食品业超声技术研究

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1超声波技术在食品工业方面的应用

1.1超声提取

超声辅助提取技术是近些年来发展起来的一种新型分离技术。与常规的提取技术相比，超声波辅助提取技术具有快速、经济、安全、高效等特点。在空化场的作用下，瞬间压力的增大和减小产生胞壁内外的压力差，致使目标提取物从撕裂处释放，从而达到提取的目的。另外，超声波的热作用和机械作用也能促进超声波强化提取［3］。目前在超声提取技术的使用中，较多采用的是单频率进行超声提取，但是单频超声波较易产生驻波，使得空化时间减少，无法最大程度发挥超声波辅助功效。近年来，有学者研究了一种能达到两种频率超声波叠加效果的自聚焦型超声换能器，通过理论分析和实验结果表明，该换能器可以实现双波叠加并发生声散射效应。复频换能器产生的两列声波可以发生声散射，使声场频谱变宽，为更大范围的空化核提供产生空化效应的机会。目前对组合超声强化浸取作用机理还没有一个统一的说法，有待于研究。相对于应用较多的间歇超声提取，连续提取在工业上更具有应用前景。曹雁平等［4］设计的L型螺旋式连续逆流浸取器，能将连续逆流浸取的优点和超声波浸取的优点有机地结合，进一步提高浸取效率。M.Corrales等人［5］对从葡萄中提取花青素进行了研究，比较了超声波提取、静水压法和脉冲电场法对从葡萄中提取花青素的能力，利用70℃下频率为35kHz的超声波辅助提取1h，酚含量达到50%，是600MPa静水压力法的4倍，3kV/cm2脉冲电场法的3倍，个别花色苷的提取效果更好。E.Sanz等人［6］利用超声场从大米中提取砷，提取率达到95%，提取时间只需几分钟，比传统提取方法减少数小时。V.Matthieu等人［7］利用超声法提取苹果渣中的多酚物质，以15%的乙醇溶液萃取，固液比50%，结果表明，超声助提取使提取率提高20%。S.Venk等人［8］利用超声技术从甜菜中提取色素，在温度45℃，超声功率80W下，用1∶1的乙醇－水提取，使提取率提高8%。曹雁平［9］、程伟［10］、莫英杰［11］、刘玉德［12］、张斌［13］、梁华［14］、王静［15］、马空军［16］等人对利用超声技术从植物中提取茶多酚、黄芩苷、大蒜素、姜黄素等有效物质及超声技术应用于食品工业中的提取过程进行了深入研究，结果表明，超声辅助提取技术可以加快提取速度，提高提取效率。但在超声辅助提取过程中，对植物的有效成分是否被破坏，以及破坏程度，还没有系统地研究，这还需要超声技术研究工作者的进一步实验研究。

1.2超声破壁与促进渗透

超声波处理过程中，空化效应释放巨大能量，使细胞破裂以达到破壁的目的。S.Aparna和M.N.Gupta［17］研究了从杏仁中提取杏仁油的工艺，其首先利用功率为70W的超声波，在pH4、温度40℃的环境下处理2min，使杏仁细胞壁破裂，帮助提取溶剂更有效地与目标提取物接触，使提取时间缩短为6h，提取率提高77%，效果明显。

1.3超声均质与乳化

利用超声波在液体中的空化作用来达到均质效果。M.L.Melissa等人［18］利用20kHz超声处理浓度为28%玉米浆3h，处理能力为10～28L/min，均质效果比传统方法提高2～3倍;通过扫描电子显微镜观察发现，超声处理大大降低了玉米浆的粒度，使粒度从1200μm降至平均361.8μm，从而达到均质的目的。S.Kentish等人［19］将超声乳化技术应用于饮料业，用频率为20～24kHz的超声波，使亚麻籽油和水的混合物分子形成粒度135nm大小的乳液，液滴大小和超声功率成正比，从而提高乳化效率。

1.4食品保鲜

利用超声波空化效应在液体中产生的瞬间高温及瞬间高压使液体中某些细菌致死，病毒失活，延长蔬菜等食品的保鲜期。超声灭菌是一种有效的非热处理的灭菌方法，对比研究超声灭菌和传统灭菌法对奶制品的作用效果，超声灭菌效果较好［20］。ShifengCao等人［21］，利用超声波处理采后草莓，其研究了功率250～450W，频率40kHz，处理时间5～15min条件下超声波对采后草莓的灭菌效果，结果表明，功率为250W的超声，处理时间9.8min，使5℃下保存8d的草莓腐烂率最低。M.Valero等人［22］利用超声对桔汁的加工过程进行处理，用频率500kHz、功率240W的超声处理15min，防止了桔汁中食源性致病菌的生长，降低了产品中细菌、酵母和霉菌的浓度，并没有影响桔汁的品质和颜色。

1.5超声强化酶促反应

超声波在生物学上的应用已由强超声波的细胞破碎提取胞内物质，发展到利用微超声波增强细胞内酶的产生和提高非水相酶催化的均质效应，可见适当控制超声波的频率和强度，不但对生物活性物质没有影响，反而可能改善或增强它们的作用。BaoYang等人［23］利用功率为120W，温度57℃的超声应用于龙眼多糖提取的过程中处理龙眼12min，增强了龙眼果皮中多聚糖酪氨酸酶的抑制力，效果十分明显，证明超声场能有效地促进酶促反应。

1.6超声切割

超声波在食品工业中，还被应用于食品的切割辅助技术，超声波的机械效应和热效应，作用于食品切割器的接触面，可以改变切削力对部分食品的损失。SusannZahn等人［24］研究了超声波频率与垂直切割速度对食品切割品质的影响，控制一个特定的切割速度，增加超声频率可以增大工作量，但达到最大切割速度时，20～40kHz的超声波对其没有明显影响。S.Yvonne等人［25］研究超声频率对切割力的影响，提出超声的功率消耗取决于振幅和频率，增加振幅加大了处理量，但有更大的电力需求，提高超声频率，可以有效地提高切割速度，增大处理量，减少能源消耗。

1.7超声解冻

超声波的高频率振动，可使冻物组织中的微环境发生变化，能量被吸收，更易于化冻过程。C.A.Miles等人［26］将超声波技术应用于解冻肉类和海鲜，发现频率在0.22～3.3MHz和功率为3W/cm2的超声波辅助解冻，可使表面加热温度减少到最低，牛肉、猪肉和鳕鱼解冻样品，超声解冻速度在大约2.5～7.6cm/h。

1.8超声雾化喷涂

目前，超声波被应用于一种新的封装技术，即超声辅助雾化封装系统，利用超声波的高频机械运动，将包装物质雾化喷涂于待包装物表面。K.Wanwimol和Yao－WenHuang［27］利用频率40kHz，功率130W的超声波，将壳聚糖与水按1∶10的比例，并混合入240mg/g的封装粉，先进行乳化然后雾化对金枪鱼油表面包裹，水含量和水活性低，封装外观可接受，可以提高金枪鱼油和其他油类在工业应用中的稳定性。

1.9有机物的聚合与降解

高强度的超声可引发两种似乎是很矛盾的效应:聚合物的降解和单体的聚合。超声波的空化作用，在液体内部形成局部和极短时间内的高温、高压，足以引发或加速反应从而引起分子的热离解、离子化、产生自由基等，导致一系列化学反应的发生。T.Malika等人［28］监测凝胶在超声场中的变化，利用频率为500kHz的超声波，温度控制20～90℃，发现胶体发生一定程度的聚合，并改变其流变学特征，胶体表面弹性减弱。Wen－HuiShi等人［29］利用超声技术处理牛血清蛋白，用强度为17.83W/cm2的超声处理30min，使溶液中蛋白质的α螺旋和β折叠分别变化18.1%和25.2%，使溶液在420nm处波长吸收明显增加，说明超声处理有助于牛血清蛋白的聚合。因超声加速了溶剂分子与聚合物分子间的摩擦，从而引起C－C键裂解;同时因超声的空化效应所产生的高温高压环境导致了链的断裂［30］。L.Francesca等人［31］利用超声技术处理小麦淀粉，在保持小麦含水量34%和温度25℃的条件下，用频率为10MHz的超声波挤压淀粉分子，可使直链淀粉降解。Y.Umut和J.N.Coupland［32］利用频率2.25MHz高频超声处理浓度为40%乳糖溶液，使直径小于50μm的乳糖晶体浓度减少并发生降解。

1.10超声评估食品品质

目前，探测超声技术广泛应用于食品品质的评估和食品生产过程的检测。S.Raffaella和J.N.Coupland［33］利用超声波技术测定巧克力中的固体脂肪含量，他们将糖果涂层的脂肪以及含可可脂的玉米油分散为一系列区域，在第26d以27.5～29℃回火融化，以超声波反射显示巧克力中固体脂肪融化在回火中的变化。J.Benedito等人［34］用超声波技术评估肉的品质，以超声波流速的变化测量肉中脂肪、水分和蛋白质的分布与含量，此方法快速并且不破坏肉的组成。L.R.Correia等人［35］利用超声波探测鸡胸肉中的骨头碎片，将频率为15MHz的超声波作用于鸡肉，对阻抗和振幅比进行了测定，可以检测到6～16mm2的骨头碎片投影。Feng－JuiKuo［36］、S.Raffaella［37］、A.Chyung［38］等人通过测定超声波传播速度与待测物粘度的线性关系，检测复原果汁、黄原胶蔗糖混合物以及牛奶凝胶系统的粘度。

2展望

超声技术作为一种物理场辅助技术，因其独特的性质，已在工业、食品、医学等方面得到了广泛的应用，尤其在辅助提取方面，日益显示出其优越性。由于超声波独特的空化机制，超声场对提取过程中微环境的影响是其他辅助提取手段所无法达到的。但因应用于提取领域的超声设备的研发相对滞后，使得超声技术在大规模工业化生产上暂时无法达到预期的要求，相信随着人们对超声波的了解及更多可精确调控的大规模超声设备的出现，未来超声辅助提取技术将在生产中做出更多贡献。目前对超声技术机理的研究还处于实验理论阶段，还需要完善超声波作用机理相关理论，特别是建立相关机理性模型;应该开展超声场中声强、声能密度等声学参数的分布曲线以及温度分布问题的研究;扩大研究中采用的超声频率范围，获取超声波对不同物质作用特点的规律，从而确定更合适的频率和组合。总之，随着人们对超声技术的重视，随着其在日常生活、科学研究和社会生产应用中的日益发展，超声技术的应用前景将会更为广阔，必将在我国国民经济建设中发挥越来越大的作用。