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1、食品加工与检测技术解析 超声波在食品工业中的应用 摘要：超声波这项新技术被用于研究和诊断领域已经有很多年了。本文主要介绍了超声波技术的基本原理和特点,并分别例举了超声波技术在乳品品质检测，肉制品品质检测，面粉品质检测，果蔬产品品质检测，添加剂分析，农药残留分析和金属元素分析上的应用。旨在对其目前在食品工业中的应用及其进展进行介绍，提出了超声波技术在食品工业中具有广阔的发展前景。 关键词：超声波；食品检测与安全；应用 Applications of Ultrasound in Food Industry Abstract: The innovative ultrasonic technology
2、 has been used for years in the research and diagnostics. ln this paper the author summarizes the basic principle and the characteristics of ultrasonic technology. And this article gives some examples of its use such as in the inspection of milk quality, meat product quality, flour quality, fruit an
3、d vegetable product quality and analysis of food additives, pesticide residues and metal elements. The objective of the present paper is to give an introduction of ultrasonic applications that have been used in food industry. And the development of ultrasonic technique was proposed. Key words: Ultra
4、sonic technique; food inspection and analysis;application 超声波技术已广泛应用于化工、医疗、医药等许多领域。我国发展超声技术起步较晚，但发展迅速，主要应用于两个方面：检测超声和功率超声。检测超声是利用小功率超声在媒质中的传播特性，检测或控制各种非声学量及其变化，频率一般在0.5 20M Hz 。功率超声是用较大功率的超声对物质作用，以改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术，频率一般在数万赫兹至几兆赫兹。超声波在动物性食品中的应用近年来不断有各种尝试出现，显示出其广阔的发展前 景。本文综述了超声波技术的基本原理及其在食品
5、领域的应用研究进展情况1。 1 超声波技术的基本原理及特点2 用于检测的超声波是高频率(介于0.520MHz)低能量超声波，利用高频声波与物质之间的相互作用以获取被测物质内部的物理化学性质。此技术在医学诊断学中应用较为成熟。用于加工方面的超声波是频率高于20k Hz，并且不引起听觉的弹性波。现普遍认为其空化效应、热效应和机械作用是超声技术应用的三大理论依据。 1.1 空化作用 液体中往往存在一些真空的或含有少量气体或蒸汽的小气泡，这些小气泡尺寸不一。当一定频率的超声波作用于液体时，只有尺寸适宜的小泡能发生共振现象，大于共振尺寸的小泡被驱出液体外，小于共振尺寸的小泡在超声作用下逐渐变大。接近共振
6、尺寸时，声波的稀疏阶段使小泡迅速胀大；住声波的压缩阶段，小泡又突然被绝热压缩，直至湮灭。湮灭过程中，小泡内部可达几千度的高温和几千个大气压的高压。上述现象称为空化现象。宅化作用被用干清洗、雾化及促进化学反应等方面。 1.2 热效应 超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。声能被吸收可引起媒质中的整体加热、边界外的局部加热和空化形成激波时波前处的局部加热等。超声波的强度愈大，产生的热作用愈强。 1.3 机械作用 超声波是机械振动能量的传播，可在液体中形成有效的搅动与流动，破坏介质的结构，粉碎液体中的颗粒，能达到普通低频机械搅动达不到的效果。机械作用常用于击碎、切割
7、、凝集等方面。 2 超声波技术在食品检测中的应用 近年来国外的研究表明, 低能量超声检测技术具有非破坏性、精确、设备廉价、能够对高浓度食品和不透明性材料进行检测的独特优势, 在食品理化特性检测等领域的应用中具有巨大的潜力3。目前已经有多种符合生产在线检测要求的设备问世。该技术应用关键在于建立声特性（声速、衰减系数和声阻抗）与产品特性（成熟度、硬度等）之间关系。 2.1 乳制品品质检测 超声检测技术在乳制品工业中首先被用于对产品成分含量的检测, 最常见的检 测项目是脂肪小液滴含量的检测、非脂乳固体(SNF)含量的检测和总固形物(TS=脂肪+非脂乳固体) 含量的检测。目前国内外用超声检测食品成分的
8、研究还限制在对总类物质含量的分析, 如检测牛奶中脂肪含量和非脂固形物含量等4，仍然无法定位到具体成分含量的检测,这必将成为今后研究的重点。1986年Fairley P.等人5通过大量的试验建立了乳制品成分与超声特性之间的经验关系式。 在国内，近几年汤伟等人6通过文献与实验验证，归纳和总结了超声波检测牛奶主要成分（非脂类固形物、脂肪、蛋白质含量）的方法及相应的数学模型，给出了牛奶冰点、密度和掺水率的定量测定方法，他们在此基础上又利用超声波的声速测定原理，成功试制了一种可以快速测定牛奶中主要营养成分的便携式电子装置7，通过与西安银桥奶业集团购买的瑞典perten8620 型近红外测试仪进行对比测试
9、，发现其性能指标如下：脂肪浓度测定范围及误差为（0.5%9%）0.1%；蛋白质浓度测定范围及误差为（2.0%5.3%）0.2%；非脂固形物浓度测定范围及误差为（6.0%12.0%）0.2%；密度测定范围及误差为（1.02601.0330）0.0005g/ml；加水率测定范围为(060.0%)5%，测定速度不大于4.5min/样品。另外，牛奶在货架期阶段，由于环境和温度的变化可能导致变质，变质的牛奶将由液态转变为半液态，超声波在这两种状态间的传播速度和衰减率将有很大的不同，因此适宜用于对包装牛奶进行无损检测。Nassar等人8采用压电式换能器进行研究并得出了超声波在牛奶絮凝物中的传播时间同其物理
10、属性间的关系。Bakkali9采用超声波脉冲回波技术对牛奶制品中的絮凝状态进行了检测，这项技术同时也被用于乳酪等乳制品生产过程中工艺的控制，因为只有在生产过程中动态地了解凝乳状态，才可以确定切割乳酪和排乳清的时间，而这对于控制乳酪的品质有直接的影响10。A y C.等人11也利用该原理对凝乳酶作用导致的乳品凝絮过程实现了无损监测, 并得到加酶时间与衰减系数之间的关系表达式。 2.2 肉制品品质检测 随着肉制品工业的快速发展，在生产领域亟需快速无损的检测方法对原料肉的品质进行控制。由于声波在精肉和肥肉中的传播速度存在明显差异，因此能够通过简单的超声成像技术来检测动物活体或宰后畜体的脂肪层厚度12
11、。除了对瘦肉厚度的检测之外，最近有研究者还将超声检测技术用于对成品鱼、鸡肉中的固体脂肪含量进行检测13。 超声波技术在肉制品中的应用非常广范，除了上面所讲的品质检测，它还有很多其他更重要的的用途，下面将作简单介绍。 2.2.1 嫩化作用14 1992年美国农业调查所的肉品科学家Morse Solomon 与John Long 合作研究超 声波对肉的嫩化作用，开始了超声波在肉品嫩化中的应用。Lvng 等15声波技术可能使溶酶体破坏，同时肌纤维蛋白和结缔组织也受破坏，从而起到嫩化作用。Reynolds 等在室温下用40kHz，2W/CM2的超声波处理肉产品2小时，可以清楚地看到结缔组织的减少16。
12、 国内也有人开始超声波嫩化肉品的研究，李正英等17研究了超声波处理对羊肉的嫩化效果。研究结果表明: 3 W/cm ：超声波处理羊肉30min，可以获得较好的嫩化效果，然后在l02条件下放置8 h ,可进一步提高羊肉的嫩化效果。 2.2.2 解冻 大块冻结食品在空气或水中的解冻过程是非常缓慢的，这不仅增加了食品的加工成本，而且为饮食的准备工作带来了很多不便。从食品内部加热也许可以加快解冻的速度，但现已采用的微波、高频、低频解冻方法并不能有效地缩短解冻时间，因为漏热和表面过热的问题限制了解冻速度的提高。超声解冻方法则不存在这些问题。Shore 等18人在研究超声波(17MHz)在食品冻结和解冻过程
13、中速度和衰减特性时发现，已冻结区对超声波的吸收比未冻区对超声波的吸收要高出几十倍，而食品初始冻结点附近对超声波的吸收最大。利用超声波的这一特性，在食品解冻过程中，用超声波加热食品，可以有效地缩短解冻时间。 2.2.3 辅助腌制咸肉制品 咸肉是我国传统的腌腊肉制品之一，包括咸猪肉、咸牛肉、咸羊肉、腌鸡等，因其风味独特、保藏性能好等而深受人们欢迎。腌腊肉制品加工中很重要的步骤是腌制，肉类腌制的方法主要采用干腌、湿腌、混合腌制、盐水注射，真空滚揉等方法。其中快速腌制新技术具有腌制时间短、产品食盐含量低，脱水少等特点。但是快速腌制方法难以形成传统产品所产生的那种特征风味，因而通过快速腌制缩短加工时间，
14、并形成传统产品所特有的风味，是值得研究的一个课题。超声波能破坏食物细胞壁、增加细胞膜的渗透力，引起大分子的断键。 蔡华珍等19研究经不同频率超声波处理后的肉在腌制期间的腌制效应。研究发现，超声波处理可加速肉块食盐的渗透，缩短腌制时间，28 k Hz的超声波比40 k Hz 的超声波更能促进食盐的渗透(P0.01)。色泽方面，不同频率超声波处理间无显著差异。超声波处理能加速蛋白质分解，促进脂肪的分解和氧化作用。 2.3 面粉品质检测 现代的烘焙工业要求对面团的特性进行在线监控，而传统的面团测试手段费时费钱又无法达到检测要求。J.M.Alava等人20通过对30种不同用途的面粉及其形成的面团中超声
15、波声速和衰减程度的测量，并将该结果同传统的实验方法（延伸记录仪、面筋拉力测定仪）所得出的流变学数据进行相关性分析后成功地将超声波法用 于面粉及其形成面团的品质检测。 2.4 果蔬产品品质检测 果蔬产品含水量高，容易腐烂，现阶段我国新鲜果蔬腐烂损耗率：水果达到30%，蔬菜达到40%50%。果蔬超声特性主要是由果蔬细胞间存在的空穴结构决定的21，一定频率范围内的超声波在这种特殊结构中会形成谐振效应，通过研究果蔬杨氏模量与共振频率的关系能够反映果蔬硬度与成熟度的变化关系。另外在贮藏过程中果蔬内部组织结构和水分含量在发生变化，糖分或其它成分也在变化，可通过检测水分、糖分等成分的含量检测它们的成熟度。Clark22指出超声波通过西瓜的衰减时间随西瓜成熟度的提高而延长。 2.5 超声波在农药残留检测中的应用 根据化学结构的不同，常见的农药分为有机氯、有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯等。魏俊岭等人23对比了超声波提取, 振荡提取和索氏提取- 气相色谱法测定蔬菜中的有机氯农药残留, 超声波辅助提取的回收率为82.8%110.2%, 相对标准偏差在3%和15%之间
