高頻超聲波及其在食品工業(yè)中的降解改性研究進(jìn)展

王丹麗，馬曉彬，王文駿，鄒明明，丁 甜，劉東紅,2,*

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)馥莉食品研究院，浙江 杭州 310058）

高頻超聲波及其在食品工業(yè)中的降解改性研究進(jìn)展

王丹麗1，馬曉彬1，王文駿1，鄒明明1，丁 甜1，劉東紅1,2,*

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)馥莉食品研究院，浙江 杭州 310058）

超聲波根據(jù)頻率的不同可以分為低頻超聲波和高頻超聲波兩類。高頻超聲波相比于低頻超聲波，其空化效應(yīng)有所不同。高頻超聲波能產(chǎn)生大量活性自由基，有獨(dú)特的降解改性效果，在食品工業(yè)中有很大的應(yīng)用潛力。但目前對(duì)于這一方面的應(yīng)用研究還沒有系統(tǒng)的總結(jié)。本文簡(jiǎn)要綜述了超聲波的作用原理，并擴(kuò)充了高頻超聲波在分子降解改性領(lǐng)域中的應(yīng)用。由高頻超聲波的作用機(jī)理出發(fā)，綜述了目前國內(nèi)外食品領(lǐng)域中高頻超聲波降解改性不同物質(zhì)的研究進(jìn)展及其優(yōu)勢(shì)。高頻超聲波技術(shù)不僅能對(duì)分子產(chǎn)生降解效果，對(duì)分子中的一些基團(tuán)及其性質(zhì)也有一定改性效果。同時(shí)，將高頻超聲波對(duì)多聚物分子降解改性機(jī)理方面的研究進(jìn)行了歸納整理，以期為高頻超聲波在大分子物質(zhì)降解改性方面的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

高頻超聲波；降解；改性；空化效應(yīng)；自由基

超聲波是指超出人耳聽力范圍的機(jī)械波（頻率＞20 kHz），其中又將頻率較高的一類（頻率＞100 kHz）稱為高頻超聲波（圖1）。目前超聲波設(shè)備的頻率一般在20 kHz～10 MHz的范圍內(nèi)[1-3]。作為一種先進(jìn)的食品加工技術(shù)，超聲波有著作用溫和、針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，大量應(yīng)用于食品及其他領(lǐng)域，具有很大發(fā)展前景。根據(jù)超聲波的頻率、功率不同，又可將超聲波分為兩類：高功率低頻超聲波和低功率高頻超聲波。其中高功率低頻超聲波（頻率在20～100 kHz之間）也被稱作功率超聲波，在食品加工中有著廣泛應(yīng)用，如促進(jìn)乳化、破壞細(xì)胞、滅菌滅酶、軟化肉類和物質(zhì)改性等[4-5]。低功率高頻超聲波（其頻率主要集中于100 kHz～10 MHz）不僅在醫(yī)學(xué)診斷中應(yīng)用較多，并且已廣泛應(yīng)用于食品理化性質(zhì)的分析檢測(cè)，如硬度、成熟度、糖分、酸度等[6]。

圖1 超聲波頻率分布圖Fig. 1 Ultrasound frequency range

表1 高頻超聲波在食品加工中的應(yīng)用情況Table 1 Application of high frequency ultrasound in food processing

高頻超聲波有著不同于低頻超聲波的化學(xué)效應(yīng)和物理效應(yīng)，能產(chǎn)生大量的活性自由基，由此對(duì)多聚物產(chǎn)生降解改性作用。將超聲波作用于在水溶液中的氧化反應(yīng)時(shí)，高頻超聲波比低頻超聲波更加節(jié)能[13]。在一定條件下隨著頻率的上升，實(shí)際超聲功率和輸入功率之比增大，即轉(zhuǎn)換效率提高，高頻超聲波能達(dá)到更高的聲化學(xué)效率[14-15]。

目前，超聲波頻率對(duì)多聚物降解效果的影響還沒有一個(gè)定論。另外，高頻降解的速率也不單單受頻率的影響，還受分子結(jié)構(gòu)、溶解體系等因素的影響。因此研究高頻超聲波的降解機(jī)理是一個(gè)十分有意義的工作。本文綜述了高頻超聲波對(duì)食品中一些物質(zhì)的降解作用的研究情況，并將其機(jī)理方面的研究進(jìn)行了歸納分析。

1 超聲波作用機(jī)制

超聲波對(duì)液態(tài)系統(tǒng)的影響源于其空化效應(yīng)，其機(jī)理如下：超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)存在一個(gè)正負(fù)壓強(qiáng)的交變周期，對(duì)介質(zhì)分子產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸作用[16]。當(dāng)聲波能量足夠大時(shí)，液體介質(zhì)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生空穴、形成微泡，微泡進(jìn)一步膨脹成為空化氣泡。隨著超聲波的傳播，有些氣泡會(huì)重新溶解于液體介質(zhì)中，有些則隨著超聲波的變化而逐漸長(zhǎng)大，達(dá)到臨界半徑后發(fā)生潰陷、破裂?？栈瘹馀葸@種一系列的現(xiàn)象就稱為空化效應(yīng)[17]。有研究認(rèn)為超聲空化作用是依賴于預(yù)先存在于介質(zhì)中的核而形成的[18-19]。在空化氣泡運(yùn)動(dòng)和破裂過程中，釋放出大量能量，從而導(dǎo)致局部溫度和壓力的升高（每個(gè)氣體微泡中心的溫度可高達(dá)4 300 K，壓力可達(dá)到1 000 個(gè)大氣壓），產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械沖擊和大量活性自由基，還伴隨著熒光的產(chǎn)生[20]。

許多研究證實(shí)，在某些條件下，水分子被分裂形成H·和·OH。在其他物質(zhì)存在的情況下，還會(huì)形成另外一些活性基團(tuán)，如·OOH、O·和H2O2等[21-23]。產(chǎn)生的自由基會(huì)進(jìn)行重組或者與氣泡內(nèi)腔內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)反應(yīng)，或者進(jìn)入溶液中作為氧化劑和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生氧化、改性等作用[24]。這對(duì)化合物的熱解反應(yīng)、超臨界水氧化以及自由基氧化反應(yīng)都有促進(jìn)作用。而空化氣泡在振蕩或破裂時(shí)形成的高速微射流會(huì)對(duì)溶液產(chǎn)生剪切力，造成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。這種以超聲波促進(jìn)的化學(xué)反應(yīng)都稱為聲化學(xué)反應(yīng)。

圖2 超聲波產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化效應(yīng)[27]Fig. 2 Stable cavitation and transient cavitation induced by ultrasound[27]

超聲波頻率對(duì)空化氣泡的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)情況都有很大影響，氣泡半徑隨頻率的增加而減小[25-26]。Sun Dawen等[27]根據(jù)超聲波頻率的不同提出了穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化兩個(gè)概念。指出在幾十千赫茲的低頻率時(shí)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象屬于瞬態(tài)空化。該過程中空化氣泡擴(kuò)大迅速，在達(dá)到臨界尺寸后破裂，釋放大量能量，局部產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓和微射流，對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械影響。穩(wěn)態(tài)空化則存在于高頻的聲波中。該過程中空化氣泡隨超聲波的傳播不斷被壓縮和拉伸，體積慢慢增大，但不會(huì)達(dá)到臨界尺寸，空化氣泡不會(huì)破裂，因此穩(wěn)態(tài)空化更加溫和（圖2）。在空化氣泡不斷振蕩的過程中，液體介質(zhì)中形成渦流，同時(shí)能量在空化氣泡表面聚集。其對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)性影響而非機(jī)械性影響，主要通過·OH、H2O2的形成來實(shí)現(xiàn)。由于這些作用，超聲波處理對(duì)物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)都有所影響，能對(duì)一些多聚物分子產(chǎn)生降解改性效果。

2 高頻超聲波降解改性應(yīng)用研究

在低頻（如20 kHz）超聲波作用過程中主要是強(qiáng)烈的物理效應(yīng)起作用，而在高頻超聲波作用時(shí)，雖然物理效應(yīng)仍存在，但化學(xué)效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)介質(zhì)中活躍的氣泡數(shù)目較高，瞬態(tài)空化較少，穩(wěn)態(tài)空化成為聲化學(xué)效應(yīng)的主要形成因素。已有研究表明，在其他條件相同的情況下，高頻率的超聲波能產(chǎn)生更多的·OH和H2O2[28-29]，由此產(chǎn)生空化效應(yīng)會(huì)對(duì)分子的理化特性和結(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生較大影響。

聚合物的分子大小和結(jié)構(gòu)是決定熱、機(jī)械和生物降解的重要因素。通常分子的體積越大，降解程度普遍越低，降解速率也越低。在水溶液中由于超聲波產(chǎn)生的自由基更有助于水溶性多聚物的降解[30]。不同于化學(xué)降解或熱分解作用，超聲波處理對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的改變是一個(gè)非隨機(jī)的過程。裂解通常發(fā)生在分子的中心。且當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量低于一定值時(shí)，物質(zhì)無法通過超聲波降解。這一特性也可以用來縮小相對(duì)分子質(zhì)量的分布[31]。

2.1 高頻超聲波對(duì)多糖的影響

高頻超聲波處理對(duì)多糖大分子也有許多應(yīng)用，尤其在降解改性方面。過去多糖降解大多采用相對(duì)傳統(tǒng)的方法，如化學(xué)改性、酶改性等。但化學(xué)改性比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且消耗大量有機(jī)試劑，產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)物；酶法相對(duì)來講比較復(fù)雜，而且成本高，工業(yè)應(yīng)用限制性大。而利用高頻超聲波，不但在降解改性方面有著更快速、溫和、環(huán)保等特點(diǎn)[32]，還能對(duì)物料的流變學(xué)特性產(chǎn)生一定的影響。

Zuo等[33]對(duì)超聲波處理（211 kHz）之后的糯米淀粉糊的糊化特性進(jìn)行了研究，利用快速黏度分析儀對(duì)其糊化特性進(jìn)行了測(cè)量分析。超聲波處理之后的淀粉糊和未經(jīng)超聲波處理的淀粉糊相比，其黏度顯著降低。粒度測(cè)量和掃描電子顯微鏡的結(jié)果也說明超聲處理之后的淀粉顆粒粒徑變得更小、更均勻。Park等[34]利用400 kHz的超聲波來處理浸泡了不同時(shí)間的糙米，并從中提取出淀粉，研究超聲波處理對(duì)糙米品質(zhì)及其淀粉性質(zhì)的影響。其結(jié)果表明超聲波處理后的糙米口感質(zhì)量更好，更接近精米，但又保留了比精米更多的營養(yǎng)成分。同時(shí)，超聲波處理提高了糙米淀粉的溶解度以及結(jié)合水的能力。經(jīng)超聲波處理之后的淀粉，糊化特性也有所改變，變得更容易糊化，且黏度更大。這是由于超聲波處理降解了淀粉分子，使其顆粒變小，從而分子變得更加混亂、表面積更大、更容易與水結(jié)合。

Czechowska-Biskup等[35]用360 kHz超聲波處理殼聚糖溶液對(duì)其進(jìn)行降解改性，并模仿人體消化系統(tǒng)的pH值變化來研究殼聚糖與脂肪結(jié)合的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高頻超聲波處理能有效降低殼聚糖的分子質(zhì)量，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化副作用，增加了殼聚糖分子中羰基基團(tuán)的含量。隨著殼聚糖分子質(zhì)量的降低，結(jié)合的脂肪含量也隨之增加。可見，高頻超聲波處理還可以對(duì)一些大分子物質(zhì)的功能特性產(chǎn)生影響。

2.2 高頻超聲波對(duì)蛋白質(zhì)的影響

經(jīng)過高頻超聲波處理，蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象會(huì)產(chǎn)生改變，其親水端被暴露在水中，親水性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致溶解度提高。Jambrak等[36]研究了超聲波對(duì)乳清蛋白的溶解性和起泡特性的影響，發(fā)現(xiàn)500 kHz的超聲波處理使乳清分離蛋白的溶解度明顯提高，但對(duì)乳清蛋白的起泡特性和起泡穩(wěn)定性沒有很大影響。Matouqa等[37]的研究結(jié)果也表明高頻超聲波（2.4 MHz）處理能明顯提高酸奶乳清和干酪乳清中乳清蛋白的溶解率。蛋白濃度越低，其溶解率提高效果越明顯，在酸奶乳清中溶解率最高可增加至2 倍，干酪乳清中最高可增加至3 倍。

高頻超聲波對(duì)蛋白質(zhì)的影響作用可以應(yīng)用于一些有特定功能的酶蛋白，改變其功能特性。有研究認(rèn)為高頻超聲中所產(chǎn)生的高活性自由基是導(dǎo)致酶失活的重要因素[38]。高活性自由基與蛋白質(zhì)中的半胱氨酸殘基反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子間形成二硫鍵，從而產(chǎn)生聚集體，使酶變性。由此，可以利用高頻超聲波對(duì)食品中一些產(chǎn)生不良影響的酶進(jìn)行滅活或者對(duì)一些有益酶進(jìn)行改性。Basto等[39]研究了20、150、500 kHz的超聲波處理對(duì)漆酶穩(wěn)定性和酶活性的影響。研究證明超聲波能縮短漆酶的半衰期，其中150 kHz處理下的漆酶半衰期最短，最不穩(wěn)定。Basto等[39]在體系中引入聚乙烯醇作為酶的保護(hù)劑，減少了超聲過程中漆酶的失活，從而使超聲波輔助酶解的底物降解率較之于純酶解和純超聲降解都有很大提高，其中150 kHz條件下的酶解效果最好。因此可以根據(jù)具體情況，采用不同的參數(shù)或引入一些添加劑來達(dá)到理想的酶的滅活或活化效果。

2.3 高頻超聲波對(duì)食品工業(yè)中其他物質(zhì)的影響

運(yùn)用高頻超聲波的這一性質(zhì)還可以對(duì)食品工業(yè)廢水或者包裝中的一些殘留的有害物質(zhì)進(jìn)行降解。雙酚A作為一種非生物降解的抗氧化劑，常被用于食品包裝領(lǐng)域，添加至塑料包裝中或者金屬容器的內(nèi)壁涂層中。雙酚A的遷移以及在廢水中的殘留都可能會(huì)對(duì)人體或環(huán)境產(chǎn)生危害。Nikfar等[40]將超聲波和H2O2相結(jié)合，用于去除水溶液中的雙酚A。使用130 kHz的高頻超聲波和H2O2聯(lián)合處理可以使雙酚A的降解率達(dá)98%以上，而單獨(dú)使用超聲波處理或H2O2處理的去除程度均不超過50%。由此，可以推斷，高頻超聲波作為一種輔助技術(shù)可以有效加速一些反應(yīng)的進(jìn)程。

高頻超聲波作用所產(chǎn)生的大量活性自由基可以和易氧化的食品成分反應(yīng)，在一定程度上可增強(qiáng)某些食品成分的功能特性。例如一些酚類化合物，可以通過這一聲化學(xué)效應(yīng)被羥基化[41-42]。矢車菊素-3-葡萄糖苷在經(jīng)過高頻超聲波（358 kHz）處理之后，其抗氧化活性有所下降[43]。另有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過986 kHz超聲波處理之后，紅樹莓醬的總酚含量增加了10%左右，而經(jīng)過20 kHz和490 kHz超聲波處理后，樹莓醬的總抗氧化活性、總酚含量和總單體花色苷含量均發(fā)生了變化[44]。然而，高頻超聲波產(chǎn)生的活性自由基究竟能增強(qiáng)哪一類食品組分的抗氧化性或者其他功能特性，還有待進(jìn)一步探索。

3 高頻超聲波對(duì)多聚物的影響機(jī)制探究

雖然高頻超聲波與低頻超聲波相比，作用效果更加溫和，但近年來許多研究表明高頻超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈的自由基效應(yīng)在大分子降解改性上有著明顯優(yōu)勢(shì)[45-46]。超聲波對(duì)于特定某種物質(zhì)的降解作用總是存在一個(gè)最適的頻率。Mostafa等[47]研究了不同頻率（0.75、1.00、1.25、1.75、2.00 MHz）的超聲波對(duì)不同鏈長(zhǎng)的聚苯乙烯苯溶液的降解作用。當(dāng)超聲波頻率低于1 MHz時(shí)，降解效果逐漸增強(qiáng)，當(dāng)頻率大于1 MHz時(shí)，降解效果逐漸減弱，表明其降解的最適頻率為1 MHz，在這一頻率，超聲波的機(jī)械效應(yīng)和自由基效應(yīng)的降解效果達(dá)到最佳。但Mostafa等[47]并沒有對(duì)其中的自由基效應(yīng)或者機(jī)械效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

不同的超聲波頻率會(huì)對(duì)超聲的氧化進(jìn)程有所影響，H2O2在高頻率時(shí)的產(chǎn)量往往比低頻率時(shí)多。在較高的超聲波頻率下，空化氣泡的體積較小，破裂時(shí)釋放的能量少，破裂時(shí)間短，生成的自由基離開氣泡后才發(fā)生一系列反應(yīng)；而在較低的頻率下，自由基停留在氣泡中的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在高溫的環(huán)境下遵循燃燒化學(xué)的反應(yīng)路徑，形成O2，從而抑制了H2O2的生成和氧化進(jìn)程。此外，體系中的氣體也會(huì)對(duì)H2O2的產(chǎn)量產(chǎn)生影響，并且在不同頻率下影響不同。O2的存在增加了高頻條件下H2O2的產(chǎn)量但減少了低頻條件下H2O2的產(chǎn)量。高頻超聲波作用時(shí)分子氧會(huì)和氫原子形成·OOH（公式（1）），降低H·和·OH重組的概率，因此·OH的含量相對(duì)提高；而在低頻條件下，氣泡存在時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，生成的·OH又與·OOH反應(yīng)，形成了水和氧氣（公式（2）），從而減少了H2O2的產(chǎn)量[48]?？梢娮杂苫?yīng)除了頻率這一影響因素，還受其他許多因素影響。

不同的溶劑對(duì)超聲降解的機(jī)理和效果也有不同影響。Tran等[49]研究了一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法來量化的超聲波產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在頻率達(dá)到100 kHz之后，隨著超聲波頻率的提高，機(jī)械效應(yīng)逐漸減弱。同時(shí)對(duì)苯溶液和水溶液中的降解機(jī)理進(jìn)行了研究分析。在有機(jī)溶劑中自由基無法形成，超聲波對(duì)大分子的降解作用主要源于機(jī)械效應(yīng)。同時(shí)較高的蒸汽壓使得溶液中形成的氣泡難以壓縮，降低了氣泡塌陷的效率，從而影響聚合物的降解。在水溶液中，自由基效應(yīng)能夠形成，產(chǎn)生的自由基會(huì)攻擊聚合物，并且水的蒸汽壓比苯的蒸汽壓小，氣泡塌陷更強(qiáng)，因此在水溶液中聚合物的降解速率更高。

超聲降解的主要作用原理是空化產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和自由基效應(yīng)。研究人員主要通過添加自由基清除劑來研究高頻超聲波的自由基效應(yīng)對(duì)多聚物降解的貢獻(xiàn)。Lastre-Acosta等[50]研究了不同磺胺嘧啶水溶液pH值、初始濃度、超聲波的頻率和功率對(duì)磺胺嘧啶降解的影響，并通過自由基抑制劑的加入研究其降解機(jī)理。結(jié)果表明高頻超聲波對(duì)磺胺嘧啶有明顯的降解效果，且在580 kHz頻率下，較高的超聲波功率比和微酸性（pH 5.5）條件的去除效率和去除速率更高。加入自由基抑制劑（叔丁醇）能明顯減緩磺胺嘧啶的降解。Czechowska-Biskup等[51]分別在添加以及未添加自由基清除劑的溶劑中，對(duì)殼聚糖和淀粉在360 kHz頻率超聲波處理?xiàng)l件下的降解情況進(jìn)行了研究。加入自由基清除劑后的體系的平均相對(duì)分子質(zhì)量降解速率減小，產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量增大，分子鏈斷裂減少。Koda等[52]對(duì)超聲降解甲基纖維素、普魯蘭糖、葡聚糖和環(huán)氧乙烷這4 種水溶性聚合物的降解機(jī)理進(jìn)行了探討，得出了相似的結(jié)論。利用20 kHz和500 kHz兩種不同頻率的超聲波對(duì)水溶液中的這4 種聚合物進(jìn)行處理，闡明了超聲波頻率和自由基清除劑對(duì)水溶液中的水溶性聚合物降解的影響。經(jīng)過500 kHz超聲波處理，4 種聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量均降低到5 000以下，遠(yuǎn)優(yōu)于20 kHz的超聲波處理。而在添加了自由基清除劑之后，500 kHz的降解效果大大降低，甚至低于20 kHz時(shí)的降解效果。

上述研究結(jié)果證明，高頻超聲波所產(chǎn)生的降解作用是由多種效應(yīng)形成的。高頻超聲波能使大分子物質(zhì)分子質(zhì)量有很大程度降低，排除自由基效應(yīng)之后，高頻超聲波的降解效果減弱了很大一部分。隨著超聲進(jìn)程的繼續(xù)，大分子物質(zhì)的分子質(zhì)量降低越不明顯。在沒有自由基作用時(shí)，只有鏈長(zhǎng)較長(zhǎng)的分子易被超聲的機(jī)械力打斷，在鏈長(zhǎng)低于某一極限值時(shí)，降解作用便不再繼續(xù)。即高頻超聲波對(duì)分子的降解作用主要源于其自由基效應(yīng)，活性自由基與分子上的基團(tuán)相互作用，引發(fā)一連串的反應(yīng)，與超聲的其他效應(yīng)協(xié)同作用，改變分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生如分子質(zhì)量降低、活性改變等作用。

4 結(jié) 語

綜上所述，高頻超聲波對(duì)多聚物的物理化學(xué)性質(zhì)都有極大的影響。將高頻超聲波應(yīng)用于食品行業(yè)中，可以對(duì)食品中的一些物質(zhì)，如多糖、蛋白質(zhì)等進(jìn)行物理或化學(xué)改性，改變其結(jié)構(gòu)特性或物理化學(xué)性質(zhì)，從而改進(jìn)或開發(fā)更多的功能。尤其是在水溶液中的一些存在易氧化基團(tuán)的物質(zhì)，更容易被降解改性。本文就高頻超聲波對(duì)不同類型食品中的常見物質(zhì)的降解作用與降解機(jī)理進(jìn)行了綜述，然而現(xiàn)今的研究在這一方面還有許多仍待發(fā)展的地方，仍有以下可以繼續(xù)研究的方向：1）深入研究高頻超聲波對(duì)多聚物的降解改性機(jī)理，明確自由基效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的構(gòu)效關(guān)系。高頻超聲波的自由基效應(yīng)強(qiáng)于低頻超聲，在對(duì)大分子物質(zhì)的降解改性過程中，自由基效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)的作用機(jī)理尚未深入研究。2）高頻超聲波技術(shù)可以作為一種輔助手段，與其他降解改性方法聯(lián)用來提高降解改性的效率。3）如果在使用高頻超聲波降解時(shí)加入輔助化學(xué)試劑，反應(yīng)完成之后的副產(chǎn)物需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，是否會(huì)對(duì)產(chǎn)物安全性、功能性產(chǎn)生影響，是否會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染、是否易于分離處理等。4）高頻超聲波降解食品大分子組分形成的新型產(chǎn)品，需進(jìn)一步研究其構(gòu)效關(guān)系并詳細(xì)評(píng)估其經(jīng)濟(jì)效益。5）高頻超聲波用于去除食品中的有害殘留物，處理加工廢水。

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Progress in High Frequency Ultrasound and Its Application for Degradation and Modification in Food Industry

WANG Danli1, MA Xiaobin1, WANG Wenjun1, ZOU Mingming1, DING Tian1, LIU Donghong1,2,*
(1. School of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Fuli Institute of Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Ultrasound can be divided into low frequency ultrasound and high frequency ultrasound. High frequency ultrasound, which is different from low frequency ultrasound in terms of cavitation efficiency, can produce a large amount of free radicals, and it has a good efficiency in degradation and modification and great application potential in the food industry. However, there are rarely systematic summaries of its application in this area. This article briefly illustrates the mechanism of action of ultrasound, and reviews the application of high frequency ultrasound in molecular degradation and modification. High frequency ultrasound can not only degrade macromolecules, but also can modify some of their groups and properties. Herein we also summarize the mechanism of the degradation and modification of polymer molecules in order to provide a theoretical basis for the application of high frequency ultrasound for degradation and modification of polymers.

high frequency ultrasound; degradation; modification; cavitation; free radicals

10.7506/spkx1002-6630-201621047

TS201.1

A

1002-6630（2016）21-0279-06

王丹麗, 馬曉彬, 王文駿, 等. 高頻超聲波及其在食品工業(yè)中的降解改性研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(21): 279-284.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201621047. http://www.spkx.net.cn

WANG Danli, MA Xiaobin, WANG Wenjun, et al. Progress in high frequency ultrasound and its application for degradation and modification in food industry[J]. Food Science, 2016, 37(21): 279-284. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201621047. http://www.spkx.net.cn

2016-02-29

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31371872）

王丹麗（1993—），女，博士研究生，研究方向?yàn)槌暥嗵歉男?。E-mail：wangdl418@163.com

*通信作者：劉東紅（1968—），女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称芳庸づc工程。E-mail：dhliu@zju.edu.cn