Decontamination by ultrasound application in fresh fruits and vegetables

Abstract
Changes in consumer eating habits, health concerns, and convenient and practical foods have led to an increased demand for fruit and vegetable products. Food safety is essential considering that there are reports of outbreaks involving the consumption of fruits and vegetables contaminated with pathogens. Washing associated with sanitizer procedure is considered as a critical step to satisfy hygienic and sanitary requirements and maintain the sensory and nutritional characteristics of fruits and vegetables. Chemical compounds are widely applied to clean and sanitize fresh fruits and vegetables, and some of these chemicals, such as the inorganic chlorine compounds, produce by-products that are dangerous to human health. The use of ultrasound is a technology that is gaining ground in the food industry. Ultrasound is a form of energy generated by sound waves at frequencies that are too high to be detected by the human ear. In ultrasound, the removal of dirt and food residues from surfaces and the inactivation of microorganisms occur as a consequence of cavitation, which is the formation, growth and collapse of bubbles that generate a localized mechanical and chemical energy. There are indications that this technology can be used in the food industry, alone or associated with chemical sanitizers. In this paper, we discuss the principles, mechanisms and effects of ultrasound on fruits and vegetables as a sanitization technology.

Keywords
Ultrasound, FruitsVegetables, Food quality

ضد عفونی توسط کاربردهای اولتراسوند (فراصوت) در میوه ها و سبزیجات تازه

چکیده
تغییر در عادات غذایی مصرف کننده، نگرانی های بهداشتی، و غذاهای مناسب و عملی خود به افزایش تقاضا برای میوه و محصولات سبزی منجر شده است. ایمنی مواد غذایی با توجه به اینکه گزارش از شیوع بیماری های مربوط به مصرف میوه ها و سبزیجات آلوده به عوامل بیماری زا وجود دارد، ضروری است. شستشو مرتبط با روش پاک کننده برتری به عنوان یک قدم مهم برای برآوردن نیازهای بهداشتی و سلامتی و حفظ ویژگی های حسی و تغذیه ای میوه ها و سبزیجات در نظر گرفته شده است. ترکیبات شیمیایی به طور گسترده ای برای تمیز کردن و نظافت میکروبی میوه و سبزیجات تازه، و برخی از این مواد شیمیایی، مانند ترکیبات کلر غیر آلی، تولید محصولات برای سلامت انسان خطرناک اعمال شده است. استفاده از فراصوت تکنولوژی ای برای کسب زمینه ای در صنایع غذایی است. فراصوت شکلی از انرژی تولید شده توسط امواج صوتی در فرکانس هایی است که بیش از حد بالا توسط گوش انسان تشخیص داده شود می باشد. در فراصوت، حذف خاک و مواد غذایی باقی مانده از سطوح و غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها به عنوان یک نتیجه از حفره سازی است که شکل گیری، رشد و فروپاشی حباب به تولید انرژی مکانیکی و شیمیایی موضعی رخ می دهد. نشانه هایی وجود دارد که این تکنولوژی را می توان در صنایع غذایی، به تنهایی و یا همراه با ضد عفونی شیمیایی استفاده نمود. در این مقاله، ما در مورد اصول، مکانیسم ها و اثرات فراصوت بر میوه ها و سبزیجات به عنوان یک تکنولوژی مایع بحث می کنیم.

1. مقدمه
مصرف فزاینده میوه ها و سبزیجات به نگرانی در مورد افزایش با کیفیت بالا از جنبه های تغذیه ای، حسی و میکروبیولوژیکی از مواد غذایی منجر شده است (چیمت، زیل-هما، و خان، 2011 ، فاوا و همکاران، 2011؛ مارتینز- سانچز، آلنده، بنت، فریرز، و گیل، 2006؛ پلازا و همکاران، 2011؛ واندکیندرن و همکاران، 2009). ایمنی و کیفیت شرایط مهمی در صنعت مواد غذایی می باشد. به تازگی، علاقه زیادی به استفاده از روش های جدید برای اطمینان از حفاظت از مواد غذایی بدون استفاده از مواد افزودنی و نگهداری از ارزش غذایی مواد غذایی و جنبه های حسی با مصرف انرژی پایین، در هزینه های رقابتی و با استفاده از محصولات محیط دوستانه با درجه بالایی ایمنی وجود دارد.
برای به حداقل رساندن خطر ابتلا به آلودگی میکروبی، منابع بالقوه باید شناسایی شده، و اقدامات پیشگیرانه خاص باید اجرا شوند. برای آماده سازی خوردن میوه ها و سبزیجات، تولید باید تمیز، امن، و عاری از باقیمانده خاک، حشرات، فلزات و علف های هرز باشد. میوه و سبزی باید به دقت قبل از پردازش تمیز شده باشد به دلیل اینکه برش تازه تولید مواد رشد کرده در تماس با خاک و بدون هیچ گونه رفتار ضد میکروبی پردازش شده است.
گنجاندن یک مایع شستشو و مراحل قبل از برش و در طول پردازش موثر، خطر پاتوژن و مانده آلودگی در میوه ها و سبزیجات از شرایط برداشت را کاهش می دهد. در طول مایع، میوه ها و سبزیجات به یک رفتار موثر برای از بین بردن و یا کاهش تعداد در معرض میکروارگانیسم های بیماری زا، بر کیفیت، ایمنی محصول مؤثر می باشد. اثر شستشو برای حذف ناخالصی های خاک و آلودگی میکروبی مربوط به عوامل متعددی، از جمله فساد مواد اولیه، مدت زمان شستشو، درجه حرارت آب، روش شستشو (فرو بردن، شستشو، و یا فرو بردن / دمیدن)، نوع و غلظت پاک کننده برتر و نوع میوه های تازه، قطع و یا نباتی بستگی دارد. انتخاب یک پاک کننده برتر برای میوه و سبزیجات تازه برای مصرف خام مهم است، و در نتیجه محصول انتخاب شده نه تنها باید در از بین بردن میکروارگانیسم های بیماری زا موثر باشد بلکه آن نیز باید از نقطه نظر سم شناسی امن باشد.
در حال حاضر، عملیات تجاری از رفتار شستشو با عوامل ضد میکروبی به عنوان تنها گام برای کاهش جمعیت میکروبی در میوه ها و سبزیجات تازه می باشد. مطابق با اصول بهداشتی با راه حل های شیمیایی، ممکن است شامل کلرین، در درجه اول ایمنی و حفاظت این محصولات را تحت تاثیر قرار دهد (آلنده، سلما، لوپز-گالوز، ویلسکاس، و گیل، 2008 اوترا، و سیما-گاندرا، 2011، رویز-کروز، فلیکس، دیاز-سینگو، ایسلاس-اوسونا، و گونزالس-آگویلار، 2007؛ وندکیندرن و همکاران، 2009).
با این حال، ترکیبات کلر خورنده هستند و باعث ناراحتی پوست و دستگاه تنفسی عرضه کنندگان مواد غذایی می باشد (آلوارو و همکاران، 2009؛ فاوا و همکاران، 2011؛ پرز -گرگوریا در و همکاران، 2011؛ وندکیندرن و همکاران، 2009). هیپرکلرورین آب غلظت بالایی از تری هالومتان تولید کرده (تری کلرومتان، برومودی کلرومتان، دی بروموکلرومتان، تری برومومتان و کلروفرم) و سایر مواد ضد عفونی کننده محصولات به طور بالقوه سرطان زا هستند (فاوا و همکاران، 2011؛ ریکو، مارتین-دیانا، برات، و باری- رایان، 2007 . رویز-کروز، فلیکس، و همکاران 2007،. سلما، ایبانز، آلنده، کانتول، و سوسلوو، 2008؛ پرز از-گرگوریا در و همکاران، 2011؛. وندکیندرن و همکاران، 2009). ترکیبات کلر بر نگرانی های زیست محیطی متمرکز بوده است، و برخی از گروه های زیست محیطی فسخ استفاده از این محصولات در سراسر جهان پیشنهاد کرده اند. در کشورهای اروپایی، مانند هلند، سوئد، آلمان و بلژیک، استفاده از کلر در محصولات سبزی حداقل پردازش شده ممنوع است (پرز از-گرگوریا در و همکاران، 2011؛ ریکو و همکاران، 2007). مطالعات بر روی پاتوژن در حال ظهور است که می تواند مقاوم به ترکیبات کلر، که نگرانی بیشتر در مورد اثربخشی و استفاده از کلر در صنعت مواد غذایی با حداقل پردازش نیز وجود دارد (آلنده و همکاران 2008،؛ آلوارو و همکاران، 2009).
در سال های اخیر، فن آوری های در حال ظهور، مانند فشار بالا، میدان الکتریکی پالسی، آب الکترولیز، تابش، رفتار ازن و فراصوت، به طور گسترده برای استفاده در صنایع غذایی مورد مطالعه قرار گرفته است. ارزیابی مطالعات استفاده از فراصوت در علوم و صنایع غذایی به دلیل اثرات امیدوار کننده آن در فرآوری و حفظ مواد غذایی گسترش یافته است (ادکونتی، تیواری، کالن، و همکاران، 2010. ادکونتی، تیواری، اسکنل، کالن، و ادانل، 2010؛ ارزنی و همکاران، 2012؛ بیرمپا، اسفیکا، و واتاکاریس، 2013 ، کامرون، مک مستر، و بریتز، 2008؛ کائو و همکاران 2010؛ چی مت و هوآرو، 2004؛ فاوا و همکاران، 2011؛ گابریل، 2012. کنور، زنکر، هاینز، و لی، 2004؛ موتیب، ژانگ، نصور-آتندا، و وانگ، 2011؛ ناسکیمنتو از همکاران 2008؛ پاتیل، بورکی، کلی، فریس، و کالن، 2009؛ سائو خوزه و وانتی، 2012. سیمور، بورفوت، اسمیت، کاکس، و وود، 2002؛ سوریا و ویلامیل، 2010؛ تیواری، پاتراس، برانتون، کالن، و ادانل، 2010). در این زمینه، این بررسی بر روی استفاده از فراصوت در میوه ها و سبزیجات متمرکز است.
2. تاریخچه فراصوت
فراصوت با اهداف مختلف، از جمله ارتباطات با حیوانات، محل نقص در ساختمان های بتنی، سنتز شیمیایی و تشخیص و یا رفتار بیماری استفاده می شود (دولاتوسکی، استادنیک، و استاسیک، 2007؛ میسون، 2003). کشف فراصوت با پیر کوری در سال 1880 در مطالعات خود از اثر پیزو الکتریک بود(شانکار و پاگل، 2011). در سال 1894، تورنیکرافت و بارانابی مشاهده کرده است که ارتعاشات در نیروی محرکه موشک های پرتاب شده توسط یک ناوشکن، که حباب انفجار و یا حفره در آب تولید کرده، و یک پدیده شناخته شده به عنوان حفره تولید شده است (مارتینز، داولوس، و تاریخ، 2000).
قبل از جنگ جهانی دوم، برنامه های کاربردی از فراصوت برای طیف وسیعی از فن آوری ها، از جمله روش های تمیز کردن سطح توسعه یافته بودند. در سال 1960، تکنولوژی فراصوت نیز در تمیز کردن و جوش پلاستیک تاسیس و مورد استفاده قرار گرفته بود (میسون، 2003). با وجود برنامه های کاربردی متنوع و توسعه بزرگ، علم فراصوت هنوز به عنوان یک تکنولوژی اخیر می باشد. شصت سال پیش، روش فراصوت با شدت کم برای توصیف مواد غذایی مورد استفاده قرار گرفت، اما آن به تازگی عامل بالقوه روش ارزیابی شده است (دولاتوسکی و همکاران، 2007؛ اولوسوی، کولاک، و هامپیکیان، 2007).
3. اصول فراصوت
فراصوت شکلی از انرژی تولید شده توسط امواج صوتی در فرکانس های بیش از حد بالا است که توسط گوش انسان تشخیص داده می شود. این امواج در یک منطقه از طیف صدا است که به سه بخش اصلی تقسیم می شود: مادون صوت (V <16 هرتز)، صدا باند (16Hz 16 کیلو هرتز). گروه فراصوت نیز به فرکانس پایین (16 kHz < v < 1 MHz) و فرکانس بالا (V> 1 مگاهرتز) باند تقسیم شده است. باند فراصوت با فرکانس بالا معمولا برای مقاصد تصویربرداری پزشکی و صنعتی استفاده می شود (بوتز و تاچر، 2002 مورد استفاده قرار دولاتوسکی و همکاران، 2007؛ کنتیش و آشوکومار ، 2011؛ لدلی و ویلیامز، 2006؛ سالا، راسو، پاگان، و کاندون، 1998).
فراصوت را می توان با مقدار انرژی مورد استفاده طبقه بندی نمود: قدرت صدا (W)، شدت صوت (M2 W) و چگالی انرژی صدا (WS M3) مهمترین اقدامات مورد استفاده برای طبقه بندی برنامه های کاربردی فراصوت قابل ذکر است (کنوور و همکاران. 2004). برنامه های کاربردی فراصوت به انرژی کم (قدرت کم یا با شدت کم) و با انرژی بالا (قدرت بالا و یا با شدت بالا) فراصوت طبقه بندی شده است (کنتیش و آشوکومار، 2011).
گروه های کم مصرف شامل فرکانس های بالاتر از 1 مگاهرتز و این امواج مافوق صوت باعث هیچ تغییرات فیزیکی یا شیمیایی در خواص مواد است که از طریق آن موج می گذرد. فراصوت کم انرژی اثر غیر مخرب و اطلاعات مربوط به خواص فیزیکی مواد غذایی، مانند ترکیب، ساختار و وضعیت جسمانی خود را فراهم می کند (کنوور و همکاران 2004؛. لدلی و ویلیامز، 2006). فراصوت با قدرت بالا شامل فرکانس های بین 18 کیلو هرتز و 100 هرتز می تواند اثرات فیزیکی، مکانیکی و یا شیمیایی، مانند اختلال فیزیکی و شتاب واکنش های شیمیایی خاص داشته باشد (گل محمدی، مولر، پاور، و نیندو، 2013، جایاسوریا ، بهنداری، تورلی ، و دارسی، 2004؛ میسون، 2003؛ سائو خوزه و وانتی، 2012).
فراصوت با شدت بالا برای سال های بسیاری برای تولید امولسیون، سلول مختل و پراکنده مواد جمع استفاده می شود. عرصه های گوناگون به منظور توسعه بالقوه آینده شناخته شده است، به عنوان مثال، تنظیم و کنترل پروسه های تبلور، اندازه گیری بافت، گرانروی و محتوای جامدات و مایعات،گاززدایی از مواد غذایی مایع، غیر فعال سازی آنزیم ها، افزایش خشک کردن، تصفیه و القاء واکنش های اکسیداسیون و غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها (کنوور و همکاران 2004؛ سوسلیک و همکاران، 1999). مزیت استفاده از فراصوت یک نتیجه اثرات مختلف بر محیط است که از طریق آن منتقل شده است (دولاتوسکی و همکاران، 2007).
فراصوت یک تکنولوژی مورد استفاده در صنعت الکترونیک برای ضدعفونی سطوح بوده و برای استفاده در صنایع غذایی توصیه می شود (کائو و همکاران، 2010؛ چن و زو، 2011. دولاتوسکی و همکاران، 2007؛ کنتیش و آشوکومار، 2011، ناسکیمنتو و همکاران، 2008؛ پاتیست و بیتس، 2008). اثر فیزیکی را می توان عمل اصلی دانست که درگیر در مرگ سلولی میکروبی است. با این حال، مشخص شده است که تولید ترکیبات واکنش پراکسید هیدروژن می تواند به عنوان ترویج اختلال میکروبی باشد (گائو، لوئیس، آشوکومار، و هامر، 2014).
در پردازش مواد غذایی، فراصوت با شدت بالا در فرکانسهای پایین، 20 تا 100 کیلو هرتز، در غیر فعال سازی میکروارگانیسم مفید است (پایئسنا، محاربه، و مک کللر، 2003). هنگامی که از طریق یک ساختار بیولوژیکی تبلیغ، ترویج فراصوت فشرده سازی و گسترش ذرات متوسط، و منجر به تولید مقدار زیادی از انرژی می شود (بوتز و تاچر، 2002؛ دولاتوسکی و همکاران، 2007؛ کنتیش و آشوکوما و همکاران ، 2011 ؛ایئسنا و همکاران، 2003).غیر فعال کردن میکروارگانیسم ها در نتیجه حفره است. (گوگات ، 2011 و راستوجی، کابادی، 2009) حفره سازی (شکل 1) شکل گیری، رشد و فروپاشی حباب که به تولید انرژی مکانیکی و شیمیایی موضعی است.

هنگامی که امواج فراصوت از میان یک محیط مایع عبور می کند، ارتعاشات مکانیکی و جریان های صوتی در داخل مایع تولید می شود. رسانه های مایع می تواند شامل گاز حل شده، و آنها می توانند گسترش، ترویج تشکیل حباب و سقوط از طریق فراصوت شود (کنتیش و آشوکومار، 2011). علاوه بر این، حوادث سقوط خشونت در طول حفره گذرا و مکرر رخ می دهد و می تواند درجه حرارت بسیار زیاد موضعی (5500 K) و فشار (1000 مگاپاسکال)، و یا لکه های به اصطلاح گرم تولید و انتشار این رادیکال های آزاد به عنوان یک نتیجه از تفکیک بخار به دام افتاده در حباب است. وقوع نقاط داغ در مدت زمان محدود می باشد (کنوور و همکاران، 2004؛ گابریل، 2012 راستوجی، 2011 راینر، نوکی، کرونین، مورگان، لینگ، 2009). مهم است که در مورد نقاط داغ بحث شود چرا که اگر شرایط رفتار به خوبی تنظیم نشده به جای برای رسیدن به یک ضد عفونی ایمن، بدون صدمه به گیاه، می تواند به دست آوردن سلول گیاهی پارگی که در از دست دادن اصلی کیفیت محصول بررسی نقطه اوج است (سائو خوزه و وانتی، 2012).
افزایش تغییرات دما و فشار می تواند بسیاری از تغییرات شیمیایی را در هر دو فاز بخار در داخل حباب کاویتاسیون و مایع اطراف القاء کند (کنتیش و آشوکومار؛ 2011، پایئسنا و همکاران، 2003). این پدیده همچنین تولید میکروسیرکولاسیون-تلاطم می باشد. انفجار از داخل نامتقارن هستند که در نزدیکی سطح جامد تولید، ایجاد یک میکروجت که بازدید خوب (کارسل و همکاران، 2012)، و این تغییرات به مکانیزم مورد استفاده برای تمیز کردن سطوح است (برمودز-آگور، موبز، و باربوسا-کانوواس ، 2011؛ گوگات و کابادی، 2009؛ پایئسنا و همکاران، 2003؛ راستوجی، 2011). مقدار انرژی آزاد شده توسط حفره به روند رشد و فروپاشی حباب بستگی دارد. احتمالا این میکروجت به حذف سلول باکتری در سطوح میوه و سبزی کمک می کند. این واقعیت می تواند به دلیل جمعیت بالاتر از باکتری ها و تولید ایکسوپلی ساچاریدز مانع از راه حل های ضد عفونی رخ دهد (سائو خوزه و وانتی، 2012).
فراصوت به تنهایی می تواند ضد عفونی کننده قدرتمند باشد، اما استفاده از آن برای مقیاس بزرگ میکروبیولوژیکی ضد عفونی کننده باید بیشتر ارزیابی شود، و در ترکیب با سایر فن آوری ها، آن حتی می تواند نتایج بسیار عالی ارائه دهد (جویس، فیول، لوریمر، و میسون، 2003). استفاده از فراصوت به صورت جداگانه و یا در ترکیب با پراستیک اسید در از بین بردن باکتری سالمونلا از سطح گوجه فرنگی گیلاس موثر بوده است (سائو خوزه و وانتی، 2012). استفاده از فراصوت نیز در عدم تجمع بیوفیلم و غیر فعال از میکروارگانیسم ها، می تواند در حفظ مواد غذایی کمک کند. شکل. 2 نشان می دهد که فراصوت می تواند سلول های سالمونلا تیفی موریوم را در سطح گوجه فرنگی گیلاس حذف شده است.
امواج التراسونیک انفجار از داخل حفره در محیط مایع تولید و توزیع می کند. انرژی در طول حفره منتشر اجازه می دهد تا سطوحی که بطور معمول دشوار است دسترسی با استفاده از دیگر روش های تمیز کردن را به توان رسید (گائو و همکاران، 2014). مشخص شده است که ضد عفونی شیمیایی گاهی اوقات در برابر میکروارگانیسم ها در حال حاضر در بیوفیلم یا محکم بر روی سطوح ناموفق است. در این مورد، روش های فیزیکی ممکن است مفید تر باشد. فراصوت یک روش سازگار و یکنواخت برای حذف آلاینده های است. استفاده از فراصوت در صنایع غذایی امیدوار کننده است زیرا یک بیوفیلم میکروبی می تواند بر روی سطوح میوه و سبزیجات رخ دهد.
فراصوت مزایایی از لحاظ هزینه، بهره وری و گزینش، زمان پردازش بهتر، بهبود کیفیت و کاهش آسیب های شیمیایی و خطرات فیزیکی ارائه می دهند. در حال حاضر، استفاده از این تکنولوژی توجه به نقش خود در سازگاری با محیط زیست بدون ایجاد آسیب به خود جلب کرده است، و بنابراین به مفهوم فناوری های سبز قابل اجرا است (چی مت و همکاران، 2011).
1.1. 3.1 نسل قدرت فراصوت
سیستم های قدرت فراصوت متشکل از سه بخش اصلی هستند: ژنراتور برق، مبدل و روابط/ امیتر (موتیب و همکاران، 2011). ژنراتور الکتریکی منبع انرژی برای سیستم فراصوت است. بیشترین ژنراتور اجازه می دهد که قدرت به طور مستقیم از طریق ولتاژ در تنظیمات فعلی مجموعه است. این ژنراتور معمولا برای تمیز کردن صنعتی، کاربردهای رفتاری و ضد عفونی کننده طراحی شده است (لدلی و ویلیامز، 2006).
مبدل تبدیل انرژی الکتریکی از طریق ارتعاشات مکانیکی در فرکانس فراصوت است. نوع اصلی مبدل برای سنسورها شامل مایع ، مغناطوتنگشی و مبدل فیزوالکتریک می باشد (برمودز-آگور و همکاران، 2011). مبدل سنسورهای مایع در سراسر یک تیغه فلزی نازک، باعث ارتعاش در فرکانس های مافوق صوت است. با استفاده از این مبدل، به سرعت در حال متناوب اثرات فشار و حفره در مایع، که تولید یک درجه بالا از مخلوط کردن رخ می دهد. این دستگاه معمولا برای اختلاط و همگن استفاده می شود. مبدل برای سنسورهای مغناطیسی تجهیزات الکترومکانیکی که استفاده مغناطوتنگش، یک اثر به دست آمده از برخی از مواد فرومغناطیس است، که تغییر بعدی در پاسخ به استفاده از یک میدان مغناطیسی می باشد. محدوده فرکانس به طور معمول به زیر 100 کیلو هرتز محدود شده، و 60٪ از انرژی الکتریکی مجدد به انرژی صوتی به دلیل از دست دادن انرژی مشخص شده به دلیل گرما اختصاص داده شده است (لدلی و ویلیامز، 2006). مبدل سنسورهای پیزوالکتریک دستگاه الکترواستریکتیو که با استفاده از مواد سرامیکی هستند. عناصر پزوکرامیک رایج ترین و کارآمد ترین (80e95% انتقال به انرژی صوتی) مبدل می باشند (لدلی و ویلیامز، 2006). مبدل سنسورهای پیزوالکتریک قادر به مقاومت در برابر قرار گرفتن طولانی در معرض درجه حرارت بالا نیست، برای مثال، آنها می توانند دمای ℃ 85 این مبدل را نیز در تجهیزات تشخیص فراصوت مورد استفاده قرار دهند (راستوجی، 2011).
متصل و یا امیتر، که آن هم راکتور یا سلول مافوق صوت نامیده می شود، مسئول ساطع امواج اولتراسوند از مبدل به محیط است. مهم ترین اشکال از روابط مخروط/ کاوشگر می باشد (لدلی و ویلیامز، 2006).
1.2. 3.2 تجهیزات موجود
بسیاری از سیستم های اولتراسونیک در دسترس هستند که در درجه اول در طراحی ژنراتور برق، نوع مبدل و راکتور متفاوت به آن استفاده می شود. مبدل مافوق صوت (طراحی، فرمت و روش) یک متغیر مهم برای تعریف اثربخشی و کارایی می باشد. هر گونه تفاوتی بین طرح ها و برنامه های کاربردی آزمایشگاهی و پایلوت فراصوت می تواند نتایج مختلفی ایجاد نماید (برمودز-آگور و همکاران، 2011).
دو نوع مختلف از تجهیزات فراصوت معمولا در آزمایشگاه استفاده می شود: تمیز کردن حمام اولتراسونیک و پروب اولتراسونیک (کارسل و همکاران، 2012؛ چی مت و همکاران، 2011؛ موتیب و همکاران، 2011.).
فراصوت، تمیز حمام معمولا برای پراکندگی جامد، راه حل های گاززدایی و یا تمیز کردن مواد استفاده می شود (شکل 3). آنها برای واکنش های شیمیایی کمتر استفاده می شوند، اگر کاربرد آنها ارزان و آسان می باشد. ظرفیت های مختلف این تجهیزات در دسترس هستند. اندازه مخزن نمونه در محدوده 10-2500 (ائواد، 2011). حمام التراسونیک دارای مبدل واقع بر روی دیوار و یا پایه مخزن و انرژی مافوق صوت به طور مستقیم به مایع تحویل داده شده است. معمولا، این نوع فراصوت در حدود 40 کیلو هرتز عمل کرده و شدت بالا تولید در سطوح ثابت شده است. عمق مایع برای حفظ این شدت قابل توجه است و نباید کمتر از نیمی از طول موج فراصوت در مایع باشد. در حمام اولتراسونیک، فرکانس ها از طریق مکانیسم تولید یک میدان یکنواخت تر حفره را کاهش می دهد (کارسل و همکاران، 2012؛ چی مت و همکاران 2011).

در مورد پروب های آلتراسونیک و یا سیستم های مخروط، مخروط فلزی میله ای شکل برای تقویت و انجام قدرت بالا ارتعاش صوتی در محیط استفاده می شود. مخروط یا پروب اغلب نصف یا طول موج های متعدد طول دارند. افزایش در دامنه به شکل و تنوع در قطر مخروط بین چهره و صورت ساطع بستگی دارد. این سیستم به دلیل شدت مافوق صوت از یک سطح کوچک در افراطی از پروب منتشر شده قوی تر در نظر گرفته شده است، و کاوشگر را می توان به فلاسک واکنش غوطه ور نمود. با این حال، این سیستم تنها می تواند بر روی نمونه های با حجم کوچک استفاده شود، و توجه دقیق باید به سرعت در حال افزایش درجه حرارت از نمونه پرداخت شود (کارسل و همکاران، 2012؛. چی مت و همکاران، 2011)
با این حال، مطالعات آزمایشگاهی اقتباسی می تواند به برنامه های بزرگ مقیاس با استفاده از سیستم های حمام و فراصوت جریان اجازه دهد. بسیاری از سیستم های فراصوت برای استفاده در صنایع غذایی طراحی شده اند. به عنوان مثال، حمام فراصوت می تواند به عنوان یک راکتور برای جلوگیری از آلودگی متقاطع استفاده شود. سیستم التراسونیک برای مواد غذایی مایع است که از طریق یک لوله ارتعاشی گذشت استفاده می شود. انرژی صوتی تولید شده برای مبدل های متصل به خارج از لوله به طور مستقیم به مایع روان منتقل شده است (میسون، ریرا، ورست، و لوپز-بوئسا، 2005).
پردازش التراسونیک در حال تبدیل شدن به یک تکنولوژی مهم برای مواد غذایی با قابلیت تجاری مقیاس بالا و پاداش کافی در سرمایه گذاری می باشد. بسته به نوع کاربرد، انرژی مورد نیاز در هر لیتر از مواد (اغلب به عنوان کیلووات ساعت تعریف شده) شبیه به هر گونه تجهیزات دیگر در صنعت، مانند آنچه که مورد نیاز برای همگن است. علاوه بر این، به دلیل عدم وجود قطعات متحرک استفاده از تجهیزات آسان است (پاتیست و بیتس، 2008).
ریرا و همکاران. (2004) در مورد استفاده از فراصوت موجود در هوا بحث نموده و نتیجه گرفت که برنامه های کاربردی ارائه شده باید منبع بسیار قدرتمند و کارآمد باشد. این ممکن است یک گزینه برای میوه و سبزیجات که بسیار فاسد شدنی و باید در راه حل های غوطه ور نباشد.
لین، خو، و هو (2011) نوع جدیدی از قدرت بالا کامپوزیت مبدل فراصوت را به علت استفاده در ضرورت قدرت بالا رادیاتور اولتراسونیک با سطوح بزرگ پرتوزا و قدرت تمیز کردن اولتراسونیک ارائه کرده است. این مبدل دارای یک ساندویچ مبدل طولی، دو توده پایان فلز و فلز استوانه است که می تواند قدرت بالا امواج فرا صوت را به صورت طولی و در جهت شعاعی پرتو افکنی نماید.

1.3. عوامل مؤثر بر فراصوت در میوه و سبزیجات تازه
این مشخص شده است که میزان اثرات فیزیکی و شیمیایی رفتار فراصوت به شدت با دامنه امواج مافوق صوت، زمان قرار گرفتن در معرض، حجم پردازش، ترکیب مواد غذایی و درجه حرارت همراه است (آنانتا، ویجت، زنکر، هاینز، و کنوور، 2005؛ گومز -لوپز، اوسولانی، مارتینز-یپز، و تاپیا، 2010؛ کودا، میاموتو، توما، ماتسوکا، و مائبایاشی، 2009؛ پایئسنا و همکاران، 2003؛ صالح مک و رابرتز، 2007؛ سو، زیوانوویک، و دسوزا ، 2010؛ تیواری و همکاران، 2010).
بسته به نوع فرکانس و دامنه موج صدا استفاده و اعمال شده، تعدادی از اثرات فیزیکی، شیمیایی و بیوشیمیایی را می توان با انواع برنامه های کاربردی مشاهده نمود (کنوور و همکاران، 2004). فرکانس بر استفاده انتخاب فعالیت حفره تاثیر می گذارد. اندازه حباب معکوس با فرکانس متناسب است. فرکانسهای پایین تر حباب های بزرگتر تولید کرده، و انرژی بالاتر آزاد می کنند. امواج مافوق صوت دامنه بزرگی از تسهیل جابجایی مولکول و فشار فروپاشی دارند (پووی و میسون، 1998).
اثرات تولید شده توسط فراصوت قدرت بالا هنگامی که در میان یک محیط گذشت متنوع هستند، و اهمیت نسبی آنها به ویژگی های مواد غذایی بستگی دارد. ویسکوزیته متوسط می تواند بر حفره تاثیر گذارد. در غذاهای بسیار چسبناک، انتشار فراصوت دشوار است، در نتیجه کاهش آن فرکانس حفره رخ می دهد. فرکانس های پایین تر در این مورد موثر ترند، همانطور که امواج فراصوت می توانند از طریق محصول چسبناک منتقل شوند (برمودز-آگور و همکاران، 2011).
وضعیت pH محیط و یا مواد غذایی دیگر می تواند کارایی فراصوت را تحت تاثیر قرار دهد. در pH پایین، نرخ غیر فعال سازی میکروارگانیسم ها افزایش می یابد. مک کال و رابرتز (2007) اثر pH بر روی غیر فعال سازی اشریشیا کلی را مورد مطالعه قرارداده و اثر قابل توجهی در غیر فعال سازی فراصوت مشاهده کردند(24 کیلوهرتز / 9 دقیقه)، که در آن یک PH پایین موجب کاهش عمده در تعداد میکروارگانیسم می شود. همین محققان حضور مواد جامد محلول در غلظت های بالاتر را ارزیابی و مشاهده کردند که رفتار فراصوت برای به دست آوردن کاهش یکسان در کنترل رفتار مشاهده شده ضروری است. سپس، غلظت مواد جامد محلول در محیط اثر محافظتی داشته است.
گرا و دورئیس (2011) سینتیک و مکانیسم غیر فعال سازی باکتریها و اثر محافظت نورونی از اجزای شیر در طول استفاده از فراصوت را مورد مطالعه قرارداده (24 کیلو هرتز در ℃ 35-33) و مشاهده کردند که این ماتریس مواد غذایی اثر محافظتی بر روی باکتری اعمال می کند. در میان اجزای تشکیل دهنده شیر مورد آزمایش، حضور لاکتوز ارزش D بالاتری نشان داد، و نشان می دهد که لاکتوز اثر محافظتی بر روی باکتری دارد. این نتایج نشان می دهد زمانی که محصولات تازه با فراصوت بررسی شود، برخی از ترکیبات این مواد غذایی، مانند ترشحات، می تواند به محیط کشت رها شده و اثر محافظتی بر روی باکتری اعمال کند. علاوه بر این، ذرات جامد می تواند بهره وری حفره را کاهش دهد.
درجه حرارت مطلوب باید به منظور افزایش تشکیل حفره مشخص شود. مک کال و رابرتز (2007) مشاهده کردند که فراصوت (24 کیلوهرتز / 9 دقیقه) منجر به افزایش درجه حرارت برای غیر فعال سازی حرارتی و افزایش حساسیت اشریشیا کلی می شود. افزایش دما برای میوه و سبزیجات با حداقل پردازش مناسب نیست. درجه حرارت بالاتر تغییرات ساختاری و فیزیولوژیکی بر روی بافت های گیاهی تولید می کند، در حالی که درجه حرارت پایین تر سرعت تنفس محصولات تازه کاهش می یابد و از دست دادن بافت و سایر عوامل مربوط به کیفیت به حداقل می رسد.

 جهت خرید فایل تماس بگیرید 
09375520909 - شبستری
shabestari716@gmail.com

Effect of ohmic treatment on quality characteristic of meat: A review

Abstract
Ohmic cooking, a well-known electro-heating technique, provides an alternative method for cooking meat products due to its ability for rapid heat generation. Ohmic heating uses the resistance of meat products to convert the electric energy into heat. The rate of heat generation depends on the voltage gradient applied and the electrical conductivity of the meat product. The advantages of ohmic cooking over conventional heating include shorter processing times, higher yields, and less power consumption while still maintaining the colour and nutritional value of meat products. In recent years, ohmic cooking has increasingly drawn interest from the meat industry as a method to ensure the quality and the safety of meat products. The present paper reviews the effects of ohmic cooking on the physical, chemical, sensory, and microbiological quality characteristics and toxicological properties of meat and meat products.

اثر روش اهمی در مشخصه کیفیت گوشت: یک بررسی

چکیده
پخت و پز اهمی، یک تکنیک الکترو حرارتی به خوبی شناخته شده است، و روشی جایگزین برای پخت و پز محصولات گوشتی به دلیل توانایی آن برای تولید گرما سریع فراهم می کند. گرمایش اهمی استفاده از مقاومت محصولات گوشتی برای تبدیل انرژی الکتریکی به گرما می باشد. نرخ تولید حرارت به گرادیان ولتاژ اعمال شده و هدایت الکتریکی محصول گوشتی بستگی دارد. مزایای استفاده از پخت و پز اهمی بیش از حرارت معمولی شامل بار کوتاه تر پردازش، بازده بالاتر و مصرف برق کمتر می باشد در حالی که هنوز هم رنگ و ارزش غذایی محصولات گوشتی را حفظ می کند. در سال های اخیر، پخت و پز اهمی به طور فزاینده تمایل صنعت گوشت به عنوان یک روش برای اطمینان از کیفیت و ایمنی محصولات گوشت نشان داده است. در مقاله حاضر به بررسی اثرات پخت و پز اهمی بر ویژگی های فیزیکی، شیمیایی، حسی، و کیفیت میکروبیولوژیکی و خواص سمی گوشت و محصولات گوشت می پردازیم.
کلیدواژه: اهمی، پخت و پز، کیفیت، میکروبیولوژی، خواص سمی

1. مقدمه
حرارت دهی روش سنتی و به طور گسترده مورد استفاده اعمال شده برای مواد غذایی است. فرآیندهای حرارت دهی معمولی مکانیسم انتقال حرارت شامل رسانایی، همرفت و تشعشع ، در هر دو عملیات حالت پایدار و ناپایدار می باشند (گولیئوکس و پین، 2005، فصل. 18). با این حال، مقاومت داخلی توسط انتقال حرارت در بخش های مختلف مواد غذایی می تواند به عملیات حرارتی ناهمگن، و در نتیجه از دست دادن قابل توجه کیفیت بافت و میکروبیولوژیکی مواد غذایی منجر شود (آیسر، 2012، فصل 11). عملیات حرارتی همگن از عوامل لازم در پیشگیری از بیماری های منتقله از راه غذا است (ICMSF، 1998). برای غلبه بر معایب حرارت دهی معمولی، و برای به دست آوردن مواد غذایی سالم، فناوری های جایگزین مانند فرکانس رادیویی، مایکروویو، و میدان الکتریکی پالسی افزایش تمایل صنعت را به دست آورده اند.

در دهه های اخیر، فن آوری هایی که از عبور جریان الکتریکی مستقیم در محصولات غذایی به عنوان یک وسیله گرمایشی استفاده می کنند تمایل صنایع غذایی را به خود جلب کرده اند. برخی از این فن آوری پخت و پز اهمی در حال حاضر در مقیاس تجاری برای پردازش طیف گسترده ای از محصولات غذایی استفاده می شود. گرمایش اهمی در طول دو دهه گذشته و برای عملیات در مقیاس تجاری برای پردازش تعدادی از محصولات مواد غذایی، به ویژه آنهایی که حاوی ذرات اند توسعه یافته است. این مبتنی بر عبور جریان الکتریکی از یک محصول مواد غذایی با داشتن مقاومت الکتریکی است (شکل 1) (آیسر و ایلیکالی، 2005؛ رسنیک، 1996؛ ساستری و سالنگکی، 1998). حرارت فورا داخل مواد غذایی تولید شده، و مقدار حرارت به طور مستقیم به گرادیان ولتاژ و رسانایی الکتریکی مربوط می شود (ساستری و لی، 1996). نتایج تولید گرمای یکنواخت در توزیع دمای یکنواخت می باشد. استفاده از روش اهمی بیش از روش های مرسوم خروج از محدود کردن ضریب انتقال حرارت و نیاز به درجه حرارت دیوار بالا می باشد. در مقایسه با حرارت معمولی، مزایای دیگر پخت و پز اهمی شامل زمان پردازش کوتاهتر و بازده بالاتر، در حالی که هنوز هم رنگ و ارزش غذایی مواد غذایی حفظ می شود (کاسترو، تیکستریا، سالنگکی ، ساستری ، ویسنته، 2004؛ آیسر و ایلیکالی ، 2005؛ لایسرسون و شیمونی، 2005، ویکرام، رامش، و پاراپولا، 2005؛ وانگ و ساستری ، 2005).

روش اهمی در طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی مانند حرارت دادن، پخت و پز، سفید کردن، پاستوریزاسیون، استریلیزاسیون و استخراج مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرد (آیسر و ییلدیز، بایسال، 2005. لایسرسون و شیمونی، 2005، لیما و ساستری، 1999؛ میزراهی، 1996).این تکنولوژی کاربرد زیادی در ساخت مواد، محصولات مصرفی و فرآوری مواد غذایی، و به طور بالقوه در فروش و توزیع برنامه های کاربردی مواد غذایی و آشامیدنی یافته است (هریک، ساستری، کلاید، و ودرال، 2000). از آنجا که USDA (وزارت کشاورزی ایالات متحده آمریکا) و FDA (اداره غذا و دارو) پیشنهاد استفاده از فن آوری های اهمی را برای غذاهای قابل پمپ شدن داشته است، کاربرد تجاری آن در سراسر جهان (ایالات متحده آمریکا، انگلستان، ایتالیا، ژاپن، فرانسه و مکزیک) برای پاستوریزاسیون مواد غذایی قابل پمپ شدن (آب میوه، تخم مرغ، شیر و مخلوط) و بسته بندی آسپتیک افزایش یافت است (FDA-CFSAN، 2000؛ آیسر و بوزکروت، آیسر، 2011 و ایلیکالی، 2005؛ راماسوامی، بالاسوبرامانیام ، و ساستری، 2005؛ زل، لینگ، دنیس ، کرونین، و مورگان، 2009). با توسعه فن آوری منبع تغذیه حالت جامد، در حال حاضر امکان استفاده از گرمایش اهمی در حالت پالس، برای کنترل اقتصادی اثرات الکترولیت به سطح بی ضرر وجود دارد (آیسر، 2012، فصل 11). سیستم های اهمی در حال حاضر مهندسی تر، پیچیده تر و به مراتب ارزان تر از پیشینیان خود در چهار تولید کننده برای تولید تجهیزات گرمایش اهمی می باشد (اندرسون، 2008؛ آیسر، 2012، فصل 11؛ ساستری، 2008). سیستم های گرمایش اهمی را می توان به خطوط فرآوری مواد غذایی آسپتیک اقتباس و دمای مورد نیاز برای درجه حرارت فوق العاده بالا (UHT) پردازش به دست آورد (آیسر، 2012، فصل 11؛ کیم و همکاران 1996،.). هزینه های سیستم های تجاری گرمایش اهمی، از جمله نصب و راه اندازی، می تواند بیش از 9 میلیون دلار USD باشد، که یک سرمایه گذاری پر هزینه برای ساخت تاسیسات می باشد (اندرسون، 2008). با این حال هزینه های فرایند آن با سیستم های گرمایش متعارف تجاری قابل مقایسه است (آیسر، 2012، فصل 11).

فرآورده های گوشتی یک ماتریس مواد مغذی غنی و یک محیط مناسب برای تکثیر میکروارگانیسم های عامل فساد گوشت و پاتوژن ناشی عمومی ارائه می کند (آیمریک، پیکوئت، و مونفورت، 2008). پخت و پز اهمی عامل بالقوه ای برای محصولات گوشتی امن تر به طور موثر مهار رشد میکروبی از طریق توزیع دمای یکنواخت در محصول و پخت و پز سریع تر و بلافاصله در داخل مواد غذایی ارائه می دهد (اوزکان و همکاران، 2004؛ ساستری و لی، 1996). با توجه به مشکلات مواجه شده در استفاده از روش های اهمی برای غذاهای جامد مانند گوشت و محصولات گوشتی، با این حال، این مفهوم هنوز به برنامه های کاربردی تجاری در صنعت پردازش گوشت منجر نشده است. نمونه گوشت هایی که معمولا دارای ساختار ناهمگن اند، توزیع یکنواخت گرما را تحت تأثیر قرار می دهند. ترکیبات با رسانایی ضعیف، به خصوص چربی در محصولات گوشتی، در همان میزان ماهیچه گرما تولید نکرده و در نتیجه لکه های سرد ایجاد می کند (شیرسات، لینگ، برونتون، و مک کنا، 2004). در واقع، رسانایی این محصولات در طیف S/min .01-10 محدود می شود (پایتی و همکاران، 2004). رسانایی الکتریکی چربی حیوانی (S/m 0.1) در مقایسه با نمونه گوشت پردازش آماده شده بسیار کم است (S/m 0.2-3.5) (بوزکارت و آیسر، 2010؛ پایتی و همکاران، 2004). رسانایی الکتریکی گوشت گاو چرخ شده شامل 2٪ چربی بین S/m 0.8 و S/m 1.6 در محدوده C ° 20-80 متفاوت است ( بوزکارت و آیسر، 2010).

خواص هندسی مانند اندازه تکه گوشت عامل مهمی است که استفاده از فن آوری پخت و پز اهمی در گوشت را محدود می کند (آیمریک و همکاران، 2008). استفاده از گوشت صاف بتس و حرارت بشقاب برای اطمینان از تماس خوب بین نمونه و سطح الکترود پیشنهاد شده است (اوزکان، هو، و فرید، 2004). تحقیقات گذشته نشان داده است که ویژگی هایی مانند ماهیچه جهت فیبر، محتوای چربی، و نوع گوشت بر رسانایی الکتریکی تاثیر می گذارد (بوزکارت و آیسر، 2010، سارنگ، ساستری، و کنایپ، 2008).
این بررسی بر مطالعات انجام شده بر روی پخت و پز اهمی گوشت و محصولات گوشتی تمرکز دارد. هدف اصلی فراهم کردن بینش های مفید برای استفاده از فن آوری پخت و پز اهمی در پردازش گوشت با بحث در مورد اثرات این تکنولوژی بر ویژگی های کیفیت محصولات گوشتی می باشد.

2. اثرات بر روی غیر فعال کردن میکروبها
غیرفعال کردن میکروارگانیسم با روش هایی مانند عقیم سازی گرما، اشعه ماوراء بنفش (UV)، تابش، و علاوه بر این استفاده از مواد شیمیایی در صنایع غذایی مهم است (گویاو و ال مر، 2002). روش حرارتی (به عنوان مثال بخار یا آب غوطه وری) به طور سنتی برای پاستوریزاسیون محصولات گوشتی استفاده می شود. با توجه به کاهش سرعت انتقال حرارت از طریق محصول، این روش به ویژه برای محصولات با قطر بزرگتر بسیار وقت گیر است، و ممکن است در مناطق سطح پخته به از بین رفتن کیفیت منجر شود (زل، لینگ، کرونین، و مورگان، 2010).

گرمایش اهمی یک روش جایگزین است که در آن مکانیزم اصلی غیر فعال کردن میکروبها، حرارت دهی طبیعی می باشد. با این حال، آسیب سلولی غیر حرارتی خفیف نیز در طول فرآیند گرمایش اهمی رخ می دهد (سان و همکاران، 2008). ادبیات اخیر نشان می دهد که یک مکانیسم الکتروپوریشن خفیف ممکن است در طول گرمایش اهمی رخ دهد (FDA-CFSAN، 2000). دلیل اصلی برای اثر دیگری از روش اهمی امکان فرکانس پایین آن (50-60 هرتز) می باشد، که به دیواره های سلولی برای ساخت و خلل و فرج فرم اجازه می دهد (FDA-CFSAN، 2000). الکتروپوریشن اتفاق می افتد زیرا غشای سلولی دارای یک قدرت دی الکتریک خاص است، که می تواند توسط میدان الکتریکی بیش از حد شود. قدرت دی الکتریک از غشای سلولی با مقدار چربی موجود در غشاء و فرآیندهای غشایی خود در ارتباط است. منافذ تشکیل شده می تواند از نظر اندازه بسته به قدرت میدان الکتریکی متفاوت باشد، و می تواند پس از یک دوره کوتاه زمانی انتشار یابد. قرار گرفتن در معرض بیش از حد باعث مرگ سلول در نشت اجزای داخل سلولی از طریق منافذ می شود (لی یون و، 1999). بنابراین، الکتروپوریشن برای یک سلول بسیار مخرب است و اثرات کشنده سوء استفاده های حرارتی موجود از گرمایش اهمی را افزایش می دهد (اندرسون، 2008). بدون فشار پاتوژن مقاومت منحصر به فرد به گرمایش اهمی کشف شده است (کنیرسچ، سانتوس، ویسنته، و پنا، 2010).

منحنی غیر فعال کردن میکروبها از فرآیندهای گرمایش اهمی عمدتا شبیه به منحنی حرارتی می باشد (FDA-CFSAN، 2000). سینتیک مرگ حرارتی پاتوژن ها و موجودات فساد هدف دنبال می شود. این فرایند حرارتی باید برای غیر فعال کردن پاتوژن هدف مورد نظر در محل حداقل روش کشنده کافی باشد (FDA-CFSAN، 2000). روش گرمایش سنتی و اهمی توسط برخی از محققان انجام شده است. یک آزمایش با استفاده از روش Zygosaccharomyces bailii نشان داد که هیچ تفاوتی بین اثرات عملیات حرارتی اهمی و متداول بر سینتیک مرگ وجود ندارد (پالانیاپان و ساستری، 1992). از سوی دیگر، در مطالعات اخیر، آن دریافت شد که اثر کشنده غیر حرارتی اضافی تحت گرمایش اهمی با توجه به اثر جریان الکتریکی در سلول های رویشی و اسپور باکتریایی رخ داده است. محققان مختلف از انواع مختلفی از میکروارگانیسم ها استفاده می کنند. مقدار D مشاهده شده برای غیر فعال کردن میکروبها تحت گرمایش اهمی کاهش می یابد هنگامی که به روش سنتی و حرارت مقایسه شده است (جدول 2). آزمایش دیگر شامل ساکارومیسس سرویسیه نشان داد که گرمایش اهمی نشت اجزای داخل سلولی را در مقایسه با روش های مرسوم جوشیدن در آب افزایش می دهد (لی یون و، 1999).

اگر چه مطالعات محدودی وجود دارد که اثرات گرمایش اهمی را در بار میکروبی محصولات غذایی خاص مشاهده کرده، آن دریافت شده که گرمایش اهمی یک روش جایگزین برای غیر فعال کردن آنزیم ها و میکروارگانیسم در مواد غذایی مایع می باشد (بایسال و آیسر، 2007 ؛ آیسر و ییلدیز، بایسال ، 2008؛ آیسر و همکاران، 2005؛ لیسرسون و شیمونی، 2005، پریرا، مارتینز، ماتئوس، تکسیریا، ویسنته، 2006؛ سان و همکاران، 2008؛ اومورا و ایسوب، 2003). پخت و پز اهمی یکی از برنامه های کاربردی گرمایش اهمی است که به طور بالقوه در صنایع غذایی وجود دارد. تنها چند مطالعه اثر غیر فعال کردن میکروبها از پخت و پز را در محصولات گوشتی گزارش کرده اند (جدول 3). تفاوت بین نتایج این مطالعات به عوامل بسیاری بستگی دارد. به عنوان مثال، نوع میکروارگانیسم ها مهم هستند، زیرا هر یک از گونه های میکروارگانیسم واکنش متفاوتی به گرما دارند، با توجه به اینکه مقاومت حرارتی مختلف است. افزایش شدت جریان (ولتاژ) بیشتر در میکروارگانیسم ها مؤثر است، یعنی در قالب ها، مخمرها و مسوفیل (مورنو و همکاران، 2012). این هم معروف است که ساختار مواد غذایی در غیر فعال کردن میکروبها توسط پخت و پز اهمی مهم است. در پخت و پز اهمی، رسانایی الکتریکی یکسان از ذرات مایع و جامد برای گرم کردن یکنواخت مورد نیاز است (زاریفارد، راماسوامی، تریگوئی، و مارکوتی، 2003). مواد غذایی گویچه های چربی می تواند در روند پخت و پز اهمی سخت شود، از آنجایی که به دلیل کمبود آب و نمک نارسانا می باشد (رحمان، 1999). اگر این گلبولها در یک منطقه بسیار رسانا الکتریکی باشد که امکان دور زدن آنها وجود داشته باشد، ممکن است به علت عدم رسانایی الکتریکی گرما روند پخت و پز کندتر شود. هر باکتری بیماری زا که ممکن است در این گلبولها وجود داشته باشد، ممکن است عملیات حرارتی کمتر از بقیه از این ماده دریافت کند (ساستری، 1992). به همین دلیل است که یکنواختی در توزیع دما از مواد غذایی در طول پردازش حرارتی بسیار مهم است، به ویژه زمانی که ذرات غذاهای در حال استریل و یا بطور ضد عفونی پردازش شده باشند (شیم، لی، و جون، 2010).

پخت و پز اهمی جایگزینی برای ضدعفونی کردن مداوم غذاهای حاوی ذرات مانند کوفته و سایر محصولات گوشتی ارائه می دهد. در حرارت دهی معمولی، منطقه بیرونی ممکن است سریع تر از داخل نمونه باشد، که دلیل اصلی برای رشد پاتوژن در محصول گرم است (سوماوات و همکاران، 2012). اگر چه این فن آوری پخت و پز اهمی امیدوار کننده و موثر به نظر می رسد، تحقیقات بیشتری برای درک مکانیسم های غیر فعال کردن دقیق این سیستم در محصولات گوشتی مورد نیاز است.

3. اثرات رنگ
رنگ گوشت و محصولات گوشتی یک ویژگی مهم است که کیفیت پذیرش مصرف کننده را تحت تاثیر قرار می دهد. روش اهمی استفاده شده برای پخت و پز نمونه گوشت چرخ شده، تحت شیب ولتاژ مختلف اثری بر رنگ نمونه ندارد. به هر حال، ارزش های رنگ زمینه اهمی پخته شده گوشت گاو نمونه توسط محتوای چربی اولیه از محصول تحت تاثیر قرار نمی گیرد (بوزکارت و آیسر، 2010). در یک مطالعه، نمونه گوشت چرخ شده با استفاده از شیب ولتاژ های مختلف ( V/c 20 ، 30 و 40) در فرکانس 50 هرتز اهمی تا C ° 70 حرارت داده شدند. نمونه گوشت چرخ شده اهمی پخته شده به طور قابل توجهی بالاتر از مقدار L* و پایین تر از a* بود، که نشان دهنده روشنایی، رنگ قرمز کمتر است زمانی که با نمونه معمولی پخته شده مقایسه شده است. اگر چه نمونه گوشت چرخ شده اهمی پخته شده رنگ همگن تری دارد، آنها یک لایه پوسته پخته شده در سطح آنها ندارد (بوزکارت و آیسر، 2010). این مشخص شده است که بسیاری از افراد مصرف محصولات گوشتی با یک لایه پوسته در سطح را ترجیح می دهند. بنابراین عدم وجود پوسته یک نقطه ضعف سیستم اهمی برای گوشت چرخ شده پخته شده می باشد. به طور مشابه نمونه گوشت اهمی پخته شده با دمای پایین طولانی مدت (LTLT, 72 °C/15 min) و درجه حرارت بالا زمان کوتاه (HTST, 95 °C/7 min) به طور قابل توجهی مقادیر L* بالاتر و a* پایین تر در مقایسه با نمونه گوشت گاو پخته شده معمولی (70 °C/105 min) دارد (زل و همکاران، 2009). محصول اهمی پخته شده رنگ کلی سفیدتری نشان داد، در حالی که نمونه معمول پخته سطوح مشخصه تیره تر بود. به طور مشابه، کل گوشت گاو ماهیچه پخته شده اهمی (زل و همکاران، 2010) و گوشت بوقلمون (زل، لینگ، کرونین، و مورگان، 2010) به طور قابل توجهی سطح رنگ روشنتری (pb0.05) نسبت به کنترل معمولی نشان داد. دلیل این وضعیت به زمان قرار گرفتن در معرض طولانی تر در درجه حرارت بالاتر در سطح نمونه در طول پخت و پز معمولی نسبت داده شده است (زل و همکاران، 2010). علاوه بر این، نمونه خمیر امولسیون گوشت اهمی در سریع ترین میزان پخته شده (به عنوان مثال، V cm−1 5 یا 7) به نظر می رسد که رنگ کمتر نسبت به نمونه پخته شده در بخار و یا با کمترین روش پخت و پز اهمی توسعه داده است (شیراست، بارتون، لینگ، کنار نوزاد، و اسکانل، 2004). این یافته ها نشان می دهد که میزان واکنش های توسعه رنگ وابسته به میزان حرارت است. با توجه به این مطالعات، پخت و پز اهمی به طور یکنواخت توسعه یافته، اما رنگ روشن تر و قهوه ای در گوشت و محصولات گوشتی دارد.

جهت خرید فایل تماس بگیرید 
09375520909 - شبستری
shabestari716@gmail.com

Bio-nanocomposites for food packaging applications

Abstract
There is growing interest in developing bio-based polymers and innovative process technologies that can reduce the dependence on fossil fuel and move to a sustainable materials basis. Bio-nanocomposites open an opportunity for the use of new, high performance, light weight green nanocomposite materials making them to replace conventional non-biodegradable petroleum-based plastic packaging materials.

So far, the most studied bio-nanocomposites suitable for packaging applications are starch and cellulose derivatives, polylactic acid (PLA), polycaprolactone (PCL), poly(butylene succinate) (PBS) and polyhydroxybutyrate (PHB). The most promising nanoscale fillers are layered silicate nanoclays such as montmorillonite and kaolinite. In food packaging, a major emphasis is on the development of high barrier properties against the diffusion of oxygen, carbon dioxide, flavor compounds, and water vapor.

Moreover, several nanostructures can be useful to provide active and/or smart properties to food packaging systems, as exemplified by antimicrobial properties, oxygen scavenging ability, enzyme immobilization, or indication of the degree of exposure to some detrimental factors such as inadequate temperatures or oxygen levels. Challenges remain in increasing the compatibility between clays and polymers and reaching complete dispersion of nanoparticles.

This review focuses on the enhancement of packaging performance of the green materials as well as their biodegradability, antimicrobial properties, and mechanical and thermal properties for food packaging application. The preparation, characterization and application of biopolymer-based nanocomposites with organic layered silicate and other fillers, and their application in the food packaging sector are also discussed.

Keywords
Biopolymer, Clay, Nanocomposite, Biodegradation, Food packaging

نانوکامپوزیت زیستی برای برنامه های کاربردی بسته بندی مواد غذایی

چکیده
علاقه رو به رشدی در توسعه پلیمرهای زیستی و فن آوری های فرآیند نوآورانه وجود دارد که می تواند وابستگی به سوخت های فسیلی را کاهش دهد و به سمت مواد پایدار حرکت کند. نانوکامپوزیت های زیستی فرصتی برای استفاده از مواد نانوکامپوزیتی سبز جدید، با کارایی بالا، سبک وزن ایجاد می کند که آنها را جایگزین مواد بسته بندی پلاستیکی مبتنی بر نفت معمولی غیر قابل تجزیه می کند.
تا کنون، بیشترین مطالعه نانوکامپوزیت های زیستی مناسب برای کاربردهای بسته بندی شامل نشاسته و مشتقات سلولز، اسید پلی لاستیک (PLA)، پلی کاپرولاکتون (PCL)، پلی (بوتیلین سوکسینات) (PBS) و پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) می باشد. نویدبخش ترین پرکننده در مقیاس نانو، نانورس های سیلیکات لایه بندی شده مانند مونتموریلونیت و کائولینیت می باشد. در بسته بندی مواد غذایی، تاکید عمده بر توسعه خواص مانع بالا در برابر نفوذ اکسیژن، دی اکسید کربن، ترکیبات عطر، طعم، و بخار آب است.
علاوه بر این، چند نانوساختار می تواند مفید باشد برای ارائه خواص فعال و یا هوشمند سیستم بسته بندی مواد غذایی، به عنوان خواص ضد میکروبی، توانایی مهار اکسیژن، بیحرکتی آنزیم، و یا نشانه ای از درجه قرار گرفتن در معرض برخی از عوامل زیان آور مانند درجه حرارت و یا سطوح اکسیژن ناکافی. چالش ها در افزایش سازگاری بین رس و پلیمر و دستیابی به پراکندگی کامل از نانوذرات باقی می ماند.
این بررسی بر روی بهبود عملکرد بسته بندی مواد سبز و همچنین زیست تخریب پذیری آنها، خواص ضد میکروبی و خواص مکانیکی و حرارتی برای استفاده بسته بندی مواد غذایی، تمرکز دارد. آماده سازی، شناسایی و استفاده از نانوکامپوزیت مبتنی بر پلیمرهای زیستی با سیلیکات لایه آلی و سایر فیلرها، و کاربرد آنها در بخش بسته بندی مواد غذایی نیز بحث شده است.

1. مقدمه
وظیفه اصلی بسته بندی مواد غذایی برای حفظ کیفیت و ایمنی مواد غذایی در طول ذخیره سازی و حمل و نقل، و گسترش عمر نگهداری محصولات غذایی با جلوگیری از عوامل نامساعد و یا شرایطی مانند میکروارگانیسم های عامل فساد، آلودگی شیمیایی، اکسیژن، رطوبت، نور ، نیروی خارجی، و غیره می باشد. به منظور انجام چنین وظایفی، مواد بسته بندی حفاظت جسمی و شرایط فیزیکوشیمیایی مناسب برای محصولات فراهم می کند که برای به دست آوردن یک طبقه زندگی رضایت بخش و حفظ کیفیت و ایمنی مواد غذایی ضروری است. بسته مواد غذایی باید مانع به دست آوردن یا از دست دادن رطوبت ، جلوگیری از آلودگی میکروبی باشد و به عنوان یک مانع در برابر نفوذ بخار آب، اکسیژن، دی اکسید کربن و دیگر ترکیبات فرار مانند طعم و رنگ و علاوه بر خواص مواد بسته بندی مانند مکانیکی ، نوری، و خواص حرارتی عمل کند (شکل 1) [1-7]. بسته بندی مواد غذایی نه تنها به عنوان ظرف استفاده می شود بلکه همچنین به عنوان یک سد محافظ با برخی از وظایف نوآورانه عمل می کند. در این معنا، بسته بندی مواد غذایی به دلیل جنبه های ایمنی و عمر مفید نسبتا کوتاه کاملا متفاوت از دیگر کالاهای بادوام مانند الکترونیک، لوازم خانگی، مبلمان و غیره است.

مواد بسته بندی عمومی، مانند کاغذ و مقوا، پلاستیک، شیشه، فلز، و ترکیبی از مواد شیمیایی مختلف طبیعی و ساختارهای فیزیکی، برای انجام وظایف و الزامات مواد غذایی بسته بندی شده بسته به نوع آنها استفاده می کند. با این حال، تا به حال تلاش فزاینده در توسعه انواع مختلف مواد بسته بندی به منظور افزایش اثر آنها در حفظ کیفیت مواد غذایی با راحتی بهبود یافته برای پردازش و استفاده نهایی وجود دارد.

در میان چهار مواد بسته بندی اولیه، مواد پلاستیکی مبتنی بر نفت به طور گسترده از اواسط قرن بیست استفاده می شود. این عمدتا به خاطر این است که آنها برای استفاده با اموال خوب پردازش، کیفیت زیبایی شناسانه خوب، و خواص فیزیکی و شیمیایی عالی ارزان و راحت هستند. بیش از 40 درصد پلاستیک برای بسته بندی استفاده می شود و تقریبا نیمی از آنها برای بسته بندی مواد غذایی در قالب پوسته، ورق، بطری، فنجان، وان، و سینی، و غیره استفاده می شود. پس از عمر مفید شان، آن برای مواد بسته بندی در تجزیه یک مدت زمان معقول بدون ایجاد مشکلات زیست محیطی مطلوب است. اگرچه مواد بسته بندی پلاستیکی مصنوعی به طور گسترده برای بسته بندی انواع مختلف مواد غذایی استفاده می شود، آنها باعث یک مشکل جدی زیست محیطی می شوند بطوریکه آنها نمی توانند به راحتی پس از استفاده در محیط تجزیه شوند.

به تازگی، اثرات زیست محیطی زباله های بسته بندی پلاستیکی ماندگار نگرانی عمومی جهانی را افزایش می دهد، از آنجاییکه روش های دفع محدود هستند. افزایش نگرانی های همیشگی بیش از زحمت محیط زیست و منابع طبیعی طاقت فرسا ناشی از مواد بسته بندی پلاستیکی غیر قابل تجزیه و بیش از ایمنی مواد غذایی مطرح شده در افزایش تقاضا برای مواد بسته بندی زیست تخریب پذیر از منابع تجدید پذیر (زیست بسپارها) به عنوان جایگزینی برای مواد بسته بندی پلاستیکی مصنوعی، به ویژه برای استفاده در بسته بندی های کوتاه مدت و برنامه های کاربردی یکبار مصرف مانند کارد و چنگال یکبار مصرف، بشقاب یکبار مصرف، فنجان و ظروف، پوشک بچه، کیسه های زباله، ظروف نوشیدنی، پوسته مالچ کشاورزی، ظروف فست فود، دستگاه های پزشکی، و غیره افزایش می یابد [8-12].

مواد بسته بندی زیست تخریب ایده آل از منابع تجدید پذیر زیستی، که معمولا زیست بسپارها نامیده می شوند، خواص عالی مکانیکی و مانع و زیست تخریب پذیر در پایان زندگی خود به دست می آورند. زیست بسپارها به عنوان یک جایگزین دوستدار محیط زیست بالقوه برای استفاده از مواد بسته بندی پلاستیکی غیر قابل تجزیه و غیر قابل تجدید در نظر گرفته شده اند. مواد بسته بندی پلیمرهای زیستی نیز ممکن است به عنوان موانع گاز و املاح و مکمل سایر انواع بسته بندی با بهبود کیفیت و گسترش ماندگاری مواد غذایی خدمت کند. علاوه بر این، مواد بسته بندی پلیمرهای زیستی وسایل بسیار عالی برای ترکیب طیف گسترده ای از مواد افزودنی، مانند آنتی اکسیدان ها، مواد ضد قارچ، ضد میکروبی، رنگ، و دیگر مواد مغذی می باشند [13-15].

چندین نگرانی باید قبل از استفاده تجاری از مواد بسته بندی اولیه زیستی تعیین شده باشد. این نگرانی ها شامل نرخ تخریب تحت شرایط مختلف، تغییر در خواص مکانیکی در طول ذخیره سازی، امکان بالقوه برای رشد میکروبی و انتشار ترکیبات مضر به محصولات غذایی بسته بندی شده می باشند. در واقع، خواص مکانیکی نسبتا ضعیف و بالا هیدروفیل با فرآیندپذیری ضعیف از این مواد بسته بندی مبتنی بر پلیمرهای زیستی باعث محدودیت عمده برای استفاده های صنعتی خود می شود [16]. پوسته بسته بندی پروتئین و کربوهیدرات موانع به طور کلی خوب در برابر اکسیژن و ضعیف در برابر رطوبت نسبی متوسط هستند و خواص مکانیکی خوب دارند. با این حال، مانع آنها در برابر بخار آب به علت ماهیت هیدروفیل شان ضعیف است. اگرچه بسیاری از تلاش های تحقیقاتی متمرکز بر بهبود خواص پوسته از پوسته های بسته بندی مبتنی بر پلیمرهای زیستی بهبود قابل توجهی داشته اند خواص پوسته، فیزیکی، حرارتی، و مکانیکی آنها هنوز رضایت بخش نیست و مشکلاتی در کاربردهای صنعتی یافت می شود.

به تازگی، یک طبقه جدید از مواد ارائه شده توسط نانوکامپوزیت های زیستی با افزایش مانع، مکانیکی و خواص حرارتی به عنوان یک گزینه امیدوار کننده در بهبود خواص این مواد بسته بندی مبتنی بر پلیمرهای زیستی در نظر گرفته شده اند [9،12،17-22]. نانوکامپوزیت های زیستی شامل یک ماتریس پلیمرهای زیستی تقویت شده با ذرات (ذرات) دارای حداقل یک بعد در محدوده نانومتر (100-1 نانومتر) تشکیل شده است. نانوکامپوزیت های زیستی یک طبقه جدید از مواد نمایش دهنده چنین خواص بسیار بهبود یافته در مقایسه با پلیمرهای پایه با نسبت بالا و سطح بالایی از نانو ذرات می باشد. بنابراین، تلاش ها به منظور توسعه نانوکامپوزیت های زیستی برای پوسته بسته بندی مواد غذایی با بهبود مکانیکی، مانع، رئولوژیکی و خواص حرارتی اختصاص داده شده اند [19،23،24].

این بررسی شامل یک نمای کلی از اداره هنر، از یک طبقه جدید از مواد تشکیل شده از نانوکامپوزیت مبتنی بر پلیمرهای زیستی با پتانسیل استفاده در بخش بسته بندی مواد غذایی با تمرکز بر جنبه های فناوری نانو است که به گسترش قفسه مربوط زندگی از مواد غذایی بسته بندی شده با حفظ ایمنی و کیفیت مواد غذایی، و توسعه مواد بسته بندی مواد غذایی فعال و هوشمند با استفاده از مواد زیستی نانوکامپوزیتی می باشد.

2. نانوکامپوزیت های زیستی
2.1. زیست بسپارها
زیست بسپارها و پلاستیک های زیست تخریب پذیر مواد پلیمری هستند که در آن حداقل یک گام در فرایند تخریب از طریق سوخت و ساز بدن موجودات زنده به طور طبیعی رخ دهد [9،25]. تحت شرایط مناسب رطوبت، دما، و در دسترس بودن اکسیژن، تجزیه بیولوژیکی به تکه تکه شدن و یا فروپاشی پلاستیک با هیچ پس مانده های سمی و یا سازگار با محیط زیست مضر منجر می شود [26].

زیست بسپارها می توانند بطور گسترده به دسته های مختلف بر اساس منشاء مواد اولیه و فرآیندهای تولید خود تقسیم شوند همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. آنها عبارتند از (الف) زیست بسپارهای طبیعی مانند کربوهیدرات های گیاهی شامل نشاسته، سلولز، کیتوزان، آلژینات، آگار، کاراگینان، و غیره، و پروتئین های حیوانی یا گیاهی مانند پروتئین سویا، ذرت زئین، گلوتن گندم، ژلاتین، کلاژن، آب پنیر پروتئین، کازئین، و غیره؛ (ب) پلیمرهای زیست تخریب پذیر مصنوعی مانند پلی (لاکتید) (PLA)، پلی (اسید گلیکولیک) (PGA)، پلی (کاپرولاکتون) (PCL)، پلی (بوتیلین سوکسینات) (PBS)، پلی (وینیل الکل ) (PVA)، و غیره؛ (ج) زیست بسپارهای تولید شده توسط تخمیر میکروبی مانند پلی استرهای میکروبی، مانند پلی(هیدروکسی الکانوات) (PHAs) از جمله پلی (هیدروکسی بوتیرات) (PHB)، پلی (هیدروکسی بوتیرات- هیدروکسی والرات) (PHBV) غیره، و پلی ساکارید میکروبی، مانند پلولان و کوردلان [12,15].

با این حال، پلیمر ها خواص مکانیکی و مانع نسبتا ضعیف ارائه می دهند، که در حال حاضر محدود به استفاده های صنعتی شان می شود. مشکلات مرتبط با پلیمرها 3 زمینه اند: عملکرد، پردازش، و هزینه. اگر چه این عوامل تا حدی مرتبط هستند، مشکلات ناشی از "عملکرد و پردازش" با وجود منشاء آنها در تمام پلیمرهای زیست تخریب پذیر مشترک می باشد [17،27،28]. به طور خاص، شکنندگی، درجه حرارت کم گرما، نفوذپذیری گاز و بخار زیاد، مقاومت در برابر ضعف عملیات پردازش طولانی به شدت برنامه های کاربردی شان محدود است [29-33].

2.2. نانوکامپوزیت های مبتنی بر پلیمرهای زیستی
پیشنهاد شده است که کاستی های ذاتی مواد بسته بندی مبتنی بر پلیمرهای زیستی ممکن است توسط فن آوری نانوکامپوزیت غلبه شود [24]. نانوکامپوزیت های نمایشی خواص مانع، مقاومت مکانیکی را افزایش داده است، و مقاومت در برابر حرارت در مقایسه با پلیمرهای تمیز و مواد مرکب معمولی را بهبود داده است [9،34-36]. یک مثال کلاسیک استفاده از خاک رس مونتموریلونیت نانوذرات به منظور بهبود خواص مکانیکی و حرارتی از نایلون است [37]. هنگامی که در بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود، انتظار می رود نانوکامپوزیت در برابر استرس حرارتی پردازش مواد غذایی، حمل و نقل، ذخیره سازی مقاومت نمایند [34،38]. همچنین، به دلیل بهبود خواص مکانیکی آنها، نانوکامپوزیتها ممکن است در نتیجه کاهش مواد منبع آن، اجازه پیمایش کمتری داشته باشند.

نانوکامپوزیت های خاک رس افزایش تمایل قابل توجهی از سال 1950 داشتند، زمانی که آنها برای اولین بار ظاهر شدند [39]. از آنجا که کار اولیه توسط تیم پژوهش تویوتا بود [40]، که نانوکامپوزیت های پلی آمید 6/مونتموریلونیت (MMT) را توسط سیتو پلیمریزاسیون ε-کاپرولاکتام آماده کرده بود، تحقیقات گسترده ای در هر دو گروه دانشگاهی و صنعتی دنبال شده است [40-43]. همانطور که عملکرد مواد تبدیلی به درجه ورقه ورقه شدن خاک رس بستگی دارد، تعدادی از استراتژی ها برای آماده سازی پلیمر لایه نانوکامپوزیت سیلیکات با پراکندگی گسترده ای از پرکننده در ماتریس پلیمر در نظر گرفته شده است [44،45].

نانورس متکی به سطح بالایی از پلاکت خاک رس، در بیش از m2/g 750 ، و نسبت ابعاد بالا (100-500) می باشد. با این حال، خاک رس مونتموریلونیت موجود در خوشه پلاکت با سطح کمی قرار گرفته است. بنابراین، پردازش در تکنیک های برشی و یا فراصوت بالا برای جلوگیری از تجمع و لایه برداری خوشه و افزایش سطح در معرض پلیمر لازم می باشد [46]. 3 نوع محتمل سازند پلیمر رس، یعنی (1) ذره دراز (تاکتوئید)، (2) میانه، و (3) کنده شده وجود دارد [34،47].

ساختارهای تاکتوئید هنگامی که فضای بین لایه از گالری خاک رس گسترش نمی یابد، معمولا به علت میل ضعیف خود با پلیمر در یک پلیمر باقی می ماند. هیچ نانوکامپوزیت واقعی با این روش تشکیل نشده است [48]. سازه های میانه در گسترش متوسط لایه خاک رس به دست آمده است. در این مورد، فضای بین لایه گسترش کمی به عنوان زنجیر پلیمر نفوذ به فاصله پایه از خاک رس، اما به شکل پشته لایه باقی مانده است. این نتیجه میل متوسط بین پلیمر و خاک رس است. در مورد ساختار کنده شده، کاهش خوشه رس لایه خود را تعیین کرده و به خوبی به ورق تک در فاز پلیمری مستمر جدا شده است. این امر به دلیل میل ترکیبی بالا بین پلیمر و خاک رس است. ضروری است که خاک رس باید به تک پلاکت کنده شده و همگن در سراسر ماتریس پلیمر توزیع به بهره برداری کامل از نانورس سطح بالا برسد [34،49،50].

به تازگی، گروه های پژوهشی متعددی تهیه و شناسایی انواع مختلف پلیمر زیست تخریب پذیر نانوکامپوزیت را به عنوان مثال، نانوکامپوزیت های زیستی آغاز کرده است، و خواص مناسب برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی نشان می دهد[18]. پلیمرهای طبیعی و مصنوعی زیست تخریب پذیر با سیلیکات لایه ای به منظور افزایش خواص مطلوب خود است در حالی که حفظ زیست تخریب پذیری خود در راه نسبتا اقتصادی پر شده است. به طور خاص، آنها وعده بزرگی در ارائه خواص مانع بسیار عالی، با توجه به حضور لایه های خاک رس توانا در مسیر مولکول ساخت مسیر پر پیچ و خم نفوذ بیشتری برای به تاخیر انداختن نشان می دهند. موفقیت فوق العاده ای از مفهوم نانوکامپوزیتی در منطقه پلیمرهای مصنوعی تحقیقات جدیدی در نانوکامپوزیت های مبتنی بر پلیمر زیست تخریب پذیر ماتریسی تحریک شده دارد. در جدول 1 فهرست معمولی پلیمرهای زیست تخریب پذیر و مواد معدنی و یا ضد میکروبی برای تهیه نانوکامپوزیت زیستی مورد بررسی قرار گرفته است.

3. خواص مکانیکی و مانع
تشکیل نانوکامپوزیت با ارگان های خاک رس بهبودی در بروز خواص مکانیکی مختلف زیستی پلیمرها به طور قابل ملاحظه ای حتی با یک سطح پایین در حال بارگذاری پرکننده نشان داده است (کمتر از 5٪ وزنی). به عنوان مثال، لی و همکاران در سال 2002 کار اولیه در نانوکامپوزیتهای پلیمری / MMT زیست تخریب پذیر را گزارش کردند، که در آن PBS و کلویسیت 30B به عنوان یک ماتریس پلیمر زیست تخریب پذیر و MMT، به ترتیب، که در آن کلویسیت 30B یکی از خاک رس اصلاح شده تجاری در دسترس است مورد استفاده قرار گرفت [51]. خواص کششی نانوکامپوزیت های PBS / Cloisite 30B با مطالب مختلف از نانورس در جدول 2 نشان داده شده است.

اغلب مشاهده می شود که خواص مکانیکی پلیمر / نانوکامپوزیت خاک رس به شدت وابسته به محتوای پرکننده می باشد. در اینجا ما می توانیم برخی از نمونه های گزارش شده در هفت سال اخیر را ببینیم. هوانگ و یو [52] خواص کششی نشاسته / نانوکامپوزیت MMT تهیه شده با غلظت پرکننده های مختلف از 0-11 درصد وزنی به نشاسته تعیین کرده اند. استحکام کششی و مدول یانگ به طور مونوتونوس با افزایش مقدار پرکننده تا 8٪ افزایش یافته است، در حالی که فشار کششی با افزایش بارگذاری پرکننده جز 8٪ در حال بارگذاری کاهش یافته است. هوانگ و همکاران [53] افزایش استحکام کششی و کرنش ذرت نشاسته / نانوکامپوزیت MMT توسط 450٪ و 20٪، به ترتیب، علاوه بر 5٪ خاک رس گزارش کرده اند. چن و ژانگ [54] همچنین گزارش کردند استحکام کششی پروتئین سویا ورق نانوکامپوزیت MMT از 77/8 تا 43/15 مگاپاسکال افزایش محتوای MMT به 16٪ افزایش یافته است، در حالی که درصد ازدیاد طول در نقطه شکست از ورق های زیستی نانوکامپوزیت با افزایش مقدار MMT کاهش یافته است. نتایج مشابهی در تست کشش زیستی نانوکامپوزیت بر اساس دیگر پلیمرهای زیستی گزارش شده است [55-62].

افزایش در خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای پلیمری را می توان به استحکام بالا و نسبت نانورس همراه با میل خوب از طریق تعامل سطحی بین ماتریس پلیمر و نانورس پراکنده نسبت داد.
نانوکامپوزیتهای پلیمری دارای خواص بسیار عالی مانع در مقابل گازها (به عنوان مثال، O2 و CO2) و بخار آب می باشد. مطالعات نشان داده اند که چنین کاهش نفوذپذیری گاز از نانوکامپوزیتهای به شدت به نوع خاک رس (به عنوان مثال، سازگاری بین رس و ماتریس پلیمری)، نسبت پلاکت خاک رس، و ساختار نانوکامپوزیت بستگی دارد. به طور کلی، بهترین خواص مانع گاز بدست آمده در نانوکامپوزیتهای پلیمری با کانی های رسی به طور کامل کنده شده با نسبت ابعاد بزرگ خواهد بود [63].

یانو و همکاران [64] پوسته های نانوکامپوزیت پلی آمید / خاک رس را با چهار اندازه مختلف از کانی های رسی مانند هکتوریت، لاپونیت، MMT، و میکا مصنوعی به منظور بررسی اثر نسبت ابعاد بر خواص مانع فراهم کرده اند. آنها دریافتند که، در رس ثابت (2 درصد)، ضریب نفوذ پذیری نسبی با افزایش طول رس کاهش یافته است. ریم و همکاران [61،62] گزارش داد که سرعت انتقال بخار آب (WVTR) از آگار / MMT اصلاح نشده (Cloisite Na+) نانوکامپوزیتها به طور قابل توجهی کمتر از آگار / MMT اصلاح شده (Cloisite 30B, 20A)، نانوکامپوزیتها می باشد. در مقابل، کلویسیت 30B در کاهش WVP مبتنی بر کیتوزان پوسته نانوکامپوزیت [65] و غشاهای نانوکامپوزیتها مبتنی بر PLA [66] در مقایسه با کلویسیت سدیم مؤثر می باشد. ریم [61] نیز نشان داد که نفوذپذیری بخار آب (WVP) از پوسته های نانوکامپوزیت آگار / خاک رس (Cloisite Na+) با افزایش مقدار رس از صفر تا 20 درصد وزنی کاهش یافته است. نتایج مشابهی در WVP پوسته های نانوکامپوزیتی زیستی مبتنی بر زیست بسپارها دیگر مانند نشاسته [67]، پروتئین آب پنیر مجزا [68،69]، پروتئین سویا [70،71] گلوتن گندم [72] و PCL [18] گزارش شده است.

پارک و همکاران [73] WVTR نشاسته ترموپلاستیک (TPS) / پوسته های نانوکامپوزیت خاک رس را با استفاده از WVTR نسبی (WVTR هیبرید / WVTR پلیمر پایه، Pc/Po) در مقابل محتویات کلویسیت سدیم + یا کلویسیت 30B در ماتریس TPS مورد آزمایش قرار داده اند. برای پوسته های نانوکامپوزیت هیبریدTPS ، هنگامی که مقدار کمی از خاک رس از هر دو کلویسیت سدیم و کلویسیت 30B اضافه شود WVTR به طور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است. این بدان معنی است که ساختار لایه بلوک خاک رس بخار آب را از طریق پوسته ماتریس انتقال می دهد. توجه داشته باشید که WVTR نسبی نانوکامپوزیت TPS به حدود نیمی از TPS بکر کاهش می یابد زمانی که تنها 5 درصد وزنی از سیلیکات اضافه شد. کاهش چشمگیر در WVTR از نانوکامپوزیت است با توجه به حضور لایه های سیلیکات پراکنده با نسبت ابعاد بزرگ در ماتریس پلیمر به عنوان در سایر مواد مرکب سیلیکات لایه پلیمر [74-76] دیده می شود. کاهش چشمگیر مشاهده شده در WVTR از اهمیت زیادی در ارزیابی میکروکامپوزیت و مواد مرکب TPS برای استفاده در بسته بندی مواد غذایی، پوشش محافظ، و برنامه های کاربردی دیگر برخوردار است که در آن موانع پلیمری کارآمد مورد نیاز است. WVTR کاهش یافته در پوسته های کامپوزیت پلیمر زیست تخریب پذیر، ممکن است سود اضافی برای اصلاح نرخ تخریب داشته باشد، زیرا هیدرولیز پلیمر ماتریس به احتمال زیاد در حمل و نقل آب از سطح به بخش عمده ای از مواد بستگی دارد [77].

پارک و همکاران [78] نانوکامپوزیت های سه تایی TPS / PBS / خاک رس را با روش افزایشی مذاب آماده کرده اند. WVTR نانوکامپوزیت های سه تایی TPS / PBS / خاک رس با افزایش محتویات PBS کاهش یافته است، هر چند پوسته های WVTR از TPS بسیار بالاتر از پوسته های PBS بودند [51,78]. نفوذپذیری نانوکامپوزیت کلویسیت PBS / TPS / 30B با تنها 15 درصد وزنی PBS در مقایسه با ترکیب کلویسیت TPS / 30B به طور قابل توجهی کاهش یافته است.

نفوذپذیری بخار آب نسبی (WVP) از استات سلولز (CA) / نانوکامپوزیت های خاک رس با تری اتیل سیترات (TEC) پلاستی و نانورس محتوای مختلف توسط پارک و همکاران [79] در یک دما و رطوبت نسبی اتاق کنترل (به عنوان مثال 8/37 ◦C ، 100٪ و 0٪ RH) مورد بررسی قرار گرفت و نتایج در شکل 3 از نظر Pc/Po نشان داده شده است، به عنوان مثال، نفوذ پذیری نانوکامپوزیت (PC) نسبت به ماتریس پلاستیک CA (Po). کاهش در WVP پوسته های نانوکامپوزیت به اندازه 2 برابر در مقایسه با پوسته کنترل در محتوای نانورس زیاد مشاهده شده است (شکل 3).

وقتی نشاسته با ریش سلولز پر شده باشد کاهش حساسیت آب و افزایش خواص حرارتی مشاهده شده می شود [80]. علاوه بر این نانوالیاف سلولز (CNF) نیز برای بهبود مانع بخار آب از پوسته موثر است، که در آنWVP از g mm/kPa h m2 66/2 تا 67/1 کاهش می یابد. نفوذپذیری بخار آب زمانی که CNF حداقل 10 درصد وزنی به ثبت رسید به طور قابل توجهی کاهش یافته بود. کو و همکاران [32] PLA (نسبت L / D از کارگیل داو)/ لایه غشاء نانوکامپوزیت سیلیکات (PLSNM) را آماده کردند. این نویسندگان گزارش کردند که نفوذپذیری گاز PLSNMs با افزایش محتوای نانورس کاهش یافته است (شکل 4). هنگامی که نفوذپذیری گاز PLSNMs با انواع مختلف نانورس مقایسه می شود، ویژگی مانع PLSNMs با کلویسیت 30B در مقایسه با انواع دیگر از نانورس بسیار برجسته می باشد [32]. این انتظار می رود که نفوذپذیری گاز PLSNMs در مقایسه با غشای PLA تمیز کاهش یابد.

ویژگی مانع مشابه از طریق مقایسه نفوذپذیری گاز در PLSNMs برای O2، N2، CO2 مشاهده شد.نانورس به رفتار به عنوان سدی در مقابل مولکولهای گاز را از طریق ماتریس پلیمر [75] عبور پیدا شد.

PLA با بسیاری از خاک های رس آلی مانند هکسادیکال آمین- MMT (C16-MMT)، دودسیل تریمثال آمونیوم برمید- MMT (DTA-MMT)، کلویسیت 25A پر شده بود [81]. مقادیر نفوذپذیری اکسیژن برای همه ارقام در مورد بارگذاری خاک رس تا 10 درصد وزنی کمتر از نیمی از ارزش های مربوطه خالص PLA بودند، صرف نظر از نوع نانورس [19]. نانوکامپوزیت های آمورف PLA و کائولینیت اصلاح شیمیایی توسط کابدو و همکاران مورد بررسی قرار گرفتند. [16]. آنها تعامل خوبی بین پلیمر و خاک رس، که منجر به افزایش در خواص نفوذ اکسیژن در حدود 50٪ است مشاهده کردند.

ارتباط مورفولوژی و خواص مانع بخار ترکیبات PCL / MMT توسط گوراسی و همکاران مورد مطالعه قرار گرفت [82]. آنها ترکیبات مختلف PCL / نانوکامپوزیت های خاک رس اصلاح شده (OMC) توسط ترکیب مذاب و یا کاتالیز پلیمریزاسیون حلقه باز کاپرولاکتون آماده کرده اند. میکرو کامپوزیت ها و مواد مرکب توسط ترکیب مذاب مستقیم PCL و MMT بکر به دست آمدند. نانوکامپوزیت متورق شده توسط حلقه پلیمریزاسیون باز از CL به OMC با استفاده از دیبوتلیتین متوکسید به عنوان یک آغازگر / کاتالیزور به دست آمد. نانوکامپوزیت میانه یا مذاب ترکیبی با OMC و یا در پلیمریزاسیون درجا در MMT بکر تشکیل شدند. خواص مانع بخار آب و دی کلرومتان به عنوان یک حلال آلی مورد بررسی قرار گرفتند. جذب (S) و ضرایب انتشار غلظت صفر (D0) برای هر دو بخارات مورد بررسی قرار گرفت [45]. جذب آب با افزایش محتوای MMT افزایش یافته است، به ویژه برای میکرو کامپوزیت و مواد مرکب حاوی MMT اصلاح نشده است.

افزایش خواص مانع گاز پوسته نانوکامپوزیت ها اعتقاد بر این است با توجه به حضور لایه سیلیکات پراکنده سفارشی با نسبت ابعاد بزرگ در ماتریس پلیمری که نفوذ ناپذیر به مولکول های آب می باشد [63،84]. این سفر نیروهای گاز از طریق پوسته به دنبال یک مسیر پر پیچ و خم از طریق ماتریس پلیمر در اطراف ذرات سیلیکات، موجب افزایش طول مسیر موثر برای انتشار می شود[76]. افزایش خواص مانع گاز از نانوکامپوزیتهای آنها در برنامه های کاربردی بسته بندی مواد غذایی جذاب و مفید می باشد.

یک روش ابتکاری توسط سورنتینو و همکاران پیشنهاد شده بود [85]. به طور خاص، آنها از طریق پیوندهای یونی، به دنبال الحاق به یک ماتریس PCL یک مولکول ضد میکروبی، بنزوات، بر روی یک لایه Mg/Al هیدروکسید دو برابر بودند. شکل. 6 نشان می دهد که روند انتشار بنزوات سدیم به طور مستقیم به PCL به روش ریخته گری حلال گنجانیده شده، و آزادی از بنزوات ایونیکال به هیدروتالسیت آلومینیوم منیزیم (LDH) و مخلوط با PCL پیوند می خورند [45]. در سالهای اخیر، مواد لایه شده نیز به طور قابل توجهی به عنوان دارو وسیله تحویلی دریافت شده اند[86].
یکی دیگر از مطالعه سیستماتیک در نانوکامپوزیت های PCL در اثر درصدهای مختلف MMT، درجه افزایشی MMT، و تغییر شکل آلی مختلف MMT در ضریب نفوذ دی کلرومتان انجام شد [86]. برای انتشار حلال آلی (دی کلرومتان)، نمونه میانه مقادیر پایین تر از پارامترهای انتشار را نشان داد. این نتیجه موید آن است که آن نه تنها محتوای رس بلکه نوع و اندازه پراکندگی جزء معدنی در فاز پلیمری است که برای بهبود خواص مانع این نمونه ها مهم می باشد.

به ویژه تمایل نتایج به درجه پراکندگی MMT در ماتریس پلیمری می باشد. برای انتشار دی کلرومتان در نمونه کامپوزیت PCL با 3 درصد وزنی MMT، این نشان داده شد که پارامتر انتشار از میکرو کامپوزیت و مواد مرکب (ارزش بسیار شبیه به PCL خالص) به نانوکامپوزیت کنده شده کاهش یافته است، و ارزش متوسط از انتشار در نانوکامپوزیت میانه مشاهده شد (شکل 7 را ببینید). در مورد بخار آب، هر دو میکرو کامپوزیت و مواد مرکب و نانوکامپوزیت میانه پارامترهای نفوذ بسیار نزدیک به PCL را نشان داد. در مقابل، نانوکامپوزیت کنده شده مقادیر بسیار پایین تر را حتی برای محتوای مونتموریلونیت کوچک نشان داده است [87].

زنجیر PCL پیوندی بر روی مونتموریلونیت اصلاح شده با مخلوطی از نمکهای آمونیوم غیر کاربردی و گروه های هیدروکسیل آمونیوم، شعاعی به منظور درک تاثیر زنجیره ای پلیمری چگالی ضمیمه های مختلف در ضریب انتشار مورد مطالعه قرار گرفتند [50]. مقدار رس تا 3 درصد وزنی با تغییر عملکرد هیدروکسیل 25٪، 50٪، 75٪ و 100٪، و در نتیجه سیستم های میانه یا کنده شده ثابت شده است [83].

جهت خرید فایل تماس بگیرید 
09375520909 - شبستری
shabestari716@gmail.com

Seismic Performance Evaluation of Urban Bridge using Static Nonlinear Procedure, Case Study: Hafez Bridge

Abstract
Bridges as key elements in the lifeline of each country or urban transportation play a fundamental role economically, politically and militarily. The possibility of severe damage to bridges that are subjected to earthquake leads to the necessity of seismic evaluation of existing bridges, particularly those which have been either designed regardless of earthquake effects or according to moderate earthquake-resistant consideration. The assessment of safety and stability of these bridges while passing increasingly traffic is of high importance in their seismic performance. In this study, an urban steel bridge in metropolitan Tehran which is accounted for as an important structure in the city transportation is studied using nonlinear static procedure at two hazard levels. The hazard levels were obtained by the use of probabilistic seismic hazard analysis (PSHA). Three-dimensional model of the mentioned bridge is developed and analyzed using nonlinear static procedure (NSP) thus its seismic performance is evaluated accordingly. The results show the vulnerability of this steel bridge during earthquake and the necessity of retrofitting for improving its seismic behaviour.

Keywords
urban bridgenon, linear static analysis, seismic performance, PSHA

ارزیابی عملکرد لرزه ای پل های شهری با استفاده از روش استاتیک غیر خطی؛
مطالعه موردی: پل حافظ
چکیده
پل ها به عنوان کلیدی ترین عناصر در تاسیسات هر کشور و یا حمل و نقل شهری نقش اساسی اقتصادی ، سیاسی و نظامی بازی می کنند. امکان آسیب شدید به پل هایی که در معرض زمین لرزه قرار دارند به ضرورت ارزیابی لرزه ای پل های موجود، به ویژه آنهایی که بدون در نظر گرفتن اثرات زلزله طراحی شده اند و یا با توجه به در نظر گرفتن مقاومت در حد متوسط در برابر زلزله اند منجر می شود. ارزیابی ایمنی و پایداری این پل ها در حالی که ترافیک فزاینده ای از آن عبور می کند از اهمیت بالایی در عملکرد لرزه ای آنها برخوردار است. در این مطالعه، یک پل فلزی شهری در شهر تهران که به عنوان یک سازه مهم در حمل و نقل شهری است با استفاده از روش استاتیک غیر خطی در دو سطح خطر مورد مطالعه قرار گرفته است. این سطوح خطر با استفاده از تجزیه و تحلیل خطر لرزه ای احتمالاتی (PSHA) به دست آمده است. این مدل سه بعدی از پل ذکر شده با استفاده از روش استاتیک غیر خطی توسعه یافته و تجزیه و تحلیل شده (NSP) در نتیجه عملکرد لرزه ای آن مورد بررسی قرار گرفته است. این نتایج نشان دهنده آسیب پذیری این پل فلزی در زلزله و لزوم مقاوم سازی برای بهبود رفتار لرزه ای آن می باشد.
کلمات کلیدی: پل شهری؛ تجزیه و تحلیل استاتیک غیر خطی. عملکرد لرزه ای، PSHA .

1. مقدمه
پل ها به عنوان یکی از مهمترین سازه های دست ساز بشر نقش مهمی در زندگی روزمره مردم شهری بازی می کنند. قابلیت خدمت رسانی پل ها به منظور کمک به مردم آسیب دیده و نیازمند حمل و نقل، به خصوص پس از زلزله اهمیت بالایی دارد. حرکات نیرومند زمین در دهه گذشته در مناطق پر جمعیت اثرات زیادی بر روی بسیاری از پل ها به ویژه آنهایی که با توجه به کدهای قدیمی تر طراحی شده اند، داشته و نشان داده که این سازه ها آسیب پذیر هستند. به منظور بررسی کدهای فعلی که تغییرات بزرگی در مقایسه با کدهای قدیمی داشته اند و همچنین تشخیص کمبودهای احتمالی، مطالعه دقیق عملکرد پل ها در زلزله اخیر ضروری است. بنابراین، این برای بررسی سازه هایی که نقش اصلی را در زندگی روزمره ایفا می کنند، ترجیح داده می شود. پیرو محبوبیت فلسفه طراحی مبتنی بر عملکرد در مهندسی عمران [Ghobarah، 2001] به عنوان یک ابزار ارزیابی عملکرد لرزه ای قوی، تجزیه و تحلیل پوش آور استاتیکی غیر خطی به یک روند جدیدی به علت سادگی آن در مقایسه با روش تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا غیر خطی متعارف تبدیل شده است (Saiidi و Sozen، 1971؛ Fajfar و Gaspersic، 1996؛ Bracci و همکاران 1997؛ Krawinkler و Seneviratna 1998، Usami و همکاران، 2001؛ Chopra و Goel 2002؛ Chintanapakdee و Chopra 2003؛ Zheng و همکاران 2003؛ Zhihao و همکاران 2004؛ Ranjit و همکاران 2002] و این روش برای ارزیابی لرزه ای در برخی از مفاد پیشنهاد شده است [SEAOC 1999 ، ATC 1996، FEMA 356 2000]. در این تحقیق تمرکز بر بررسی رفتار لرزه ای و آسیب پذیری پل حافظ با استفاده از روش استاتیک غیر خطی می باشد. این پل در شهر تهران واقع شده است و به عنوان یک سازه مهم می باشد.
2. مشخصات پل
2.1. مشخصات هندسی
طول پل فولادی حافظ 768 متر است که دارای 30 دهانه می باشد. طولانی ترین دهانه 28.5 متر است. این پل 10.5 متر عرض دارد که باید با سه خط برای عبور کامیون ها طراحی می شد، اما با توجه به اسناد و مدارک موجود این عرشه برای عبور کامیون (hs-20-44 & slw30) در یک یا دو خط محاسبه شده است. این ستون ها کنسول هایی هستند که ارتفاع متغیری از پی دارند (2.4-5.43 متر). نمای جانبی پل در شکل 1 نشان داده شده است.

هر یک از تیرهای طولی (شکل 2) یک نئوپرن و عرشه در شمع کلاه می باشد. این پل ذکر شده شامل ستون های مستطیل شکل با ابعاد 1.78x0.46 متر می باشد.
2.2. مشخصات مواد
مشخصات مواد به شرح زیر می باشد:
بتن: F_C = 250 〖kgf/cm〗^2، E = 253456 〖kgf/cm〗^2، v= 0.2. فولاد: ST-52،
Fy=3400 〖kgf/cm〗^2، E = 2038902 〖kgf/cm〗^2، v= 0.3
3. مدل سازی
برای مدل سازی و تجزیه و تحلیل این پل، SAP2000( SAP 2000، برنامه تجزیه و تحلیل سازه ای 2005) استفاده شده است. این مدل D3 (3 بعدی) است و فرآیندهای تجزیه و تحلیل و ارزیابی با استفاده از این مدل D3 انجام می شود.

3.1. مدل عرشه
یک روش مهم در مدل سازی عرشه توجه به دیافراگم به کار رفته است. این عناصر مانع تیرهای جنبش فردی و ارائه سفتی پیچشی مورد نیاز عرشه می باشد. اگر این دیافراگم ها در نظر گرفته نشود، حالت لرزشی غالب حالت چرخشی خواهد بود. همانطور که واضح است در برنامه های دقیق این پل فاقد دیافراگم می باشد.
3.2. اتصال عرشه به اسکله
تیرهای بتنی در حمایت الاستومری قرار دارند و با شمع کلاه در ارتباط هستند. این عنصر انعطاف پذیر است و با سختی برشی کم آن در برابر حرکت افقی دال مقاوم است. درمان الاستومر به شرح زیر است: در مرحله اول این سختی افقی برابر منحنی جابه جایی نئوپرن است. در مورد افزایش نیرو، مقاومت الاستومر تا آنجا که ممکن است و پس از آن از بین می رود و تنها نیروی مقاوم نیروی اصطکاک می شود. با توجه به اینکه نئوپرن این پل بی فایده است می باید تعویض شود.

3.3. مدل سازی اسکله
اسکله ها به عنوان ستون معادل مدل سازی شده اند، واگذاری لولاهای پلاستیکی از جدول مربوط به این ستون ها بر اساس FEMA 356 استفاده می شود.
4. بارگذاری
4.1. نیروی جاذبه (گرانش) بارگذاری
وزن عرشه شامل تیر، دال، سطح شیب دار بتن، دیافراگم، نرده، شمع کلاه و آسفالت 〖kg/m〗^2 354 در نظر گرفته می شود. همچنین بار زنده به عنوان بار یکنواخت با توجه به کد شماره 139 (کد بارگذاری پل) در نظر گرفته می شود. شکل (3) را مشاهده کنید.

4.2. بارگذاری لرزه ای
با توجه به کد لرزه ای طراحی پل [کد بارگذاری پل]، نیروی جانبی زلزله می تواند بر اساس دوره های طبیعی ارتعاش سازه (پل) و طیف واکنش تعیین شود. این نیرو بر اساس حالت شکل اصلی توزیع شده است و از یکی از روش های آشنا را بکار می برد. نیروی جانبی زلزله بر روی عرشه می تواند به عنوان معادله (1) محاسبه شود.
F=CW ,C = ABI/R
که در آن، W: وزن عرشه به علاوه X٪ بار زنده، F: نیروی عرشه ای که به مرکز جرم اعمال می شود، C: ضریب زلزله، A: طراحی acc، I: ضریب اهمیت پل، B: ضریب طیف واکنش، R: عامل رفتار.
در محاسبه نیروی جانبی زلزله در موردی که مقدار بار زنده کمتر از نیمی از بار مرده باشد، بار زنده به حساب نمی آید. در غیر این صورت، دو سوم مجموع بار مرده و زنده عرشه در محاسبات در نظر گرفته می شود. در این تحقیق بار زنده عرشه در نظر گرفته نشده است.
4.3. اثر همزمان عناصر زلزله
عناصر و اجزای سازنده باید برای نیروها و تغییر شکل های مرتبط با 100٪ از نیروهای طراحی در جهت X به همراه نیروها و تغییر شکل های مرتبط با 30 % از نیروهای طراحی افقی عمود بر جهت Y و بالعکس ارزیابی شود. (FEMA 356، 2000).
4.4. تعداد حالت لرزش
تعداد حالت های مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل معین باید حداقل 3 بار از تعداد دهانه باشد. همچنین تعداد حالت ها به 25 محدود شده است همانطور که در AASHTO-DIV (AASHTO LRFD 2006) ذکر شده است. 15 حالت اول ارتعاش به حساب این پل قرار داده شده است.
4.5. اثر p – Δ
عناصر و اجزای سازه باید برای اثرات p – Δ طراحی یا تایید شود، به عنوان اثرات ترکیبی اقدامات بارهای گرانش در رابطه با مکان های جانبی با توجه به نیروهای لرزه ای تعریف شود (FEMA 356، 2000). در این تحقیق اثر p – Δ در این تجزیه و تحلیل در نظر گرفته شده است.

جهت خرید فایل تماس بگیرید 
09375520909 - شبستری
shabestari716@gmail.com

Evaluation of the Use of Steel Bracing to Improve Seismic Performance of Reinforced Concrete Building

Abstract
The aim of this paper is to evaluate the possible improvement of seismic performance of existing reinforced concrete building (the 5th Building of UNS Engineering Faculty) by the use of steel bracing. Three methods of seismic evaluation are employed for the purpose of the study i.e. Nonlinear Static Pushover Displacement Coefficient Method as described in FEMA 356, Improvement of Nonlinear Static Pushover Displacement Coefficient Method as described in FEMA 440 and dynamic time history analysis following the Indonesian Code of Seismic Resistance Building (SNI 03-1726-2002) criteria. The results show that the target displacement determined from nonlinear pushover analysis of the existing building in X direction is 0.188 m and in Y direction is 0.132 m. The performance of this building could be categorized in between Life Safety (LS) - Collapse Prevention (CP) and plastic hinges occur in columns. It is also indicated that the story drifts in Y direction exceed the serviceability limit criterion when the recorded El Centro accelerogram was used for dynamic time history analysis. The performance of the existing building could be improved if steel bracings are utilized for seismic retrofitting. It is shown from the nonlinear pushover analysis that target displacements in both directions are reduced by 16%-55% if the proposed steel bracings are used. Furthermore, dynamic time history analysis points out that the story drifts of the retrofitted building are within the limit criteria. Meanwhile, the size of steel bracing elements do not significantly affect the seismic performance of retrofitted building.

Keywords
non linear static pushover analysisseismic retrofittingsteel bracingtime history analysis.

بررسی استفاده از مهاربند فولادی، به منظور بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان های بتنی تقویت شده

چکیده
هدف از این مقاله بررسی امکان بهبود عملکرد لرزه ای موجود ساختمان بتنی تقویت شده (ساختمان 5 طبقه دانشکده مهندسی UNS) با استفاده از مهاربند فولادی می باشد. سه روش ارزیابی لرزه ای برای این هدف از مطالعه؛ یعنی روش ضریب پوش آور جابجایی غیر خطی استاتیکی در FEMA 356 توصیف شده، بهبود روش ضریب پوش آور جابجایی غیر خطی استاتیک در FEMA 440 و تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا پس از معیارهای کد لرزه ای ساختمان تقویت شده اندونزی، شرح داده شده است (SNI 03-1726-2002). این نتایج نشان می دهد که هدف جابه جایی تعیین شده از تجزیه و تحلیل پوش آور غیر خطی از ساختمان های موجود در راستای X 0.188 متر و در راستای Y 0.132 متر است. عملکرد این ساختمان می تواند در بین زندگی ایمنی (LS) – پیشگیری از فروپاشی (CP) و لولاهای پلاستیکی رخ داده در ستون ها طبقه بندی شود. این نیز نشان داده شده که مکان مورد نظر در راستای Y فراتر از معیار محدودیت سرویس است زمانی که شتاب نگاشت سنترو El ثبت شده برای تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا مورد استفاده قرار گرفت. عملکرد ساختمان های موجود می تواند بهبود یابد اگر مهاربند فولادی برای مقاوم سازی لرزه ای استفاده شود.
این از تجزیه و تحلیل پوش آور غیر خطی نشان داده شده است که هدف قرار دادن جابجایی در هر دو جهت با 16٪ -55٪ کاهش می یابد اگر مهاربند فولادی ارائه شده، استفاده شود. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا اشاره می کند که مکان مورد نظر ساختمان تقویت شده در معیارهای محدود می باشد. در همین حال، اندازه عناصر مهاربند فولادی به طور قابل توجهی عملکرد لرزه ای ساختمان تقویت شده را تحت تاثیر نمی گذارد.
کلمات کلیدی: تجزیه و تحلیل پوش آور غیر خطی استاتیک؛ مقاوم سازی لرزه ای؛ مهاربند فولادی. تجزیه و تحلیل تاریخ زمان.

1. مقدمه
ساختمان بتنی تقویت شده باید طوری طراحی شود که دارای ظرفیتی برای حمل بارهای ترکیب شده (بار مرده، زنده و زلزله) در سطح ایمنی خاص و در درجه خاصی از اطمینان باشد. مقدار مناسبی از بارها، خواص مواد، سیستم های ساختاری و روش تجزیه و تحلیل عوامل اساسی در طراحی ساختار می باشد. هنگامی که این طرح در نهایت در روند ساخت و ساز اجرا شود، عملکرد مورد انتظار از سازه ساختمان باید با رضایت باشد. با این حال، این وضعیت ایده آل همیشه قابل توجه نیست. عملکرد سازه ساختمان می تواند کمتر از معیارهای مورد انتظار در دوره سطح ایمنی و طول عمر خدمت با توجه به انواع علل باشد. علاوه بر طراحی معیوب و ساخت و ساز نامناسب، وضعیت های دیگری نیز وجود دارد که می تواند عملکرد آینده سازه ساختمان مانند تغییر عملکردهای ساختمان، تغییرات ویژگی های بار لرزه در منطقه، نفوذ عوامل تهاجمی از محیط زیست، و غیره را مختل کند.
فقدان عملکرد سازه در ساختمان های موجود همیشه به رسمیت شناخته نمی شود از آغاز آن ممکن نیست با نشانه های بصری از تخریب پیگیری شود. این تعجب آور نیست که بار خدمات انجام شده توسط این سازه پایین تر از بارهای ترکیبی محاسبه شده در طراحی باشد. حتی بار های لرزه ای ممکن است همیشه در این طول دوره خدمت اولیه سازه حاضر نباشد. همانطور که زمان می گذرد، علائم بصری از تخریب سازه می تواند حضور داشته باشد و نیازمند ارزیابی جامع از عملکرد سازه از جمله محاسبه بار زلزله آینده باشد.
در اصطلاح ویژگی های بارهای لرزه ای، این رایج است که در تمام ساختمان هایی که در مواجهه با نیازهای لرزه ای اند و در حال حاضر عملکرد لرزه ای شان به دلیل افزایش تقاضای لرزه فعلی مورد سئوال است، استفاده شده است. همچنین، کشف ساختمان ها با عملکرد تحقیرآمیز پس از آسیب توسط زلزله و در نتیجه، عملکرد لرزه ای آنها نیز استاندارد فعلی را برآورده نمی کند. مقاوم سازی کمبود ساختمان های موجود به منظور بهبود عملکرد لرزه ای آنها یک مسیر برای اطمینان از ایمنی سازه در صورت وقوع زلزله در آینده خواهد بود. فن آوری های متعددی وجود دارد که می توانند برای این منظور انتخاب شده مانند اضافه کردن عناصر مورب سازه (مهاربند)، دیوار برشی و یا تغییرات رابطه بین عناصر سازه. استفاده از مهاربند فولادی برای مقاوم سازی سازه های بتنی تقویت شده برخی مزیت هایی دارد مانند اینکه؛ آن نسبتا مقرون به صرفه است، به طور قابل توجهی وزن سازه را افزایش نمی دهد، کاربرد آسانی دارد و می تواند با قدرت و استحکام لازم را سفارش داده شود.
این مقاله ارزیابی لرزه ای ساختمان 5 طبقه دانشکده مهندسی UNS را نشان می دهد. بر اساس اسناد طراحی، این مشخص شده است که این طراحی تأثیر دهانه های کف (خالی) را در جهت طولی، کد قدیمی استفاده شده در تعیین بار های لرزه ای را به حساب نمی آورد و منطقه برآمدگی و اتصال راهرو به ساختمان مجاور را در نظر نمی گیرد. این مقاله همچنین استفاده از مهاربند فولادی، به منظور بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان را پیشنهاد می کند. عملکرد لرزه ای ساختمان های موجود و ساختمان های تقویت شده از نظر تعیین کمیت بهبود عملکرد به دلیل استفاده از مهاربند فولادی مقایسه شده است.

2. پارامترهای ورودی برای ارزیابی لرزه ای
در فرآیند ارزیابی لرزه ای ساختمان های موجود، لازم است که این مدل باید از نزدیک نشان دهنده سازه واقعی باشد. بهترین روش در دستیابی به این مدل، استفاده از آن به عنوان طراحی ساخته شده است. متأسفانه، چنین سندی در دسترس نیست. به همین دلیل، اسناد طراحی به جای آن استفاده شده و توسط اندازه گیری ابعاد در نقاط تصادفی تأیید شده است. این دریافت شده که این ابعاد در ساختمان واقعی با ابعاد در اسناد طراحی همسان می باشد. بنابراین، این می تواند برای استفاده از اسناد طراحی برای مدل سازی و تجزیه و تحلیل موجه باشد. خواص مواد مورد استفاده در تجزیه و تحلیل به شرح زیر است: مقاومت بتن MPa 19.3 است و قدرت عملکرد تقویتی MPa 320 است. همچنین تمام این ویژگی ها بر اساس اسناد طراحی تعیین شده اند.


سه روش ارزیابی لرزه ای برای هدف این مطالعه یعنی روش ضریب پوش آور جابجایی غیر خطی استاتیکی در FEMA 356 شرح داده شده، بهبود روش ضریب پوش آور جابجایی غیر خطی استاتیکی که در FEMA 440 و تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا شرح داده شده از معیار SNI 03-1726-2002 پیروی می کند.
بار محاسبه شده برای ارزیابی لرزه ای شامل بار مرده، بار زنده، و بار زلزله می باشد. الگوی بار ترکیبی می تواند دقت و قابلیت اطمینان تجزیه و تحلیل پوش آور را بهبود بخشد (Barros و Almeida ، 2005). بار زلزله مورد استفاده در تجزیه و تحلیل پوش آور استاتیک اشاره به ساختمان های متحدالشکل کد 1997 (UBC-97) دارد که از SNI 03-1726-2002 اقتباس شده است. پارامترهای مورد نیاز برای تعیین بار زلزله به شرح زیر است: بر اساس دوره اساسی الاستیکی SNI 03-1726-2002 از سازه موجود (T) 0.7133 ثانیه است، عامل کاهش زلزله (R) 8.5 است، و عامل اهمیت ساختمان (I) 1 است. مقادیر Ca و Cv به دست آمده با استفاده از واکنش طیف زلزله منطقه 3 در شرایط محیط خاک در شکل 1 نشان داده شده است. بر اساس شکل 1، مقدار Ca 0.23 است و Cv 0.33 است. مقادیر T، R، I، Ca ، و Cv سپس به عنوان ورودی به نرم افزار ETABS برای تعیین بار زلزله استفاده شده است. برای تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا، حداقل چهار شتاب نگاشت ثبت شده مختلف توسط SNI 03-1726-2002 مورد نیاز است و برای این مطالعه پنج شتاب نگاشت مورد استفاده در شکل 2 نشان داده شده است.

3. ارزیابی لرزه ای سازه موجود
3.1. تجزیه و تحلیل بارافزون استاتیک سازه موجود
بار جانبی مورد استفاده در تجزیه و تحلیل پوش آور استاتیک به شرح زیر تعیین شده است: برای اولین بار، این بار برای سازه مدل از جمله بار زلزله و پس از آن تجزیه و تحلیل خطی استاتیک با استفاده از ETABS انجام شده، اعمال می شود. تجزیه و تحلیل استاتیک خطی، بار زلزله استاتیک در سازه ایجاد می کند. این بار زلزله استاتیک به عنوان بار جانبی در تجزیه و تحلیل پوش آور استفاده می شود.
تجزیه و تحلیل پوش آور در دو مرحله انجام شده، اولین مرحله محاسبه اثر بار جاذبه (ترکیبی از بار مرده و کاهش بار زنده) بر ساختار است. اولین مرحله از این تجزیه و تحلیل شرایط غیر خطی را در نظر نمی گیرد. تجزیه و تحلیل با اعمال الگوی بار جانبی ارائه شده در افزایش یکنواخت ادامه دارد. شدت بار جانبی تا زمانی افزایش می یابد که ضعیف ترین جزء از تغییر شکل سازه منجر به تغییر قابل توجهی در سختی شود (بخش شروع به بازده).
این تجزیه و تحلیل بیشتر از تعداد اجزای دستیابی به حالت حد قدرت خود (بازده) تکرار شده است. برای هر مرحله از بار، این نیرو در تغییر شکل الاستیک و پلاستیک محاسبه و ثبت شده است. تغییرات نقطه کنترل در مقابل نیروی برشی پایه برای هر مرحله از بار رسم شده برای توضیح رفتار واکنش غیر خطی سازه، منحنی پوش آور نامیده می شود. همه این فرایندها در داخل ETABS انجام شده است. از منحنی های بدست آمده توسط تجزیه و تحلیل پوش آور ، این دریافت می شود که ارتعاش طبیعی موثر (Te) 0.971 ثانیه برای جهت X و 1.083 ثانیه برای جهت Y است. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل پوش آور بیشتر برای ارزیابی عملکرد سازه استفاده می شود.
جابجایی هدف با روش ضریب جابجایی FEMA 356 و بهبود روش ضریب جابجایی FEMA 440 محاسبه شده است. فرمولاسیون جابجایی از هر دو روش مشابه هستند اما FEMA 440 اصلاح و بهبود محاسبه عامل C1 و C2 را پیشنهاد کرده است. جدول 1 پارامترهای ورودی و جابجایی هدف بدست آمده توسط هر دو روش را به طور خلاصه بیان کرده است.
در جدول 1 این نشان داده شده است که بیشترین مقدار جابجایی هدف در جهت X و Y به ترتیب 0.118متر و 0.132 متر است. این مقادیر با اطلاعات مراحل بارافزون ارائه شده در بخش 3 جدول 2 مقایسه شده است. این تأیید شده است که در مرحله 3 ، این جابجایی هر دو مقدار جابجایی هدف در جهت های X (جدول 2) و Y (جدول 3) را سپری کرده و عملکرد سازه در بین زندگی ایمن (LS) – پیشگیری از فروپاشی (CP) طبقه بندی شده است. در مرحله 3 از تجزیه و تحلیل باز افزون، لولاهای پلاستیکی مشاهده شده در ستون ها در شکل 3 نشان داده شده است.

3.2. تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا از سازه موجود

تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا، جابجایی جانبی (di) و داده های مکان مورد نظر (δm) را ایجاد می کند. این داده با محدودیت های عملکرد شروع شده در مجموعه SNI 03 1726-2002 مقایسه شده است. دو محدودیت عملکرد در این کد مشخص شده است که محدودیت استفاده و محدودیت نهایی می باشد. برای این نوع سازه مورد مطالعه، جابجایی جانبی و مکان مورد نظر در جهت Y غالب تر از تعیین عملکرد لرزه ای آنهایی است که از جهت X می باشد. جدول 4 نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا از سازه موجود در جهت Y را خلاصه کرده است. همانطور که می توان از جدول دید، مکان مورد نظر (مکان 2 و پشت بام) در جهت Y بیشتر از معیار محدودیت سرویس است زمانی که شتاب نگاشت سنترو El ثبت شده برای تجزیه و تحلیل تاریخ زمان پویا مورد استفاده قرار گیرد.

جهت خرید فایل تماس بگیرید 
09375520909 - شبستری
shabestari716@gmail.com