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1、超声波技术在食品工业中的最新应用摘要:超声波技术在食品工业中的分析检测和改性领域得到越来越广泛的应用。低强度的超声波技术为一非破坏性技术, 可用来分析检测食品体系中一些非常有用的物化性质,如组成、质构、流变学性质等。高强度超声波技术主要被用于食品的物理和化学改性领域, 如嫩化肉, 杀菌等。关键词: 超声波; 食品工业; 应用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。低强度超声波由于能量低,当超声波通过体系时不会对介质产生物化破坏作用。通常应用于食品分析检测领域, 提供食品组成, 质构及流变学性质数据。然而高强度超声波因为能量高足以使介质发生物理裂
2、解和加速某些化学反应。用于促进乳化，破解细胞壁和分散聚沉物等。最近,超声波技术已应用于食品起晶过程的控制、酶活力的钝化、肉的嫩化、加速干燥、缩短过滤时间及促进氧化反应等领域。1、超声技术的分析测定原理大多数超声设备为脉冲式或连续式。脉冲技术因易于操作, 测量迅速, 不干扰生产且容易自动化而被广泛使用。最简单且被广泛使用的超声波技术为脉冲技术。电子脉冲经超声波发送探头转变为超声脉冲,传播到测样室的远距离端器壁, 然后返回。接着超声波发送探头又作为超声波接受器将脉冲复原为电子脉冲, 脉冲信号显示在计时器上。因为超声波只有部分被吸收, 部分被反射回, 计时器将会显示一系列强度不同的信号。声速、衰减系
3、数、声音阻抗三超声参数可由返回的信号进行测定。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, 这就是超声技术用于食品领域的分析检测原理。（1）声速测定当一个平面波通过介质时, 超声波性质与介质的物理性质可用一个简单的数学式关联:（/）2=/由于衰减系数 / C , 和基本上与f无关, 动态和静态测定的数值相差很小。上式简化为: c2=/。所以只要测出介质的声速, 即可探知介质的物理性质。所以可通过检测超声波性质的区别或变化来定性或定量监测介质的物理性质甚至分子水平的变化。（2）衰减测定当声波通过介质时, 其振幅会出现减小。这种声波衰减主要是由于传递过程中声波能量发生吸收和
4、散射。吸收的机理可能是声能在过程中被转化成了其它形式的能量( 最终成为热能) 。而散射则是当声波入射到一个介质不连续处( 如分散粒子的表面或其它两相界面) 时, 它会被散射而偏移入射波方向。不同于吸收机理的是散射机理中超声波的能量形式上并不发生改变, 但由于被散射到其它方向以及相位发生了变化, 所以接收器难以检测到这些能量。通常超声波在液态介质中的吸收表现为三种基本形式: 热传导、粘滞耗散和分子弛豫。衰减系数a可以表述为A=A0 exp(-ad)A为声波通过介质后检测到的振幅,A0为初始振幅, d为声波通过的距离。衰减系数的测定与测量声速的原理相同, 只不过此时测量的参数不是时间而是示波器上相
5、邻回波的振幅及其变化。（3）声学阻抗测定当一超声波入射到两不同介质所形成的界面时, 波的一部分被吸收传播, 另一部分则被反射回。反射波的振幅(Ar)与入射波振幅( Ai) 的比值记作反射系数( R) 。R=Ar/Ai=(Z1-Z2)/(Z1+Z2)其中Z 表示声学阻抗( Z=c) , 下标“1”、“2”分指不同介质。当介质与其周围环境的声学阻抗性质接近时, 只有极少量的超声波被反射回。相反, 当两介质的声学阻抗差别大时, 超声波大部分被反射回。超声显影技术即建立在超声波从声学阻抗性质不同介质的内部边界反射回这一原理上的。声速、衰减系数、声学阻抗均为超声波的基本物理参数, 都依赖于介质的结构,
6、组成等性质表现出来。因此通过测量声学阻抗可以获取食品体系的一些物理性。2、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约始于上世纪40 年代, 这项技术一直到最近才得到研究人员的重视, 这主要由如下三方面原因促成: a、食品工业界越来越重视形成一项分析检测复杂食品体系新技术, 包括监控加工过程食品理化性质的变化, 而超声波技术能够满足这些要求。b、超声波仪器能实行全自动操作, 检测快速, 精度能满足食品分析的要求, 且低强度超声波技术检测时不破坏体系的物化性质同时能不干扰生产并能实现在线操作, 另外能应用于光学非透明体系, 这弥补了光学检测仪的一些不足。c、微电子技术的快速发
7、展降低了超声波仪器设备的造价。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、衰减系数和声学阻抗) 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)。（1）测定介质的厚度超声仪器设备能准确测定介质的厚度。将一超声波发送探头安放在待测介质原料的一端, 并使脉冲超声波输送到待测样中。测出超声波脉冲穿过待检样并返回到探头的时间t, 则只要测出超声波在检样中的传播速度c 就能确定检样的厚度( d= ct/ 2) 。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的厚度的测定。（2）探测食品中的杂质异物食品加工过程中经常会被金
8、属屑, 玻璃碎片及木屑等杂质污染。这些杂质的存在严重影响到产品的品质, 必须予以检出剔除。测定原理是将一超声波脉冲被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学阻抗存在明显差异, 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。待检样中若存在玻璃等杂质时, 通过测定超声波从该杂质反射回来和从检样室远端器壁反射回的时间差异能检测到该杂质, 另外通过移动超声波发生器至样品周围的各个方向进行检测可进一步确定杂质的大小和位置。（3）食品组成的测定食品品质的高低一定程度上取决于食品的组成, 成分的搭配。超声波技术在测定食品组成方面潜力巨大。超声波技术测量食品组成的原
9、理是各不同成分的超声波性质存在差异, 如声速、衰减系数和声学阻抗。差别越大, 越易鉴别食品的组成状况。比如, 20oC时蔗糖溶液的浓度每增加1%则超声波在蔗糖溶液中的传递速度上升约4m.s- 1。由于测量一溶液中速度低至0. 4 m.s- 1超声波时较为简单, 利用超声波技术可准确测量到浓度低达0. 1%的糖液浓度。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。（4）乳状液分层的检测超声在食品工业另一日益广泛的应用是用来观测乳状液和悬浮液是否发生分层。一般情况下油的密度低于水的密度, 这导致水包油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会因沉淀而致使液体分层。起泡和沉淀
10、的发生经常影响到一些产品的货架寿命。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货架寿命的确定提供重要参考数据。这一技术可完全自动化且能在肉眼无法看到的时候检测到。另外, 此技术还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。（5）相转变的监测许多食品在制造、贮存会发生相转变。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, 所以当样品中的成分发生结晶时,超声波速度会明显增加。而融解时则明显降低。实际应用中常常通过
11、测定波速来检测蛋黄酱、人造奶油是否发生相转变的发生。3、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,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、超声清洗和分散聚沉物等。近年来高强度超声不断应用于食品工业新领域。（1）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。（2）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
12、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。【参考文献】1 赵茜等,在食品称核中应用超声探讨J.食品工业科技.1997.18(5):71- 72。2 D.Julian McClements . Trends in Food Science & Technology 2004, 11(6):293- 295。3 谢果等,超声波法从甘草中提取甘草酸的工艺研究 J .食品工业 2002.23( 4):42-44。4 Lynworth, L. C. Ultrasonic Measurements for Process Control: Theory,techniques, Applicat ions, Academic PressJ. 2002,17( 16):18-25。
