طراحی، ساخت و ارزیابی سامانه میدان الکتریکی ضربانی برای فرآوری مواد غذایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 عضو هیئت علمی گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم دانشگاه تربیت مدرس

3 گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، پژوهشکده کشاورزی، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی، تهران، ایران

چکیده

چکیده: بهره‌گیری از آخرین فناوری‌های روز دنیا برای حفظ و فرآوری مواد غذایی امری ضروری است. مصرف‌کنندگان محصولاتی را می‌پسندند که کمترین تغییر را در طول فرآوری و نگهداری داشته‌اند. میدان‌ الکتریکی پالسی (PEF)، یکی از روش‌های غیر حرارتی برای فرآوری و نگهداری مواد غذایی شناخته شده است. در این پژوهش یک سامانه میدان الکتریکی ضربانی با استفاده از منبع تغذیه پیوسته با خروجی DC، یک سامانه تولید ضربان مبتنی بر اشمیت تریگر و یک کلید نیمه هادی (IGBT) با گیت درایور، طراحی و ساخته شد و مورد آزمایش قرار گرفت. پارامترهای ورودی برای انجام آزمایش‌ها عبارتند از: ولتاژ، تعداد پالس، بسامد و عرض ضربان. به‌منظور اعمال دو عامل تعداد پالس و بسامد تحریک، یک صفحه لمسی و اتوترانس برای تنظیم ولتاژ به‌ کار برده شد. در ضمن عرض ضربان ثابت (2 میکروثانیه) بود. نتایج حاصل از ارزیابی در دو بخش ارائه گردید. در بخش اول ارزیابی کارکرد سامانه بود که با استفاده از دستگاه اسیلوسکوپ انجام گرفت و موج‌هایی با ولتاژبالا تولید گردید. در بخش دوم ارزیابی بر روی نمونه­های ماهی از لحاظ تاثیر در افزایش میزان پروتئین استخراجی انجام گرفت. برای تحلیل داده‌ها و بهینه‌سازی فرآیند از روش سطح پاسخ (RSM) و طرح باکس-بنکن بهره‌گیری شد. نتایج بررسی نشان داد که با توجه به ضریب رگرسیونی، اثر فاکتور ولتاژ و توان دوم ولتاژ، بیشترین تاثیر در افزایش میزان استخراج پروتئین نمونه‌ها را داشته‌اند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design, Construction and Evaluation of Pulsed Electric Field System for Food Processing

نویسندگان [English]

  • mehdi nojavan 1
  • saeid minaei 2
  • shahriar sarami 3
1 ., Biosystems Engineering Department, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Professor of biosystems engineering Tarbiat Modares Univ.
3 Department of Agriculture, Iranian Research Organization for Science & Technology (IROST), Tehran, Iran
چکیده [English]

Abstract: Utilizing the latest available technologies is essential for food preservation and processing. Consumers increasingly prefer products that have undergone the least change during processing and storage. Among them, pulsed electric field (PEF) is one of the non-thermal methods of food processing and storage. In this study, a Pulsed Electric Field system was designed, fabricated and then evaluated. For this purpose, a Schmidt-Trigger-based pulse generating system system and a semiconductor key (IGBT) were designed and tested using a gate driver with DC output. The input parameters for the tests included: voltage, number and frequency of pulses as well as pulse width. In order to adjust the two parameters, pulse number and excitation frequency, a touch panel and autotransformer were utilized to adjust the voltage. A constant pulse width of 2 microseconds was used. The results of the evaluation were reported in two parts. In the first part, the evaluation of the system function was performed using an oscilloscope and high voltage waves were produced. In the second part, the evaluation of the fish samples was performed in terms of the effect on the value of extracting protein. The Response-Surface method and Box-Bhenken scheme were used for data analysis and process optimization. Results of analyses showed that based on regression coefficients, the effect of the voltage factor and the second voltage factor had the highest influence on Protein extraction increase.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electric pulse
  • Protein extraction
  • Response surface
  • Optimization

مراجع

Amami, E., Khezami, L., Vorobiev, E. and Kechaou, N. )2008(. Effect of pulsed electric field and osmotic dehydration pretreatment on the convective drying of carrot tissue. Drying Technology, 26(2): 231-238.
Bard, A. J., and Faulkner, L. R. (2001). Fundamentals and applications. Electrochemical Methods, 2(482), 580-632.
Cserhalmi, Z., Sass-Kiss, A., Tóth-Markus, M. and Lechner, N. )2006(. Study of pulsed electric field treated citrus juices. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 7(1-2), 49-54.
Dunn, J. E., and Pearlman, J. S. (1987). U.S. Patent No. 4,695,472. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
El Kantar, S., Boussetta, N., Lebovka, N., Foucart, F., Rajha, H.N., Maroun, R.G., Louka, N. and Vorobiev, E. (2018). Pulsed electric field treatment of citrus fruits: Improvement of juice and polyphenols extraction. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 46, 153-161.
Guderjan, M., Elez-Martínez, P. and Knorr, D. (2007). Application of pulsed electric fields at oil yield and content of functional food ingredients at the production of rapeseed oil. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 8(1), 55-62.
Gudmundsson, M. and Hafsteinsson, H. (2001). Effect of electric field pulses on microstructure of muscle foods and roes. Trends in Food Science and Technology, 12(3-4), 122-128.
Heinz, V., Álvarez, I., Angersbach, A. and Knorr, D. (2001). Preservation of liquid foods by high intensity pulsed electric fields—basic concepts for process design. Trends in Food Science and Technology, 12(3-4), 103-111.
Jambrak, A.R. (2019). Non-thermal and Innovative Processing Technologies. Encyclopedia of Food Security and Sustainability, (vol.1). (pp. 477-433). Elsevier Science and Technology
Jia, M., Zhang, Q.H. and Min, D.B. 1999. Pulsed electric field processing effects on flavor compounds and microorganisms of orange juice. Food Chemistry, 65(4): 445-451.
Kumar, P., and Han, J. H. (2012). Packaging materials for non-thermal processing of food and beverages. In Emerging Food Packaging Technologies (vol.1). (pp. 323-334). Woodhead Publishing.
Lebovka, N.I., Praporscic, I. and Vorobiev, E. (2003). Enhanced expression of juice from soft vegetable tissues by pulsed electric fields: consolidation stages analysis. Journal of Food Engineering, 59(2-3): 309-317.
Maskooki, A. and Eshtiaghi, M. (2009). Effect of various pulsed electric fields conditions on extraction of sugar from      sugar beet. Iranian Food Science and Technology Research Journal, 5(2): 151-162. (in Farsi)
McNamee, C., Noci, F., Cronin, D., Lyng, J., Morgan, D. and Scannell, A. (2010). PEF based hurdle strategy to control Pichia fermentans, Listeria innocua and Escherichia coli k12 in orange juice. International Journal of Food Microbiology, 138(1): 13-18.
Odriozola-Serrano, I., Soliva-Fortuny, R., Hernández-Jover, T. and Martín-Belloso, O. (2009). Carotenoid and phenolic profile of tomato juices processed by high intensity pulsed electric fields compared with conventional thermal treatments. Food Chemistry, 112(1), 258-266.
Oms-Oliu, G., Odriozola-Serrano, I., Soliva-Fortuny, R. and Martín-Belloso, O. (2009). Effects of high-intensity pulsed electric field processing conditions on lycopene, vitamin C and antioxidant capacity of watermelon juice. Food Chemistry, 115(4), 1312-1319.
Prakash, A. (2013). Non-thermal processing technologies to improve the safety of nuts. In Improving the Safety and Quality of Nuts (vol.1). (pp. 35-55). Woodhead Publishing.
Ravishankar, S., Zhang, H. and Kempkes, M. (2008). Pulsed electric fields. Food Science and Technology International, 14(5): 429-432.
Salehi, M. And Omidvari, A. (2017). Improvement the Process of Extracting Sucrose from Sugar Beet by Strong Pulsed Electric Fields Method and Compare It with The Thermal Process. Iranian Journal of Food Science and Technology, 14(69), 43-52. (in Farsi)
Sharma, P., Bremer, P., Oey, I. and Everett, D. (2014). Bacterial inactivation in whole milk using pulsed electric field processing. International Dairy Journal, 35(1): 49-56.
Zhang, H.Q., Barbosa-Cánovas, G.V., Balasubramaniam, V.B., Dunne, C.P., Farkas, D.F. and Yuan, J.T. (2011). Nonthermal processing technologies for food (eds.). New York: Wiley
Zhang, Q., Barbosa-Cánovas, G.V. and Swanson, B.G. (1995). Engineering aspects of pulsed electric field pasteurization. Journal of Food Engineering, 25(2): 261-281.
Zhou, Y., He, Q. and Zhou, D. (2017). Optimization extraction of protein from mussel by high‐Intensity pulsed electric fields. Journal of Food Processing and Preservation, 41(3), e12962.
 
مهندسی بیوسیستم ایران
دوره 52، شماره 3
مهر 1400
صفحه 513-527

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 03 فروردین 1399
  • تاریخ بازنگری: 12 مرداد 1399
  • تاریخ پذیرش: 03 شهریور 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار