اثر انجماد تحت میدان الکترواستاتیک بر کیفیت قارچ، سرعت انجماد و مصرف انرژی و مقایسه آن با انجماد تحت فرکانس رادیویی (RF)

STUDENT

DEGREE

YEAR

Freezing of button mushroom ( Agaricus bisporus ) as a perishable product is one of the popular methods used for its long-term preservation. In the present study the effect of freezing under static electric field (SEF) was investigated on the quality of button mushroom also the effects of electro-freezing on selected freezing parameters of some liquid and solid food were investigated. The static electric field was applied at the intensities of 0.0-9.6×10 5 V /m during freezing at -30±1 °C. Investigation of mushroom microstructure showed that applying the electric field decreased the equivalent diameter and relative area of ice crystals, also, drip loss of mushroom sample after defrosting decreased and mushroom texture improved by electro-freezing. Nevertheless, there was no significant effect on color change after defrosting of the mushroom samples by applying the electric field. Application of electrostatic field led to the significant decrease of ice crystals size in frozen mushroom under 3.2×10 5 V /m electric field. It was also found that maximum hardness value and the lowest value of drip loss was obtained when the electric field intensity was increased to 3.2×10 5 V /m. The freezing parameters of some liquid and solid samples including pure water, salt solution, mushroom extract, and mushroom were investigated in the absence and presence of the electric field. Results showed that pure water had the highest freezing temperature and supercooling degree and lowest phase transition period in the absence of the electric field. The nucleation temperature and phase transition period of different samples increased by applying the electric field as the highest nucleation temperature was observed in pure the water frozen under 6.4×10 5 V /m electric field intensity. The application of electrostatic field with intensity of 3.2×10 5 V /m led to the highest increase of nucleation temperature in other samples. Investigation the thermodynamic of nucleus formation showed that the Gi free energy of nucleus formation has a maximum point with increasing the molecule number of ice nucleus which corresponds with the critical molecule number of the nucleus. The ice nucleus with a molecule number more than the critical molecule number can grow. The electrostatic field can affect the nucleation process by changing the Gi free energy of nucleus formation. Since the electrostatic work on the ice nucleus is lower than that for bulk water, the difference of Gi free energy of nucleus formation decreases by applying the electrostatic field which in result decreases the critical size of the ice nucleus. Keywords Electrostatic field, Radio Frequency, Freezing, Button mushroom, Nucleation temperature.

در این پژوهش اثر انجماد تحت میدان الکترواستاتیک به عنوان یک روش جدید انجماد بر ویژگی های کیفی قارچ دکمه ای مورد بررسی قرار گرفت و با روش انجماد به کمک فرکانس رادیویی مقایسه شد. همچنین با بررسی عامل‌های انجماد نمونه های مختلف تحت قدرت های مختلف میدان الکتریکی، مکانیسمی برای انجماد الکتریکی مطرح شد. بررسی اثر انجماد تحت میدان الکترواستاتیک با 5 قدرت (0/0، 10 5 × 6 /1، 10 5 × 2 /3، 10 5 × 4 /6 و 10 5 × 6 /9 ولت بر متر) بر مصرف انرژی و کیفیت قارچ دکمه ای نشان داد که منبع تولید میدان الکتریکی در مقایسه با فریزر، انرژی ناچیزی مصرف می کند که استفاده از روش انجماد تحت میدان الکتریکی در مقایسه با روش معمول انجماد هوای متحرک تفاوت قابل توجهی در میزان مصرف انرژی ندارند. بررسی ریز ساختار قارچ نشان داد که اعمال میدان الکتریکی منجر به کاهش قطر معادل و سطح نسبی کریستال های یخ شد. همچنین بررسی ویژگی های کیفی قارچ نشان داد که با اعمال میدان الکتریکی طی انجماد میزان چکابه و نشت الکترولیتی قارچ ها پس از رفع انجماد کاهش و ویژگی های بافتی قارچ بهبود یافت. با این وجود اعمال میدان الکتریکی طی انجماد اثر معناداری بر تغییر رنگ نمونه های قارچ پس از رفع انجماد نداشت. کوچک ترین قطر معادل کریستال های یخ و بیشترین سفتی بافت قارچ در قدرت 10 5 × 2 /3 ولت بر متر میدان الکتریکی بود؛ که در همین توان، میزان چکابه و نشت الکترولیتی کمترین مقدار را داشت. همچنین اثر انجماد به کمک RF بر ویژگی‌های کیفی قارچ دکمه ای مورد بررسی قرار گرفت و یافته‌های آن با روش انجماد تحت میدان الکتریکی مقایسه شد. یافته‌ها نشان داد که اعمال RF طی انجماد نیز موجب کاهش قطر معادل کریستال های یخ شد ولی بر میزان چکابه و ویژگی های بافتی قارچ اثر معناداری نداشت. مقایسه یافته‌های حاصل از انجماد قارچ تحت میدان الکتریکی و با کمک RF نشان دهنده اثرگذاری بیشتر روش انجماد تحت میدان الکتریکی بر ریزساختار و ویژگی های کیفی قارچ بود. به منظور بررسی چگونگی اثرگذاری میدان الکتریکی بر فرآیند انجماد، عامل‌های انجماد چند نمونه ماده غذایی مایع و جامد شامل آب خالص، آب نمک، آب قارچ و قارچ بدون اعمال میدان الکتریکی و در حضور میدان الکتریکی با 4 سطح قدرت (0/0، 10 5 × 2 /3، 10 5 × 4 /6 و 10 5 × 6 /9 ولت بر متر) اندازه گیری شد. یافته‌ها نشان داد که آب خالص دارای زیادترین دمای انجماد و درجه ابرسرمایش و کم ترین زمان تغییر فاز در غیاب میدان الکتریکی بود. با اعمال میدان الکتریکی دمای هسته زایی و زمان تغییر فاز نمونه ها افزایش می یابد. زیادترین دمای هسته زایی در نمونه آب خالص منجمد شده تحت قدرت 10 5 × 4 /6 ولت بر متر میدان الکتریکی مشاهده شد. دمای هسته زایی سایر نمونه ها بیشترین کاهش را در قدرت 10 5 × 2 /3 ولت بر متر نشان داد. بر اساس اصول ترمودینامیکی، مکانیسمی برای فرآیند انجماد تحت میدان الکترواستاتیک ارایه شد. بدین منظور فرآیند هسته زایی به عنوان مهم ترین مرحله انجماد که تعیین کننده تعداد و اندازه کریستال های یخ است و تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار می گیرد به طور دقیق تر بررسی گردید. با استفاده از تئوری هیل برای توصیف ترمودینامیک هسته یخ به عنوان یک سیستم کوچک، تئوری هسته زایی کلاسیک بهبود داده شد. از آنجا که پتانسیل شیمیایی سیستم های کوچک علاوه بر دما و فشار به تعداد مولکول های سیستم نیز بستگی دارد و با افزایش آن کاهش می یابد، بنابراین دمای تعادل هسته یخ و آب ماکروسکوپی کمتر از دمای تعادل آب و یخ ماکروسکوپی است. بر این اساس یک معادله برای پیش بینی دمای تعادل آب و هسته یخ با تعداد مولکول مشخص تعیین شد. همچنین با استفاده از این تئوری معادله ای برای محاسبه اندازه بحرانی هسته یخ تعیین شد که نشان داد اندازه بحرانی هسته یخ اندازه تعادلی آن است. میدان الکترواستاتیک توانست با تاثیر بر انرژی آزاد گیبس تشکیل هسته بر فرآیند هسته زایی تاثیر بگذارد. از آنجا که اثر گذاری میدان الکترواستاتیک بر هسته یخ کمتر از آب ماکروسکوپی است، انرژی آزاد تشکیل هسته در حضور میدان الکتریکی کاهش می یابد که منجر به کاهش اندازه بحرانی هسته یخ شد. کلمات کلیدی: میدان الکترواستاتیک، فرکانس رادیویی، انجماد، قارچ دکمه ای، دمای هسته زایی یخ.