Đề tài Ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình thủy phân tinh bột

β - amylase có nguồn gốc thực vật. Bảng 6: Các tính chất của β - amylase từ các nguồn khác nhau ( Tinh bột thực phẩm, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) Cơ chế tác động của β – amylase chủ yếu vào các liên kết a - 1,4 glycoside từ đầu không khử của mạch giải phóng ra chủ yếu các phân tử maltose. Tác động của enzyme sẽ ngừng lại ở chỗ sát với liên kết α - 1,6 glycoside. Amylose gần như bị thủy phân hoàn toàn trong khi đó, trong cùng điều kiện thì chỉ có 55% amylopectin được chuyển thành β - maltose. Phần còn lại của sự thủy phân amylopectin là dextrin có phân tử lượng nhỏ hơn và có chứa tất cả các liên kết α- 1,6 glycoside của phân tử ban đầu. Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết a - 1,6 glycoside Pullulanase (EC.3.2.1.41) Enzyme này có thể thủy phân các liên kết α- 1,6 glycoside của tinh bột, glycogen, pullulan và các dextrin. Điều đáng chú ý là sự định vị của liên kết α- 1,6 glycoside có ảnh hưởng lớn đến tác động của enzym. Đặc biệt sự có mặt của hai liên kết α - 1,4 glycoside nằm kề bên liên kết α- 1,6 glycoside là điều kiện cần thiết cho enzyme phân cắt liên kết này. Isoamylase (EC.3.2.1.68) Enzyme này không có khả năng thủy phân pullulan và không thể cắt đứt liên kết α- 1,6 glycoside của các phân tử chứa ít hơn ba liên kết α- 1,4 glycoside. Nhóm enzyme đặc hiệu với liên kết α - 1,4 glycoside và α- 1,6 glycoside Amyloglucosidase (EC.3.2.1.3) Amyloglucosidase từ nấm mốc là các protein có khối lượng phân tử dao động lớn từ 27000 đến 112000 đvC tùy thuộc vào nguồn gốc của enzym. Tính chất của amyloglucosidase phụ thuộc vào nguồn gốc của enzyme. Hoạt động tối ưu của enzyme nằm trong khoảng pH 4,5-5,5 và nhiệt độ 40-600C. Sự có mặt của các oligosaccharide trong môi trường có tác dụng ổn định enzyme. Ngược lại sự có mặt của ion canxi kìm hãm và làm biến tính enzyme. Enzyme này được xem là enzyme duy nhất có khă năng chuyển hóa hoàn toàn tinh bột thành glucose. Quá trình thủy phân tinh bột Có 3 giai đoạn trong quá trình thủy phân tinh bột: hồ hóa, dịch hóa và đường hóa. Quá trình hồ hóa là quá trình các hạt trương nở kèm theo sự giải phóng các các sợi amylose và amylopectin dưới tác dụng xúc tác của a-amylase. Trong quá trình hồ hóa, độ nhớt dịch tăng dần và khi quá trình kết thúc độ nhớt dịch sẽ đạt giá trị cực đại. Sau đó các sợi amylose và amylopectin tiếp tục được giải phóng trong quá trình dịch hóa và sau đó sẽ bị cắt ngắn tạo thành các dextrin phân tử lượng nhỏ. Kết quả độ nhớt của dịch giảm xuống. Quá trình đường hóa là quá trình cắt ngắn các phân tử dextrin phân tử lượng nhỏ để tạo ra sản phẩm là các loại đường đơn giản như glucose, maltose…dưới tác dụng xúc tác của enzyme glucoamylase. Độ nhớt của dịch khi này được xem là có giá trị thấp nhất. Hình 11: Mô hình mô phỏng hình thái hạt tinh bột trong quá trình thủy phân và sự biến đổi độ nhớt. Những công ty khác nhau có phương pháp hồ hóa tinh bột khác nhau nhưng trên nguyên tắc là giống nhau. Sau đây là một ví dụ cụ thể về quy trình xử lí của một số công ty hiện nay. Hình 12: Quy trình thực hiện thủy phân tinh bột Đầu tiên tinh bột sẽ được trộn với nước theo tỉ lệ 30-40% (w/w) ở pH 6.0-6.5, 20-80 ppm Ca2+ (ổn định và hoạt hóa hoạt tính của enzyme a-amylase). Tỉ lệ này có thể thay đổi tùy loại tinh bột sử dụng (phụ thuộc vào quy trình xử lí của từng sản phẩm tinh bột). Sau đó α -amylase được bổ sung vào để thực hiện quá trình hồ hóa. Khi đó môi trường phải ở điều kiện thích hợp cho enzyme xúc tác. Thời gian lưu trong jet cooker rất ngắn, một phần tinh bột đã hồ hóa sẽ được đưa qua hệ thống ống duy trì nhiệt độ 100-1050C trong khoảng 5 phút để quá trình hồ hóa xảy ra hoàn toàn. Sau đó quá trình thủy phân tiếp tục với quá trình dịch hóa trong thùng chứa ở nhiệt độ 90-1000C và kết thúc sau 1 – 2 giờ. Cuối cùng nhiệt độ sẽ được hạ về 550C để thực hiện tiếp quá trình đường hóa, quá trình này sẽ kéo dài cho đến lúc dịch thủy phân đạt đến DE cuối theo yêu cầu. Tinh bột sau quá trình dịch hóa thường được đưa qua quá trình đường hóa nhưng một phần nhỏ có thể được sấy phun để tạo thành maltodextrin. Trong trường hợp này thì chúng ta phải ức chế enzyme bằng cách giảm pH (xuống giá trị thấp hơn giá trị tối thích của enzyme) khi kết thúc quá trình xử lý nhiệt. Sự hồ hóa tinh bột Hạt tinh bột không tan trong nước lạnh nhưng có xu hướng trương nở trong nước phụ thuộc vào kiểu và thành phần cấu tạo trong hạt tinh bột. Tại nhiệt độ thường và pH trong khoảng 4 – 10, hạt tinh bột tự nhiên không tan mà chỉ hấp thụ nước khoảng 30% khối lượng của nó. Hỗn hợp thu được gọi là huyền phù tinh bột. Thật ra, ở nhiệt độ này, một số phân tử nước đã chui được vào bên trong cấu trúc của hạt tinh bột nhưng với số lượng không nhiều. Nước hấp thụ vào và làm hạt trương nở khoảng 5% thể tích. Dưới nhiệt độ hồ hóa, xảy ra quá trình hút nước và trương nở thuận nghịch. Khi được đun nóng, nhiệt năng cung cấp sẽ phá vỡ hàng loạt liên kết hydro ràng buộc các phân tử nước, giúp các phân tử nước này trở nên linh động hơn, dễ dàng tấn công vào cấu trúc micelle của hạt tinh bột, dẫn đến xảy ra quá trình hydrat hóa. Khi đó các phân tử nước sẽ chuyển động nhanh hơn và có nhiều phân tử khuếch tán vào bên trong của hạt tinh bột. Do đó, hạt tinh bột sẽ trương nở đáng kể, tăng thể tích và kích thước. Dưới tác dụng của nhiệt, một số phân tử amylose và và amylopectin phân tử lượng nhỏ sẽ khuếch tán vào môi trường xung quanh. Các phân tử tinh bột này sẽ bị hydrate hóa tạo thành các micelle nhỏ. Các micelle này và các hạt tinh bột đã trương nở sẽ kết hợp lại với nhau bằng liên kết hydro, hình thành các liên kết ba chiều mới, làm độ nhớt tăng lên. Khi nhiệt độ tăng, đường kính hạt tăng đến khi lớp ngoài của hạt bị phá vỡ, lúc này hỗn hợp đạt đỉnh nhớt. Sự gia tăng độ nhớt cuối của mẫu hồ hóa đã gia nhiệt được cho là giải phóng các sợi (chủ yếu là amylose) và đoạn nhánh (sự biến dạng) của hạt tinh bột đã trương nở. Do đó, hồ tinh bột là một dung dịch bao gồm các hạt đã trương nở lơ lửng trong nước nóng, các phân tử amylose cũng bị phân tán trong này. Những tác động qua lại trong dung dịch khi này liên quan đến liên kết hydro nội phân tử giữa các hạt tinh bột với nhau và giữa các hạt tinh bột với nước(Tako và Hizukuri, 1999). Tóm lại quá trình hồ hóa được định nghĩa là sự đứt gãy không thuận nghịch trong cấu trúc các phân tử hạt tinh bột khi được gia nhiệt với lượng nước lấy dư (Sivak và Preiss, 1998). Do đó xảy ra các hiện tượng là chuyển từ huyền phù sang dạng dung dịch keo, và từ dạng dung dịch keo chuyển sang dạng gel (Gomi và cộng sự, 1998; Chatakanonda và cộng sự, 2000) cũng như sự phá hủy cấu trúc liên kết trong mạng (Hsu và cộng sự, 2000). Vùng được hồ hóa đầu tiên là các vùng vô định hình, tại đó liên kết hydro yếu hơn những vùng có cấu trúc tinh thể, do vậy liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột ở vùng đó dễ bị phân hủy, giúp cho hiện tượng hydrat hóa dễ dàng hơn. Mặt khác, nhiệt độ cao cũng phá hủy các liên kết hydro giữa các phân tử tinh bột, giúp các phân tử nước dễ dàng hydrat hóa. Trong quá trình hồ hóa, một số phân tử tinh bột bị hydrat hóa mạnh mẽ sẽ tách khỏi mạng lưới micelle, khuếch tán vào môi trường nước gây nên hiện tượng hòa tan tinh bột vào nước nóng. Thông thường, cấu trúc mạng lưới micelle không ổn định, ngoài ra kích thước của hạt cũng không ổn định, nên quá trình hồ hóa không xảy ra ở một nhiệt độ nhất định, mà dao động trong một khoảng nhiệt độ tùy vào việc cung cấp thêm năng lượng cho sự phá vỡ liên kết ở những vùng có cấu trúc chặt chẽ trong mạng lưới micelle tạo nên liên kết mới giữa tinh bột và nước. Quá trình hồ hóa các loại tinh bột thường xảy ra ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ sôi của nước. Nếu sau khi hồ hóa xong mà quá trình gia nhiệt vẫn kéo dài cho đến nhiệt độ sôi, thì năng lượng được cung cấp thừa do gia nhiệt lại tiếp tục phá hủy liên kết hydro vừa mới tạo ra giữa phân tử nước và các nhóm -OH của tinh bột, làm cho kết cấu của tinh bột đã hồ hóa trở nên lỏng lẻo, giảm độ nhớt và độ dẻo của hồ tinh bột. Nhiệt độ hồ hóa của các nguồn tinh bột khác nhau thì khác nhau. Tinh bột khoai mì có nhiệt độ hồ hóa trong khoảng 58.5 – 700C, so với 56 – 660C ở khoai tây và 62 – 720C ở tinh bột bắp. Các dẫn xuất của tinh bột được tạo ra nhờ các liên kết ngang hay khi thêm các chất có hoạt tính bề mặt có thể làm thay đổi nhiệt độ hồ hóa. Nhiệt độ hồ hóa cũng ảnh hưởng đến chất lượng nấu của tinh bột, nhiệt độ hồ hóa thấp thường có chất lượng nấu thấp do tinh bột dễ bị phá vỡ. Nồng độ huyền phù tinh bột, tốc độ đun nóng, độ ẩm ban đầu của tinh bột đều có ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ hóa. Khi tăng nồng độ huyền phù tinh bột thì nhiệt độ hồ hóa giảm. Nhiệt độ hồ hóa phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt tinh bột, kích thước hạt nhỏ thì có nhiệt độ hồ hóa cao hơn so với tinh bột chứa hạt có kích thước lớn. Như vậy nhiệt độ hồ hóa và khả năng hồ hóa của một loại tinh bột nào đó sẽ phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc của mạng lưới micelle trong hạt tinh bột, cấu trúc này được đặc trưng bởi hình dáng, kích thước phân tử, khối lượng phân tử, tỉ lệ giữa amylose và amylopectin, mức độ phân nhánh và chiều dài của nhánh amylopectin. Ngoài ra nhiệt độ hồ hóa còn phụ thuộc vào tính chất lý hóa của chất khuếch tán và môi trường khuếch tán. Biliaderis và Tonogai (1991) nghiên cứu những ảnh hưởng khi các hạt tinh bột liên kết với lipid vào những đặc tính nhiệt, nhớt, dẻo của gel tinh bột và nhận thấy việc thêm các lysophospholipid làm giảm enthalpy hồ hóa của tinh bột cùng với sự gia tăng về nhiệt độ tại điểm chuyển đổi amylose – lipid xảy ra. Nguyên nhân là do các lipid tạo phức với amylose trên bề mặt hạt do đó ngăn cản sự xâm nhập các phân tử nước và hạt tinh bột làm hạn chế quá trình trương nở của hạt. Garcia, V. và cộng sự (1997) đã nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc của hạt tinh bột sau khi gia nhiệt trong nước với hàm lượng nước khác nhau. Hình ảnh hiển vi quang học cho thấy hạt khi bị gia nhiệt dưới nhiệt độ bắt đầu hấp thu nhiệt (To) không làm ảnh hưởng đến hạt. Sau khi gia nhiệt đến các nhiệt độ khác nhau, hình ảnh hiển vi quang học cho thấy, tương ứng với hàm lượng nước khác nhau trong suốt quá trình, có 4 hình thái riêng biệt trong tập hợp hạt: hạt nguyên, hạt bị mất một phần tính lưỡng chiết, hạt không có tính lưỡng chiết nhưng còn dạng hình cầu và hạt không còn nguyên vẹn. Sự thay đổi càng rõ ràng khi thực hiện quá trình gia nhiệt với hàm lượng nước và nhiệt độ cao hơn. Hình 13: Biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ Ở đây chúng ta cần phân biệt sự hồ hóa và quá trình hydrat hóa của hạt tinh bột. Quá trình hydrat hóa là quá trình hạt tinh bột hút nước làm hạt trương nở dẫn đến tăng độ nhớt của hỗn hợp, còn sự hồ hóa chỉ mức độ hấp thu nước tối đa làm hạt trương nở cực đại dẫn đến độ nhớt đạt cực đại. Mức độ trương nở sẽ phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của hạt. Cấu trúc phân tử bên trong càng cứng, nhiệt độ cho quá trình hồ hóa càng cao. Trong quá trình hồ hóa chúng ta cần quan tâm tới hiện tượng hồ tinh bột sau khi gia nhiệt và được làm nguội, các phân tử amylose sẽ tách ra, tái kết hợp và hợp nhất với các hạt tinh bột đã trương nở theo một cấu trúc có thứ tự làm cho độ nhớt tăng lên (Lai và cộng sự, 2000). Hiện tượng này được xem như là quá trình kết tinh hoặc tái kết tinh (nghĩa là sự hình thành và sự kết hợp của hai đoạn xoắn ốc) của amylose (Seow và cộng sự, 1996). Dịch hóa và đường hóa Sau giai đoạn hồ hóa hạt tinh bột trương nở nhưng vẫn còn nguyên vẹn. Khi ta tiếp tục gia nhiệt hỗn hợp, sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử tinh bột trong hỗn hợp dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ làm cho liên kết giữa các phân tử tinh bột với nhau, giữa tinh bột với nước trở nên lỏng lẻo. Kết quả là các phân tử amylose và amylopectin được giải phóng từ dạng “liên kết” trong cấu trúc hạt tinh bột sang dạng “tự do”. Quá trình này được gọi là quá trình dịch hóa. Sản phẩm tạo thành của quá đường hóa là maltodextrin, các oligosacarit, đường glucose, maltose và maltotriose. Lúc này tinh bột trở nên “hòa tan” trong nước, độ nhớt của hỗn hợp giảm đi đáng kể. Quá trình này được thực hiện dưới sự có mặt của enzyme α-amylase và b-amylase hình thành các phân tử có chiều dài mạch ngắn hơn. Enzyme này có thể có trong bản thân hạt tinh bột hay được bổ sung từ ngoài vào. Tiếp theo enzyme glucose-amylase sẽ được bổ sung vào để tiến hành thủy phân hoàn toàn các phân tử mạch ngắn để hình thành đường glucose. Tùy theo loại sản phẩm mong muốn quá trình chuyển hóa này có thể được xúc tác bởi một hay kết hợp nhiều enzyme. Khi sử dụng enzym amiloglucosidase sẽ cho ra các sản phẩm giàu glucose. Còn thủy phân bằng một hỗn hợp các enzym β - amylase và pululanase thì cho sản phẩm giàu maltose (90%). Để tách riêng hai quá trình dịch hóa và đường hóa thì cần sử dụng những điều kiện nhiệt độ và pH tối ưu để tăng hoạt độ của enzym cũng như để cơ chất có trạng thái hòa tan tốt. Sóng siêu âm Định nghĩa Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số lớn hơn tần số giới hạn trên ngưỡng nghe của người bình thường, tức là có tần số lớn hơn 20 kHz. Sóng siêu âm có những đặc tính của sóng âm như phản xạ, nhiễu xạ, giao thoa và có thể lan truyền trong môi trường khí, rắn, lỏng. Phân loại Dựa vào tần số, sóng siêu âm được chia làm 3 loại: Siêu âm tần số thấp (siêu âm năng lượng cao) (20 – 100 kHz): khi đó có sự hình thành và vỡ ra của các bong bóng khí có kích thước lớn sẽ làm cho nhiệt độ và áp suất tăng cao. Do đó có khả năng làm thay đổi tính chất hóa lý của nguyên liệu. Vì vậy được sử dụng để phá vỡ tế bào hay làm bền hệ nhũ tương. Ngày nay siêu âm tần số thấp được ứng dụng trong điều khiển quá trình kết tinh, loại khí khỏi thực phẩm dạng lỏng, vô hoạt enzyme, tăng hiệu quả quá trình trích ly cũng như tăng tốc độ các phản ứng hóa học (Knorr và cộng sự 2004, McClements 1995, Roberts 1993, Zheng và Sun 2006). Siêu âm tần số cao (siêu âm năng lượng thấp) (100kHz-2MHz): khi tần số cao, kích thước các bong bóng khí khá nhỏ nên quá trình sủi bọt diễn ra nhẹ nhàng hơn. Do đó không làm thay đổi những tính chất hóa lý của nguyên liệu nên được thường được dùng trong phân tích, đặc biệt trong phân tích thực phẩm nhằm xác định tính chất hóa lý của thực phẩm cũng như thành phần cấu trúc và trạng thái vật lý của thực phẩm (Fellows 2000, Jayasooriya và cộng sự 2004, Knorr và cộng sự 2004, McClements 1995). So với các phương pháp phân tích truyền thống với tác dụng tương tự thì việc áp dụng sóng siêu âm đem lại hiệu quả nhanh và chính xác hơn. Siêu âm chẩn đoán (5-10MHz): lúc này không còn hiện tượng sủi bong bóng và cơ chế chính của siêu âm trong khoảng tần số này là dòng âm thanh, dùng để đo hệ số tốc độ và hấp thụ của sóng trong môi trường, dùng trong y học, phân tích hóa học. Phần lớn, những nghiên cứu về sóng siêu âm trong thực phẩm thường giới hạn trong khoảng 20 -40kHz (thuộc vùng tần số thấp, năng lượng cao). Hình 14: Các mức tần số của sóng âm Các thông số cần xác định trong quá trình xử lí bằng sóng siêu âm Ba thông số thường được xác định trong các thí nghiệm siêu âm là vận tốc siêu âm, hệ số suy giảm và âm trở. Những thông số này liên quan tới tính chất vật lý của thực phẩm như thành phần, cấu trúc và trạng thái vật lý (McClements, D.J., 1995) Vận tốc siêu âm Vận tốc (c) sóng siêu âm di chuyển qua nguyên liệu phụ thuộc vào module đàn hồi (E) và tỷ trọng (r) của nó: Module sử dụng ở phép toán trên phụ thuộc vào loại nguyên liệu là khí, lỏng hay rắn, và có sóng nén hay sóng cắt tác động (Hình 1.13). Module đàn hồi và tỷ trọng của nguyên liệu phụ thuộc cấu trúc, thành phần và trạng thái vật lý của nó, do đó vận tốc siêu âm có thể sử dụng để cung cấp thông tin cho các tính chất này. Vận tốc siêu âm của một nguyên liệu có thể được xác định bằng một trong hai cách: hoặc đo chiều dài bước sóng của sóng siêu âm tại một tần số f đã biết c = lf, hay đo thời gian t cần để sóng di chuyển qua một khoảng cách xác định d từ đó tính được c = d/t. Hệ số suy giảm Hệ số suy giảm (α) là phép đo độ giảm biên độ của sóng siêu âm khi nó di chuyển qua nguyên liệu. Những nguyên nhân chính của sự suy giảm là sự hấp phụ và sự phân tán. Sự hấp phụ được tạo nên do cơ chế vật lý biến đổi năng lượng tích trữ được khi siêu âm thành nhiệt, ví dụ như độ nhớt lỏng, sự dẫn nhiệt và giảm khối lượng phân tử. Sự phân tán xuất hiện trong nguyên liệu không đồng nhất, như nhũ tương, huyền phù và bọt, khi sóng siêu âm tác động gián đoạn và được phân tán có hướng khác với sóng tới. Khác với trường hợp hấp phụ, năng lượng vẫn được tích trữ khi siêu âm, nhưng không nhận ra được do sự lan truyền có hướng và pha của nó thay đổi. Phép đo sự hấp phụ và phân tán của sóng siêu âm cung cấp thông tin về tính chất hóa lý của nguyên liệu thực phẩm, bao gồm nồng độ, độ nhớt, độ giảm khối lượng phân tử và cấu trúc vi mô. Hệ số suy giảm của nguyên liệu được biểu thị bằng neper trên mét (Npm-1) và được định nghĩa bằng phép toán sau: Trong đó Ao là biên độ ban đầu của sóng, và x là khoảng cách di chuyển. Hệ số suy giảm được xác định bằng cách đo sự phụ thuộc của biên độ sóng siêu âm vào khoảng cách và “điều chỉnh” phép đo vào công thức trên. Hệ số suy giảm thường được biểu thị bằng decibel trên mét (dBm-1), với 1Np = 8.686 dB Âm trở Khi sóng siêu âm tới bề mặt chung giữa hai nguyên liệu khác nhau, nó bị phản xạ một phần và truyền qua một phần. Tỷ lệ của biên độ của sóng phản xạ (Ar) với sóng tới (Ai) được gọi là hệ số phản xạ (R). Với sóng phẳng thường đến biên phẳng: Trong đó, Z là âm trở (tương đương với rc), và ký hiệu “1” và “2” chỉ hai nguyên liệu khác nhau. Rất ít sóng siêu âm phản xạ từ bề mặt của nguyên liệu có âm trở giống xung quanh. Ngược lại, tỷ lệ phần trăm lớn sóng siêu âm bị phản xạ khi hai nguyên liệu có âm trở rất khác nhau. Giống với vận tốc siêu âm và hệ số suy giảm, âm trở là một chỉ tiêu vật lý cơ bản, phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc vi mô của nguyên liệu. Do đó âm trở có thể được sử dụng để cung cấp các giá trị này của thực phẩm. Cơ chế tác động của sóng siêu âm Cơ chế xâm thực khí Tác động cơ sở của sóng siêu âm lên một môi trường lỏng liên tục là do tác động của một áp suất âm thanh (Pa) và một áp suất thủy tĩnh sẵn có trong môi trường. Áp suất âm thanh là sóng dạng sin, phụ thuộc vào thời gian (t), tần số (f) và biên độ áp suất lớn nhất của sóng (Pa max) (Muthukumaran và cộng sự, 2006): Biên độ áp suất lớn nhất của sóng (Pa max) tỷ lệ thuận với năng lượng đầu vào của nguồn phát siêu âm (transducer). Ở cường độ (biên độ) thấp, sóng áp suất tạo ra sự chuyển động và trộn lẫn bên trong chất lỏng, được gọi là dòng âm thanh (acoustic streaming). Ở cường độ cao hơn, áp suất cục bộ trong pha giãn nở của chu kỳ rơi xuống dưới áp suất hơi của dung dịch, hình thành nên những bong bóng nhỏ (là sự hình thành những bong bóng khí bên trong chất lỏng). Tới một khoảng kích thước tới hạn, sự dao động của các bong bóng sẽ tương ứng với một khoảng tần số sử dụng của sóng âm do đó sẽ làm cho bong bóng nổ. Mô tả hiện tượng Sóng siêu âm, giống như các sóng âm khác, bao gồm các chu kỳ nén và giãn. Các chu kỳ nén tác động một áp suất dương lên chất lỏng, đẩy các phân tử chất lỏng lại gần nhau, các chu kỳ giãn tác động một áp suất âm, kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau. Trong suốt chu kỳ giãn, sóng siêu âm có cường độ đủ lớn có thể tạo ra các bong bóng. Các phân tử chất lỏng được liên kết với nhau nhờ lực hấp dẫn, do đó để một bong bóng hình thành, sóng âm phải tạo ra một áp suất âm trong chu kỳ giãn lớn hơn các lực hấp dẫn của chất lỏng. Lượng áp suất âm tạo ra còn phụ thuộc vào: Loại chất lỏng: lực liên kết giữa các phân tử càng chặt chẽ thì áp suất âm cần tạo ra càng lớn và ngược lại khi lực liên kết giữa các phân tử chất lỏng lỏng lẽo thì áp suất âm chỉ cần đạt một giá trị nhỏ. Độ tinh khiết của chất lỏng: đối với các chất lỏng tinh khiết, sức mạnh liên kết của chất lỏng quá lớn đến nỗi sóng siêu âm không tạo ra được áp suất âm đủ lớn để hình thành bong bóng. Đối với chất lỏng không tinh khiết, sức mạnh liên kết của chất lỏng bị giảm do các khí được bẫy vào trong các rãnh của các phần tử rắn nhỏ. Khi một rãnh đầy khí bị tác động bởi một áp suất âm, lúc này áp suất trong rãnh khí giảm, làm cho khí trong rãnh được kéo giãn ra cho đến khi một bong bóng nhỏ được hình thành trong dung dịch. Hầu hết các chất lỏng đều chứa đủ các phần tử nhỏ để tạo điều kiện cho sự sủi bong bóng. Khi bong bóng được hình thành nó sẽ tiếp tục hấp thụ năng lượng từ các chu kỳ nén và giãn dưới tác động của sóng siêu âm. Điều này làm cho các bong bóng tiếp tục lớn lên. Khi các bong bóng phát triển đạt đến một kích thước tới hạn, nó không có khả năng hấp thụ năng lượng từ sóng siêu âm nữa. Do đó khi không có năng lượng vào, các bong bóng không chịu được áp suất bên trong và cuối cùng bong bóng nổ tung tạo ra sự cân bằng động giữa áp suất bên trong và bên ngoài chất lỏng (Suslick, 1989). Hiện tượng này gọi là hiện tượng sủi bong bóng (hay còn gọi là hiện tượng xâm thực khí – cavitation). Đây cũng là tác động quan trọng nhất của sóng siêu âm năng lượng cao. Thông qua hiện tượng này, năng lượng cơ học của sóng siêu âm được biến đổi và truyền qua dung dịch lỏng. (Suslick, 1988; Laborde, 1998). Hình 15: Quá trình hình thành, phát triển và vỡ tung của bọt khí trong môi trường lỏng (Mason, 1998) Phân loại quá trình sủi bong bóng Sủi bọt khí ổn định(stable cavitation): đó là sự sủi bọt khí từ sóng siêu âm có mức năng lượng thấp tạo ra những bọt khí có kích thước nhỏ và ít thay đổi trong suốt các chu trình nén và giãn nở. Sủi bọt khí nhất thời(transient cavitation): đối với sóng siêu âm có mức năng lượng cao, kích thước của những bọt khí thay đổi rất lớn. Diện tích bề mặt của bọt khí tăng trong suốt chu trình giãn nở. Vì vậy sự thoát khi cũng tăng theo. Kết quả là kích thước của bọt khí tăng lên sau mỗi chu trình. Sau nhiều chu trình nén và giãn nỡ, bọt khí sẽ đạt kích thước giới hạn mà năng lượng âm không còn khả năng giữ pha hơi ở bên trong. Đến chu trình nén tiếp theo, hơi bất chợt ngưng tụ và những bọt khí sẽ vỡ. Những phân tử xung quanh bọt khí va chạm nhau một cách mãnh liệt, tạo ra những vùng có nhiệt độ và áp suất cao lên đến 5500oC và 50MPa. Trong suốt quá trình siêu âm, sự sủi bọt khí ổn định có thể trở thành sự sủi bọt khí nhất thời hay chúng cũng có thể đồng thời xảy ra (Atchley và Crum,1988). Các yếu tố ảnh hưởng Tần số: tần số tỷ lệ nghịch với kích thước bong bóng. Do đó, siêu âm có tần số nhỏ sẽ tạo ra các bong bóng lớn, khi đó hiện tượng sủi bong bóng diễn ra mạnh mẽ. Ngược lại khi tần số gia tăng, khu vực sủi bọt bong bóng trở nên ít dữ dội hơn và khi tần số nằm trong giá trị MHz thì không còn quan sát được hiện tượng sủi bọt bong bóng nữa và cơ chế chính là dòng âm thanh (acoustic streaming). Cường độ: siêu âm cường độ cao có thể làm giãn bong bóng quá nhanh trong suốt chu kỳ áp suất âm do đó làm cho bong bóng không có cơ hội co rút trong chu kỳ áp suất dương. Ngược lại khi cường độ siêu âm nhỏ hơn thì số lần bong bóng giãn ra và nén lại sẽ tăng lên. Do đó thời gian xử lí sẽ dài hơn. Biên độ dao động: khi biên độ dao động tăng thì số lượng bong bóng khí cũng tăng lên do đó cũng góp phần làm tăng cường hiện tượng sủi bọt khí. Áp suất: áp suất thủy tĩnh cao có thể chống lại sự khuếch tán khí ra khỏi bọt khí, làm giảm sự sủi bọt khí. Do đó sự gia tăng áp suất ngoài (được điều khiển bằng áp suất đối) sẽ làm tăng ngưỡng của sự vỡ bọt khí và giảm lượng bọt khí tạo thành. Tuy nhiên sự gia tăng áp suất ngoài lại làm tăng áp suất bên trong những bọt khí khi chúng vỡ ra, kết quả là sự vỡ bọt khí sẽ diễn ra nhanh hơn và mạnh mẽ hơn. Do đó sự gia tăng áp suất đối là một phương pháp làm gia tăng hiệu quả của quá trình xử lý với sóng siêu âm thay vì thay đổi biên độ dao động. Nhiệt độ: nhiệt độ tăng sẽ làm gia tăng số lượng bọt khí tạo thành, tuy nhiên cường độ sự vỡ bọt khí sẽ bị giảm do ảnh hưởng của áp suất hơi tăng lên và đóng vai trò như lớp đệm, ngăn cản sự va chạm của các phân tử xung quanh khi bọt khí vỡ. Ngược lại, sự vỡ bọt khí sẽ khó khăn khi nhiệt độ giảm, vì độ nhớt môi trường tăng cao. Sự gia tăng nhiệt độ sẽ làm giảm độ nhớt, quá trình vỡ bọt khí diễn ra mạnh mẽ hơn. Do đó, nhiệt độ phải được điều chỉnh sao cho độ nhớt đủ thấp để làm gia tăng độ mạnh của sự vỡ bọt khí, tuy nhiên nhiệt độ cũng không quá cao để không làm giảm độ mạnh của sự vỡ bọt khí bởi áp suất hơi cao. Khuếch tán chỉnh lưu Trong nhiều trường hợp, sự phân phối kích thước các bong bóng là thông số chủ chốt để kiểm tra tác động âm học. Quá trình khuếch tán chỉnh lưu biểu hiện bằng sự không ổn định của khí hòa tan trong dung dịch và khí vào bong bóng để làm tăng bán kính của nó trong trường siêu âm. Do đó, nếu không có sóng siêu âm hay bất kỳ một cơ chế ổn định nào, các bong bóng sẽ hòa tan dần dần (Gupta và Kumar, 1983). Vì vậy cơ chế ổn định thích hợp là: khi cân bằng, thành bong bóng bị lõm, do đó áp suất phụ thuộc sức căng bề mặt giúp cho việc ổn định các bong bóng khí và chống lại sự hòa tan của chúng. Sự khuếch tán chỉnh lưu trực tiếp từ bên trong xoay chuyển thông qua việc bơm khí hòa tan ban đầu trong chất lỏng vào trong bong bóng, sử dụng năng lượng siêu âm. Có hai yếu tố đóng góp vào quá trình này: tác động diện tích và tác động vỏ. Tác động diện tích: là do sự tương ứng giữa phương dòn