روندهای جدید مواد ویسکوالاستیک در مواد غذایی

مواد ویسکوالاستیک می‌توانند دارای رفتار تیکسوتروپیک یا رئوپکتیک باشند. در سیالات تیکسوتروپیک ویسکوزیته ظاهری سیال با گذشت زمان کاهش می‌یابد در حالی که در سیالات رئوپکتیک ویسکوزیته ظاهری با گذشت زمان افزایش می‌یابد(Peleg, 2017).

عوامل موثر بر ویسکوالاستیسیته مواد غذایی

با توجه به گستردگی مواد غذایی  بسیاری از عوامل مختلف تاثیر گذار بر خصوصیت مکانیکی محصولات، نمی توان ارتباطی را مابین عوامل اشاره شده و نتایج آزمون بیان کرد. البته با توجه به تحقیقات مختلف انجام شده می توان ارتباطی را بر روی گونه، رقم و محصول خاص بیان کرد اما هیچگاه این نتایج عمومیت نخواهد داشت. حتی نتایج این آزمایشات قابل تعمیم به کلیه محصولات کشت شده آن منطقه از آن نوع نمی باشد. ولی به طور کلی می توان گفت در محصولات کشاورزی، رطوبت محصول، رسیدگی محصول ارتباط مستقیمی با ویژگی ویسکوالاستیک دارد و دما و بار اعمالی ارتباط عکس با زمان ویژگی ویسکولاستیک خواهد داشت.(Wang and Selomulya, 2022) 

ساختار داخلی مواد

ساختار داخلی مواد تاثیر به سزایی در نتایج ویژگی های ویسکوالاستیک دارد به نظر می رسد که اندکی تغییر در ریز ساختار و مراحل ساخت بر ویژگی های ویسکوالاستیک اثر شدید دارد. 

تاثیر میزان رطوبت

رطوبت یکی از شاخصه های مورد بررسی درویژگی های ویسکوالاستیک می باشد. قسمت اعظم ترکیبات مواد غذایی و محصولات کشاورزی را آب تشکیل می دهد.آب موجود در این مواد را رطوبت گویند. به ندرت برخی از اقسام مواد غذایی مانند روغن ها ممکن است فاقد رطوبت باشند. حتی مواد متبلور، پلیمر ها و کامپوزیت ها نیز که نسبتا خالص هستند،نیز شامل مقداری رطوبت می باشندکه توسط سطح این اقلام جذب می شود. بخش اعظمی از مواد غذایی و محصولات کشاورزی از آب تشکیل شده است. است، به عنوان مثال 90 درصد  سبزی های برگی و 60 تا 70 درصد  گوشت های مختلف را آب تشکی دهد که که می توان با اعمال فشار یا حرارت آب موجود در بافت آن ها را استخراج کرد . قسمتی دیگر از آب موجود در مواد غذایی به صورت ترکیب با ماده غذایی موجود است که به آب پیوسته معروف است. در کل می توان گفت بیشتر خاصیت ویسکوزیته محصولات کشاورزی وابسته به رطوبت آن است. پس هر چه درصد رطوبت یک محصول بیشتر شود بخش ویسکوزیته آن نیز افزایش می یابد. افزایش بخش ویسکوزیته ماده منجر به تغییر شکل اولیه بیشتر در لحظه اعمال بار خواهد بود(Rao, 2007).

تاثیر دما

تاثیر دما درویژگی های ویسکوالاستیک بر روی مواد ویسکوالاستیک متفاوت است. اگر ماده ویسکوالاستیک یک ماده کشاورزی باشد با افزایش دما ماده مورد آزمایش دچار پختگی می شود، در اثر پختگی رطوبت از دست می دهد و درصد بخش ویسکوزیته ماده کاهش پیدا می کند و از آنجایی که نتیجه آزمون خزش وابستگی مستقیمی با خاصیت ویسکوزیته ماده دارد در نتیجه انجامویژگی های ویسکوالاستیک در دماهای بالا بر روی مواد کشاورزی توجیهی نخواهد داشت. ولی اگر ماده ویسکوالاستیک یک ماده پلیمری یا کامپوزیتی باشد با افزایش دما در اغلب موارد تا نقطه ذوب ماده بخش ویسکوزیته ماده پلیمری افزایش یافته و بر اثر اعمال بار تغییر شکل بیشتری از خود نشان می دهد(Kasapis and Bannikova, 2017).

اثر فرآوری مواد غذایی بر ویژگی های رئولوژی و ویسکوالاستیک مواد غذایی

رشد تکنولوژی های فرآوری و فرآیند جدید اکنون از نظر تجاری بسیار مهم شده است که شامل بسیاری از محصولات جدید، همکاری‌های صنعتی و گروه‌های تحقیقاتی دانشگاهی می‌شود. تکنولوژی های جدید را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: الکتروتکنولوژی‌ها (حرارت دهی میدان الکتریکی پالسی، حرارت دهی با فرکانس رادیویی (RF)، حرارت دهی مایکروویو، حرارت دهی مادون قرمز، حرارت دهی اهمیکک، و غیره) که از روش‌های جدید حرارت دهی استفاده می‌کنند و فناوری‌های غیرحرارتی. نور پالس، فشار هیدرواستاتیک بالا، میدان مغناطیسی نوسانی، تابش، ازن سازی، پلاسما، تصفیه اسمزی و غیره). بیشتر الکتروتکنولوژی‌ها بر روی رویکردهای جدید برای تولید گرما تمرکز می‌کنند و بر مکانیزم‌های حرارتی مرسوم برای دستیابی به حفظ و فرآوری متکی هستند. از سوی دیگر، تکنولوژی های فرآیندهای غیرحرارتی، آنزیم‌ها میکروارگانیسم‌ها را غیرفعال می‌کنند و خواص عملکردی غذا را با روش‌های جایگزین بدون افزایش قابل‌توجه دمای محصول اصلاح می‌کنند(Tabilo-Munizaga and Barbosa-Cánovas, 2005).

حرارت دهی اهمیک

حرارت دهی اهمیک یک روش حرارت دهی نوآورانه است که برای فرآیند حرارتی استفاده می شود. غذا بین دو الکترود قرار می گیرد که به عنوان یک مقاومت الکتریکی عمل می کنند و یک جریان الکتریکی متناوب از مدار عبور می کند. مقاومت الکتریکی باعث می شود که گرما در سراسر ماتریس غذا به شکل یکنواخت و حجمی تولید شود. انرژي الکتریکی مستقیماً به گرما تبدیل می شود و باعث افزایش دما می شود و تا حد زیادی به هدایت الکتریکی محصول بستگی دارد. از نظر تئوری می توان به درستی رسانایی الکتریکی فاز جامد و مایع سیالات ذرات را مطابقت داد، به طوری که ذرات تحت حرارت دهی اهمیک سریعتر از مایع گرم شوند. این یک ویژگی منحصر به فرد است که توجه صنعت، دانشگاه و سازمان های نظارتی را به خود جلب کرده است تا حرارت دهی اهمیک را به عنوان منبع بالقوه تصفیه در فرآیند آسپتیک سیالات ذرات مجاز کنند. در طراحی و بهره برداری از سیستم های حرارت دهی اهمیک، خواص رئولوژیکی هیدروکلوئیدها حائز اهمیت است. افزودن نمک به هیدروکلوئیدها ممکن است برای افزایش کارایی حرارت دهی اهمیک مطلوب باشد. خواص رئولوژیکی بر پروفیل های سرعت در سیستم تأثیر می گذارد. یک ستون حرارت دهی اهمیک پیوسته را می توان به عنوان جریان در یک لوله معمولی یا لوله نگهدارنده توصیف کرد. خواص رئولوژیکی سیال برای مطالعات مکانیک سیالات مورد نیاز است تا ماهیت جریان را مشخص کند. همانطور که سیال از طریق سیستم حرارت دهی اهمیک پیوسته حرکت می کند. مشخصات رژیم جریان (لامینار، انتقالی یا آشفته) نیازمند محاسبه عدد رینولدز است که نسبت نیروی اینرسی به نیروی اصطکاک داخلی (ویسکوزیته) است. رفتار رئولوژیکی ماده ای که در جریان است با اندازه گیری ویسکوزیته مشخص می شود که به عنوان اصطکاک یا مقاومت داخلی که سیال هنگام حرکت روی لایه دیگری از سیال تجربه می کند، تعریف می شود. محققین مطالعه ای را برای اندازه گیری ویسکوزیته و EC آب سیب، آناناس، پرتقال و گوجه فرنگی در شرایط مختلف با سیستم حرارت دهی اهمیک انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که در بین آب میوه های مورد مطالعه، آب گوجه فرنگی و آناناس به ترتیب دارای حداقل و حداکثر ویسکوزیته بودند. ویسکوزیته تمام آب میوه ها با افزایش دما کاهش یافت. یک رابطه نمایی بین ویسکوزیته و دما برای آبمیوه های مورد مطالعه ایجاد شد. اثر حرارت دهی اهمیک بر خواص رئولوژیکی محلول‌های کاراگینان، پکتین، نشاسته و زانتان  در دماها، غلظت‌ها و نرخ‌های برشی مختلف در حضور 1% نمک مورد بررسی قرار گرفت. آنها دریافتند که تأثیر غلظت، دما و نرخ برش بر روی خواص رئولوژیکی بسته به نوع هیدروکلوئیدها متفاوت است. منحنی های جریان به خوبی توسط مدل قانون توان برای نشاسته و پکتین توصیف شد. اثر غلظت بر ویسکوزیته ظاهری برای نشاسته و کاراگینان و برای پکتین و زانتان اهمیکت کمتری داشت. علاوه بر این، ویسکوزیته فاز سیال یک مورد مهم در حرارت دهی اهمیک است. برای سیستم غذایی حاوی ذرات بزرگ (جامد)، ویسکوزیته سیال باید برای جذب و انتقال موثر آن کافی باشد(Joyner, 2018).

اولتراسوند

اولتراسوند به انرژی تولید شده توسط امواج صوتی 20000 یا بیشتر ارتعاش در ثانیه اشاره دارد. فرکانس‌های بالا در محدوده 0.1 تا 20 مگاهرتز، عملکرد پالسی و سطوح توان پایین (100 مگاوات) برای آزمایش‌های غیرمخرب استفاده می‌شوند . اولتراسوند می تواند در کاربردهای مختلفی از جمله رئولوژی، بافت و اندازه گیری غلظت مواد غذایی جامد یا مایع استفاده شود. تعیین ترکیب تخم مرغ، گوشت، میوه ها، سبزیجات و محصولات لبنی؛ اندازه گیری ضخامت، سطح جریان و دما برای کنترل چندین فرآیند. و بازرسی غیر مخرب کاربرد داشته باشد. اولتراسوند یک موج صوتی با فرکانس بالاتر از آستانه شنوایی انسان (بیش از 20 مگاهرتز) است. کاربرد اولتراسوند در فرآوری مواد غذایی را می توان به سه دسته طبقه بندی کرد. اولتراسوند با شدت پایین از سطوح توان کم، معمولاً کمتر از 1 وات بر سانتی‌متر مربع، در محدوده فرکانسی 5 تا 10 مگاهرتز استفاده می‌کند. با توجه به سطوح توان پایین، اولتراسوند با شدت کم هیچ تغییر فیزیکی یا شیمیایی در خواص ماده ای که موج از آن عبور می کند، ایجاد نمی کند. می توان از آن برای اندازه گیری های تشخیصی خواص مواد غذایی از جمله بافت، ترکیب، ویسکوزیته یا غلظت استفاده کرد. در مقابل، اولتراسوند با شدت بالا از سطوح توان بسیار بالاتر، معمولاً در محدوده 10-1000 W/cm2، در فرکانس 20-100 کیلوهرتز استفاده می کند.

اولتراسوند کاربرد گسترده ای در مجموعه ای از مواد غذایی پیدا می کند که بر خواص رئولوژیکی و عملکردی آنها تأثیر می گذارد. برخی از اثرات فراصوت مانند بهبود پایداری ابر آبمیوه، افزایش نرم شدن گوشت، و بهبود خواص رئولوژیکی شیر و فرآورده های شیری نشان داده شده است. پارامترهای کنترل بیرونی مانند فرکانس، دامنه، شدت اولتراسونیک، زمان درمان و دما به شدت بر اثرات فراصوت تأثیر می‌گذارند. تابش اولتراسونیک همچنین می تواند برای پلیمریزاسیون جزئی و تهیه ماکرومولکول های متوسط از مولکول های بزرگ استفاده شود. مطالعات ارائه شده می تواند برای تحریک تحقیق و توسعه بیشتر که منجر به افزایش پذیرش صنعت فراصوت برای عملیات فرآوری مواد غذایی می شود، مورد استفاده قرار گیرد. تا به امروز، کاربرد صنعتی اولتراسوند به دلیل در دسترس بودن داده های محدود برای مقیاس صنعتی محدود شده است.

تأثیر اولتراسوند بر رئولوژی مواد غذایی عمدتاً به دلیل پدیده کاویتاسیون است. کاویتاسیون تشکیل، رشد و در برخی موارد انفجار حباب ها در مایعات است. دو نوع مختلف از پدیده کاویتاسیون را می توان توسط امواج صوتی ایجاد کرد، یعنی کاویتاسیون اینرسی و غیر اینرسی. کاویتاسیون اینرسی شامل تغییرات در مقیاس بزرگ در اندازه حباب (نسبت به اندازه تعادل) در یک مقیاس زمانی چند چرخه صوتی است که در آن رشد سریع در فروپاشی حباب با درجات مختلف شدت خاتمه می یابد. کاویتاسیون غیرنرسی (پایدار) شامل نوسانات با دامنه کوچک (در مقایسه با شعاع حباب) استاثرات حرارتی، مکانیکی و شیمیایی اولتراسوند با شدت بالا به شکل‌گیری و فروپاشی سریع حباب‌های حفره‌ای، ایجاد تنش‌های نرمال و برشی شدید نسبت داده شده‌اند. انفجار حباب های کاویتاسیون منجر به انباشت انرژی در نقاط داغ می شود که دمای 5000 درجه سانتیگراد و فشار 100 مگاپاسکال اندازه گیری شده است. در نتیجه این شرایط، مولکول‌های آب می‌توانند شکسته شوند و رادیکال‌های آزاد بسیار واکنش‌پذیر تولید می‌کنند که می‌توانند با مولکول‌های دیگر واکنش دهند(De Vicente, 2012) .  

پرتودهی

پرتودهی فرآیند قرار دادن مواد غذایی در معرض پرتوهای یونیزان به منظور از بین بردن باکتری های مسموم کننده غذایی مانند سالمونلا، کمپیلوباکتر، و اشریشیا کلی و ویروس ها و ضد عفونی کردن حشرات در غذاها است. در حال حاضر بیش از 40 کشور اجازه تابش مواد غذایی را می دهند و تخمین زده می شود که حجم آن بیش از 500000 تن در سال در سراسر جهان باشد. تابش مواد غذایی، غذا را در معرض پرتوهای الکترونی، اشعه ایکس یا اشعه γ قرار می دهد و اثری مشابه پاستوریزاسیون، پخت و پز یا سایر اشکال عملیات حرارتی ایجاد می کند که تأثیر مخرب کمتری بر ظاهر و بافت دارد. پرتودهی یک فناوری شناخته شده برای حفظ ماندگاری و ویژگی های کیفی مواد غذایی است. این ماده اساساً بر ساختار غذا تأثیر می گذارد و در این فرآیند خواص رئولوژیکی و بافت آن را تغییر می دهد. مطالعات متعددی به جنبه های مختلف تابش و غذاهای پرتودهی شده با استرس نسبتاً کمتر بر رئولوژی و بافت اختصاص یافته است. ماکرومولکول‌های موجود در مواد غذایی، عمدتاً نشاسته، پروتئین‌ها و سایر مولکول‌های زیستی مانند پکتین، سلولز یا هیدروکلوئیدهای اضافه شده، به خوبی بر مشخصات رئولوژیکی و بافتی غذاها تأثیر می‌گذارند. شناخته شده است که تابش بر این ماکرومولکول ها و از این رو خواص مرتبط با آنها تأثیر می گذارد(Tatar and Şahin, 2017).

فرآیند فشار بالا 

تکنولوژی فشار بالا یک تکنولوژی غیرحرارتی برای نگهداری مواد غذایی می باشد. در این تکنولوژی عموما از آب بعنوان محیط انتقال دهنده فشار استفاده می شود. این روش توانایی غیرفعال سازی تعداد زیادی از باکتریها و آنزیم ها را دارد و باعث کاهش مصرف افزودنی های سنتتیک و غیر طبیعی که با عدم پذیرش مصرف کنندگان همراه است می شود. تکنولوژی فشار بالا نه تنها جهت نگهداری مواد غذایی بلکه به منظور اصلاح خوا ص رئولوژیکی و عملی ماده غذایی نیز به کار می رود و کمترین تاثیر راروی ویژگی های حسی و تغذیه ای محصولات غذایی دارد. همه ی این موارد باعث شده که این تکنولوژی به یک تکنولوژیبسیار کاربردی و جذاب در صنعت غذا تبدیل شود.

فرآوری با فشار بالا می تواند برای نرم کردن گوشت استفاده شود، اما ترجیحاً در فشارهای پایین تر مانند حدود 200 مگاپاسکال. تحقیقات زیادی در مورد کالپئین ها و سایر پروتئازها و اینکه چگونه آنها تحت تاثیر فشار بالا قرار می گیرند، انجام شده است. برای دستیابی به اثر نرم شدن گوشت، ترجیحاً باید از پردازش فشار پیش از سختی استفاده شود. نشان داده شده است که اثر نرم شدن گوشت به طور مستقیم با میزان انقباض حاصل در طی فرآوری مرتبط است(Chen and Stokes, 2012).

 نشان داده شده است که فرآوری شیر با استفاده از فناوری‌های فشار بالا، میسل‌های کازئین را جدا می‌کند، پروتئین‌های آب پنیر را تغییر می‌دهد و ظاهر و خواص رئولوژیکی شیر را تغییر می‌دهد.

نتیجه گیری

گسترش سریع تحقیقات در مورد توسعه فرآیندهای غذایی جدید در دهه گذشته منجر به فرآیندهای جدیدی شده است. فرآیندهای نوین هم مانند سایر فرآیندها می توانند بر خواص رئولوژیکی و ویسکوالاستیک مواد غذایی موثر باشد و بسته به نوع ماده غذایی و ترکیبات آن می توانند منجر به بهبودی ویژگی های مواد غذایی شوند یا اثرات مخربی داشته باشند.

Refrences

Ahmed, J., Ramaswamy, H.S., 2006. Viscoelastic properties of sweet potato puree infant food. Journal of Food Engineering 74, 376-382.

Ahmed, J., Ramaswamy, H.S., Kasapis, S., Boye, J.I., 2016. Novel food processing: effects on rheological and functional properties. CRC Press.

Chen, J., Stokes, J.R., 2012. Rheology and tribology: Two distinctive regimes of food texture sensation. Trends in Food Science & Technology 25, 4-12.

De Vicente, J., 2012. Rheology. BoD–Books on Demand.

Fischer, P., Windhab, E.J., 2011. Rheology of food materials. Current Opinion in Colloid & Interface Science 16, 36-40.

Joyner, H.S., 2018. Explaining food texture through rheology. Current Opinion in Food Science 21, 7-14.

Kasapis, S., Bannikova, A., 2017. Rheology and food microstructure, Advances in food rheology and its applications. Elsevier, pp. 7-46.

Krešić, G., Lelas, V., Jambrak, A.R., Herceg, Z., Brnčić, S.R., 2008. Influence of novel food processing technologies on the rheological and thermophysical properties of whey proteins. Journal of Food Engineering 87, 64-73.

Meng, Y., Li, B., Si, X., Chen, X., Liu, F., 2021. On the process of filtration of fractional viscoelastic liquid food. Communications in Theoretical Physics 73, 045004.

Norton, I.T., Spyropoulos, F., Cox, P., 2010. Practical food rheology: an interpretive approach. John Wiley & Sons.

Peleg, M., 2017. The basics of solid foods rheology. Food texture, 3-33.

Rao, M., 2007. Influence of food microstructure on food rheology. Understanding and controlling the microstructure of complex foods, 411-424.

Tabilo-Munizaga, G., Barbosa-Cánovas, G.V., 2005. Rheology for the food industry. Journal of food engineering 67, 147-156.

Tatar, B., Şahin, S., 2017. Advances in Food Rheology and Its Applications, Rheology of Emulsion. Elsevier.

Wang, Y., Selomulya, C., 2022. Food rheology applications of large amplitude oscillation shear (LAOS). Trends in Food Science & Technology.

Zhong, Q., Daubert, C.R., 2013. Food rheology, Handbook of farm, dairy and food machinery engineering. Elsevier, pp. 403-426.

سحر خان محمدی شیخدرآبادی، کارشناس ارشد مهندسی صنایع غذایی؛

پایگاه خبری صنایع غذایی فودنا

www.foodna.ir