เทคโนโลยีแช่เยือกแข็งและการทำละลายอัจฉริยะเพื่อคุณภาพอาหารที่เหนือกว่า Smart Freezing and Thawing Technologies for Superior Food Quality

เทคโนโลยีแช่เยือกแข็งและการทำละลายอัจฉริยะเพื่อคุณภาพอาหารที่เหนือกว่า
Smart Freezing and Thawing Technologies for Superior Food Quality

By:  รวิศ ทัศคร
Ravis Tasakorn
Department of Food Science and Technology
Faculty of Agro-Industry
Chiang Mai University
ravis.t@cmu.ac.th

 

เทคโนโลยีสนามแม่เหล็ก: นวัตกรรมการแช่แข็งและการทำละลายในอุตสาหกรรมอาหาร

          ปัจจุบันเริ่มมีงานวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการนำเทคโนโลยีสนามแม่เหล็กมาใช้ในกระบวนการแช่แข็งและการละลายน้ำแข็ง เพื่อปรับปรุงคุณภาพของอาหารแช่แข็ง โดยสนามแม่เหล็กที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นจะช่วยคงคุณภาพที่ดีของลักษณะปรากฏ กลิ่นรส และเนื้อสัมผัส รวมถึงรักษาความสดของอาหารในระหว่างกระบวนการแช่แข็งและการละลายน้ำแข็งได้

          ทั้งนี้ ความไวต่อสนามแม่เหล็กของวัสดุจะถูกกำหนดโดยโมเมนต์แม่เหล็กที่เกิดจากการหมุนของอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของโมเลกุล โดยค่าโมเมนต์ของแม่เหล็กสุทธิจะถูกกำหนดโดยโมเมนตัมเชิงมุมและการหมุนของอิเล็กตรอนภายในอะตอม ในทางกลับกัน โมเลกุลของน้ำ อิเล็กตรอนทั้งหมดในอะตอมออกซิเจนและไฮโดรเจนจะถูกจับคู่กัน (paired electrons) และหมุนในทิศทางตรงข้าม ส่งผลให้โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนทั้งหมดในโมเลกุลน้ำเป็นศูนย์ จึงทำให้น้ำไม่มีโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กที่ชัดเจน

          แม้ว่าน้ำจะเป็นสารที่มีสมบัติไดอะแมกเนติก แต่ก็สามารถถูกทำให้กลายเป็นแม่เหล็กได้เมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กจากภายนอก โดยแรงลอเรนซ์ (Lorentz force) ที่กระทำต่อประจุลบและประจุบวกของโมเลกุลที่มีขั้วภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของศูนย์กลางประจุภายในโมเลกุลของน้ำแบบหมุนหรือเปลี่ยนตำแหน่ง ซึ่งน้ำในสถานะของเหลวสามารถทำให้อยู่ในสภาวะเย็นยวดยิ่ง (supercooled state) ได้ โดยการจัดเรียงตัวโมเลกุลของน้ำในระหว่างกระบวนการแช่แข็ง ซึ่งสามารถปรับตัวให้สอดรับกับลักษณะของสนามแม่เหล็กภายนอก โดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็น 2 องค์ประกอบ ได้แก่ สนามแม่เหล็กสถิต (Static Magnetic Field; SMF) และสนามแม่เหล็กแบบสั่น (Oscillating Magnetic Field; OMF) โดยไม่เกี่ยวกับความถี่ของสนามแม่เหล็กที่กำลังมีการเปลี่ยนแปลง

          สนามแม่เหล็กสถิตเป็นสนามแม่เหล็กที่ความเข้มสนามหรือทิศทางที่ไม่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา โดยสนามแม่เหล็กที่มีการสั่นจะหมุนรอบศูนย์กลางของเส้นแรงสนามแม่เหล็กซึ่งมักจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา จากการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการใช้สนามแม่เหล็กในกระบวนการแช่แข็งจะช่วยลดระยะเวลาในการแช่แข็งและเพิ่มภาวะเย็นยิ่งยวด (supercooling) จึงทำให้ผลึกน้ำแข็งเกิดความสม่ำเสมอและเป็นเนื้อเดียวกัน อีกทั้งยังช่วยลดความเสียหายของเซลล์ในอาหารอีกด้วย จึงลดการสูญเสียน้ำในระหว่างการละลายและช่วยคงคุณภาพของอาหารไว้ได้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้ ยังพบว่ามีการทำงานวิจัยเกี่ยวกับผลของการเพิ่มการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กในระหว่างกระบวนการแช่แข็งในตัวอย่างอาหารหลากหลายประเภทอีกด้วย

         อย่างไรก็ตามในปัจจุบัน การศึกษาเกี่ยวกับการใช้สนามแม่เหล็กในระหว่างกระบวนการละลายน้ำแข็งยังค่อนข้างมีจำกัด แต่จากผลการศึกษา พบว่าโมเลกุลของน้ำจะมีการสั่นอย่างต่อเนื่องเมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กสลับ ซึ่งอาจใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้ในการเพิ่มอุณหภูมิและเร่งกระบวนการละลายน้ำแข็ง เพื่อลดการสูญเสียน้ำ (drip loss) และเพิ่มความสามารถในการกักเก็บน้ำของอาหารได้

          Magnetic Field Technology: An Innovative Approach to Freezing and Thawing in the Food Industry

          Currently, there is growing research on the potential application of magnetic field technology in freezing and thawing processes to improve the quality of frozen food. Induced magnetic fields help preserve the appearance, flavor, texture, and freshness of food during both freezing and thawing.

          The sensitivity of materials to magnetic fields is determined by the magnetic moment generated by the spin of electrons and the nucleus of molecules. The net magnetic moment is defined by the angular momentum and electron spin moments within atoms. In contrast, in water molecules, all electrons in oxygen and hydrogen atoms are paired (paired electrons) and spin in opposite directions. As a result, the total magnetic moment of the electrons in a water molecule is zero, meaning that water does not exhibit a distinct magnetic dipole moment.

          Although water is a diamagnetic substance, it can become magnetized when exposed to an external magnetic field. The Lorentz force acting on the positive and negative charges of polar molecules under the influence of a magnetic field causes a shift or rotational movement of the charge center within the water molecule. In its liquid state, water can be maintained in a supercooled state by aligning its molecular structure during the freezing process, adapting to the characteristics of the external magnetic field. Electromagnetic fields can be categorized into two components: Static Magnetic Field (SMF) and Oscillating Magnetic Field (OMF), independent of the changing frequency of the magnetic field.

          A static magnetic field is one in which the field intensity or direction does not change over time, whereas an oscillating magnetic field rotates around the center of the magnetic field lines and typically varies over time. Studies have shown that applying a magnetic field during freezing can shorten freezing time and enhance supercooling, resulting in more uniform and homogeneous ice crystal formation. This process also helps minimize cellular damage in food, reducing water loss during thawing and preserving food quality more effectively. Additionally, research is being conducted on the effects of applying magnetic fields during freezing in various food samples.

          However, studies on using magnetic fields during thawing are still relatively limited. Research findings suggest that water molecules continuously oscillate when exposed to an alternating magnetic field, a phenomenon that could be utilized to increase temperature and accelerate the thawing process. This approach may help reduce drip loss and enhance the water-holding capacity of food, ultimately improving its overall quality.