超聲波技術在食品檢測中運用研究分析

◎ 周婷婷

（山西省檢驗檢測中心（山西省標準計量技術研究院），山西 太原 030012）

食品是日常生活中的重要組成部分，其質(zhì)量好壞與人們的身體健康、生命安全有著密切聯(lián)系。因此，檢測技術必須結(jié)合現(xiàn)代化技術進行優(yōu)化，超聲波技術便是其中之一，其具有適應性強、操作簡單與使用設備投資較少的特點，能夠通過超聲波相位與幅度變化判斷食品狀態(tài)，進而提高食品的安全性。

1 超聲波技術檢測概述

1.1 超聲波檢測特點

超聲波可選擇高頻與低頻兩種模式，實際應用中振動頻率可達2 000 Hz以上，可通過與物質(zhì)之間的相互作用獲取物理性質(zhì)與化學性質(zhì)，且聲波的整體穿透性較強，在液體和固體中傳播也不會出現(xiàn)明顯的衰減。最早我國將超聲波應用在航海探測和回聲定位中，后隨著我國科學技術的不斷發(fā)展，其應用范圍也在不斷擴大，現(xiàn)如今在食品行業(yè)的應用也越來越多，現(xiàn)已成為該行業(yè)發(fā)展中重要的檢測手段之一。

1.2 超聲波檢測的種類

超聲波檢測技術的應用較為廣泛，在食品檢測中的應用可以分為低頻率與高頻率兩種，在頻率比較低時可以激發(fā)自身能量，通過向待測物體發(fā)射脈沖信號，能夠用來破壞生物細胞產(chǎn)生一系列化學反應，可根據(jù)超聲波在食品內(nèi)的傳播狀況以及時間來確定食品的安全和成熟程度，在應用過程中需要進行連續(xù)操作[1]。

2 超聲波技術在食品檢測中的原理分析

利用超聲波進行食品檢測參數(shù)是聲速和振幅衰減，這種超聲波由于能量低的特點，對光學不透明物體有著較好的效果，下文將對超聲波檢測原理進行分析。

2.1 聲速測定

超聲波技術在聲速測定中，必須以平面波性質(zhì)為基礎，通過數(shù)據(jù)分析與整理，結(jié)合公式計算出食品的質(zhì)量以及成分，其中最常見的便是利用平面波穿過介質(zhì)時的性質(zhì)計算公式，即（κ/ω）2＝ρ/E完成本次測定，并結(jié)合信息進行詳細判斷，最終獲取相關結(jié)果。在性質(zhì)計算公式中，ρ代表了介質(zhì)的密度，E則代表的是彈性模量，兩者的比可以作為聲速測定結(jié)果，計算中需要明確κ這一介質(zhì)的復合波數(shù)，以及角頻率ω，避免計算中出現(xiàn)錯誤問題。而對于固態(tài)介質(zhì)，彈性模量可以用E＝K+（4/3）G進行計算，其中K是體積彈性模量，而G則是剛性彈性模量；液態(tài)介質(zhì)的表達式則為C2＝K/ρ，數(shù)學符號意義與上述一致。在聲速測定中，信號發(fā)生器會產(chǎn)生脈沖電子波，通過樣品壓縮傳遞后再轉(zhuǎn)化為電子波，傳送中時間計數(shù)器開始記錄，根據(jù)已知聲速的物質(zhì)測量最終的出聲速[2]。

2.2 衰減測定

超聲波傳播過程中不僅會隨著時間、距離的影響而削弱，且會在經(jīng)過介質(zhì)時被削弱，從而產(chǎn)生不同程度的衰減，因此必須要注重衰減測定，在食品檢測的過程中進行精細化管理，提高最終結(jié)果的準確性[3]。同時，超聲波在傳輸過程中能力會出現(xiàn)散射的情況，在介質(zhì)不連續(xù)處因偏移而出現(xiàn)方向變化，所以需要結(jié)合A＝A0exp（-ad）進行計算，A是聲波通過介質(zhì)后產(chǎn)生的振幅，A0是初始振幅，d是聲波所通過的距離，將時間測量改變?yōu)橄噜徎夭ǖ恼穹白兓?，最終得出衰減值，以此保證最終結(jié)果的精確度。

3 超聲波技術在食品檢測中的作用與價值

3.1 超聲波技術的作用

食品檢驗是判斷當前物品質(zhì)量好壞的主要依據(jù)，實際執(zhí)行中需要獲取當前食品的各類參數(shù)信息，結(jié)合國家標準要求進行全面、詳細的檢測，包括原材料、配料、添加劑、營養(yǎng)成分、所含物質(zhì)等，在完成檢測之后出具報告進行判斷，不符合要求的食品不允許銷往市場。

3.2 超聲波技術的價值

食品安全與人們健康息息相關，而質(zhì)量檢測是確保食品安全的重要內(nèi)容，將超聲波技術應用在食品檢測中，屬于最有效、最便捷的方法，能夠進一步確保食品安全。超聲波技術具有成本低廉、簡單方便等優(yōu)點，可用于肉類食品、果蔬食品、乳制品、充氣食品、飲料酒水等方面，如在肉類食品中可以對細胞液的外流進行控制，憑借定向效應可以影響食品物質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)晶核的形成，提升物質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)晶核的形成速度；而在果蔬等食品檢測中，無需對物理或者化學材料的破壞處理，便可以有效分析性質(zhì)、組織、含水量、結(jié)構(gòu)等，可以避免出現(xiàn)細胞組織的破裂、損壞、凍傷等問題，體現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟價值和使用價值[4]。

4 超聲波技術在食品檢測中的運用方向

4.1 肉類檢測

我國肉制品在市場中的整體占比較大，其安全問題一直以來都受到廣泛關注，將超聲波技術應用在檢測中還存在一些不足之處，其原因在于肉制品僅可以承受10 kHz左右的聲波，而超聲波的頻率遠高于此，因此檢測中可能導致肉制品中的纖維蛋白破壞，且在液體滲出后纖維之間會互相粘連，降低了肉制品的品質(zhì)。但可以利用超聲波對肉禽類食品進行分析，如用于檢測成品魚和雞肉的固體脂肪含量，進而區(qū)分肉類的質(zhì)量，在未來需要對此進行持續(xù)優(yōu)化。

4.2 乳液檢測

乳狀液體是不透明的食物，結(jié)合超聲波Wave技術分析乳液結(jié)塊的原因，避免乳狀液體出現(xiàn)結(jié)塊的情況，結(jié)合當前現(xiàn)狀提出相應解決方案，且并不會影響食物本身，能夠有效提高樣品掃描效率和速度。乳制品體系是比較分散的粒子，還會存在一定的油脂，液滴尺寸在0.2～2 μm，用傳統(tǒng)的方法不能確保食品的安全性，而利用超聲波技術可以在液體靜止狀態(tài)下進行無損檢測，在40 kHz下降功率為0.8 W可以檢測粒子的移動狀態(tài)，以此判斷出乳狀液體的安全性，且整個過程較為簡單，非專業(yè)技術人員也可以在標準操作下完成。

4.3 充氣食品檢測

充氣類食品的氣泡會對超聲波檢測結(jié)果產(chǎn)生很大影響，市面上常見食品包括餅干、面包、蛋糕、薯片等類型，每個包裝袋均灌有較多空氣，而空氣會導致超聲波結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，影響最終的檢測結(jié)果[5]。因此，在檢測過程中必須注重操作細節(jié)，每一個步驟都必須要認真細致，在檢測后結(jié)合誤差值進行對比分析。超聲波技術相較于傳統(tǒng)技術來講，該技術不會對包裝內(nèi)的氣體造成任何污染，也不會影響氣體的穩(wěn)定性，且準確率能夠提高0.6倍以上，效率也會提升40%左右。

4.4 乳制品檢測

乳制食品是人們生活中常見的食品種類之一，我國市場中此類所包含的食品較多，如奶酪、調(diào)味乳、奶油、冰淇淋等，為了確保食物的安全性，需要加強對乳制食品的研究，合理應用超聲波技術開展檢測工作。乳制品中的粒子有非常良好的散光作用，在傳統(tǒng)檢測中需要先進行取樣，再對分離后的油相進行檢測和判定，如奶酪食品利用光學顯微鏡進行檢測，首先對乳制品液體進行取樣觀察，分析液體分子的運行狀況和結(jié)構(gòu)變化，而利用超聲波技術則不需要取樣，便可以檢測出包裝內(nèi)部的產(chǎn)品有沒有發(fā)生凝聚現(xiàn)象，且可以通過相互作用使脂肪球直徑降低到0.57～0.95 μm，檢測速率可提升40%。

4.5 果蔬類檢測

蔬菜和水果的細胞結(jié)構(gòu)特殊，超聲波檢測中會出現(xiàn)共振效應，導致內(nèi)部結(jié)構(gòu)、水分含量的變化，影響最終的檢測結(jié)果。檢測蘋果與梨等貯藏水果時，借助無損檢測技術可以分析水果的含水量、含糖量、組織結(jié)構(gòu)，然后以此為依據(jù)對水果的等級進行確定，還可以對水果的衰敗時間進行預測。

4.6 飲料酒類檢測

飲品存在的主要形式都是液體，由于溶解度的問題并不會充分地相融，且在融合的過程中會出現(xiàn)一種新密度的液體，超聲波在不同密度液體之間會產(chǎn)生傳播偏差，可以利用這個現(xiàn)象區(qū)分不同的液體種類，最后得出結(jié)果。

5 食品檢測中超聲波技術的后續(xù)優(yōu)化

5.1 推動超聲波技術的融合

食品檢測若想契合時代發(fā)展需求，就必須對其進行優(yōu)化與創(chuàng)新，從而促進檢驗檢測技術的發(fā)展，因此需要將超聲波技術與信息技術融合，這樣不僅可以簡化煩瑣的檢測過程，且能夠確保管理流程的完整性[6]。在此過程中需要制定出相應的服務標準，準確地判斷工作中信息技術的應用方向，工作者要保證結(jié)果的完整性，從抽樣的保存、試驗材料的配備、相關操作流程等方面進行規(guī)范，在應用過程中結(jié)合實際進行深度優(yōu)化，促進檢驗檢測技術的發(fā)展。

5.2 健全檢測相關管理機制

若想優(yōu)化食品質(zhì)量檢測，必須從管理機制方面入手，超聲波檢測前需要了解食品樣品的種類，如果蔬類食品需要注意季節(jié)、時間、樣品采集的地點等不同因素，利用標簽管理的方式進行規(guī)范記錄，確保全過程的安全性和穩(wěn)定性。

5.3 完善食品安全檢驗法律

食品安全直接影響著人們的生命安全，必須杜絕假冒偽劣產(chǎn)品流入市面，通過法律法規(guī)進行約束和控制，以我國相關法律標準為基礎，要求執(zhí)行中地方根據(jù)社會的發(fā)展形勢及時調(diào)整檢測標準，使法律法規(guī)能夠科學、公正、先進、精確。同時，法律內(nèi)容需要從細節(jié)入手，使每一項規(guī)定都能保持緊密性，通過質(zhì)量把關保證檢測結(jié)果的準確性，在此基礎上操作必須嚴格按照標準進行性能檢測，并撰寫檢測報告記錄各類數(shù)據(jù)，以免給人們的生命安全帶來不可彌補的損失。

6 結(jié)語

食品的質(zhì)量安全對于廣大消費者的安全健康及社會的穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用，超聲波測試技術應用范圍正不斷擴大，從長遠發(fā)展角度來看，該技術有著較為廣闊的應用前景，通過對超聲波技術的應用能夠顯著提升食品檢測精確度，并且該技術具有操作便捷的優(yōu)勢，檢測速度相較于其他技術更快，不會對人體造成傷害，今后還需要繼續(xù)加強相關研究。