乳状液超声特性的分析

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1、乳状液超声特性的分析 胡洁 俞金飞 章东 龚秀芬 ( 近代声学国家重点实验室，南京大学声学研究所，南京2 1 0 0 9 3 ) 潘世明 ( 南京卫岗乳业有限公司) Ul t r a s o n i c C h a r a c t e r i z a t i o n f o r Mi l k E mu l s i o n H u h e , Y u J i n f e i , Z h a n g D o n g , G o n g Y i u f e n ( S t a t e K e y L a b o f M o d e m A c o u s t i c s , I n s t it u

2、 t e o f A c o u s t i c s , N a n j in g U n i v e r s i t y , N a n j in g , 2 1 0 0 9 3 ) P a n S h i mi n g ( N a n j in g D a iry P r o d u c t s C o .L T D ) 1 引言 很多天然或经加工的物质以乳液的形式存在，如食品、化工原料、血液等等。由于乳化 物的多样性和应用的广泛性，它们的理化特性也受到了普遍关注。尽管测量乳化液理化特性 可用显 微镜方 法、 光谱法 等 1 ,2 ， 但这 些方 法无 法测量高 浓 缩、 不 透明 的 乳

3、液。 而 超声 测量法 则没有这种限制，且由于其无损无污染、快速精确、在线检测方便、成本低等优点，近年来 受到广泛的关注3 ,4 0 目 前乳状液超声检测中普遍使用的声学参量为声速和声衰减。非线性声参量 B / A是反映 非线性声学的一个基本参量，可反映物质的动力学特性并且对物质结构及组份的变化特别敏 感， 因 此可能 成为 乳 状 物 特性 检测的 新参 量 5 。 本 文对乳 液 状 食品 牛 奶的 声 学参 量: 声 衰 减及非线性声参量B / A进行了测量，并分析了声衰减、 B / A与频率、 浓度以 及含脂量的关系， 初步了解结构变化对声学特性的影响。 2 理论和测量方法 2 . 1

4、 声衰减的测量 小振幅声波在介质中传播时，随着传播距离增加，声压幅度按指数规律衰减: P x = P O e x p ( - a d ) ( 1 ) 其 中 几、 只分 别 为 插 入 样 品 前 后 接 收 到 的 声 压 值 ， a为 衰 减 系 数 ， d 为 样 品 盒 长 度。 这 里 设 水无衰减。 实 验 测 量中 通 过 测量P O 和P x 的 声 压 值， 即 可由( 1 ) 式 求 得 衰 减 值。 2 .2非线性声参量B / A的测量 本文采用有限振幅声波插入取代法测量非线性参量B / A 。 其基本原理为: 以水为参考介质， 样品 插入 前接收的 二次 谐 波 值为P

5、 2 0 ， 样品 插入 后 接收的 二 次 谐 波 值为P 2 x ， 通 过二 次 谐 波声 压 之 比 P 2 x / P 2 。 的 测 量 求 得B /A 。 样 品 的 非 线 性 声 参 量 可 以 表 示 为 : ，自 - |川 + 、.11/ B一A 1 1 (,O C 3 )., D o., T (d )3 0 咧 仑 司 - 亿 - r! !) 一 阵竺一 A J x L P 2 o 几只。 式 中 ， I ( d ) e - a 2 d 一 e - 2 a 1d2 ( P C ) 二 2 a , 一 a 2 D o . = ( P C ) o + ( P C ) 二 ，

6、 D x 。 二 2 伽 C ) 0 V “ C ) 0 + ( P C ) -“ P “ 。 %分 别 表 示密度、 速度以 及非线性参量， 下标 “ 0 ” 和 “ x ” 分别代表比 较液体和样品。 L 是发射和接收 换能器之间的 距离， d 为 样品 盒长 度。 a l 和a 2 分别是样品 的 基波和二次谐波的衰减系数。 一2 7一 3 结果与讨论 3 . 1样品的制备 本文实验所用牛奶样品从当地奶场获得，未经人工处理。其成分分析由卫岗乳业质检科 完 成 ( M ilk S c a n 4 0 0 0 ， 丹 麦 ) 。 在 牛 奶中 加入 不同 体 积的 水 可 得 到 不同 浓

7、度的 牛 奶 乳 液。 本 文 所有实验都是在室温2 0 的条件下进行的。 3 . 2测量系统 发如孩摧器 图 1实验测量系统 4 M 衰减/ 二 :f (日。1国P龙懈 插入取代法测量牛奶的声学特性的实验系 统如图 1所示。可编程任意波形信号发生器 ( A g i l e n t 3 3 2 5 0 A ) 产生 一个B u r s t 信号 作 为 发 射信号。该信号经过宽带功率放大器 ( E N I A 1 5 0 )放大后激励发射换能器。透射信号由 接 收换能器提取出来，并送入数字波形示波器 ( A g i l e n t 5 4 8 1 0 A ) ， 最 后 通过G P I B 接

8、口 卡 将波 形采集到计算机中作后期数据处理和分析。 测量2 M H z 的衰减用中心频率为2 M H z 的平 面换能器发射一个频率为2 M H z , 8 个周期脉宽 的B u r s t 信号， 相应地用同一中心频率的换能器 接收 。 通过 测 量 插 入 样品 前 后即P a 和P x 的 声 压 值， 由( 1 ) 式求得衰减值。同理， 可求得4 M H z 时的衰减。 测 量P 2 X / P 2 。 是 用 一 中 心 频 率 为2 M H z 的 平面换能器发射一个频率为2 M H z . 8 个周期脉 宽的B u r s t 信号， 用中心频率为4 M H z 的换能器 接收

9、。可测得插入样品前后的二次谐波声压值 P 2 0以 及P 2 x 3 .3测量结果与分析 图2 , 3 给出了含脂量 3 . 0 4 %的牛奶的声衰 减及 B / A随浓度的变化。从实验结果可看出， 衰减随浓度线性增大，且对于同 种样品， 4 M H z 频率的衰减大于2 M H z 频率的衰减。 非线性参量 B / A随浓度的增加而增加。 表 1牛奶组分表 产 了 廿 参/j 才 /2朱 _一窝 0 .2 1 A x - - 2 0 . 0 %2 0 . 0 % 图2 5 0 . 0 % 体积比 ， J 一 价 x: 儿 -曰一-J一， 6 6 . 7 % 6 0 . 0 % ( %) _

10、4 t- 2 M 衰减 脂肪含量3 .0 4 % 生奶的声衰减随 浓度的变化曲线 / / 厂 / /. / 样品脂肪蛋白乳糖非脂固体 总固体 ( %)( %)( % ) ( %) ( % ) 二二石二二二二二二二二二二二二二 1 0 . 0 1 3 . 5 7 5 . 7 9 1 0 . 6 8 1 0 . 5 3 2 0 . 9 5 2 . 6 3 4 . 7 8 8 . 7 2 9 . 5 2 3 1 . 5 3 3 . 3 1 4 . 7 6 9 . 3 7 1 0 . 7 2 4 2 . 4 3 3 . 0 3 4 . 8 9 9 . 2 2 1 1 . 4 5 5 3 . 0 7 5

11、 . 8 8 4 . 5 1 1 1 . 6 4 1 4 . 5 0 6 3 . 1 1 2 . 8 6 4 . 5 2 8 . 6 8 1 1 . 3 9 7 3 . 3 4 2 . 9 9 4 . 5 6 8 . 8 5 1 1 . 9 7 8 3 . 6 2 3 . 2 9 5 . 1 9 9 . 7 9 1 3 . 1 8 三二 巴巴巴巴竺 三生巴 巴 巴 巴 巴泛 竺 巴 竺 三三 巴 巴 巴 竺三 巴 巴 巴 巴竺竺巴竺巴 巴巴竺竺巴巴三巴巴竺三巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴巴 巴 竺三 巴竺巴巴 生 一2 8一 2 0 .0 % 3 3 . 3 % 5 0 .0 : 6 6 .7 %即.仍

12、加.创IOM 体积比 ( %) 图3月 旨 肪含量3 . 0 4 % 生奶的B / A值随 浓度的变化曲 线及拟合曲线 4 M 衰减 二 公 代r - ， _ 二 _ 孑 丫 一， 2 M 衰 减 151005 日。山P堪解 0 .9 5 % 1 .5 3 % 2 .4 3 % 3 .0 7 % 3 . 1 1 % 3 .3 4 % 3 .6 2 % 脂肪含量 不同脂肪含量牛奶的衰减变化曲线 占月， -%，JJ J. .户 了日 .厂 6二0 司、国 不同牛奶得到的牛奶的成分会略有差异， 表1 列出了8 种样品的成分分析报告。 在牛奶 的组份中， 对声学特性影响最为明显的是含脂 量6 - 8

13、) 。图4 、图5 分别为声衰减及B / A与含 脂量的关系曲线。 结果表明: 随脂肪含量的增 加， 衰减和B / A都线性增大。 图4 中， 其中有 一两个点与这种趋势不符， 这是由于样品 颗粒 大小不一致以及实验误差引起的。 4 结论 本文利用插入取代法测量了牛奶的声学特 性参数， 即声衰减和非线性参量B / A 。 结果表 明: ( 1 ) 同种牛奶的衰减和B / A值随牛奶浓度 增大而线性增大; ( 2 ) 不同牛奶的声学特性则 主要受脂肪含量的影响， 脂肪含量越大， 牛奶 的声衰减和B / A值就越大。 超声检测方法可用 于测量乳化物的理化特性， 检测牛奶的质量例 如掺水、 变质等。

14、 我们将进一步考虑其他因素 如颗粒、温度、化学链等对食品质量的影响， 更好地实现对乳状食品生产和质量的监控。 参考文献: ”0 叫 0 .0 1 % 0 .9 5 % “ 1 .5 3 % “ 2 .4 3 % 3 .0 7 % 3 .1 1 % 3 .3 4 % 3 .6 2 % 月 旨 肪含量 图5不同脂肪含量牛奶的B / A值变化 曲 线及其拟合曲线 1 D i c k i n s o n .E , e t a l . C o l l o i d s i n F o o d s . A p p l i e d S c i e n c e . 1 9 8 2 2 D .J .Mc C l

15、e m e n t s , e t a l . T h e o r y o f d r o p l e t s i z e d i s tr i b u t i o n m e as u r e m e n t s i n e m u l s i o n s u s i n g u l t r as o n i c s p e c t r o s c o p y . C o l l o i d s a n d S u r f a c e s . 1 9 9 6 3 C .J a v a n a n d . A p p l i c a t i o n o f u l tr as o u n d

16、t o f o o d s y s t e m s . U l tr as o n i c s . 1 9 8 8 ( 2 6 ) 1 1 71 2 3 4 D .J u l i a n Mc C l e m e n t s , t o a l . U l t r as o n i c a n a l y s i s o f e d i b l e f a t s a n d o i l s . U l tr as o n i c s . 1 9 9 2 ( 3 0 ) : 3 8 33 8 8 5 龚秀芬 “ 医 学 超声中 的 非 线 性 研究” ， 物理 学 进展， 2 8 6 , ( 1 9 9 6 ) 6 C .A . Mi l e s , e t a l . A tt e n u a t i o n o f u l tr as o u