มีบัญชีอยู่แล้ว?
การพาสเจอร์ไรส์อาหารด้วยคลื่นไมโครเวฟ (Microwave Pasteurization of food)
1
โดย นางสาวซูอัยบะห์ กาเต๊ะ นักศึกษาปริญญาโท มหาวิทยาลัย Bogor Agricultural University อินโดนีเซีย
ปัจจุบันการใช้ความร้อนในการพาสเจอร์ไรส์เป็นที่รู้จักกันเพิ่มมากขึ้นในระดับครัวเรือน ซึ่งมีการนำมาใช้เพื่อถนอมอาหารและยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ เชื้อจุลินทรีย์ก่อโรคและเชื้อจุลินทรีย์ที่ทำให้อาหารเน่าเสีย โดยมีรูปแบบการให้ความร้อน 2 วิธี คือการให้ความร้อนแบบปกติทั่วไป โดยการพาความร้อน (Convection) หรือการแผ่ความร้อน (Radiation) และการนำความร้อน (Conduction) ที่ได้รับจากเส้นลวกให้ความร้อนจากผิววัสดุไปสู่แกนกลางของวัตถุนั้น และการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ เป็นการให้ความร้อนโดยใช้คลื่นไมโครเวฟ ซึ่งอยู่ในรูปของพลังงานแล้วถูกเปลี่ยนไปเป็นความร้อน โดยการสั่นสะเทือนของอนุภาค
จากผลการทดลองของ Krystian et al. (2015) ที่ศึกษาเปรียบเทียบคุณภาพของน้ำสตรอเบอร์รี่เพียวเร่ที่พาสเจอร์ไรส์ระหว่างการพาสเจอร์ไรส์แบบต่อเนื่องด้วยคลื่นไมโครเวฟและการพาสเจอร์ไรส์แบบกะ พบว่าคุณภาพด้านเคมีและการยอมรับทางประสาทสัมผัสของน้ำสตรอเบอร์รี่เพียวเร่ที่ผ่านกระบวนการพาสเจอร์ไรส์แบบต่อเนื่องด้วยคลื่นไมโครเวฟดีกว่าการพาสเจอร์ไรส์แบบกะ จะเห็นว่ารูปแบบการให้ความร้อนโดยใช้คลื่นไมโครเวฟจะสามารถคงคุณค่าของอาหารได้ดีกว่าการให้ความร้อนแบบปกติ
บทความนี้กล่าวถึงการใช้คลื่นไมโครเวฟในกระบวนการพาสเจอร์ไรส์อาหาร เพื่อให้เข้าใจถึงการใช้คลื่นไมโครเวฟในการให้ความร้อนมากขึ้น รวมไปถึงวิธีการนำไปประยุกต์ใช้
📛 การพาสเจอร์ไรส์ คืออะไร?
การพาเจอร์ไรส์เป็นวิธีการให้ความร้อนที่เหมาะสำหรับอาหารที่เป็นของเหลวและของไหลแบบนิวโทเนียน (Newtonian fluid) เช่น น้ำผลไม้ นม และเบียร์ เป็นต้น มีวัตถุประสงค์เพื่อยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ เชื้อจุลินทรีย์ก่อโรค และเชื้อจุลินทรีย์ที่ทำให้อาหารเน่าเสีย โดยใช้ความร้อนที่อุณหภูมิไม่เกิน 100 องศาเซลเซียสที่เวลาและอุณหภูมิอย่างใดอย่างหนึ่ง
1
กระบวนการพาสเจอร์ไรส์เป็นการถนอมอาหารแบบชั่วคราว เพราะสามารถป้องกันมิให้จุลชีพเจริญในชั่วระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งมีหลักการคือ ความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งเมื่อมีอยู่ในสิ่งใดจะทำให้โมเลกุลของสิ่งนั้นเกิดการเคลื่อนไหว ความร้อนทำให้สารโปรตีนแข็งตัวจับกันเป็นก้อนและหมดฤทธิ์โดยการเร่งปฏิกิริยาทางเคมี ความร้อนจึงทำลายเอนไซม์และสามารถทำลายจุลชีพได้
📛 รู้จักคลื่นไมโครเวฟ
คลื่นไมโครเวฟ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้น แต่มีความถี่สูง โดยมีความถี่ระหว่าง 300 MHz – 300 GHz ขนาดของกำลังคลื่นที่ใช้สำหรับให้ความร้อนในระดับอุตสาหกรรมอยู่ในระดับ 200-60,000 วัตต์ ในย่านความถี่ 915 MHz และ 2,450 MHz สมบัติของคลื่นไมโครเวฟคือ สามารถทะลุผ่านวัสดุหรือภาชนะแก้ว พลาสติก กระดาษ และถ้วยกระเบื้อง สามารถสะท้อนกลับ เมื่อกระทบกับวัสดุโลหะ และสามารถดูดกลืนและดูดซับในวัสดุหรือวัตถุที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ เช่น อาหาร ซึ่งสมบัติข้อนี้จะทำให้เกิดความร้อนขึ้นในวัตถุ
การเกิดความร้อนภายในวัตถุที่สัมผัสกับคลื่นไมโครเวฟนั้น มีสาเหตุมาจากกลไก 2 ประการ ได้แก่
1. การเคลื่อนที่ของไอออนเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า (Ionic polarization)
คลื่นไมโครเวฟจะสร้างสนามไฟฟ้าและเมื่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าเกิดการสัมผัสและอัตรกิริยาระหว่างกัน โดยความเป็นประจุของอนุภาคจะทำให้อนุภาคพยายามเรียงตัวตามสนามไฟฟ้า จนเกิดการชนกันและเกิดการเสียดสีกันกับอนุภาคข้างเคียงจนทำให้เกิดความร้อนขึ้น
3
2. การหมุนของสารประกอบที่มีขั้ว (Dipolar rotation)
คลื่นไมโครเวฟจะสร้างสนามไฟฟ้าและเมื่อวัตถุสัมผัสกับสนามไฟฟ้า สมบัติความเป็นขั้วของอาหารที่มีในปริมาณที่แตกต่างกัน ความเป็นขั้วบวกและลบในโมเลกุลจะหมุนตัวกลับไปกลับมาเพื่อเปลี่ยนทิศทางตามทิศของสนามไฟฟ้าอย่างรวดเร็วตามความถี่ของไมโครเวฟ จนทำให้เกิดความร้อนขึ้นและกระจายไปยังโมเลกุลข้างเคียง
จากกลไกดังกล่าว คลื่นไมโครเวฟจึงเป็นหนึ่งอีกวิธีการให้ความร้อนที่มีประสิทธิภาพและได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในกระบวนการต่างๆ อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหาร ไม่ว่าจะเป็นการอบ การทำแห้ง การละลาย และการฆ่าเชื้อ
📛 ระบบการทำความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ
รูปแบบการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟในอุตสาหกรรมโดยพื้นฐาน ภายในระบบต้องประกอบด้วยอุปกรณ์หลัก 3 อย่าง คือ แมกนีตรอน (Magnetron) ท่อนำคลื่น (Waveguide) และแควิตี้ (Cavity) หรือแอปพลิเคเตอร์ (Applicator)
แมกนีตรอนเป็นหัวใจของเตาไมโครเวฟ ทำหน้าที่สร้างคลื่นไมโครเวฟ มีลักษณะเป็นหลอดสุญญากาศที่มีโครงภายนอกเป็นโลหะเพื่อเพิ่มความแข็งแรง โดยมีแผ่นลักษณะเป็นปีกเพื่อใช้ในการระบายความร้อน แมกนีตรอนเป็นต้นทางที่ทำหน้าที่ในการผลิตคลื่นไมโครเวฟคุณสมบัติเฉพาะของแมกนีตรอนทำให้เตาไมโครเวฟมีความสามารถในการทำความร้อนแก่อาหารแตกต่างกันไป
ปัญหาที่สำคัญของแมกนีตรอนคือ ตัวแม่เหล็กที่ใช้ ถ้าได้รับความร้อนแล้วความแรงของสนามแม่เหล็กที่ถูกสร้างขึ้นจะลดลง เป็นผลให้กำลังไฟออกมาน้อยลง ซึ่งอาจสูญเสียมากถึง 20% และมักเกิดขึ้นในช่วง 5-10 นาทีแรกหลังจากเริ่มเปิดเครื่อง
1
ท่อนำคลื่นเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการส่งถ่ายพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ท่อนำคลื่นมีลักษณะเป็นสายโคแอกเชียลที่ไม่มีตัวนำตรงกลาง สร้างขึ้นจากสารตัวนำและอาจมีรูปร่างลักษณะเป็นสี่เหลี่ยม วงกลม หรือวงรี (ดังแสดงในภาพที่ 2) ซึ่งจะอยู่เชื่อมต่อระหว่างแมกนีตรอนกับแควิตี้
แควิตี้หรือแอพพลิเคเตอร์เป็นส่วนที่มีไว้สำหรับการทำความร้อนของระบบ โดยได้รับพลังงานไมโครเวฟมาจากแมกนีตรอน เป็นตัวบ่งบอกถึงรูปแบบคลื่นไมโครเวฟที่กระทำต่อวัสดุว่าเป็นลักษณะคลื่นโหมดเดี่ยวหรือคลื่นมัลติโหมดโดยทั่วไป คาวิตี้สามารถแบ่งออกได้ สองประเภทคือ คาวิตี้ชนิดโหมดเดี่ยว และคาวิตี้ชนิดหลายโหมด
แอปพลิเคเตอร์ในระบบไมโครเวฟเชิงอุตสาหกรรมมากกว่าร้อยละ 50 จะเป็นแบบหลายโหมด และโดยหลักการแล้วจะเป็นการขยายขนาดของเตาไมโครเวฟในครัวเรือนให้ใหญ่ขึ้น
📛 การประยุกต์ใช้คลื่นไมโครเวฟในการพาสเจอร์ไรส์
คลื่นโดยธรรมชาติของคลื่นไมโครเวฟคือ มองไม่เห็น ไม่มีเสียง ปัจจุบันจึงได้มีการทำมาตรฐานเกี่ยวกับความปลอดภัยดังกล่าว โดยจะพิจารณาจาก 2 ลักษณะ ลักษณะแรกพิจารณาในเรื่องของความร้อน กล่าวคือหากมนุษย์ได้รับพลังงานจากคลื่นในปริมาณที่มากพอทำให้ผิวร้อนหรือสุกได้ ลักษณะที่สองคือ กรณีไม่มีความเสี่ยงต่อผลของความร้อน แต่คลื่นมีผลกระทบต่อระบบประสาทและการเปลี่ยนแปลงพันธุกรรม ซึ่งกรณีนี้อาจจะแบ่งออกเป็นผลกระทบแบบชั่วคราวและผลกระทบแบบถาวร
ระบบไมโครเวฟแบบต่อเนื่องจะมีอัตราเสี่ยงต่อการรั่วไหลของคลื่นไมโครเวฟมากกว่าระบบทำงานแบบกะ โดยเฉพาะที่ทางเข้าและทางออกของระบบเป็นระบบเปิดเพื่อให้วัสดุที่นำมาผ่านกระบวนการไหลเข้าออกแอปพลิเคเตอร์ได้ ดังนั้นเพื่อป้องกันมิให้คลื่นรั่วไหลออกมาเกินพิกัดที่ยอมรับได้ที่ช่องทางเข้าออก จึงต้องมีการออกแบบแบบพิเศษที่บริเวณทางเข้าออกนี้ โดยติดตั้งระบบโช๊ค เพื่อทำการดูดซับหรือกำจัดคลื่นที่เหลือที่แผ่ออกมาจากภายในตัวแอปพลิเคเตอร์ โดยปกติช่องทางเข้าออกที่กล่าวมานี้จะถูกออกแบบให้มีลักษณะเป็นช่องทางเล็กๆ เพียงพอให้วัสดุไหลเข้าออกได้เท่านั้น
การให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ เป็นวิธีการให้ความร้อนที่เกิดขึ้นจะเกิดขึ้นกับผลิตภัณฑ์โดยตรงและไม่ทำให้เกิดตะกรันและสิ่งสกปรกตกค้างอยู่ภายในระบบ จึงได้มีการศึกษาเพื่อประยุกต์ใช้คลื่นไมโครเวฟในการพาสเจอร์ไรส์กันอย่างแพร่หลาย
ในปี ค.ศ. 2005 Gentry and Roberts ได้ศึกษาการออกแบบและการประเมินผลการพาสเจอร์ไรส์น้ำแอปเปิ้ลไซเดอร์แบบต่อเนื่องด้วยคลื่นไมโครเวฟ โดยระบบการพาสเจอร์แบบต่อเนื่องด้วยคลื่นไมโครเวฟมีกลไกการทำงานเริ่มจาก แมกนีตรอนสร้างคลื่นไมโครเวฟและปล่อยคลื่นไมโครเวฟโดยผ่านท่อนำคลื่นและเกิดเป็นสนามไฟฟ้าในคาร์วิตี้หรือแอพลิเคเตอร์ ในขณะเดียวกันอาหารจะถูกป้อนเข้าสู่แควิตี้โดยปั๊มที่อัตราการไหลหนึ่งๆ เข้าสู่แควิตี้เช่นกัน ซึ่งจะเกิดอันตรกิริยาระหว่างคลื่นไมโครเวฟกับวัสดุหรืออาหารจนเกิดเป็นความร้อนขึ้นภายในอาหารและอุณหภูมิจะสูงขึ้นเรื่อยๆ ตามอุณหภูมิการพาสเจอร์ไรส์ที่กำหนด และกำลังไฟฟ้าที่ป้อนเข้าสู่ระบบ
จากนั้นอาหารจะถูกคงอุณหภูมิไว้ ณ อุณหภูมิและเวลาอย่างใดอย่างหนึ่ง จากนั้นอาหารจะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว โดยผ่านการแลกเปลี่ยนความเย็นด้วยเครื่องทำความเย็น สุดท้ายตัวอย่างที่ผ่านการพาสเจอร์ไรส์ก็จะถูกเก็บที่ถังเก็บอาหารหลังพาสเจอร์ไรส์
1
ต่อมาในปี ค.ศ. 2014 Benlloch-Tinoco et al. ได้ศึกษาคุณภาพและการยอมรับของน้ำกีวี่เพียวเร่พาสเจอร์ไรส์แบบต่อเนื่องด้วยคลื่นไมโครเวฟ (ป้อนพลังงาน 1000 วัตต์ นาน 340 วินาที) และพาสเจอร์ไรส์แบบกะโดย batch retort (พาสเจอร์ไรส์ 84 องศาเซลเซียส นาน 300 วินาที) พบว่าปริมาณยีสต์และรา และจุลินทรีย์ทั้งหมดที่หลงเหลือหลังจากการพาสเจอร์ไรส์ทั้ง 2 วิธี ให้ผลไม่แตกต่างกัน
ทั้งนี้ Krystian et al. (2015) ก็ได้ศึกษาคุณภาพของน้ำสตรอเบอร์รี่เพียวเร่ที่พาสเจอร์ไรส์แบบต่อเนื่องด้วยคลื่นไมโครเวฟ โดยการพาสเจอร์ไรส์ที่ 90 องศาเซลเซียส นาน 7 วินาที พบว่า ปริมาณกรดฟินอลิก แอนโทไซยานิน และวิตามิน เท่ากับ 208.38±2.83, 74.80±0.38 และ 51.55±0.36 mg/100 g (ตามลำดับ) และพบจำนวนยีสต์ รา และจุลินทรีย์ทั้งหมด เท่ากับ <1.0±0.10, <1.0±0.08 และ 3.69±0.07 log cfu/g (ตามลำดับ)
จะเห็นได้ว่ามีความเป็นไปได้ในการนำคลื่นไมโครเวฟมาประยุกต์ใช้ในการพาสเจอร์ไรส์เชิงพาณิชย์ อย่างไรก็ตาม ต้องคำนึงถึงปัจจัยอื่นๆ ด้วย เช่น คุณสมบัติไดอิเล็กทริก อุณหภูมิของอาหาร สมบัติของอาหาร ฯลฯ เพื่อปรับปรุงสภาวะการใช้งานให้เหมาะสมกับชนิดของอาหารให้เกิดประโยชน์สูงสุด