การพาสเจอร์ไรส์อาหารด้วยคลื่นไมโครเวฟ  (Microwave Pasteurization of food)

การพาสเจอร์ไรส์อาหารด้วยคลื่นไมโครเวฟ (Microwave Pasteurization of food)

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

          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

  1. 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

          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

          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


แหล่งข้อมูลอ้างอิง

  • คงศักดิ์ รัตน์นิยมชัย. 2556. การออกแบบเครื่องให้ความร้อนแก่ไดอิเล็กตริก. วิทยานิพนธ์ สาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี.
  • ปริญญา  ฉกาจนโรดม. 2557. การให้ความร้อนโดยใช้ไมโครเวฟและการประยุกต์ใช้ไมโครเวฟในการแปรรูปวัสดุ. ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์.วิศวกรรมสาร มก., 87, 57-62.
  • ฟารุต  สมัครไทย. มปป. ไมโครเวฟ: รูปตัดภายในตู้ของไมโครเวฟ. ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคล
  • Benlloch-Tinoco, M., Martinez-Navarrete, N., & Rodrigo, D. (2014).Impact of temperature on lethality of kiwifruit purée pasteurized by thermal and microwave processing. Food Control, 35, 22–25.
  • Bellone, S. C. and C. H. Bellone. 2006. Presence of endophytic diazotrophs in sugarcane juice. J.Microbiology and Biotechnology. 22:1065-1068.
  • Gentry, T. S., & Roberts, J. S. 2005. Design and evaluation of continuous flow microwave pasteurization system for apple cider. LWT, 38, 227–238.
  • Krystian, M., Marta M., Sylwia S., 2015. Effect of Continuous Flow Microwave and Conventional Heating on the Bioactive Compounds, Color, Enzymes Activity, Microbial and Sensory Quality of Strawberry Purée. Food Bioprocess Technol, 8, 1864–1876.
  • Singh and Heldman (2001). Introduction to Food Engineering. University of Nebraska—Lincoln, USA.