Ultrazvočno omsko segrevanje pri predelavi živil

Povpraševanje po blagih, a učinkovitih tehnologijah predelave v živilskem sektorju se je povečalo zaradi potrebe po usklajevanju mikrobiološke varnosti z ohranjanjem prehranskih in senzoričnih lastnosti. Konvencionalni toplotni postopki pogosto temeljijo na prenosu toplote s površine v notranjost, ki je počasen in pogosto neenakomeren. Omsko segrevanje, ki temelji na pretvorbi električne energije v toploto neposredno v živilski matrici, ta izziv rešuje z omogočanjem hitrega in volumetričnega segrevanja. V kombinaciji z ultrazvokom se postopek še izboljša: ultrazvočna kavitacija spodbuja razgradnjo celic, homogenizacijo in prenos snovi ter tako odpravlja razlike v prevodnosti, ki bi sicer lahko povzročile nastanek lokaliziranih toplotnih kanalov.

Ultrazvočno omsko segrevanje – blago, a zelo učinkovito

Ekstrakcija z ultrazvočnim omskim segrevanjem združuje enakomerno volumetrično segrevanje z mehansko homogenizacijo z ultrazvokom za učinkovito predelavo živil v razmeroma blagih pogojih. Za razliko od konvencionalnega omskega segrevanja, ki lahko povzroči lokalizirane toplotne kanale in toplotno razgradnjo (tj. pregrevanje), dodatek ultrazvoka spodbuja kavitacijo in mikrostrujanje, ki izenačujeta prevodnost in enakomerneje porazdeljujeta toploto. Ta sinergija omogoča hitro ekstrakcijo pri nižjih dejanskih toplotnih obremenitvah, pri čemer ohranja toplotno občutljive spojine in hkrati zmanjšuje skupne potrebe po energiji. Ultrazvočno omsko segrevanje se zato uveljavlja kot blag, a zmogljiv pristop za proizvodnjo visokokakovostnih živilskih izdelkov.

Ta videoposnetek ponazarja pozitiven vpliv neposredne ultrazvočne obdelave elektrode na električni tok. Uporabljen je ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) z nadgradnjo za elektrokemijo in titanovo elektrodo/sonotrodo. Pri elektrolizi razredčene žveplove kisline nastajata plinasta vodik in kisik. Ultrazvočna obdelava zmanjša debelino difuzijske plasti na površini elektrode in izboljša prenos snovi med elektrolizo.

Ultrazvočno omsko segrevanje – številne uporabe pri predelavi živil

Ultrazvočno omsko segrevanje so raziskovali za širok nabor uporab pri predelavi živil. Pri pasterizaciji in sterilizaciji ta tehnika zagotavlja hitro in enakomerno inaktivacijo mikroorganizmov, pri čemer ohranja vitamine, arome in teksturne lastnosti. Pri stabilizacijskih postopkih, kot sta inaktivacija encimov ali dekontaminacija semen, omogoča natančen nadzor intenzivnosti obdelave. Metoda je še posebej obetavna za ekstrakcijo – eteričnih olj, rastlinskih beljakovin ali bioaktivnih spojin – pri kateri kavitacija, povzročena z ultrazvokom, pospešuje sproščanje, omsko segrevanje pa omogoča učinkovito prodiranje topila. Uporabili so jo tudi pri predelavi tekočih in poltrdnih živil, vključno z mlečnimi izdelki, sadnimi kašami, sokovi in emulzijami, pri katerih sta enakomerno segrevanje in mešanje ključna.

Glavne uporabe ultrazvočnega omskega segrevanja v živilski industriji vključujejo:

Pasterizacija in sterilizacija: hitra, enakomerna inaktivacija mikroorganizmov ob ohranjanju senzorične in prehranske kakovosti.
Ekstrakcija bioaktivnih spojin in eteričnih olj: kavitacija, povzročena z ultrazvokom, v kombinaciji z omsko elektroporacijo pospešuje sproščanje fitokemikalij, beljakovin in lipidov.
Blanširanje sadja in zelenjave: učinkovita inaktivacija encimov z minimalno izgubo barve, arome ali vitaminov.
Postopki dehidracije in izparevanja: pospešeno odstranjevanje vlage in prihranki energije v fazah sušenja ali koncentriranja.
Podpora fermentaciji: nadzorovano segrevanje in izboljšan prenos snovi lahko izboljšata delovanje mikroorganizmov in izkoristek.
Splošno segrevanje tekočih in poltrdnih živil: homogena porazdelitev temperature v mlečnih izdelkih, sokovih, pirejih in emulzijah brez lokalno pregretih območij.

Ta videoposnetek prikazuje pozitiven vpliv neposredne ultrazvočne obdelave elektrode na električni tok v elektrolizatorju s celico H. Uporablja se ultrazvočni homogenizator Hielscher UP100H (100 vatov, 30kHz) z nadgradnjo za elektrokemijo in titanovo elektrodo/sonotrodo. Pri elektrolizi razredčene žveplove kisline nastajata plinasti vodik in kisik. Ultrazvočna obdelava zmanjša debelino difuzijske plasti na površini elektrode in izboljša prenos snovi med elektrolizo. Ultrazvočna obdelava lahko bistveno poveča hitrost nastajanja plinastega vodika v elektrolitski celici.

Prednosti ultrazvočnega omskega segrevanja za živilsko industrijo

Prednosti ultrazvočnega omskega segrevanja za živilsko industrijo so številne. Tehnologija skrajša čas predelave in zmanjša porabo energije, omogoča zelo enakomerno segrevanje tudi v heterogenih matricah ter zmanjšuje toplotno razgradnjo toplotno občutljivih spojin na najmanjšo možno mero. Ker se tako toplota kot učinki ultrazvoka ustvarjajo v samem živilu, postopek odpravi potrebo po velikih zunanjih toplotnih izmenjevalnikih in zniža stroške vzdrževanja. Najpomembneje pa je, da je skladen z vse večjim poudarkom na izdelkih s čisto deklaracijo in trajnostni predelavi, saj zmanjšuje odvisnost od agresivnih postopkov obdelave ali kemičnih dodatkov. Ultrazvočno omsko segrevanje tako izstopa kot zmogljivo orodje za izpolnjevanje prihodnjih zahtev po varni, hranljivi in okoljsko odgovorni proizvodnji živil.

Prednosti

Enakomerno segrevanje: Ultrazvok preprečuje nastajanje toplotnih kanalov in zagotavlja homogeno porazdelitev temperature v heterogenih živilih.
Hitra predelava: Združeni učinki omskega segrevanja in ultrazvoka skrajšajo čase pasterizacije, sterilizacije in ekstrakcije.
Energetska učinkovitost: Nižja skupna poraba energije v primerjavi s konvencionalnimi toplotnimi postopki.
Ohranjanje hranil in arome: Blažje toplotne obremenitve ohranjajo vitamine, antioksidante in hlapne aromatične spojine.
Izboljšana ekstrakcija: Elektroporacija in kavitacija pospešujeta sproščanje bioaktivnih spojin, eteričnih olj in beljakovin.
Varnost živil: Učinkovita inaktivacija mikroorganizmov in encimov z minimalno izgubo kakovosti.
Možnost povečanja obsega in prilagodljivost: Uporabno za tekoča in poltrdna živila.
Čista predelava: Brez topil, brez kemikalij in v skladu s trajnostno proizvodnjo izdelkov s »čisto deklaracijo«.

Ultrazvočne elektrode za izboljšano omsko segrevanje pri predelavi živil

Ultrazvočne elektrode Hielscher (sonoelektrode) zagotavljajo izrazito prednost pri omskem segrevanju, saj v enem sistemu združujejo dva dopolnjujoča se mehanizma: dovajanje električnega toka in ultrazvočno vzbujanje. Medtem ko elektroda dovaja izmenični tok, potreben za volumetrično Joulovo segrevanje, njeno sočasno nihanje pri 20 kHz povzroča kavitacijo, mikrostrujanje in strižne sile, ki razgrajujejo rastlinske celične stene in homogenizirajo medij. To dvojno delovanje zmanjšuje nastajanje toplotnih kanalov na najmanjšo možno mero, zagotavlja enakomernejšo električno prevodnost in s tem enakomerno segrevanje celotnega vzorca. Hkrati učinek ultrazvočne ekstrakcije pospešuje prenos snovi in spodbuja sproščanje znotrajceličnih spojin, kar dodatno izboljšuje izkoristek in kakovost. Pri komercialni uporabi elektrodni sistem Hielscher UIP2000hdT (2000 W na elektrodo) zagotavlja robustnost, potrebno za neprekinjeno industrijsko proizvodnjo, manjši sistemi, kot sta UP100H (100 W) in VialTweeter, pa služijo kot prilagodljiva orodja za raziskave v laboratorijskem merilu in optimizacijo procesov.

Zakaj Hielscher Ultrasonics?

visoka učinkovitost
najsodobnejša tehnologija
zanesljivost in robustnost
prilagodljiv, natančen nadzor procesa
šaržna obdelava in obdelava v pretočnem procesu
za katero koli prostornino
inteligentna programska oprema
pametne funkcije (npr. možnost programiranja, beleženje podatkov, daljinsko upravljanje)
preprosto in varno upravljanje
malo vzdrževanja
CIP (čiščenje na mestu)

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših sonikatorjev za omsko segrevanje / ultrazvočnih elektrod:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam, ki združujejo najsodobnejšo tehnologijo in prijaznost do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE ter izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Sorodne 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.

Pogosta vprašanja

Ali sta omsko segrevanje in Joulovo segrevanje isto?

Ne povsem. Joulovo segrevanje je osnovni fizikalni pojav: ko električni tok teče skozi prevodnik, se električna energija pretvarja v toploto glede na upornost materiala. Omsko segrevanje pa je praktična uporaba tega pojava. V živilskih, rastlinskih ali bioloških sistemih izmenični tok namenoma teče skozi material, ki deluje kot uporovni medij, pri čemer se toplota enakomerno ustvarja po vsej njegovi prostornini. Skratka, Joulovo segrevanje je načelo, omsko segrevanje pa postopek, ki temelji na njem.

Kateri so sestavni deli sistema za omsko segrevanje?

Tipičen sistem za omsko segrevanje vključuje napajalnik za dovajanje izmeničnega toka, obdelovalno komoro z izdelkom in elektrode, nameščene tako, da omogočajo pretok toka skozi vzorec. Za zagotavljanje natančnega nadzora je sistem opremljen s senzorji za spremljanje napetosti, toka in temperature ter z regulacijskimi enotami za vzdrževanje enakomernih pogojev segrevanja.

Kaj je Joulovo segrevanje?

Joulovo segrevanje – imenovano tudi uporovno segrevanje – nastane, ko električni tok teče skozi prevoden material in sprošča toploto. Količina nastale toplote je sorazmerna z upornostjo materiala in kvadratom toka.

Kakšna je razlika med omskim segrevanjem in Joulovim segrevanjem?

Joulovo segrevanje se nanaša na splošni fizikalni proces nastajanja toplote zaradi električne upornosti. Omsko segrevanje je namenska uporaba tega načela, pri kateri izmenični tok usmerimo skozi živila ali biološke materiale, da z uporabo njihove naravne prevodnosti dosežemo hitro in enakomerno volumetrično segrevanje.

Kje se uporablja omsko segrevanje?

Omsko segrevanje se uporablja pri predelavi živil, ekstrakciji iz rastlin, pasterizaciji, sterilizaciji, inaktivaciji encimov in v znanosti o materialih povsod, kjer je potrebno hitro, enakomerno notranje segrevanje brez odvisnosti od zunanjega prenosa toplote.

Kaj je omska plazma?

Omska plazma je plazma, v kateri se energija električnega toka disipira zaradi upornosti, pri čemer se delci plazme segrevajo zaradi Joulovega učinka. Ta koncept je temeljnega pomena pri raziskavah zadrževanja plazme in jedrske fuzije.

Kakšne so prednosti omskega segrevanja v živilski industriji?

Pri uporabi za živila omsko segrevanje zagotavlja hitro in enakomerno segrevanje, zmanjšuje temperaturne gradiente na najmanjšo možno mero in skrajša čas predelave. Pomaga ohranjati hranila, arome in teksture ter hkrati zmanjšuje porabo energije. Zaradi teh lastnosti je privlačna tehnologija za sodobno proizvodnjo živil s »čisto deklaracijo«.