СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВОГО МАТЕРИАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА
METHOD FOR FOOD MATERIAL TREATMENT WITH PULSED LASER RAY USAGE

2420-
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к способу обработки пищевого материала с использованием импульсного лазерного луча со сфокусированным лазерным пятном.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
Известно использование в предшествующем уровне техники непрерывной волны (CW) или импульсных лазерных лучей с длительностями импульса в пределах наносекунды для резки или нарезки ломтиками пищевого материла, такого как сыр, мясные или хлебобулочные изделия. Традиционно для этого способа используются CO лазеры с длинами волн в длинноволновой инфракрасной (IR) области спектра в пределах (от 8 до 15 мкм). Разрез или отверстие в пищевом материале, обычно, создается за счет плавления, или выпаривания, или сублимации материала вблизи лазерного луча. Одной из основных проблем, связанных с этим подходом, является то, что значительное количество тепла генерируется в процессе резки, что приводит, например, к загрязнению поверхности разреза и термическому повреждению, такому как пригорание пищевого материала. Такой эффект связан с большими проблемами, когда способ нарезки лазером применяется к термически чувствительному пищевому материалу, например, с низкой температурой плавления, такого как шоколад или кондитерское изделие.
В последнее время был исследован способ нарезки сыра ломтиками с использованием импульсного лазерного луча с длинами волн (от 266 до 355 нм) в ультрафиолетовом (UV) диапазоне (смотрите «H. Choi and X. Li, Journal of Food Engineering 75, pages 90-95, 2006»). Были использованы длительность импульса 10 нс и частота повторения 20 Гц. При этом подходе пищевой материал разрезается путем фотоудаления, то есть самый верхний слой пищевого материала последовательно испаряют (удаляют) посредством воздействия лазерного луча, таким образом, создавая разрез и в конечном счете линию резки в месте расположения луча.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения заключается в достоверном, точном и не повреждающем способе обработки пищевого материала. Задача достигается посредством способа с техническими признаками, приведенными в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
Изобретение предусматривает способ обработки пищевого материала с использованием импульсного лазерного луча, в котором длина волны лазерного луча находится в ближней части инфракрасного (IR) спектра, и лазерный луч имеет сфокусированное лазерное пятно. Способ содержит этап применения лазерного импульса с длительностью импульса в диапазоне от 1 до 1000 фс к пищевому материалу, где сфокусированное лазерное пятно лежит на поверхности пищевого материала или в теле пищевого материала, и лазерный импульс создает полость в пищевом материале в месте расположения сфокусированного лазерного пятна. Термин «ближняя часть инфракрасного (IR)спектра » обозначает диапазон длины волн от около 750 до 1400 нм. Термин «полость» относится к полому пространству или углублению, сформированному на поверхности или внутри тела пищевого материала, в зависимости от места расположения сфокусированного лазерного пятна. Поскольку зона, где сформирована полость, по существу ограничена местом расположения сфокусированного лазерного пятна, размер полости, созданной лазерным импульсом, по существу определяется размером лазерного пятна. В традиционных оптических технологиях лазерное пятно легко может достигать размера нескольких мкм или даже менее 1 мкм, так что образование полости может быть ограничено очень маленькой зоной или объемом. В дополнение, главным образом из-за крайне короткой длительности импульса, а также из-за малой энергии фотона света в ближней части инфракрасного спектра (по сравнению, например, с УФ-светом) только относительно небольшое количество энергии осаждается на пищевой материал во время лазерного импульса и, по существу, не генерируется тепло за пределами места расположения лазерного пятна. Таким образом, полость в пищевом материале может быть создана с высокой степенью точности и не провоцируя какое-либо термическое повреждение материала, окружающего полость. Также способ по изобретению может быть применен к термически чувствительному пищевого материалу, такому как шоколад, кондитерские изделия или мороженое.
В одном варианте осуществления способ по изобретению содержит этап приложения последовательности лазерных импульсов с длительностью импульса в диапазоне от 1 до 1000 фс к пищевому материалу, в котором сфокусированное лазерное пятно лежит на поверхности пищевого материала или в теле пищевого материала и каждый лазерный импульс создает полость в пищевом материале в месте расположения сфокусированного лазерного пятна.
Предпочтительно способ по настоящему варианту осуществления дополнительно содержит этап передвижения места расположения сфокусированного лазерного пятна по поверхности пищевого материала и/или в теле пищевого материал, во время приложения последовательности лазерных импульсов, наряду с созданием последовательности полостей в пищевом материале. При этом движение лазерного пятна может совершаться, например, посредством сканирования лазерным лучом неподвижного пищевого материала или, в качестве альтернативы, посредством удерживания лазерного луча неподвижным и передвигая пищевой материал относительно места расположения лазерного пятна посредством использования блока позиционирования. Комбинация этих двух технологий, то есть передвижение обоих, как лазерного луча, так и пищевого материала одновременно, также осуществима. Способ по этому варианту осуществления может, например, быть использован для изменения текстуры и/или консистенции (ощущение ртом) пищевого материала посредством создания множества полостей на его поверхности и/или внутри его тела, не провоцируя какое-либо повреждение материала, например его пригорания. Кроме того, обеспечение поверхности пищевого материала полостями может быть использовано для изменения внешнего вида и/или ощущения при сжатии пищевого материала.
Предпочтительно последовательность полостей пищевого материала определяет линию разреза или плоскость разреза, вдоль которой пищевой материал разрезается. В этом случае не требуется дополнительная подготовка пищевого материала перед разрезанием, такая как заморозка, дегидрация, помещение в смолу или парафин или декальцификация, в отличие от традиционной технологии резки или нарезки ломтиками. Поскольку объем полостей по существу ограничен размером лазерного пятна, которое может быть сделано очень маленьким, как детально описано выше, и поскольку термическое повреждение материала, окружающего полости, не провоцируется, могут достигаться аккуратные и строго определенные линии резки и/или плоскости резки. Кроме того, способ по изобретению может быть использован для создания отверстий и желобков с точно определенной формой и размерами в любом пищевом материале.
Предпочтительно способ по изобретению дополнительно содержит этап разделения разрезанного пищевого материала по линии резки или плоскости резки. В некоторых вариантах осуществления к нарезанному пищевому материалу прилагают дополнительное внешнее усилие (помимо силы тяжести) для его полного отделения. Благодаря высокому уровню точности настоящий способ позволяет контролировать разделение (резку, нарезку ломтиками и т.п.) пищевого материала с точностью в пределах мкм. Более того, способ по настоящему изобретению позволяет избежать проблем, связанных с традиционной технологией резки, нарезки ломтиками или измельчения, таких как выделение большого количества теплоты трения, провоцирующей термическое повреждение пищевого материала, поскольку в способе по настоящему изобретению отсутствует термическое повреждение, индуцированное вне поверхности зоны полости (или линии/плоскости разреза). Таким образом, даже мелкие частицы пищевого продукта, такие как сахар, альтернативы сахару или кристаллы соли, могут быть точно разрезаны и отформованы, без генерации мелкой фракции частиц (остатков, обрезков), как при традиционных технологиях. Размер частиц пищевого материала, форма и геометрия могут контролироваться в масштабе мкм, в то же самое время позволяя проводить обработку различных пищевых продуктов. Благодаря высокому уровню точности и контролю настоящий способ может быть с пользой применен для получения множества равномерно отформованных частиц пищевого продукта, например сахара, альтернатив сахару или кристаллов соли с идентичными формами и/или размером частиц.
Например, настоящий способ может быть использован для контролируемой резки или измельчения частиц сахара (или альтернатив сахару, таких как искусственные подсластители), без образования аморфных слоев в сахаре, поскольку, по существу, тепло не генерируется, вне зоны резки. Резка или измельчение частиц сахара таким образом обладает различными преимуществами. Во-первых, очень низок риск образования какого-либо нежелательного вкуса у прошедших обработку частиц. Во-вторых, частицы сахара с четко определенной формой и размером могут, например, быть использованы в высококонцентрированных суспензиях, например в кондитерских изделиях, для снижения калорийности материала, поскольку для достижения, по меньшей мере, аналогичных реологических свойств и сеньориальном восприятии, таких как ощущение во рту при потреблении и вкус, появляющийся во время жевания, требуется меньше жировой фазы. Превышение требуемого минимального количества для формирования молекулярных сольвентных фаз на таких разрезанных или измельченных частицах позволяет контролировать общую кремовость пищевого продукта, сохраняя при этом добавление жира на очень низком уровне. В частности, настоящий способ может быть использован для получения единичных частиц с текстурированными поверхностями для изменения межфазового поверхностного натяжения для снижения количества жира, требуемого для получения поверхности частиц, полностью покрытых монослоем. Более того, общее восприятие сладости продукта может быть изменено за счет особенностей текстуры. В дополнение, если частицы гигроскопичного сахара нарезают или измельчают точно контролируемым способом, свойства их материала, такие как температура плавления и тому подобное, могут быть контролируемо изменены. Кроме того, кристаллы сахара или соли могут быть разрезаны или измельчены таким образом, чтобы иметь заданную геометрическую форму, такую как куб. Затем такие точно разрезанные или измельченные кристаллы могут быть использованы в качестве затравки кристаллов для выращивания более крупных кристаллов с кристаллической структурой, которая значительно улучшена за счет снижения дефектов, брака, загрязнений.
С другой стороны, настоящий способ может также быть преимущественно применен к пищевым материалам более крупного размера, таким как орехи, какао-бобы, фрукты или овощи. Например, способ может быть использован для получения очищенной поверхности орехов для того, чтобы препятствовать перемещению масла из внутренней части ореха на его поверхность. Таким образом, можно избежать формирования жирового поседения, и орехи могут быть защищены от высыхания, что продляет срок их сохранности. Дополнительно способ может быть применен для очистки от кожуры и резки фруктов и овощей, таких как салат. Если, например, листья салата нарезать с использованием способа по настоящему изобретению, ткани салата, расположенные вблизи зоны резки, остаются неповрежденными после нарезки, что позволяет таким образом избежать образования коричневых краев.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть пищевого материала, подлежащего обработке, была оптически прозрачна при длине волны лазерного луча.
В этом случае сфокусированное лазерное пятно может быть расположено таким образом, что оно лежит в теле пищевого материала, то есть внутри пищевого материала, под его поверхностью. При таком подходе пищевой материал, подлежащий обработке, может быть безупречно разрезан внутри его тела без необходимости разрезать его поверхность. Например, множество полостей может быть сформировано внутри пищевого материала для изменения его текстуры и/или консистенции (например, ощущение во рту при потреблении), оставляя поверхность неизменной. Кроме того, «невидимая» (то есть невидимая снаружи) линия или плоскость разлома может быть создана в пищевом материале, таком как плитка шоколада, выступая в роли заранее определенной зоны разлома. Такие линии могут быть использованы, чтобы направлять потребителя, например, для использования части, ассоциируемой с определенной калорийностью.
Предпочтительно длительность импульса находится в диапазоне от 1 до 800 фс, более предпочтительно в диапазоне от 1 до 400 фс. При более короткой длительности применяемого лазерного импульса или импульсов передается меньшее количество энергии пищевому материалу от импульсного лазера. Следовательно, уменьшение длительности импульса ведет к дополнительному увеличению точности, с которой полость может быть сформирована в пищевом материале. Это является по существу преимуществом в случае, когда обрабатывается пищевой материал, крайне восприимчивый к термическому повреждению.
Частота повторения последовательности лазерных импульсов предпочтительно находится в диапазоне от 1 до 1000 МГц. Частота повторения такого порядка позволяет проводить быструю обработку пищевых материалов, в частности, когда используется в комбинации с быстрым лазерным сканирующим устройством и/или блоком позиционирования.
Предпочтительно полость (полости) в пищевом материале создают при использовании фотораспада. Термин «фотораспад» обозначает процесс создания полости (пустого пространства) в материале посредством индуцирования оптического пробоя в зоне материала, подлежащей формированию полости. В особенности, свет высокой интенсивности в сфокусированном лазерном пятне провоцирует ионизацию атомов в материале в области пятна за счет нелинейных эффектов, таких как многофотонная или каскадная ионизация, таким образом создавая плазму в месте расположения пятна. Если плотность генерированных таким образом свободных электронов превышает заданное пороговое значение, происходит оптический пробой. Локально созданная плазма испускает энергию, хранившуюся в ней, в материал в область лазерного пятна, при этом упомянутый материал разрушается и формируется полость. Процесс фотораспада является очень локализованным процессом, который по существу ограничен зоной сфокусированного лазерного пятна. Следовательно, образование полости (или линии/плоскости разреза, образования отверстия) за счет фотораспада позволяет сделать это с высокой степенью точности без провоцирования какого-либо термического повреждения материала, окружающего полость (или линию/плоскость разреза, образования отверстия).
В одном варианте осуществления способа по настоящему изобретению, по меньшей мере, часть пищевого материала, подлежащего обработке, имеет плоскую и ровную поверхность. Термин «ровная» обозначает плоскую поверхность с низкой степенью шероховатости, такой как пиковая величина впадины (расстояние между самой высокой и самой глубокой неровностью поверхности) не более чем 4 мкм, и значение RMS (среднеквадратичное значение; среднее квадратичное отклонение относительно поверхности) не более чем 2 мкм (например, для кубика сахара с длиной края 20±2 мкм). Такая геометрия пищевого материала позволяет точно расположить сфокусированное лазерное пятно как на поверхности, так и в теле пищевого материала и тщательно контролировать его точные размеры. В этом случае можно избежать сложностей, таких как ухудшение фокуса из-за негомогенной абсорбции света, отражения, дифракции или рассеяния, которые могут возрастать в случае пищевого материала с неровной или шероховатой поверхностью. Более того, жидкость, такая как иммерсионное масло, может быть применена к поверхности части пищевого материала, подлежащего обработке, для заполнения впадин или желобков поверхности и тем самым дополнительно сглаживает поверхность. Такая жидкость дополнительно может иметь хорошие свойства согласования показателей преломления для согласования показателя преломления пищевого материала, подлежащего обработке, минимизируя таким образом потери из-за рассеяния и отражения света.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть пищевого материала, подлежащего обработке, демонстрировала по существу отсутствие отверстий малого диаметра в материале и/или имела поверхность по существу без дефектов и/или недостатков. Такая конфигурация пищевого материала позволяет дополнительно улучшить контроль и точность этапа обработки.
Предпочтительно, чтобы пищевой материал, подлежащий обработке способом по изобретению, представлял собой сахар, или соль, или орех, или какао-боб, или фрукт, или шоколад, или сухое молоко, или салат, или мороженое. В этом случае многочисленные положительные эффекты и различные возможные применения настоящего способа уже были объяснены выше. С другой стороны, способ по изобретению не ограничивается этими материалами, но может, как правило, быть преимущественно применен к любому типу пищевого материала, такому как шелуха какао, мясо, сыр, рыба или замороженные пищевые продукты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Здесь и далее не ограничивающие примеры и результаты экспериментов способа по изобретению объяснены со ссылкой на Фигуры, на которых:
Фиг.1 - схематическое изображение в поперечном разрезе установки, используемой для применения способа в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления.
Фиг.2 - изображение OCT (оптической когерентной томографии) образца пищевого продукта (кусковой сахар) перед резкой;
Фиг.3 - изображение OCT образца пищевого продукта с Фиг.2 после резки с использованием способа в соответствии с вариантом осуществления по Фиг.1;
Фиг.4 - изображение OCT другого образца пищевого продукта (кусковой сахар) после резки с использованием способа в соответствии с вариантом осуществления по Фиг.1;
Фиг.5 - изображение SEM (сканирующая электронная микроскопия) другого образца пищевого продукта (кусковой сахар) после резки с использованием способа в соответствии с вариантом осуществления по Фиг.1;
Фиг.6 - изображение SEM с большим увеличением образца пищевого материала по Фиг.5;
Фиг.7 - изображение SEM другого образца пищевого продукта (кусковой сахар) после резки с использованием способа в соответствии с вариантом осуществления по Фиг.1; и
Фиг.8 - изображение SEM с большим увеличением образца пищевого материала по Фиг.7.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 показывает схематическое изображение в поперечном разрезе установки, используемой для применения в способе в соответствии с настоящим предпочтительным вариантом осуществления. Установка включает коммерчески доступный лазерный микротом 10 (лазерный микротом LMT F14 от Rowiak GmbH) и держатель 14 образца. Образец 12 пищевого материала, который в этом варианте осуществления представляет собой кусочек кускового сахара, помещается в держатель 14 образца с нанесенным слоем иммерсионного масла между образцом 12 и держателем 14 для оптической адаптации. Традиционное устройство OCT (оптический когерентный томограф) («Spectral Radar» от Thorlabs HL), который не показан на Фиг.1, используется для получения изображения образца 12 кускового сахара от стороны, то есть в направлении, перпендикулярном плоскости x-z (смотрите Фиг.1), перед и после проведения резки. Параметры устройства OCT используемого при получении изображения следующие: длина волны около 930 нм, частота изображения 1 Гц, аксиальное и боковое разрешение (то есть по оси z и x, см. Фиг.1) от 4 до 6 мкм, и размер изображения 1024×512 пикселей. Кроме того, традиционный сканирующий электронный микроскоп (не показан на Фиг.1) применяется для получения изображения поверхности образца кускового сахара, параллельной плоскости держателя 14 образца. Лазерный микротом 10 производит импульсный лазерный луч 16 с длиной волны около 1030 нм и сфокусированным лазерным пятном 18. Образец 12 кускового сахара оптически прозрачен при этой длине волны лазера. Перед резкой образец 12 кускового сахара может быть отполирован, например, с использованием тонкой абразивной бумаги для того, чтобы создать плоскую и ровную поверхность, позволяющую получить точное расположение сфокусированного лазерного пятна и осуществлять тщательный контроль его размера во время этапа резки.
Образцы кускового сахара на Фиг.3 и 4 непрерывно разрезаны вдоль оси x с сфокусированным лазерным пятном 18, расположенным в теле образца 12 (смотрите Фиг.1). В процессе резки лазерное пятно 18 передвигается по образцу 12 посредством использования лазерного сканирующего устройства, которое является частью лазерного микротома 10, подробно не показано на Фиг.1, с получением в результате «планарной» линии 20 резки, которая лежит полностью в плоскости образца, параллельной держателю 14 образца (Фиг.1). В принципе, способ по настоящему изобретению может быть использован для создания всех типов линий или плоскостей резки с различной геометрией с высокой степенью точности. Пример такой различной геометрии, а именно «туннельная» линия или плоскость резки (20', см. Фиг.1), будет объяснен ниже со ссылкой на Фиг.5-8. Формирование полости и, следовательно, также формирование линий (плоскостей) 20, 20' резки в образцах 12 кускового сахара основывается на физическом процессе фотораспада, которые выше объяснены детально. Для резки образцов 12 кускового сахара, показанных на Фиг.3 и 4, длительность лазерного импульса составляет около 350 фс, и частота повторения 10 МГц. Мощность луча во время резки составляет около 1 Вт и скорость резки составляет около 1,5 мм/с. Толщина линии 20 резки в направлении оси z выбрана равной 75 мкм (Фиг.3) и 50 мкм (Фиг.4) соответственно. В процессе резки в образце 12 наблюдается желтое свечение, которое вызвано образованием плазмы по причине того, что пищевой материал 12 разрезают за счет фотораспада.
OCT изображения, показанные на Фиг. 2-4, перевернуты по сравнению с представлением геометрии установки, показанной на Фиг.1, так что нижняя сторона Фиг.2-4 является стороной, откуда импульсный лазерный луч 16 входит в образец 12.
OCT изображение образца 12 кускового сахара перед резкой приведено на Фиг.2. Поверхность 22 держателя 14 образца и поверхность 24 образца 12 кускового сахара может быть четко определена.
На Фиг.3 приведено OCT изображение образца 12 кускового сахара с Фиг.2 после резки, проведенной установкой с геометрией, приведенной на Фиг.1, при использовании способа и параметров, детально указанных выше. Линия 20 резки (толщина 75 мкм) сформирована в теле образца 12 кускового сахара непосредственно под его поверхностью 24, что подтверждено светлой линией 20 на OCT изображении, которая по существу параллельна поверхности 22 держателя 14 образца. Сравнение Фиг.3 с Фиг.2 показывает, что материал сахара под линией 20 резки, то есть материал, через который проходит импульсный лазерный луч 16 для резки 20 линии, по существу неизменен, что указывает на отсутствие нанесения повреждений этому материалу в процессе резки.
На Фиг.4 приведено OCT изображение другого образца кускового сахара после резки, проведенной с использованием той же геометрии, способа и параметров, как на Фиг.3, за исключением толщины линии резки (здесь 50 мкм). Как в случае Фиг.3, линия 20 резки, сформированная в теле образца кускового сахара непосредственно под его поверхностью 24, может быть четко определена (светлая линия 20 на Фиг.4).
На Фиг.5-8 приведены SEM (сканирующий электронный микроскоп) изображения двух дополнительных образцов кускового сахара после резки с использованием способа в соответствии с вариантом осуществления по Фиг.1 с длительностью лазерного импульса около 400 фс и частотой повторения импульса 10 МГц. Геометрия используемой установки по существу такая, как на Фиг.1, только с тем отличием, что лазерный луч 16 был показан на образце изнутри через держатель 14 образца. Поскольку держатель 14 образца - стеклянная пластина, которая является прозрачной для лазерного света при длине волны, используемой для процесса резки (1030 нм).
Как указано выше, образец, приведенный на Фиг.5 и 6, и образец, приведенный на Фиг.7 и 8, были разрезаны иначе, чем образцы на Фиг.3 и 4, а именно с «туннельной» линией или плоскостью 20' резки. Как схематично показано на Фиг.1, такая туннельная плоскость 20' резки содержит горизонтальную часть, по существу параллельную к плоскости держателя 14 образца, и две вертикальные части, по существу перпендикулярные к горизонтальной части и соединенные с ней. Посредством применения такой геометрии резки четко определенные структуры могут быть отрезаны и отделены от образца. В этом случае может быть быстро и эффективно получено множество равномерно отформованных частиц пищевого продукта с идентичными размерами и/или формами, такими как кубики или плитки. На Фиг.5-8 показаны совокупности вертикальных частей таких плоскостей 20' резки, где эти части имеют глубину (вдоль оси z, см. Фиг.1) 30 мкм, проходя от поверхности образца в тело образца, и расположены параллельно друг другу.
На Фиг.6 и 8, которые имеют большее увеличение, чем Фиг.5 и 7, видно наличие выступающих или «выпирающих» частей 26 образца, граничащих с вертикальными частями резки, демонстрирующее, что в этих зонах материал удален из-под поверхности образца в процессе резки без повреждения вышележащих слоев образца, и, таким образом, указывающее на наличие части резки горизонтального туннеля.
Как видно из Фиг.2-8, способ по настоящему изобретению может использоваться для резки образцов 12 прозрачного пищевого материала внутри тела с высокой степенью точности и без повреждения материала, окружающего линию (плоскость) 20, 20' резки или поверхность 24 образца 12. На Фиг.5-8 дополнительно показано, что настоящий способ подходит для создания в образце совокупностей линий и/или плоскостей 20' резки, имеющих четко определенную геометрию, с высокой степенью точности. Таким образом, способ, например, может быть преимущественно применен для эффективного и быстрого производства множества равномерно отформованных частиц пищевого продукта с идентичными размерами и/или формами.