فصل دوم
سابقه و پیشینه تحقیق
در دهه ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ یک تکنولوژی به نام الکتروپیور از اروپا وارد آمریکا گردید که در سال ۱۹۰۹ در اروپا اوج پیدا کرد که برای پاستوریزه کردن شیر از جریان الکتریسیته استفاده می شد. شیر از طریق الکترود های کربنی در معرض جریان برق ۲۲۰ ولت قرار می گرفت که موجب گرم شدن شیر تا ۷۰ درجه سانتیگراد می شد و شیر در این دما حدود ۱۵ دقیقه نگهداری می شد که موجب پاستوریزاسیون شیر می گردید. در این روش از جریان برق به منظور گرم کردن استفاده می شد اما به علت افزایش هزینه مصرف انرژی این روش منسوخ شد. (۳)

در دهه ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ دو دانشمند به نامهای سیل و همیلتون یک سری پژوهش های نظاممندی روی تاثیر میدانهای الکتریکی پالسی بر میکروارگانیسمها انجام دادند و متوجه اثرگذاری روی میکروارگانیسمها شدند و نهایتا در دهه ۱۹۸۰ کاربرد این سیستم به دو شاخه تقسیم شد:
افزایش نفوذپذیری سلول و ایجاد خلل و فرج به طور برگشت پذیر به منظور انتقال مواد ژنتیکی (DNA )، به داخل سلول.
غیرفعال کردن میکروارگانیسمها و در نتیجه افزایش ماندگاری ماده غذایی.
۲-۱- تعریف فرایند میدانهای الکتریکی پالسی یا PEF:
عبارتست از به کار گیری پالسهای الکتریکی کوتاه باشد که با شدت میدان بالا kv/cm 10 - 80 و با تعداد پالس ۱۰ تا ۱۰۰ به یک نمونه که بین دو الکترود در یک اتاقک تیمار( محفظه فرایند) به صورت بچ یا مداوم قرار دارد. وقتی جریان الکتریسیته از مواد غذایی عبور می کند به صورت پالسی ولی با شدت میدان بالا به صورت خیلی کوتاه اعمال می شود. در واقع جریان در کسری از ثانیه اعمال می شود. (۳)
در این روش نمونه باید قابل پمپ و رسانای الکتریسیته باشد.بنابراین این روش برای مواد غذایی مایع یا مایع حاوی ذرات بسیار ریز بکار می رود. (۴)
بر اساس تئوری انقطاع دی الکتریک، میدانهای الکتریکی خارجی یک اختلاف پتانسیل الکتریکی در غشائ سلول القا می کند که به پتانسیل انتقال غشایی معروف است. وقتی که پتانسیل انتقال غشایی به حد آستانه و یا بحرانی برسد، منافذی در غشاء سلول ایجاد می گردد و در نتیجه آن نفوذپذیری غشای سلول افزایش می یابد. چنانچه قدرت میدانهای الکتریکی خارجی برابر و یا کمی بیشتر از حد بحرانی باشد تغییر ایجاد شده در غشای سلولی قابل برگشت است. (۳)
۲-۲- اجزاء سیستمهای میدان الکتریکی پالسی:
سیستمهای فرآوری در میدانهای الکتریکی پالسی قوی از اجزای مختلفی تشکیل شده اند که عبارتند از: منبع انرژی، خازن ذخیره سازی، کلید، محفظه واکنش، پروب ولتاژ، پروب جریان برق، پروب درجه حرارت و نیز تجهیزات بسته بندی اسپتیک جهت شارژ نمودن خازن از یک منبع انرژی استفاده می شود. وظیفه کلید نیز تخلیه انرژی ذخیره شده در خازن به ماده غذایی موجود در محفظه واکنش است سیستم کلید ممکن است ایجاد جرقه و اشتعال جیوه، جرقه گاز و یا آهنربا باشد در این روش ممکن است ماده غذایی در یک محفظه ثابت قرار گیرد و یا از طرق یک سیستم مداوم به داخل محفظه پمپ گردد. (۴)
محفظه های ثابت برای مطالعه اولیه درسطح آزمایشگاهی مناسب هستند ولی در مقیاس پایلوت و یا تولید صنعتی استفاده از منبع مداوم توصیه می شود. قدرت میدان الکتریکی، ولتاژ و شدت جریان نیز به کمک سیستم نمایش نوسانات اندازه گیری می شوند. درمرحله بعد ماده غذایی فرایند شده در ظروف کوچک و یا به میزان انبوه در ظروف بزرگتر به روش اسپتیک بسته بندی می گردد. جهت افزایش زمان نگهداری توصیه می شود ماده غذایی فرایند شده در درجه حرارتهای سرد نگهداری شود. (۵)
در فراوری مواد غذایی به کمک میدانهای مغناطیسی ممکن است حرارت نیز تولید شود. معمولا در داخل سیستم وسیله ای جهت خنک کردن محفظه واکنش تعبیه شده است.
یکی از اجزای مهم و پیچیده این سیستم ،محفظه واکنش است .تابحال انواع مختلفی ازمحفظه های ثابت و مداوم طراحی شده اند. (۱)
۲-۳- طرح محفظه های ثابت:
۲-۳-۱- محفظه سیل و همیلتون:
سل و همیلتون دوتن اولین پژوهشگرانی بودند که در زمینه مهار میکروارگانیسم هابه کمک میدانهای الکتریکی پالسی قوی مطالعه نمودند. در این سیستم الکترودهایی از جنس کربن با پوشش برنج مورد استفاده قرار می گیرند. اتاقک میانی محفظه به شکل U و از جنس پلیتن در بین الکترود ها جای دارد انواع مختلفی از اتاقکها وجود دارند که در هر یک فضای اشغال شده توسط الکترودها و مقدارماده غذایی که می تواند در هر مرحله فرایند شود متفاوت است. قویترین میدان مغناطیسی که می توان در محفظه ایجاد نمود۳۰ kv/cm می باشد. میدان قویتر سبب تجزیه هوای بالای نمونه غذا می شود. درجه حرارت ماده غذایی از طریق سیرکولاسیون آب در میان محفظه های برنجی کنترل می گردد. در این سیستم از پالس های مربع مستطیل با عرض ۲ و۲۰ میکروثانیه و اختلاف ۲ میکروثانیه از یکدیگر استفاده می شود دوره تناوب نیز یک پالس در ثانیه می باشد.
۲-۳-۲- محفظه دان و پرلمن:
این محفظه از دو الکترود استیل و یک اتاقک میانی استوانه ای از جنس نایلون تشکیل شده است ارتفاع محفظه دوسانتیمتر و قطر داخلی آن ده سانتیمتر است محیطی که الکترد اشغال می کند نیز ۷۸ سانتیمتر مربع می باشد. این محفظه برای فراوری مواد غذایی مایع طراحی شده است. ماده غذایی از طریق یک روزنه کوچک در یکی از الکترودها تزریق می گردد. از این روزنه جهت اندازه گیری دمای ماده غذایی درطی فراوری در میدان الکتریکی استفاده می شود. این سیستم شامل یک منبع تامین ولتاژ قوی، دو مقاومت با ظرفیت ۴۰۰ کیلو اهم، شش خازن ( ظرفیت هر یک ۴/۰ میکروفاراد) یک کلید ایجاد جرقه، یک سیستم ذخیره موقت اطلاعات، یک نمایانگر و یک پروپ ولتاژمی باشد.
۲۳-۳– محفظه گرال و همکاران:
این محفظه مشابه محفظه سل و همیلتون است الکترودها از جنس کربن– برنج بوده و اتاقک مربع مستطیل میانی محفظه با ضخامت ۵/۰ یا ۲/۱ سانتیمتر از جنس پلکسی گلاس می باشد. منطقه موثر الکترود۵۰ سانتیمتر مربع و حداکثر قدرت میدان الکتریکی kv/cm30 است. در این محفطه هیچ نوع سیستم خنک کننده ای تعبیه نشده است.
۲–۳۴- محفظه دانشگاه ایالتی واشنگتن:
محفظه ایالتی واشنگتن(wsu) از دو الکترود استیل گرد موازی تشکیل شده است که توسط اتاقک میانی محفظه از جنس پلی سولفون از یکدیگر فاصله گرفته اند فضای موثر الکترود ۲۷ سانتیمتر مربع و شکاف بین الکترودها ۹۵/۰ و یا ۵۱/۰ سانتیمتر می باشد. جنس اتاقکی که این فضا را تشکیل می دهد می تواند متفاوت باشد. الکترودها حاوی ژاکتهای داخلی جهت سیرکولاسیون آب و یا ماده خنک کننده به منظور کنترل درجه حرارت می باشد. محفظه واکنش دارای دو منفذ جهت پر و خالی کردن ماده غذایی می باشد. همچنین این منافذ خروج هوا از محفظه را پس از تزریق مواد غذایی تسهیل می نماید. میانگین قدرت میدان الکتریکی (E) از فرمول ذیل محاسبه می گردد.
E=V/d
در فرمول فوق v اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه از فضا و d فاصله بین آنها میباشد .فاصله d در محفظه واکنش برابر با فاصله بین الکترودهاست. در یک میدان الکتریکی یکنواخت مقدارd باید کمتر از قطر الکترودها باشد.
یکی از نکات مهم، دقت در طراحی محفظه واکنش به منظور اجتناب از تجزیه دی الکتریک مواد غذایی می باشد. چنانچه قدرت میدان الکتریکی مورد استفاده بیشتر از قدرت دی الکتریک ماده غذایی باشد تجزیه دی الکتریک اتفاق می افتد. علت تجزیه دی الکتریک ماده غذایی که به صورت ایجاد جرقه قابل رویت است عبارتند از:
جریان قوی دی الکتریکی در یک کانال باریک؛
افزایش تدریجی حجم حبابهای گاز؛
شکل گیری حفراتی بر روی سطح الکترودها؛
افزایش فشار که همراه با صدای انفجار است.
جهت ساخت محفظه wsu، سطوح الکترود صیقل داده می شود تا تبدیل به یک سطح آینه ای گردند. همچنین لبه های آنها به منظور کاهش اثرات میدانی و نیز تجزیه دی الکتریک مواد غذایی گرد می شود.
۲-۳-۵- محفظه میزونو و هوری:
در این سیستم چهار نوع ترکیب قرار گرفتن الکترود به منظور بررسی اثر شکل الکترود بر مهار میکروارگانیسمها طراحی شده اند:
صفحه ای– صفحه ای:
در این سیستم الکترودها از دو صفحه موازی تشکیل شده اند که توسط پلکسی گلاس از یکدیگر جدا می گردند و بدین ترتیب محفظه واکنش شکل می گیرد. طول محفظه ۱۰ میلی متر، قطر داخلی ۸ میلی متر و حجم آن ۵/۰ میلی لیتر می باشد.
سوزنی– صفحه ای:
در این سیستم از یک الکترود صفحه ای و یک الکترود سوزنی استفاده می شود. قسمت فوقانی محفظه توسط صفحه ای از پلکسی گلاس پوشانیده شده است.یک الکترود سوزنی به صفحه پلکسی گلاس متصل شده و نوک آن به میزان ۵/۰ میلی متر از سطح صفحه بیرون آمده است. شعاع انحنا نوک الکترود سوزنی حدود ۱/۰ میلی متر است. یک الکترود صفحه ای نیز در قسمت پایینی محفظه قرار داده شده است. فاصله بین نوک الکترود سوزنی و الکترود صفحه ای ۵/۹ میلی متر و حجم محفظه ۵/۰ میلی متر است.
سیمی- استوانه ای:
در این سیستم یک الکترود استوانه ای و یک الکترود سیمی وجود دارد.قطر داخلی الکترود استوانه ای ۱۹ میلی متر و قطر الکترود سیمی ۵/۰ میلی متر می باشد.الکترود سیمی در مرکزسیلندر و به کمک واشر از جنس سیلیکون تثبیت شده است.طول این سیستم الکترودی ۳۰ میلی متر و ظرفیت آن ۵/۸ میلی لیتر می باشد.
میله ای- میله ای:
در این سیستم الکترودهای میله ای در محفظه ای از جنس پلی وینیل کلراید (pvc) با ضخامت ۶ میلی متر قرار گرفته اند. الکترودهای میله ای در مرکز محفظه محکم شده اند به طوریکه، یک سر آنها متصل به سطح فوقانی و سر دیگر آنها متصل به صفحه پایینی محفظه است. فاصله بین قسمت فوقانی الکترودها ۳ میلی متر می باشد. قطر الکترودها ۴میلی متر بوده و زاویه ۹۰ درجه با نوک مخروطی شکل آن می سازد.
در سیستمهای فوق، الکترودهای صفحه ای واستوانه ای از جنس آلومنیوم و الکترودهای سوزنی، سیمی و میله ای از از جنس استیل می باشند در سیستم های الکترودی سوزنی– صفحه ای، استوانه ای- سیمی و میله ای- که از میدانهای الکتریکی با ولتاژ بالا استفاده می شود، عمل تخلیه الکتریکی صورت می گیرد. قابلیت ماندگاری میروارگانیسم (R ) را میتوان به کمک توزیع ویبال محاسبه کرد.
R=exp(-αNW_i)
در فرمول فوق،آلفا عدد ثابت، Nتعداد پالس ها W_i انرژی ورودی است. مقدار انرژی ورودی( فاکتور ) برای کاهش قابلیت ماندگاری میروارگانیسم ها تا حد زیادی تحت تاثیر نوع الکترود قرار دارد. سیستم های میله ای- میله ای، استوانه ای- سیمی سوزنی– صفحه ای وصفحه ای– صفحه ای به ترتیب به ۱۰- ۵، ۳۰- ۱۰، ۹۰ -۴۵ و۳۷۰- ۷۰ کالری انرژی ورودی به ازای هر میلی لیتر ماده غذایی نیاز دارند. بازدهی بیشتر سیستم سوزنی– صفحه ای نسبت به صفحه ای– صفحه ای ممکن است مربوط به منطقه نزدیک به الکترود سوزنی باشد که در آن قدرت میدان الکتریکی زیاد است سلولهایی که در منطقه ضعیف میدان الکتریکی پخش شده اند بوسیله یک جریان جابجایی به منطقه قویتر هدایت می شوند. سلولهایی که به دیواره عایق محفظه بر خورد می کنند بخصوص آنهایی که در گوشه های فوقانی محفظه قرار می گیرند ممکن است نتوانند توسط این جریان منتقل شوند و لذا فعال باقی بمانند. راندمان سیستم استوانه ای- سیمی از دو سیستم مذکور بیشتر می باشد چرا که هم قدرت میدان الکتریکی درنزدیکی سیستم زیاد است و هم دیواره عایق بین الکترود سیمی و الکترود استوانه ای وجود ندارد. بیشترین راند مان مربوط به سیستم میله ای- میله ای است، زیرا در این سیستم میدان الکتریکی قوسی شکل اعمال می گردد. (۱۶)
۲-۳-۵- محفظه زنگ– یینگ و یان:
زنگ– یینگ ویان از سیستمهای میله ای– میله ای و نیز ۳ الکترود میله ای جهت طراحی این محفظه استفاده کرده اند. در این سیستم الکترودها در یک محفظه استوانه ای از جنس پلکسی گلاس با قطر ۱۰ میلی متر، طول ۵۰ میلی متر و حجم ۵-۱ میلی لیتر قرار می گیرند. یک محفظه استوانه ای دیگر از جنسpvc با ظرفیت ۱۸۰۰ میلی لیتر به نحو مشابهی طراحی شده است. همچنین، محفظه کروی دیگری از جنس مس که سطح داخلی آن با رنگ پوشش داده شده طراحی است. حجم این مدل ۱۶۰۰ میلی لیتر قطر الکترود ۳ میلی متر و زاویه نوک مخروطی شکل آن ۶۰ درجه است. این محفظه هادر صنایع غذایی کار برد ندارند چرا که همراه با تخلیه قوسهای الکتریکی به منظور غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها عمل الکترولیز در ماده غذایی صورت می گیرد. (۱۶ )
۲-۴- طرح محفظه های مداوم:
۲-۴-۱- محفظه دان و پرلمن:
این سیستم حاوی یک مخزن ذخیره برای ماده غذایی فراوری شونده، سیستم تخلیه هوا، محفظه واکنش، نمایشگر ولتاژ و درجه حرارت، منبع تامین پالس هایی با ولتاژ قوی و سیستم تبادل حرارت به منظور فرایند حرارتی اولیه و سرد کردن ماده غذایی پس از فراوری در میدان مغناطیسی می باشد. مسیر فرایند حرارتی اولیه ماده غذایی به یک سیستم تخلیه هوا متصل است تا به کمک آن گازهای غیر قابل حل تخلیه گردد و سپس ماده غذایی وارد محفظه واکنش میدان الکتریکی شود. ماده غذایی فراوری شده ابتدا در یک سیستم تبادل حرارت و سپس به منظور کاهش بیشتر دما در یک سیستم خنک کننده تا دمای ۱۰- ۵ درجه سانتیگراد سرد می شود. در انتهای عمل ماده غذایی فراوری و سرد شده در ظروف کوچک و یا بسته های بزرگ به صورت اسپتیک بسته بندی می گردد.
محفظه از دو الکترود صفحه ای موازی و یک فضای دی الکتریک در بین آنها تشکیل شده است الکترودها در تماس مستقیم با ماده غذایی نیستند و از طریق غشاهای هادی جریان الکتریکی از ماده جدا می شوند. غشاهای نفوذ پذیر نسبت به یون و مجاز در صنایع غذایی از جنس پلی استایرن سولفوناته، کوپلیمرهای اکریلیک اسید و یا پولیمرهای هیدروکربن فلوئورینه شده به همراه برخی از گروهای جانبی متصل به آن می باشند. انتقال الکترون به الکترودها و غشاهای قابل نفوذ نسبت به یون از طریق یک الکترولیت صورت می گیرد. از الکترولیت های مناسب برای این منظور میتوان به کربنات سدیم، هیدروکسید سدیم، کربنات پتاسیم و هیدروکسید پتاسیم اشاره کرد. الکترولیت به طور دائم به منظور تخلیه محصولات حاصل از الکترولیز، سیرکوله شده و دائما به منظورکاهش غلظت و یا تخلیه اجزای یونی با محلول جدید جایگزین می گردد. زمان ماندگاری ماده غذایی در محفظه واکنش با بکار گیری بافل افزایش می یابد.
سیستم دیگری از محفظه های مداوم توسط دان و پرلمن طراحی شده است. این سیستم از چند ین الکترود ذخیره تشکیل شده است که به کمک فضاهای دی الکتریک از یکدیگر جدا شده اند.
ماده غذایی از میان شکافهای بین دو ناحیه میانی الکترودها عبور می کند. در هر قسمت( شکاف) الکترودها ممکن است در تماس مستقیم ماده با ماده غذایی باشند و یا بوسیله غشاهای نفوذ پذیر نسبت به یون از ماده غذایی جدا گردند. شدت میدان الکتریکی در قسمت شکاف ها اقزایش می یابد. مواد غذایی مایع تحت فشار زیاد از بین شکاف ها عبور می کنند و زمان عبور از هر شکاف کمتر از یک دقیقه می باشد. (۱۷)