超声波技术在食品工业中的应用

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超声波技术在食品领域的应用依能量强度主要分为两大类：低强度超声波技术和高强度超声波技术。

低强度超声波使用的能量一般小于1W/平方厘米，因此当超声波通过体系时不会对介质产生物化破坏作用。低强度超声波通常应用于食品分析检测领域，提供了食品组成、质构及流变学性质数据。

而高强度超声波能量通常为10-100W/平方厘米，足以使介质发生物理裂解以及加速某些化学反应。高强度超声波技术在促进乳化、破解细胞壁和分散聚沉物等方面已得到成功应用。高强度超声波与低强度超声波技术能量差异较大，二者发生器的研制存在明显差异。

一、超声波技术的应用原理

被广泛使用的脉冲技术，其典型的实验装置包括：测量时使用的测样室、超声波发生器和计时器。

脉冲发生器产生适当频率和振幅的电子脉冲，电子脉冲经超声波发送探头转变为超声脉冲，此超声波脉冲将传播到测样室的远距离端器壁，然后从此处返回。接着超声波发送探头又作为超声波接受器将超声波脉冲复原为电子脉冲，脉冲信号将在计时器上显示。因为超声波只有部分被吸收，部分被反射回去，计时器将会显示一系列强度不同的信号。如声速、衰减系数、声音阻抗这3个超声参数可由返回的信号进行测定。每一个返回信号都比其前一个信号多传播了两倍测样室长度（d）的距离。通过测出两个连续回波的间隔时间（t）可计算出声速：C=2d/t。衰减系数可由两个连续回波的振幅计算出。声音阻抗可通过测定出超声波从介质表面反射回的波数与入射波数的比例计算出。通过测出介质体系的超声波参数便可以对食品体系的各种性质进行分析检测。

高强度超声波技术的应用主要依据超声波所具有的种作用机制，即热作用、空化作用和机械传质作用。

热作用是指超声波在介质内传播过程中，其能量不断地被传播介质吸收而使介质的温度升高的一种现象。

空化作用是指超声波在介质中传播时，液体中分子的平均距离随着分子的振动而变化，当其超过保持液体作用的临界分子间距，即形成空化。超声波空化分稳态空化（声强10W/平方厘米）两种。

机械传质作用是指超声波在介质中传播时，可使介质质点进入振动状态，加速溶液的质量传递。

二、低强度超声波技术的应用

低强度超声波技术应用于食品领域的定性测量始于20世纪40年代，但这项技术一直到最近才引起研究人员的重视。超声分析测量技术在食品工业中的应用主要基于可测量的超声波的几个主要特征参数（声速、衰减系数和声音阻抗），能反映食品体系物化特性参数（如组成、质构和流变学等物理性质）。这种关联关系可通过两种途径建立，一种是通过建立测定的超声波特征参数与食品物理参数的比例关系并绘制出修正曲线，另一途径是从理论上用方程描述超声波通过介质后发生的性质变化来对食品体系性质进行定性描述。

1、测定介质的厚度

超声仪器设备能准确测定介质的厚度。与其他技术比较而言，超声波测定介质厚度时只要将仪器接近待检样的一个端面即可。因此，当使用传统技术较难测得检样的厚度时，使用超声波测厚度较为方便。目前此技术已用于糖果中巧克力涂层的厚度、肉的厚度、罐头中液层厚度以及蛋壳等厚度的测定。

2、探测食品中的杂质异物

食品加工过程中经常会有金属屑、玻璃碎片及木屑等杂质异物。传统光学检测技术不能应用于光学非透明体系，此情况下使用超声波探测技术非常快捷方便。测定原理是将一超声波脉冲导入检样中时脉冲将从所遇到的所有介质表面反射回来，由于杂质和产品成分声音阻抗存在明显差异，表现出来的超声波性质也明显不同，所以能将杂质检测出来。

3、流速的测定

在许多食品加工操作中，控制食品物料流速的大小显得非常重要，科研人员已研制出一系列用于测量食品物料流经管道的流速计，如流速计。超声波流速计的测量范围跨度很大，从每秒几毫米到几十米。这些超声波流量计一般测定的是物料的平均流速。最近研制成功的更为精密的流量计可被用来定性测定流体流经管道的截面状态参数。许多超声波流速计被用来准确测定流体中不同组分的流速而不是局限于测定单一流体的流速。

4、食品组成的测定

超声波技术测量食品组成的原理是各不同成分的超声波性质存在差异，如声速、衰减系数和声音阻抗。差别越大，越易鉴别食品的组成状况。目前这项技术已成功用于测量各种不同果汁及饮料中的糖浓度。

5、分散相粒度的测定

分散相粒子的大小对乳化、悬浮和泡沫等分散体系的物化性质有显著的影响，影响到体系的稳定性、外观和口感。与传统方法相比，超声波在测定分散相粒子大小时可省去制备样品前处理并可实现在线检测操作，另外还适用于非透明体系的检测。

超声波测定分散相粒子大小的原理是超声波入射到体系中后产生散射，散射效果取决于粒子的浓度和大小。超声波的声速和衰减系数都能通过散射度表现出来。因此通过测定声速和衰减系数可获得分散相粒子大小的数据。实际上通过测定频率就可测定乳化液和悬浮液中粒子的大小和浓度，测定衰减系数可以测出粒子大小的分布情况。该技术已用于测定蛋黄酱和人造奶油等食品体系粒子的大小。

6、乳状液分层的检测

由于油的密度一般低于水的密度，这导致水包油乳液中的液滴向液面上浮起泡而分层，而油包水体系中的液滴相反会因沉淀而致使液体分层。应用超声波技术测定声波在体系中的传播速度或衰减系数能给产品体系稳定性的确定提供重要参考数据。运用合适的数学方程可将超声波参数转化为所需检测体系的理化性质，如粒子浓度、大小等，因而可有效监控复杂食品体系中的起泡和沉淀的发生。此技术已被用于研究牛乳乳状液、果汁、人造奶油、啤酒泡沫及色拉奶油的稳定性。

7、相转变的监测

相转变的发生主要是因为食品中含有会发生融解或结晶的成分，如糖分、油及水分。由于融解或结晶过程体系的超声波性质会发生显著变化，因此能用超声波技术对相转变实行监测。

固体的超声波速度明显大于液体，所以当样品中的组分发生结晶时，超声波的速度会明显增加。而融解时超声波速明显降低。实际应用中常常通过测定波速来检测蛋黄酱、人造奶油是否发生相转变。

8、超声显影技术

该技术在医学上较为常用，也用于研究一些材料的内部结构，如今这一技术已被食品工业领域所采用。国外文献里已有多篇文献论及应用，该技术对动物进行级别划分。超声波显影技术也能用于检测乳状液、悬浮液是否发生分层，检测杂质物质的存在及测定食品中发生的结晶程度。且超声显影技术仪器其造价正在逐步下调，有望在食品工业中得到进一步的利用。

三、高强度超声波技术的应用

高强度超声波因能量高，能在介质中产生强大压力、剪切力和高温，这些作用能改变介质的物理结构，促进某些化学变化。食品工业中高强度超声波技术的应用较为广泛。早期应用包括细胞的破解、液体脱气、超声清洗超声均质乳状液和分散聚沉物等。近年来高强度超声波不断应用于食品工业的新领域。

1、促进氧化反应

高强度超声波由于能产生极高压力和高温，使水分子裂解并释放出自由基。研究人员发现，超声波技术能明显观测到对酒精饮料有促进氧化反应作用。不过这种加速氧化反应作用对饮料口感不一定有改善。

2、对酶的作用

一般情况下延长含酶体系与高强度超声波的接触时间可以降低酶的活力，这可能是由于高强度超声波能产生高压、高温、强剪切力作用使胃蛋白变性所致。但对有些酶促反应，短时间施以超声波作用能加速酶催化反应。这种作用很有可能是由于超声波使聚集的分子重新裂开分散，从而使酶更易充分接触底物而加速反应。

3、超声杀菌

高强度超声波因能产生高压、强剪切力和高温而用于杀灭微生物。目前超声波杀菌技术已应用于食品工业。超声波杀菌与热处理、加氯处理等杀菌技术配合使用时更有效。

4、助滤、加速扩散

高强度超声波能促进分子穿过滤膜和多孔物质表面。超声波助滤和加速扩散的原理是高强度超声场条件下声流运动与液流运动互不干扰，加速扩散可缩短食品的干燥和复水时间。应用超声波通过不断清洗界面同样可缩短超滤和反渗透时间。

5、超声嫩化

延长肉与超声波的作用时间可使肉获得明显的嫩化效果。应用超声波对肉进行处理可使肌纤维蛋白迅速释放，肌纤维蛋白主要对肉制品中各组分起粘连作用。因而超声波技术可改善肉制品持水性，嫩化度及凝聚能力等物理性质。

6、改善起晶

物质只有当其温度低于自身熔点时才会发生结晶。高强度超声波产生了大量小气泡和不断变化波动的压力和温度破坏了固液两相平衡，从而能降低结晶成核所需的凝固点。通过控制超声波的强度、作用时间及频率可达到改良晶体大小和含量。实验表明将冷却的蔗糖溶液施以超声波作用能大大增加蔗糖结晶的数量。超声波改良结晶加工方法能成为改善许多食品性能的方法。如超声波对可食用蛋黄酱制品、冰淇淋、巧克力和奶油口感的改良就是基于这一机理。

8、超声提取

高强度超声波能形成高能量声场，利用此声场对溶液形成的声空化作用即可对溶液进行超声处理提取目标物质。影响超声提取率的主要因素是超声波的频率、功率、作用时间及溶剂类型和浓度。

已有科研人员对超声提取进行了探讨。如通过超声波作用提取甘草酸、应用超声波提高大豆蛋白的浸提率效果明显高于传统的热浸提方法，原因可能是提高了大豆蛋白组分中的热敏性蛋白。利用超声波作用可使高温脱脂大豆粉的蛋白质水浸提率由全蛋白的提高到。

四、展望

由于在某些方面超声波技术有着其他技术无可比拟的优点，在食品工业中应用超声波技术实现对各种食品性能的检测和加工效果的改善已经取得较大成功。

低强度超声波技术操作费用便宜，且测量速度快、准确，能实现在线操作、不干扰生产、不破坏介质的物化性质及能用于非透明体系。

当然，超声波技术并不能应用于所有食品体系中，但超声波技术具有许多其他技术所没有的长处。就发展而言，超声波技术将会在测定溶液浓度、悬浮液浓度、液滴大小、乳状液浓度、检测脂肪结晶度、乳状液和悬浮液的质构方面取得更大进展，尤其是这些性质的测定都能实现在线操作。

高强度超声波技术多年来一直应用在食品加工处理效果的改善领域，然而大多数还停留在实验室水平，转化为大规模生产的技术尚不多，超声波的作用时间、强度、频率对食品介质各物化性质作用的具体机制还需做更多的基础研究。

另外限制高强度超声波技术应用的一大瓶颈是该类仪器设备造价较为昂贵。显然，使这类仪器造价降低具有重大商业价值，这样超声波技术的诸多优点才能更充分地显现出来。