1. Giới thiệu
Ngày nay, các nhà khoa học thực phẩm không chỉ tập trung nghiên cứu về các vấn đề an toàn vệ sinh trong thực phẩm mà còn chú ý đến thời gian bảo quản, chất lượng tươi nguyên, mùi vị cấu trúc sản phẩm. Các yêu cầu khắc khe này của khách hàng đã buộc các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu và áp dụng các kỹ thuật, công nghệ mới vào quá trình chế biến thực phẩm. Các phương pháp chế biến truyền thống như xử lý nhiệt thường dùng như một phương pháp hữu hiệu để đảm bảo an toàn vệ sinh cho sản phẩm. Thanh trùng nước ép trái cây, sữa tươi, bia… là các quy trình cần phải áp dụng để đảm bảo thời gian bảo quản cho thành phẩm. Tuy nhiên, các thành phần dinh dưỡng, vitamin, mùi vị, màu sắc và các giá trị cảm quan khác của sản phẩm thường bị ảnh hưởng bởi phương pháp xử lý này. Nhiệt độ cao là nguyên nhân chính gây mất các hợp chất dinh dưỡng, thay đổi mùi vị màu sắc… Trong những năm gần đây, các kỹ thuật mới được thử nghiệm trong các phòng thí nghiệm công nghệ thực phẩm ngày càng nhiều như phương pháp áp suất cao (high pressure), trường xung điện (electric pulsed fields), xung ánh sáng (light pulses), tia tử ngoại (ultraviolet light), sóng siêu âm (ultrasound)… Trong đó, kỹ thuật sóng siêu âm được áp dụng trong công nghiệp thực phẩm như là biện pháp hỗ trợ quá trình chế biến, làm sạch bề mặt… và đang tiếp tục nghiên cứu.
2. Nguyên lý
Siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử trong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người (16 – 20 kHz). Ngoài ra, sóng siêu âm có bản chất là sóng dọc hay sóng nén, nghĩa là trong trường siêu âm các phần tử dao động theo phương cùng với phương truyền của sóng. Trong phạm vi ứng dụng, sóng siêu âm được chia ra thành sóng siêu âm tần số thấp, năng lượng cao (20 kHz – 100 kHz và sóng siêu âm tần số cao, năng lượng thấp (20 kHz – 1 MHz). Sóng âm sử dụng trong công nghệ thực phẩm có các tần số khác nhau. Tùy theo mục đích sử dụng, sóng siêu âm có tần số từ vài chục kHz đến vài MHz (sóng siêu âm năng lượng thấp).

Hình 1. Phổ âm thanh

Khi sóng siêu âm được truyền vào một môi trường nào đó (rắn, lỏng, khí) sẽ sinh ra các dao động sóng dạng hình sin. Môi trường sẽ tương tác trở lại các sóng âm này và bị dao động theo. Sự dao động đàn hồi của môi trường gồm có hai dạng: dạng nén và giản nở và hình thành những bọt khí. Trong suốt quá trình sóng bị nén, các phần tử của môi trường cũng nén lại, dẫn tới gia tăng ấp suất và tỉ trọng. Tuy nhiên, ngược lại, trong giai đoạn giản nở, các phần tử của môi trường giản ra, dẫn tới ấp suất tác động lên môi trường và tỉ trọng của nó giảm đi. Các bọt khí nhỏ lớn dần lên đến một kích thước cân bằng tối đa, quá trình nén và giãn liên tục tác động đến các bọt khí, làm chúng mất ổn định và vỡ ra. Sự phá vỡ này tạo ra một năng lượng cho sự ảnh hưởng hóa học và cơ học.
Nguồn: Tiwari và Mason, 2012

Hình 2. Quá trình hình thành, phát triển và vỡ của bọt khí

Sóng siêu âm năng lượng thấp: sóng siêu âm truyền trong thực phẩm dựa trên nguyên lý của sóng cơ học. Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho các phân tử không khí co lại hay giãn nở ra tạo ra các cột không khí co giản.
Âm thanh di chuyển qua không khí dưới dạng sóng dọc có vận tốc bằng tích của bước sóng với tần số sóng v = λ f. Vận tốc của âm thanh di chuyển thay đổi theo nhiệt độ và áp suất của môi trường vật chất. Vận tốc âm thanh ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn đo được bằng 333m/s.
Sóng siêu âm năng lượng cao:
Năng lượng, cường độ, áp suất và nhiệt độ là các chỉ số chủ yếu ảnh hưởng tới năng lượng của sóng siêu âm. Sóng siêu âm năng lượng cao được trình bày bằng phương trình sau:

Pa: áp suất âm, phụ thuộc vào thời gian t, tần số f và biên độ tối đa của sóng.
Pamax: phụ thuộc vào năng lượng cung cấp hoặc cường độ I của máy phát.

P: mật độ của môi trường
V: vận tốc sóng âm trong môi trường tương ứng
Với các cường độ khác nhau, sóng siêu âm sẽ mang năng lượng khác nhau khi đi vào thực phẩm gây các tác dụng lên các thành phần thực phẩm, tác dụng lên vi sinh vật…
3. Ứng dụng
3.1. Sóng siêu âm năng lượng thấp
3.1.1. Công nghệ chế biến thịt
Tương tự trong công nghệ chuẩn đoán hình ảnh ở người ở người, sóng siêu âm năng lượng thấp với các tần số khác nhau (tùy thuộc vào loại và mật độ của tế bào) sẽ tạo ra các hình ảnh của các loại tế bào, mô khác nhau như mô cơ, mô mỡ và các cơ quan nội tạng của gia súc và sử dụng các hình ảnh này như một công cụ đánh giá, chọn giống cải thiện nguồn gen, nghiên cứu và quản lý súc thịt dùng trong đánh giá phân loại thịt thành phẩm. Kỹ thuật sóng siêu âm thời gian thực (real time ultrasound) được sử dụng ngày càng phổ biến trong việc xác định thành phần hóa học và sự phát triển hình thành cơ trong quá trình phát triển của cừu non và cừu trưởng thành (Theriault và cộng sự, 2009).
Sóng siêu âm năng lượng thấp cũng được áp dụng trong nghiên cứu, xác định các thành phần hóa học của thủy sản và gia cầm. Để đánh giá độ ẩm và hàm lượng protein của cá tuyết phi lê Ghaedian và cộng sự (1998) đã nghiên cứu mối quan hệ giữa đặc tính hấp thụ sóng siêu âm của cá và thành phần hóa học của chúng. Sử dụng máy quét sóng siêu âm chuyên dụng (frequency scanning pulse echo reflectometer - FSPER) các nhà khoa học đã xác định được mối quan hệ giữa tốc độ khác nhau khi đi qua các vị trí cơ thịt với các thành phần hóa học (chất rắn không béo, nước, dầu…) tương ứng. Cũng áp dụng phương pháp này, người ta có thể xác định được thành phần hóa học của gia cầm và thành phần các loại chất béo có trong mô mỡ và thể hiện được ưu điểm của phương pháp sóng siêu âm năng lượng thấp là nhanh và không cần phải phá hủy mẫu trong quá trình phân tích (Chanamai và cộng sự, 1999). Mối quan hệ tương quan này cũng được ứng dụng trong nghiên cứu thành phần hóa học của cá thu Đại Tây Dương (Scomber scombrus) đông lạnh bao gồm hàm lượng béo tổng số, hàm lượng các chất rắn và các thành phần không béo khác (Sigfusson và cộng sự, 2004). Ngoài ra, phương pháp sóng siêu âm còn có thể dùng để kiểm soát quá trình hư hỏng, phân hủy của cá thu trong suốt quá trình bảo quản và phân phối.
3.1.2. Rau quả
Rau quả là loại vật liệu có hệ số suy giảm sóng âm rất cao bởi vì chúng có nhiều cấu trúc rỗng bên trong. Vì vậy phương pháp sóng siêu âm không thích hợp dùng để đánh giá thành phần tế bào của một số loại rau quả (McClements, 1997).
Ứng dụng sóng siêu âm trong quản lý chất lượng rau quả được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sau thu hoạch. Dựa vào sóng siêu âm, Mizrach đã giải thích các biến đổi sinh lý và hóa lý xảy ra trong suốt quá trình phát triển và trưởng thành, cũng như trong giai đoạn thu hoạch và tồn trữ của rau quả; mối liên hệ giữa sóng siêu âm và các đặc điểm hóa lý như cấu trúc, hàm lượng chất khô, hàm lượng tinh bột, hàm lượng dầu, tổng chất rắn hòa tan, hàm lượng axit, thông qua đó xác định thời điểm thu hoạch, thời gian tồn trữ (Mizrach, 2008). Trong một nghiên cứu khác, độ chín và hàm lượng đường của trái mận (Prunus) được xác định bằng cách đo mức độ suy giảm của sóng siêu âm tương quan với cấu trúc của quả. Phương pháp xác định vận tốc của sóng siêu âm cũng được sử dụng để xác định hàm lượng đường trong nước quả (Contreras và cộng sự, 1992).
3.2. Sóng siêu âm năng lượng cao
3.2.1. Vô hoạt vi sinh vật
Tác dụng của sóng siêu âm gây ra các biến đổi nội bào của vi sinh vật. Các biến đổi nội bào này làm thay đổi các thành phần cấu trúc và chức năng ảnh hưởng lên quá trình sinh tổng hợp tế bào dẫn tới ức chế hoạt động của vi sinh vật.
Thanh trùng và tiệt trùng bằng nhiệt là hai phương pháp chủ yếu để vô hoạt vi sinh vật trong công nghiệp thực phẩm. Tuy nhiên, nhược điểm của những phương pháp này là cần phải xử lý ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, điều này dẫn đến các biến đổi không mong muốn về giá trị cảm quan (như làm suy giảm màu và mùi) và giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. Phương pháp bảo quản mới như sóng siêu âm là phương pháp có chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Sự kết hợp của sóng siêu âm với nhiệt có thể làm tăng hiệu quả cho quá trình tiệt trùng thực phẩm vì vậy nó làm giảm ảnh hưởng tiêu cực của phương pháp xử lý nhiệt truyền thống nên chất lượng của thành phẩm (Piyasena và cộng sự, 2003). Sử dụng sóng siêu âm có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp thanh trùng nhiệt như: hạn chế sự mất mùi của nước quả, quá trình thanh trùng diễn ra đồng đều và tiết kiệm năng lượng. Đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện để tìm hiểu về cơ chế tác dụng của sóng siêu âm lên quá trình ức chế vi sinh vật. Các nghiên cứu này đã giải thích cơ chế quá trình tạo bọt sủi và các ảnh hưởng hóa lý cơ học của nó lên quá trình ức chế vi sinh vật. Khả năng tiêu diệt vi sinh vật của sóng siêu âm phụ thuộc vào tầng số sóng âm, bước sóng và mật độ vi sinh vật. Tần số sóng âm thường sử dụng để ức chế vi sinh vật khoảng 20 kHz. Khả năng kháng sóng siêu âm của bào tử vi sinh vật, vi sinh vật gram dương hơn tế bào sinh dưỡng của vi sinh vật, vi sinh vật gram âm và vi sinh vật hình que. Ngoài ra, khả năng kháng sóng siêu âm của vi sinh vật còn phụ thuộc vào loại vi sinh vật. Ví dụ, Escherichia coli và Saccharmyces cerevisiae giảm đi hơn 99%, trong khi đó Lactobacillus acidphilus giảm khoảng 72% đến 84% (phụ thuộc môi trường nuôi cấy) khi xử lý sóng siêu âm ở cùng một điều kiện (Cameron và cộng sự, 2008).
3.2.2. Vô hoạt enzyme
Vô hoạt enzyme là một công đoạn quan trọng để duy trì tính ổn định thời gian bảo quản và chất lượng cho nhiều sản phẩm thực phẩm. Tùy thuộc vào cường độ sử dụng, sóng âm có thể làm tăng hoạt tính hoặc vô hoạt enzyme. Sử dụng sóng âm kết hợp với áp suất thấp và nhiệt độ (manothermosonication - MCT) làm tăng khả năng vô hoạt enzyme pectic trong cà chua enzyme lipoxygenase trong đậu nành (Lopez & Burgos, 1995a), enzyme peroxidase trong củ cải (Vercet và cộng sự, 2002).
Ứng dụng khác của sóng siêu âm dùng trong công nghệ sản xuất glucose từ lúa miến là một loại ngũ cốc có tinh bột rất khó thủy phân (Shewale & Pandit, 2009). Ngoài ra, sóng siêu âm còn được sử dụng trong việc thúc đẩy các quá trình thủy phân cellulose. Enzyme glucose oxidase (GOX) cũng được tăng hoạt tính trong công nghệ sản xuất rượu nho bằng ứng dụng kỹ thuật sóng siêu âm. Các kết quả nghiên cứu trên đã chỉ ra các ứng dụng tiềm năng của sóng siêu âm trong công nghiệp thực phẩm và nước giải khát.
4. Kết luận
Sóng siêu âm là một kỹ thuật mới dùng trong công nghệ thực phẩm. Sự đa dạng của sóng siêu âm ở các dãy tần số khác nhau được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của công nghiệp thực phẩm như phân tích thực phẩm, quản lý kiểm soát quy trình và chất lượng. Ưu điểm của sóng siêu âm năng lượng thấp (tần số cao >1 MHz) là chi phí rẻ, kỹ thuật đơn giản không làm hư hại mẫu vật. Được ứng dụng để xác định thành phần thực phẩm (cá, trứng, thịt…), xác định sự lây nhiễm của kim loại và các thành phần khác trong thực phẩm đóng hợp. Theo dõi và kiểm soát các đặc tính hóa lý của sản phẩm trong suốt quá trình bảo quản và phân phối. Sóng siêu âm năng lượng cao có nhiều ứng dụng rộng rãi trong quá trình chế biến sản xuất thực phẩm, sóng siêu âm được ứng dụng trong quá trình kết tinh, nhũ hóa, hỗ trợ các quá trình chế biến, hoặc bảo quản sản phẩm. 
Tài liệu tham khảo
Cameron, M., Mcmaster, L. D. and Britz, T. J. 2008. Electron microscopic analysis of dairy microbes inactivated by ultrasound. Ultrason Sonochem 15: 960-964.
Chanamai, R. and Mcclements, D. J. 1999. Ultrasonic Determination of Chicken Composition. Journal of Agricultural and Food Chemistry 47: 4686-4692.
Contreras, N. I., Fairley, P., Mcclements, D. J. and Povey, M. J. W. 1992. Analysis of the sugar content of fruit juices and drinks using ultrasonic velocity measurements. International Journal of Food Science & Technology 27: 515-529.
Ghaedian, R., Coupland, J. N., Decker, E. A. and Mcclements, D. J. 1998. Ultrasonic determination of fish composition. Journal of Food Engineering 35: 323-337.
Mcclements, D. J. 1997. Ultrasonic characterization of foods and drinks: principles, methods, and applications. Crit Rev Food Sci Nutr 37: 1-46.
Mizrach, A. 2008. Ultrasonic technology for quality evaluation of fresh fruit and vegetables in pre- and postharvest processes. Postharvest Biology and Technology 48: 315-330.
Piyasena, P., Mohareb, E. and Mckellar, R. C. 2003. Inactivation of microbes using ultrasound: a review. International Journal of Food Microbiology 87: 207-216.
Sigfusson, H., Ziegler, G. R. and Coupland, J. N. 2004. Ultrasonic monitoring of food freezing. Journal of Food Engineering 62: 263-269.
Theriault, M., Pomar, C. and Castonguay, F. W. 2009. Accuracy of real-time ultrasound measurements of total tissue, fat, and muscle depths at different measuring sites in lamb. J Anim Sci 87: 1801-1813.
Vercet, A., Sánchez, C., Burgos, J., Montañés, L. and Lopez Buesa, P. 2002. The effects of manothermosonication on tomato pectic enzymes and tomato paste rheological properties. Journal of Food Engineering 53: 273-278.
ThS. Phạm Thị Hồng Loan (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)