食品工業(yè)中超聲技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

袁英髦，曹雁平

(北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京100048)

食品工業(yè)中超聲技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

袁英髦，曹雁平

(北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京100048)

介紹了功率超聲技術(shù)在天然功能成分輔助提取、破壁滲透、均質(zhì)乳化、食品保鮮、強(qiáng)化酶促反應(yīng)、切割、解凍、霧化噴涂、有機(jī)物的聚合與降解以及探測超聲在食品品質(zhì)評估和含量測定等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。尤其著重探討了超聲強(qiáng)化輔助提取的最新研究進(jìn)展，并指出目前超聲波研究存在的問題和今后工業(yè)化研究的重點(diǎn)。還需要完善超聲波作用機(jī)理相關(guān)理論，確定更合適的頻率和組合，為進(jìn)一步研究超聲波技術(shù)在食品工業(yè)上的利用提供參考。

食品加工，食品檢測，功率超聲，探測超聲，超聲強(qiáng)化

1 超聲波技術(shù)在食品工業(yè)方面的應(yīng)用

1.1 超聲提取

超聲輔助提取技術(shù)是近些年來發(fā)展起來的一種新型分離技術(shù)。與常規(guī)的提取技術(shù)相比，超聲波輔助提取技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)、安全、高效等特點(diǎn)。在空化場的作用下，瞬間壓力的增大和減小產(chǎn)生胞壁內(nèi)外的壓力差，致使目標(biāo)提取物從撕裂處釋放，從而達(dá)到提取的目的。另外，超聲波的熱作用和機(jī)械作用也能促進(jìn)超聲波強(qiáng)化提?。?］。

目前在超聲提取技術(shù)的使用中，較多采用的是單頻率進(jìn)行超聲提取，但是單頻超聲波較易產(chǎn)生駐波，使得空化時間減少，無法最大程度發(fā)揮超聲波輔助功效。近年來，有學(xué)者研究了一種能達(dá)到兩種頻率超聲波疊加效果的自聚焦型超聲換能器，通過理論分析和實驗結(jié)果表明，該換能器可以實現(xiàn)雙波疊加并發(fā)生聲散射效應(yīng)。復(fù)頻換能器產(chǎn)生的兩列聲波可以發(fā)生聲散射，使聲場頻譜變寬，為更大范圍的空化核提供產(chǎn)生空化效應(yīng)的機(jī)會。目前對組合超聲強(qiáng)化浸取作用機(jī)理還沒有一個統(tǒng)一的說法，有待于研究。相對于應(yīng)用較多的間歇超聲提取，連續(xù)提取在工業(yè)上更具有應(yīng)用前景。曹雁平等［4］設(shè)計的L型螺旋式連續(xù)逆流浸取器，能將連續(xù)逆流浸取的優(yōu)點(diǎn)和超聲波浸取的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合，進(jìn)一步提高浸取效率。

M.Corrales等人［5］對從葡萄中提取花青素進(jìn)行了研究，比較了超聲波提取、靜水壓法和脈沖電場法對從葡萄中提取花青素的能力，利用70℃下頻率為35kHz的超聲波輔助提取1h，酚含量達(dá)到50%，是600MPa靜水壓力法的4倍，3kV/cm2脈沖電場法的3倍，個別花色苷的提取效果更好。E.Sanz等人［6］利用超聲場從大米中提取砷，提取率達(dá)到95%，提取時間只需幾分鐘，比傳統(tǒng)提取方法減少數(shù)小時。V.Matthieu等人［7］利用超聲法提取蘋果渣中的多酚物質(zhì)，以15%的乙醇溶液萃取，固液比50%，結(jié)果表明，超聲助提取使提取率提高20%。S.Venk等人［8］利用超聲技術(shù)從甜菜中提取色素，在溫度45℃，超聲功率80W下，用1∶1的乙醇-水提取，使提取率提高8%。曹雁平［9］、程偉［10］、莫英杰［11］、劉玉德［12］、張斌［13］、梁華［14］、王靜［15］、馬空軍［16］等人對利用超聲技術(shù)從植物中提取茶多酚、黃芩苷、大蒜素、姜黃素等有效物質(zhì)及超聲技術(shù)應(yīng)用于食品工業(yè)中的提取過程進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，超聲輔助提取技術(shù)可以加快提取速度，提高提取效率。但在超聲輔助提取過程中，對植物的有效成分是否被破壞，以及破壞程度，還沒有系統(tǒng)地研究，這還需要超聲技術(shù)研究工作者的進(jìn)一步實驗研究。

1.2 超聲破壁與促進(jìn)滲透

超聲波處理過程中，空化效應(yīng)釋放巨大能量，使細(xì)胞破裂以達(dá)到破壁的目的。S.Aparna和 M.N. Gupta［17］研究了從杏仁中提取杏仁油的工藝，其首先利用功率為70W的超聲波，在pH4、溫度40℃的環(huán)境下處理2min，使杏仁細(xì)胞壁破裂，幫助提取溶劑更有效地與目標(biāo)提取物接觸，使提取時間縮短為6h，提取率提高77%，效果明顯。

1.3 超聲均質(zhì)與乳化

利用超聲波在液體中的空化作用來達(dá)到均質(zhì)效果。M.L.Melissa等人［18］利用20kHz超聲處理濃度為28%玉米漿3h，處理能力為10～28L/min，均質(zhì)效果比傳統(tǒng)方法提高2～3倍;通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，超聲處理大大降低了玉米漿的粒度，使粒度從1200μm降至平均361.8μm，從而達(dá)到均質(zhì)的目的。S.Kentish等人［19］將超聲乳化技術(shù)應(yīng)用于飲料業(yè)，用頻率為20～24kHz的超聲波，使亞麻籽油和水的混合物分子形成粒度135nm大小的乳液，液滴大小和超聲功率成正比，從而提高乳化效率。

1.4 食品保鮮

利用超聲波空化效應(yīng)在液體中產(chǎn)生的瞬間高溫及瞬間高壓使液體中某些細(xì)菌致死，病毒失活，延長蔬菜等食品的保鮮期。超聲滅菌是一種有效的非熱處理的滅菌方法，對比研究超聲滅菌和傳統(tǒng)滅菌法對奶制品的作用效果，超聲滅菌效果較好［20］。Shifeng Cao等人［21］，利用超聲波處理采后草莓，其研究了功率250～450W，頻率40kHz，處理時間5～15min條件下超聲波對采后草莓的滅菌效果，結(jié)果表明，功率為250W的超聲，處理時間9.8min，使5℃下保存8d的草莓腐爛率最低。M.Valero等人［22］利用超聲對桔汁的加工過程進(jìn)行處理，用頻率500kHz、功率240W的超聲處理15min，防止了桔汁中食源性致病菌的生長，降低了產(chǎn)品中細(xì)菌、酵母和霉菌的濃度，并沒有影響桔汁的品質(zhì)和顏色。

1.5 超聲強(qiáng)化酶促反應(yīng)

超聲波在生物學(xué)上的應(yīng)用已由強(qiáng)超聲波的細(xì)胞破碎提取胞內(nèi)物質(zhì)，發(fā)展到利用微超聲波增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)酶的產(chǎn)生和提高非水相酶催化的均質(zhì)效應(yīng)，可見適當(dāng)控制超聲波的頻率和強(qiáng)度，不但對生物活性物質(zhì)沒有影響，反而可能改善或增強(qiáng)它們的作用。Bao Yang等人［23］利用功率為120W，溫度57℃的超聲應(yīng)用于龍眼多糖提取的過程中處理龍眼12min，增強(qiáng)了龍眼果皮中多聚糖酪氨酸酶的抑制力，效果十分明顯，證明超聲場能有效地促進(jìn)酶促反應(yīng)。

1.6 超聲切割

超聲波在食品工業(yè)中，還被應(yīng)用于食品的切割輔助技術(shù)，超聲波的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)，作用于食品切割器的接觸面，可以改變切削力對部分食品的損失。Susann Zahn等人［24］研究了超聲波頻率與垂直切割速度對食品切割品質(zhì)的影響，控制一個特定的切割速度，增加超聲頻率可以增大工作量，但達(dá)到最大切割速度時，20～40kHz的超聲波對其沒有明顯影響。S.Yvonne等人［25］研究超聲頻率對切割力的影響，提出超聲的功率消耗取決于振幅和頻率，增加振幅加大了處理量，但有更大的電力需求，提高超聲頻率，可以有效地提高切割速度，增大處理量，減少能源消耗。

1.7 超聲解凍

超聲波的高頻率振動，可使凍物組織中的微環(huán)境發(fā)生變化，能量被吸收，更易于化凍過程。C.A.Miles等人［26］將超聲波技術(shù)應(yīng)用于解凍肉類和海鮮，發(fā)現(xiàn)頻率在0.22～3.3MHz和功率為3W/cm2的超聲波輔助解凍，可使表面加熱溫度減少到最低，牛肉、豬肉和鱈魚解凍樣品，超聲解凍速度在大約2.5～7.6cm/h。

1.8 超聲霧化噴涂

目前，超聲波被應(yīng)用于一種新的封裝技術(shù)，即超聲輔助霧化封裝系統(tǒng)，利用超聲波的高頻機(jī)械運(yùn)動，將包裝物質(zhì)霧化噴涂于待包裝物表面。K.Wanwimol和Yao-Wen Huang［27］利用頻率40kHz，功率130W的超聲波，將殼聚糖與水按1∶10的比例，并混合入240mg/g的封裝粉，先進(jìn)行乳化然后霧化對金槍魚油表面包裹，水含量和水活性低，封裝外觀可接受，可以提高金槍魚油和其他油類在工業(yè)應(yīng)用中的穩(wěn)定性。

1.9 有機(jī)物的聚合與降解

高強(qiáng)度的超聲可引發(fā)兩種似乎是很矛盾的效應(yīng):聚合物的降解和單體的聚合。超聲波的空化作用，在液體內(nèi)部形成局部和極短時間內(nèi)的高溫、高壓，足以引發(fā)或加速反應(yīng)從而引起分子的熱離解、離子化、產(chǎn)生自由基等，導(dǎo)致一系列化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。T.Malika等人［28］監(jiān)測凝膠在超聲場中的變化，利用頻率為500kHz的超聲波，溫度控制20～90℃，發(fā)現(xiàn)膠體發(fā)生一定程度的聚合，并改變其流變學(xué)特征，膠體表面彈性減弱。Wen-Hui Shi等人［29］利用超聲技術(shù)處理牛血清蛋白，用強(qiáng)度為17.83W/cm2的超聲處理30min，使溶液中蛋白質(zhì)的α螺旋和β折疊分別變化18.1%和25.2%，使溶液在420nm處波長吸收明顯增加，說明超聲處理有助于牛血清蛋白的聚合。

因超聲加速了溶劑分子與聚合物分子間的摩擦，從而引起C-C鍵裂解;同時因超聲的空化效應(yīng)所產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境導(dǎo)致了鏈的斷裂［30］。L.Francesca等人［31］利用超聲技術(shù)處理小麥淀粉，在保持小麥含水量34%和溫度25℃的條件下，用頻率為10MHz的超聲波擠壓淀粉分子，可使直鏈淀粉降解。Y.Umut和J.N.Coupland［32］利用頻率2.25MHz高頻超聲處理濃度為40%乳糖溶液，使直徑小于50μm的乳糖晶體濃度減少并發(fā)生降解。

1.10 超聲評估食品品質(zhì)

目前，探測超聲技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品品質(zhì)的評估和食品生產(chǎn)過程的檢測。S.Raffaella和J.N. Coupland［33］利用超聲波技術(shù)測定巧克力中的固體脂肪含量，他們將糖果涂層的脂肪以及含可可脂的玉米油分散為一系列區(qū)域，在第26d以27.5～29℃回火融化，以超聲波反射顯示巧克力中固體脂肪融化在回火中的變化。J.Benedito等人［34］用超聲波技術(shù)評估肉的品質(zhì)，以超聲波流速的變化測量肉中脂肪、水分和蛋白質(zhì)的分布與含量，此方法快速并且不破壞肉的組成。L.R.Correia等人［35］利用超聲波探測雞胸肉中的骨頭碎片，將頻率為15MHz的超聲波作用于雞肉，對阻抗和振幅比進(jìn)行了測定，可以檢測到6～16mm2的 骨 頭 碎 片 投 影。Feng-JuiKuo［36］、S.Raffaella［37］、A.Chyung［38］等人通過測定超聲波傳播速度與待測物粘度的線性關(guān)系，檢測復(fù)原果汁、黃原膠蔗糖混合物以及牛奶凝膠系統(tǒng)的粘度。

2 展望

超聲技術(shù)作為一種物理場輔助技術(shù)，因其獨(dú)特的性質(zhì)，已在工業(yè)、食品、醫(yī)學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在輔助提取方面，日益顯示出其優(yōu)越性。由于超聲波獨(dú)特的空化機(jī)制，超聲場對提取過程中微環(huán)境的影響是其他輔助提取手段所無法達(dá)到的。但因應(yīng)用于提取領(lǐng)域的超聲設(shè)備的研發(fā)相對滯后，使得超聲技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)上暫時無法達(dá)到預(yù)期的要求，相信隨著人們對超聲波的了解及更多可精確調(diào)控的大規(guī)模超聲設(shè)備的出現(xiàn)，未來超聲輔助提取技術(shù)將在生產(chǎn)中做出更多貢獻(xiàn)。

目前對超聲技術(shù)機(jī)理的研究還處于實驗理論階段，還需要完善超聲波作用機(jī)理相關(guān)理論，特別是建立相關(guān)機(jī)理性模型;應(yīng)該開展超聲場中聲強(qiáng)、聲能密度等聲學(xué)參數(shù)的分布曲線以及溫度分布問題的研究;擴(kuò)大研究中采用的超聲頻率范圍，獲取超聲波對不同物質(zhì)作用特點(diǎn)的規(guī)律，從而確定更合適的頻率和組合。

總之，隨著人們對超聲技術(shù)的重視，隨著其在日常生活、科學(xué)研究和社會生產(chǎn)應(yīng)用中的日益發(fā)展，超聲技術(shù)的應(yīng)用前景將會更為廣闊，必將在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越大的作用。

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Developments and situation of ultrasonic technology in food industry

YUAN Ying-mao，CAO Yan-ping
(College of Chemical and Environmental Engineering/Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The powerultrasonic assisted extraction ofnaturalfunctionalingredients，broken penetration，emulsification，food preservation，enhancement of enzymatic reaction，cutting，thawing，spray coating，aggregation and degradation of organic matter，and detected ultrasonic in the assessment of food quality and determination of the areas of research were described.In particular，the latest research advances of the ultrasonic assisted extraction，and that the current problems and the key of the study on ultrasonic industrialization in the future were focused on.Also it need to improve the theory of the mechanism of ultrasound to determine the frequency and combinations more suitable for further research on ultrasonic technology use in food industry to provide information.

food processing;food testing;power ultrasonic;detect ultrasonic;ultrasonic improved

TS201.1

A

1002-0306(2011)03-0442-04

超聲波是指頻率在20～106kHz的機(jī)械波，波速一般為1500m/s，波長一般為0.01～10cm。由于超聲波的波長遠(yuǎn)大于分子尺寸，說明超聲波本身不能直接對分子起作用，而是通過周圍環(huán)境產(chǎn)生的物理作用影響分子，所以超聲波的作用與超聲環(huán)境密切相關(guān)。超聲波既是一種波動形式又是一種能量形式，通過傳播過程中與媒介的相互作用產(chǎn)生超聲效應(yīng)。超聲波與媒介的相互作用，主要有機(jī)械作用、空化作用以及熱作用。根據(jù)其作用方式可將超聲作用分為功率超聲和探測超聲。超聲化學(xué)反應(yīng)器一般分為槽式反應(yīng)器和變幅桿式反應(yīng)器，槽式反應(yīng)器又細(xì)分為清洗槽式和聚焦式［1］。超聲波輔助技術(shù)作為一門新興的交叉學(xué)科，隨著對其研究的深入，正在延伸到許多學(xué)科領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)中，在化工、醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、食品工業(yè)、分析檢測等領(lǐng)域已日益顯示出其重要作用。超聲波不僅可以改善反應(yīng)條件，加快反應(yīng)速度，提高反應(yīng)效率，還可幫助一些難以形成的化學(xué)反應(yīng)得以實現(xiàn)，應(yīng)用前景十分廣泛［2］。

2010-12-01

袁英髦(1985-)，男，碩士，研究方向:植物有效成分超聲提取。