Gıda Teknolojisinde Ultrasonik Kesim

İlhan GÜN^*, Zeynep Güzel-SEYDİM, Atıf Can SEYDİM^**

^*Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Gıda İşleme Bölümü Süt ve Ürünleri Teknolojisi Programı

Burdur / Türkiye

^**Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik- Mimarlık Fakültesi, Gıda Mühendisliği Bölümü

 Isparta / Türkiye
igun@mehmetakif.edu.tr, zeyneps@sdu.edu.tr, aseydim@sdu.edu.tr

Gıda Teknolojisinde Ultrasonik Kesim

Özet

Ultrasonik kesim, ürün deformasyonunu engellemek için uygulanır. Ultrasonik bıçaklar 20 kHz, 30 kHz veya 40 kHz gibi yüksek frekanslarda titreşim sağlar ve en yüksek titreşim hızı 1.51 m/s ve 5.03 m/s arasında değişir. Sistemde yüksek kesme hızı uygulandığından, kesme zamanı azalır ve enerji tasarrufu sağlanır. Bu sistem çoğunlukla pasta, kek, peynir, pizza ve dondurulmuş gıdaların kesim işleminde uygulanmaktadır. Peynir teknolojisinde ultrasonik kesimin kullanımı peynir çeşidine bağlıdır. Peynirin toplam kurumadde, yağ ve protein içeriğindeki farklılık kesme frekansını etkilemektedir. Unlu mamullerde ise titreşim hızındaki artış kesme kuvvetini azaltmakta ve ürün kalitesi artmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Ultrasonik kesim, gıda sanayi

The Use of Ultrasonic Cutting in Food Industry

Abstract

An ultrasonic cutting is applied to prevent product deformation. The ultrasonic blades vibrate at high-frequencies of 20 kHz, 30 kHz or 40 kHz and the maximum vibration speed ranged between 1.51 m/s and 5.03 m/s. In the system, because of high cutting speed implementation, the cutting time is reduced and energy saving is provided. This system is mainly applied in cutting of pie, cake, cheese, pizza and frozen foods. Ultrasonic cutting in cheese technology is depending on the type of cheese. The differences in total dry matter, fat and protein of cheese is affect cutting frequency. In bakery products, an increasing maximum vibration speed leads to reduction of the cutting force and the quality of the cut is increased.

Keywords: Ultrasonic cutting, food industry

1. GİRİŞ

Üretilen gıdanın tüketime sunulması, değişik şekillerde olmakla birlikte, daha çok kesilerek küçük porsiyonlar şeklinde ambalajlanarak gerçekleşmektedir. Bu amaçla günümüzde birçok yöntem kullanılmakta ancak, şekil ve ürün randımanı açısından çeşitli sıkıntılar yaşanmaktadır. Ultrasonik kesim, gıdanın dilimlenmesi, kesilmesi, şekil verilmesi gibi birçok işlem aşamasında olası zararları engellemek amacıyla geliştirilen bir yöntemdir. Ultrasonik kesim, güçlü linear olmayan vurma etkili bir işlemdir ve birçok endüstriyel uygulamada kullanılır [1, 2]. Gıdanın fiziksel-kimyasal özelliklerine ve ürün şekline bağlı olarak da yöntemin etkinliği değişmektedir [3].  Kırılma, çatlak oluşumu, sürtünme, deformasyon gibi fiziksel özellikler ile yağ, protein, nem oranı gibi kimyasal özellikler ultrasonik kesim sırasında uygulanacak sürtünme katsayısı, bıçakların titreşim frekansı ve hızı gibi parametreleri etkilemektedir. Ayrıca sıcaklık değişimi de kesim için oldukça etken bir özelliktir [2, 4].

Gıdalarda katı homojen gıdalar, katı gözenekli gıdalar, bitki veya hayvan dokusuna sahip gıdalar gibi sınıflandırma yapmak mümkündür [1]. Bu nedenle de ürünlerin piyasaya sunumunda farklı kesim yöntemleri görülmektedir. Pizza, pasta, kek, dondurulmuş gıdalar, peynir, ekmek gibi farklı bileşim ve nitelikteki gıdalarda ultrasonik kesim uygulaması yaygın olarak yapılmaktadır. Bununla birlikte her gıdanın reolojik özelliklerindeki farklılık kesme yüzeyi özelliklerini değiştirmekte, dolayısıyla uygulamanın etkinliği de farklı olmaktadır [5].

Bu çalışmada, çeşitli gıda maddelerinin dilimlenmesinde kullanılan ultrasonik kesim yöntemi ve ürün üzerine etkisi hakkında bilgi verilecektir.

2. SİSTEMİN PARÇALARI VE ÇALIŞMA SİSTEMİ

2.1 Jeneratör (Güç Kaynağı)

Sistemin çalışmasında gerekli olan enerji jeneratörden sağlanır. İşleme kapasitesine bağlı olarak jeneratörlerin de kapasite farklı olabilir. Jeneratör, standart 50/60 Hz AC voltajı alır ve yüksek frekanslı elektrik enerjisine dönüştürür [6]. Jeneratör gücü ve kesim kuvveti, kesme sisteminin performansının ölçülmesinde kullanılan parametrelerdir.

2.2. Dönüştürücü (Transduser)

Güç kaynağından gelen elektrik enerjisini yüksek frekanslı mekanik titreşim haline dönüştürmektedir. Bu sistemlere uygun sıvı sensörü, magnetostriktiv ve piezoelektrik olmak üzere üç farklı dönüştürücü vardır [7]. Gıda sektöründe kullanılan piezoelektrik dönüştürücüler, malzeme üzerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilimi ve akımı üretirler. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doğru orantılıdır.

2.3. Yükselteç (Amplifikatör)

Amplifikatörler bıçakların mekaniksel hareketini sağlar. Kesim bıçaklarının genleşmesini muhafaza etmek, artırmak veya azaltmak için kullanılır, titanyum veya alüminyumdan olabilir [8].

2.4. Kesim Bıçakları

Sistemin ürünle teması kesim bıçaklarıyla olmaktadır. Bıçakların titanyumdan yapılmış olması gıda hijyeni, dayanım, korozyon ve bıçağın kesim sırasındaki temizliği açısından oldukça önemlidir. Ancak seçilecek bıçağın özelliği üründen ürüne değişir. Bazı gıdaların yüzeyleri daha sert olduklarından veya kesim şekilleri farklı olduklarından bıçaklar da çeşitlilik göstermektedir [9]. Örneğin geometrik, dilim olarak veya küp şeklinde kesim uygulayabilen bıçaklar mevcuttur. Gıda sektöründe kullanılan bıçakların titreşim frekansı 20 – 100 kHz arasında değişmekle birlikte, en fazla 20-40 kHz olanlar kullanılır [10]. Ayrıca titreşim hızı 1.51 m/s and 5.03 m/s arasındadır [11].

Sistemin çalışması sırasında güç kaynağından gelen enerji, transduserden geçerek, amplifikatörde mekanik harekete dönüşmekte ve bıçaklarda yüksek hızda titreşim hareketi sağlayarak kesme işlemi gerçekleşmektedir [11]. Kesme sırasında bıçak ile gıda yüzeyi arasında hava yüzey alanı oluşur. Böylece yağ, şeker, bal ve krema gibi yapışkanlık özelliği olan gıdalarda bıçak yüzeyinde yapışma veya kirlenme engellenmiş olur. Sistemde, kesme hızının yüksek olması nedeniyle kesme zamanı kısaldığından enerji tasarrufu sağlanmaktadır [5, 11]. Aynı zamanda yüksek titreşim frekansı bıçakların temizliğini de kolaylaştırmakta, özellikle yağlı ürünlerde bıçakların temizlenmesi için gerekli olan süre kısalmaktadır.

3. Gıda Endüstrisindeki Uygulamalar

Günümüzde kullanımı giderek yaygınlaşan ultrasonik kesim uygulamasının birçok avantajlı yönü vardır;

• Verimlilik artar,

• Zaman tasarrufu sağlar,

• Kesme kalitesi artar,

• Çok katmanlı veya yoğun ürünlerde, bıçağa bulaşma olmadan kesim işlemi gerçekleştirilir,

• Çekirdekli meyveler zarar görmeden kesilebilir,

• Bıçaklarda bulaşma asgari düzeye indirilir,

• Kullanılan parçalar yerinde temizlenebilir,

• Mevcut kesme işleminde kullanılan cihazlara kolaylıkla montajı yapılır,

• Kesim gücü azalır.

Özellikle kesim işlemi zor olan dondurulmuş kek, pasta, balık, taze veya dondurulmuş et ve sebzeler,  yumuşak ve sert peynir, sıcak ekmek ve diğer unlu mamullerde ultrasonik kesim yöntemi kolaylıkla uygulanabilmektedir. Ancak sıcaklık, kalınlık, sıkılık, nem içeriği ve ürün konsistensi gibi gıdanın birçok özelliği kesim performansını etkilemektedir [6, 12]. Aynı zamanda kesme gücünün azalması gibi mekanik etkinin, yüzey pürüzlülüğü ve parçaların görünümü gibi ürün kalite özelliklerinin ve sıcaklık emilimi, kavitasyon gibi ikincil etkilerin yer aldığı birçok işlem özellikleri gıdanın ultrasonik olarak kesimini etkilemektedir [13].

Ultrasonik kesimin gıda sektöründe kullanımı oldukça yenidir ve halen daha üzerinde çalışılması gereken birçok yönü bulunmaktadır. Peynir teknolojinde kullanılan özelliklerin seçimi peynirin çeşidine bağlıdır. Özellikle peynirin toplam kurumadde,  yağ ve protein içeriği gibi bileşim özellikleri kesme frekansını etkilemektedir [14]. Peynirin yağ içeriği arttıkça, kesim etkisi katsayısı (k_w) azalır. K_w en yüksek titreşim hızına bağlı olarak değişir. Yapılan bir çalışmada, k_w değeri Edam peynirinde 0,26; Tilsit peynirinde 0,40 olarak belirlenmiştir [3]. Arnold ve ark. [1] 2500 mm/dk kesme hızı ve 40 kHz/ 12 mm titreşim uygulamasında ultrasonik uyarılmanın kesme işlemini azalttığını belirtmiştir. Bu değer Feta peyniri için 0.09±0.01 J, az yağlı Edam peyniri için 0.38±0.03 J olarak belirlenmiştir.

Unlu mamullerde, titreşim hızındaki artış kesme gücü ve kalitesinde artışına sebep olur. Beyaz ekmek, tahıllı ekmek, çavdarlı ekmek gibi ürünlerde ses dalgasının hızı (cx) < 20 m/s, k_w değeri ise > 0,4 olarak karakterize edilmektedir. Ayrıca titreşim hızındaki artışın kesme kuvvetinde azalmaya, kesme kalitesinde ise artışa neden olduğu belirlenmiştir [4].

Sistemin çalışmasında uygulanan sıcaklık da önemlidir. Gıdanın mekanik özellikleri sıcaklıkla yakından ilişkilidir. Ultrasonik kesimde, kesim yüzeyindeki sıcaklık, frekanslı ultrasonik şiddet frekansı ve kesim hızı gibi kesme özelliklerinin kombinasyonuna göre seçilmektedir [11]. Brown ve ark. [15],  peynir ve sığır etinde sıcaklık ile kesme hızı arasında bir ilişki olduğunu belirtmiştir. Araştırmada ayrıca farklı sıcaklıklarda görülen etkinin peynirde doğrusal olduğunu, ancak dondurulmuş sığır etinde bunun gerçekleşmediğini saptamışlardır. Lucas ve ark. [11] ise termal iletimde sıcaklık oranının 35 kHz olana kıyasla 20 kHz olarak uygulananda daha fazla etkili olduğunu belirtmektedir.

4. SONUÇ

Birçok gıda üretiminden hemen sonra dilimlenmekte veya porsiyonlanarak ambalajlanmaktadır. Ancak özellikle yağlı gıdalarda kesme işlemi sırasında çeşitli sorunlar yaşanmakta ve ürün kalitesi düşmektedir. Ayrıca bazı kuru veya kalın kabuklu gıdaların dilimlenmesinde ürün zarara uğrayabilmektedir. Ultrasonik kesim tekniği günümüzde giderek önem kazanan bir uygulama olmaktadır. Ancak kesim işlemi sırasında uygulanacak birçok parametrenin ürüne göre değişebileceği göz ardı edilmemelidir. Konu ile ilgili çalışmalara ülkemizde rastlanmamakla birlikte, uygulamanın özellikle unlu mamuller, pasta, kek, peynir, dondurulmuş ürünler üzerinde yoğunlaşacağı düşünülmektedir.

5. KAYNAKLAR

1. Arnold, G., Leiteritz, L., Zahn, S. & Rohm, H. 2009. Ultrasonic Cutting Of Cheese: Composition Affects Cutting Work Reduction And Energy Demand. International Dairy Journal 19 : 314–320.

2. Babitsky, V. I. Kalashnikov, A. N. , Meadows, A.  & Wijesundara, A. A. H. P. 2003. Ultrasonically Assisted Turning Of Aviation Materials. Journal of Materials Processing Technology  132 (1-3),157-167.

3. Schneider, Y., Zahn, S., Schindler, C. & Rohm, H. 2009. Ultrasonic Excitation Affects Friction İnteractions Between Food Materials And Cutting Tools Ultrasonics 49 : 588–593.

4. Zahn, S., Schneider, Y.,  Zücker, G. & Rohm, H. 2005. Impact of Excitation and Material Parameters on The Efficiency of Ultrasonic Cutting of Bakery Products Food Engineering And Physical Properties, 70, (9) 510-513.

5. Zahn, S., Schneider, Y. & Rohm, H. 2006. Ultrasonic Cutting of Foods: Effects of Excitation Magnitude and Cutting Velocity on The Reduction of Cutting Work. Innovative Food Science and Emerging Technologies 7 : 288–293

6. Schneider, Y., Zahn, S. & Rohm, H. 2008. Power Requirements of The High-Frequency Generator in Ultrasonic Cutting of  Foods. Journal of Food Engineering 86 : 61–67.

7. Amimeche, E.M.B. 2008. Experimental and Finite Element Modelling of Ultrasonic Cutting of Food. A Doctoral Thesis, University of Glasgow, Department of Mechanical Engineering, p 248.

8. Anonim, 2010. Dukane Ultrasonic Components for Food Cutting http://pdf.directindustry.com/pdf/dukane-ultrasonics-division/ultrasonic-food-processing-cutting/15475-31429-_2.html (Erişim tarihi 21.12.2009)

9. Cardoni, A., Lucas, M., Cartmell, M. & Lim, F. 2004. A novel Multiple Blade Ultrasonic Cutting Device. Ultrasonics 42 : 69–74

10. Anonymous, 2009. Ultrasonic Food Cutting. http://www.sonics.biz/plastic-datasheet/FoodCuttingSellSheet.pdf (Erişim tarihi : 10.07.2009)

11. Lucas, M., MacBeath, A., McCulloch, E. & Cardoni, A. 2006. A Finite Element Model for Ultrasonic Cutting. Ultrasonics 44 : 503-509.

12. Knorr D, Zenker M, Heinz V. & Lee DU. 2004. Applications and Potential of Ultrasonics in Food Processing. Trends Food Sci Technol 15: 261–6.

13. Lucas, M., Cardoni, A. & McBeath, A. 2005. Temperature Effects in Ultrasonic Cutting. CIRP Annals, 54, 195–198.

14. Myshkin, N.K., Petrokovets, M.I. & Kovalev, A.V., 2005. Tribology of Polymers: Adhesion, Friction, Wear, and Mass-Transfer. Tribology International 38, 910–921.

15 Brown, T., James, S.J. & Purnell, G.L. 2005. Cutting Forces in Foods: Experimental Measurements. Journal of Food Engineering 70 : 165–170.