podczas pracy w trybie 24/7, zapewniając tym samym wydajne i ekonomiczne przetwarzanie żywności. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesów skraca czas przetwarzania i pozwala osiągać lepsze wyniki, tj. wyższą jakość, wyższą wydajność i nowe produkty.
Konsekwentne stosowanie specjalnych materiałów, takich jak tytan, stal nierdzewna, ceramika lub szkło różnych gatunków, gwarantuje zgodność tej techniki z procesem.
Procesory ultradźwiękowe są przyjaznymi dla operatora, wygodnymi w obsłudze urządzeniami o niewielkich wymaganiach konserwacyjnych i stosunkowo niskich kosztach.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość produkcji niemieckiej

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa pozwalają na bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Warto wiedzieć

Jak działają ultradźwięki w przetwórstwie żywności?

Ultradźwiękowe przetwarzanie żywności jest technologią o ugruntowanej pozycji, stosowaną w takich procesach jak mieszanie i homogenizacja, emulgowanie, ekstrakcja, rozpuszczanie, odgazowywanie i odpowietrzanie, zmiękczanie mięsa, krystalizacja, a także funkcjonalizacja i modyfikacja półproduktów oraz końcowych produktów spożywczych. Instalowane od dziesięcioleci w zakładach produkcji żywności ultradźwiękowe urządzenia Hielscher do przetwarzania żywności są zaawansowane i opracowane z myślą o spełnianiu wymagań przemysłu. Procesory ultradźwiękowe wykorzystują siły fizyczne wytwarzane przez fale ultradźwiękowe dużej mocy, co prowadzi do powstawania kawitacji.

Jakie napoje są powszechnie przygotowywane z wykorzystaniem sonikacji?

Sonikację powszechnie stosuje się do przygotowywania lub przetwarzania napojów takich jak kawa parzona na zimno, herbata (w tym yerba mate), soki owocowe i warzywne, napary roślinne, napoje funkcjonalne (ekstrakty ziołowe), mleka roślinne, napoje fermentowane (w celu intensyfikacji procesu) oraz koncentraty napojów do produkcji napojów gotowych do spożycia (RTD).
Znajdź więcej informacji o produkcji następujących napojów:

• Kawa / Zielona kawa
• Napary herbaciane
• Yerba mate
• Soki
• Smoothie
• Kombucha
• Mleka z orzechów

Czym jest kawitacja akustyczna?

Kawitacja akustyczna, znana również jako kawitacja ultradźwiękowa, polega na wzroście i zapadaniu się maleńkich pęcherzyków próżniowych w polu ultradźwiękowym wytwarzanym w cieczach lub zawiesinach. Pęcherzyki kawitacyjne rosną podczas naprzemiennych cykli wysokiego / niskiego ciśnienia, które odpowiadają odpowiednio fazom sprężania i rozrzedzania. Po wzroście przez kilka naprzemiennych cykli ciśnienia pęcherzyk próżniowy osiąga stan, w którym nie może pochłaniać więcej energii, wskutek czego gwałtownie imploduje podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Podczas zapadania się pęcherzyka występują lokalnie ekstremalne warunki, w tym ekstremalne temperatury sięgające 5 000K przy bardzo wysokich szybkościach ogrzewania i chłodzenia, ciśnienia sięgające 2000atm i odpowiadające im różnice ciśnienia oraz strumienie cieczy o prędkości do 280m/s. W tych kawitacyjnych „gorących punktach” lokalnie działające ekstremalne siły tworzą warunki fizyczne, które prowadzą do mieszania, ekstrakcji i zwiększonego przenoszenia masy.

Kawitacja akustyczna, wytwarzana przez ultradźwięki o wysokim natężeniu i niskiej częstotliwości, generuje intensywne siły ścinające oraz lokalnie występujące duże różnice ciśnienia i temperatury, które zapewniają oddziaływanie niezbędne do intensywnego mieszania i przenoszenia masy. Te ultradźwiękowe siły ścinające są z powodzeniem wykorzystywane w przetwórstwie żywności.

Literatura / źródła

• Li, Fei (2012): Development of Nano-material for Food Packaging. PhD Dissertation at Università degli Studi di Milano.
• Kentish, Sandra; Ashokkumar, Meiyazhagan (2011): The Use of Power Ultrasound to enhance Food Processing Technologies.
• Liu, C.F.; Zhou, W.B. (2008): Stimulating Bio-yogurt Fermentation by High Intensity Ultrasound Processing. Food Science Technology 2008.
• Misra, N.N.; Deora, Navneet Singh; Tiwari, Brijesh, Cullen, Patrick J. (2013): Ultrasound for Improved Crystallisation in Food Processing. Food Engineering Reviews 5(1), 2013. 36-44.
• Shalmashi, Anvar (2009): Ultrasound-Assisted Extraction of Oil from Tea Seeds. Journal of Food Lipids 16, 2009. 465–474.
• Uppala, Shivani; Kaur, Khushwinder; Kumar, Rajendra; Kaur Kahlon, Nakshdeep; Singh, Rachna; Mehta, S.K. (2017): Encompassment of Benzyl Isothiocyanate in cyclodextrin using ultrasonication methodology to enhance its stability for biological applications. Ultrasonics Sonochemistry 39, 2017. 25-33.
• Wu, J.; Gamage, T.V; Vilkhu, K.S:; Simons, L.K.; Mawson, R. (2007): Effect of thermosonication on quality improvement of tomato juice. Innovative Food Science and Emerging Technologies 9, 2008. 186–195.