超聲波輔助切割技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用

許唯棟，王婧怡，王文駿，3，周建偉，3，徐恩波，3，劉東紅，3*

（1 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院 智能食品加工技術(shù)與裝備國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江省食品加工技術(shù)與裝備省級(jí)工程實(shí)驗(yàn)室 杭州 310058 2 浙江大學(xué)寧波研究院 浙江寧波 315100 3 浙江大學(xué)馥莉食品研究院 杭州 310058）

切割是將帶有鋒利刀刃的刀具壓向待切割物料，將大塊的物料切分成規(guī)定大小、尺寸和質(zhì)量的過(guò)程，是確保后續(xù)食品包裝和儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵步驟，在食品加工中扮演著重要的角色[1-2]。根據(jù)2019年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的農(nóng)作物和食品的生產(chǎn)指數(shù)相比于2010年增長(zhǎng)約15%[3]。此外，3D 打印和人造肉技術(shù)的快速發(fā)展，使食品具有多種多樣的成分和物性，對(duì)切割行業(yè)提出了挑戰(zhàn)[4-5]。在食品切割加工中，除了一些定量的標(biāo)準(zhǔn)外，切面的粗糙度、幾何穩(wěn)定性、切面品質(zhì)以及刀具污染、環(huán)境污染和能源消耗情況也至關(guān)重要[6]。常規(guī)的食品切割方式主要有線切割、鋸切割和漸開(kāi)線切割等[7]，其在切割脆性食品時(shí)，使物料受到強(qiáng)烈的沖擊作用，從而產(chǎn)生大量碎屑以及崩邊現(xiàn)象，造成環(huán)境污染和刀具磨損；在切割黏彈性食品時(shí)，由于食品的高彈性和黏連性，使物料產(chǎn)生不可逆的變形和黏刀情況，從而降低切面品質(zhì)并引起交叉污染[8-9]。為滿足現(xiàn)代化食品切割的需要，亟需開(kāi)發(fā)一種新型的切割技術(shù)。

超聲波輔助切割（Ultrasonic-assisted cutting，UAC）是一種新型的非熱切割技術(shù)[10-12]，將20～50 kHz 的超聲振動(dòng)附加到目標(biāo)刀具上，使刀具產(chǎn)生周期性的高頻振動(dòng)，改變了刀具與物料之間的接觸和切割方式，是一種高效節(jié)能、綠色環(huán)保的切割技術(shù)[13-14]。UAC 特殊的切割方式使其具有切割力小、刀具磨損小和切面光滑平整等優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)作物收割[15]、醫(yī)學(xué)手術(shù)切割[16]和航空航天材料加工[17]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，然而，在食品切割領(lǐng)域中的研究仍處于起步階段。目前還沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)UAC 在食品加工行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)性的總結(jié)。本文介紹UAC 裝置的組成和相應(yīng)的切割參數(shù)，闡述UAC 的基本原理；分析在UAC 中，刀具參數(shù)、切割過(guò)程參數(shù)和物料特性對(duì)切割性能的影響，以及食品儲(chǔ)藏品質(zhì)的變化；探討UAC 的優(yōu)勢(shì)以及未來(lái)發(fā)展方向，為食品領(lǐng)域的UAC 切割技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 超聲波輔助切割裝置與切割參數(shù)

1.1 切割裝置

UAC 裝置的開(kāi)發(fā)是其技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵。高精度、穩(wěn)定性的UAC 系統(tǒng)有助于其在工業(yè)中的生產(chǎn)和應(yīng)用。

圖1所示為UAC 裝置，主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和切割刀具4 部分構(gòu)成[18]。超聲波發(fā)生器可將市電轉(zhuǎn)換為高頻交流電信號(hào)，傳輸給超聲波換能器；換能器通過(guò)壓電陶瓷將傳輸來(lái)的電信號(hào)等頻率轉(zhuǎn)換為線性機(jī)械振動(dòng)信號(hào)；變幅桿的作用有：聲阻抗匹配、放大機(jī)械振動(dòng)信號(hào)、固定整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)和避免發(fā)熱現(xiàn)象和化學(xué)腐蝕等影響換能器的穩(wěn)定性；切割刀具作為整個(gè)裝置的最終負(fù)載，一方面進(jìn)一步放大機(jī)械振幅信號(hào)，另一方面將超聲波能量聚集到刀刃上，使待切割物料在高額能量的沖擊下瞬間破裂，大大降低物料的強(qiáng)度，完成切割。

圖1 UAC 系統(tǒng)的裝置組成Fig.1 The device composition of the UAC

1.2 切割參數(shù)

UAC 的基本參數(shù)主要有刀尖振動(dòng)頻率f（Hz）、振幅a（m）、超聲振動(dòng)速度vus（m/s）、切割速度vc（m/s）等。由于超聲振動(dòng)是周期性的振動(dòng)信號(hào)，從微觀的角度來(lái)看，切割刀刃中某個(gè)離散粒子在時(shí)域中的振動(dòng)位移x（m）為[19]：

式中，ω——角速度，rad/s；t——時(shí)間，s。

超聲振動(dòng)速度vus（m/s）表示為：

可以得出vus的最小值為0，最大值為aω。UAC 的真實(shí)切割速度v（m/s）為[20]：

當(dāng)vc＞aω 時(shí)，刀具與物料一直處于接觸狀態(tài)，即為普通切割方式；當(dāng)vc＜aω 時(shí)，為UAC，刀具與物料接觸的有效時(shí)間僅占整個(gè)周期中的很小一部分。因此vus（max）=aω=2πaf，其中vus為臨界超聲振動(dòng)速度，與振幅a和頻率f有關(guān)。

UAC 完成一次物料切割所需要的能量Wc（J）可以表示為：

式中，F(xiàn)c——切割力，N；s——切割距離，m。

Wc由4 部分組成[8]：

式中，WE——彈性變形耗散能，J；WD，V——黏性流耗散能，J；Wfrict——摩擦耗散能，J；Wfract——破裂耗散能，J。

最后，為了比較UAC 與常規(guī)切割之間的差別，引入無(wú)量綱參數(shù)Kw：

式中，Kw——常規(guī)切割所做的功，J。

當(dāng)Kw＜1 時(shí)，表明UAC 比常規(guī)切割更節(jié)能；當(dāng)Kw=1 時(shí)，表明UAC 和常規(guī)切割能耗類似；當(dāng)Kw＞1時(shí)，表明UAC 比常規(guī)切割更耗能。

2 超聲波輔助切割的基本原理

UAC 中刀具對(duì)物料的切割原理如圖2所示。圖2a 表明在UAC 中，刀具振動(dòng)方向與切割方向一致。超聲振動(dòng)位移隨時(shí)間變化情況如圖2b所示，刀頭在點(diǎn)O 處以振幅a和超聲波頻率f（振動(dòng)周期T=1/f）做周期性的振動(dòng)位移，其表示為式（1）；切割速度隨時(shí)間變化情況如圖2c所示，超聲振動(dòng)速度vus表示為式（2），切割速度為vc，真實(shí)切割速度為v表示為式（3）。在一次UAC 的周期中（vc＜aω），刀頭振動(dòng)前進(jìn)并在ta處與物料接觸，此時(shí)表明切割開(kāi)始；在tb處，真實(shí)速度v逐漸降低到0，表明切割結(jié)束，此時(shí)刀頭開(kāi)始振動(dòng)后退。因此，有效切割時(shí)間tc（s）可以表示為[21]：

因此，tc僅占整個(gè)周期內(nèi)的很小一部分。從圖2b 和2c 還可以得出：

圖2 UAC 中刀具對(duì)物料的切割原理[19]Fig.2 The cutting mechanism of the tool to the material using UAC[19]

由式（7）～（9）可以得出：

從式（10）可以得出：在vc＜aω 的情況下，tc僅取決3 個(gè)重要的參數(shù)，分別為：超聲頻率f、超聲振幅a和切割速度vc。由于僅在有效切割時(shí)間tc內(nèi)發(fā)生連續(xù)切割行為，因此切割力也僅出現(xiàn)在該時(shí)間段內(nèi)，這意味著較低的tc值可以有效降低UAC的切割力。此外，在tc時(shí)間段內(nèi)，由于刀刃的瞬時(shí)速度和加速度極大，且超聲作用在切割位點(diǎn)產(chǎn)生很大的能量，因此有效地減短了物料的彈性形變時(shí)間和塑性斷裂時(shí)間，使黏彈性物料和塑性物料在切割瞬間趨向于脆性斷裂，減小切割形變。

UAC 是在刀具上附加超聲振動(dòng)，使超聲振動(dòng)能量在刀刃上聚集并作用到物料的切割位點(diǎn)，在極短的時(shí)間內(nèi)完成微量的切割，其以極大的瞬時(shí)速度和加速度對(duì)物料進(jìn)行周期性沖擊，從而改變了物料瞬時(shí)物性和破裂機(jī)制，縮短了刀具與物料之間的有效接觸時(shí)間 ，減小了摩擦力，降低了切割溫度，改善了切割性能[13]。

3 超聲波輔助切割在食品領(lǐng)域的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

UAC 是將超聲振動(dòng)與指定刀具進(jìn)行耦合的一種新型切割技術(shù)，具有高頻間歇式振動(dòng)切割特點(diǎn)，可以有效提高切面光滑度、減小切割力和切面污染等不良現(xiàn)象。Carlson 等[22]發(fā)現(xiàn)刀刃在超聲的作用下變得更鋒利，且在15 min 內(nèi)溫度僅上升0.4 ℃。目前，UAC 雖已在金屬加工領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，但在食品領(lǐng)域內(nèi)的研究處于起步階段?；诖?，本文就UAC 在刀具參數(shù)、切割過(guò)程參數(shù)、物料參數(shù)和對(duì)切后的食品品質(zhì)與儲(chǔ)藏期的影響進(jìn)行分析和討論，旨在進(jìn)一步理解UAC 在食品領(lǐng)域中的加工現(xiàn)狀和影響因素，并擴(kuò)大其在食品領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用范圍。

3.1 刀具參數(shù)對(duì)食品切割的影響

在工業(yè)化的切割加工中，刀具的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)切割有很大的影響，需要在重量、鋒利度、剛度、耐久度和成本等因素之間的進(jìn)行權(quán)衡[23]。

在UAC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，ANSYS 是最常用的有限元分析軟件，用來(lái)計(jì)算超聲波切割裝置各部位的諧振頻率，從而指導(dǎo)刀具參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高效的切割[24-25]。狹槽是UAC 刀具上的特殊幾何結(jié)構(gòu)，合理的狹槽設(shè)計(jì)可以使超聲的振動(dòng)形式為縱向振動(dòng)，減少橫向無(wú)效振動(dòng)，進(jìn)而提高振動(dòng)效率和刀具穩(wěn)定性。張水田等[26]在設(shè)計(jì)蛋糕切割的超聲刀具時(shí)，發(fā)現(xiàn)刀面上的狹槽數(shù)量對(duì)UAC 的穩(wěn)定性和均勻性有很大的影響，通過(guò)ANSYS 分析得出4 個(gè)狹槽最佳，設(shè)計(jì)出的超聲刀具在20 kHz 附近以縱向振動(dòng)為主，并且振幅均勻，諧振頻率精確。張?jiān)齐姷萚27]根據(jù)超聲波振動(dòng)理論，利用解析法設(shè)計(jì)了切割刀具的模型，并使用ANSYS 軟件進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)超聲橫向振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力比較集中，且易產(chǎn)生橫向振動(dòng)，因此將狹槽設(shè)計(jì)在該處來(lái)抑制橫向振動(dòng)。試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的20 kHz 寬刃UAC 系統(tǒng)振幅均勻且穩(wěn)定性好。Koc 等[15]同樣發(fā)現(xiàn)在刀具上設(shè)計(jì)狹槽，可以加強(qiáng)縱向的超聲振動(dòng)效果，提高UAC 的穩(wěn)定性。

較小的刀尖半徑使刀具更鋒利，而太小會(huì)降低刀具強(qiáng)度，出現(xiàn)崩邊情況。在UAC 刀尖半徑的設(shè)計(jì)中，Xiao 等[21，28]提出了大刀尖半徑的UAC 策略，試驗(yàn)表明0.02 mm 的刀尖半徑可以顯著提高刀具強(qiáng)度，切割穩(wěn)定性和切面光潔度。

超聲刀具的幾何形狀設(shè)計(jì)主要采用有限元分析法[25-26]，合理的UAC 刀具參數(shù)設(shè)計(jì)可以提高切割性能。目前，UAC 的刀具參數(shù)對(duì)食品切割的影響主要集中于狹槽和刀尖半徑，細(xì)節(jié)處的設(shè)計(jì)卻少有研究。在傳統(tǒng)的刀具參數(shù)設(shè)計(jì)中已大量展開(kāi)了楔角[29]、刀尖半徑[30]、鋒利度[31-32]、刀面光潔度[33]、表面涂層[34]和表面織構(gòu)[35-36]對(duì)切割影響的研究，對(duì)UAC 的刀具參數(shù)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。因此，后續(xù)可以逐步研究在UAC 中，上述刀具參數(shù)對(duì)食品切割的影響。

3.2 切割過(guò)程參數(shù)對(duì)食品切割的影響

在食品領(lǐng)域的UAC 中，超聲切割過(guò)程參數(shù)對(duì)食品切割起著關(guān)鍵性的作用，合理的過(guò)程參數(shù)選擇可以提高切割品質(zhì)。式（2）表明超聲振動(dòng)速度與頻率和振幅有關(guān)，式（3）和式（10）表明有效切割時(shí)間與頻率、振幅和切割速度有關(guān)。因此，在UAC中，超聲頻率、振幅和切割速度是主要的切割過(guò)程參數(shù)。

表1 總結(jié)了有關(guān)UAC 的切割參數(shù)對(duì)食品切割影響的研究。Astashev 等[37]通過(guò)理論和試驗(yàn)相互結(jié)合的方式，得出當(dāng)vc＜aω 時(shí)，切割速度越快，切割力越大；切割振幅越大，切割力越小的結(jié)論。King[38]發(fā)現(xiàn)提高超聲振動(dòng)速度可以減少摩擦力，以及表面斷裂能和塑性能，即縮短彈性應(yīng)變時(shí)間。然而，較大的超聲振動(dòng)速度需要匹配更快的切割速度，對(duì)硬件設(shè)備提出了巨大的挑戰(zhàn)，因此需要根據(jù)實(shí)際需求確定切割過(guò)程參數(shù)。如圖3所示，Zahn等[39]研究不同超聲振動(dòng)速度對(duì)酵母餃子的切割力和切割功的影響。從圖3a 中可以看出，無(wú)超聲作用下：0～2 mm 為初始切割階段，2～15 mm 為樣本變形階段，15～26 mm 為切割破裂階段，26～30 mm為切割結(jié)束階段；而在UAC 中，切割變形階段顯著縮短35%～84.6%，使得最大切割力大約減小53.6%～77.6%，且超聲振動(dòng)速度越快，變形階段越短，所需切割力越小。圖3b 為酵母餃子在不同振動(dòng)速度和頻率下的相對(duì)切割功變化情況，研究發(fā)現(xiàn)：隨著最大振動(dòng)速度的提高，顯著降低，當(dāng)最大振動(dòng)速度為1.51 m/s 和5.03 m/s 的情況下，切割功相比于常規(guī)切割分別降低了46%和79%，其主要?dú)w因于UAC 的高頻周期性振動(dòng)特性，一方面縮短了有效切割時(shí)間；另一方面改變了物料的斷裂方式，減小了彈性變形和塑性變形過(guò)程，使斷裂趨于脆性斷裂。

圖3 酵母餃子在不同UAC 下的切割力和相對(duì)切割功[39]Fig.3 Cutting force and relative cutting work of yeast dumplings in various UAC[39]

表1 比較UAC 的加工參數(shù)對(duì)食品切割影響的研究Table 1 Comparison of various studies on the influence of UAC processing parameters on food cutting

Schneider 等[40]研究UAC 能耗與過(guò)程參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)振幅和頻率越大，能耗越多，而通過(guò)加快切割速度減少切割時(shí)間的策略，可以減少總能耗的消耗。因此，需要對(duì)UAC 過(guò)程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減小切割力的同時(shí)降低能耗。該團(tuán)隊(duì)[41]在另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)UAC 雖可顯著降低切割過(guò)程中的滑動(dòng)摩擦力，但改變超聲振幅對(duì)摩擦力幾乎沒(méi)有影響。通過(guò)滑動(dòng)摩擦力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)食品的表面形態(tài)對(duì)摩擦力的貢獻(xiàn)更大，質(zhì)地光滑的食品在UAC中有“懸?！钡默F(xiàn)象，可極大地減小摩擦力；而質(zhì)地粗糙的食品在UAC 中，易與空氣發(fā)生高頻空氣壓縮的現(xiàn)象，阻礙滑動(dòng)摩擦力的減小。UAC 食品的研究均表明：切割速度與切割力之間呈正相關(guān)，超聲振動(dòng)速度與切割力之間為負(fù)相關(guān)，從而振動(dòng)速度與切割功也負(fù)相關(guān)[42]。

在日常的食品切割中，除了正向的擠壓運(yùn)動(dòng)外，通常還會(huì)附加一個(gè)垂直于切割方向的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，將這兩種運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行疊加，可以有效的減少切割力[43]。Atkins 等[44]在常規(guī)正向切割運(yùn)動(dòng)中附加不同滑動(dòng)速度的切割情況，并定義了參數(shù)切壓比ξ（滑動(dòng)方向的速度與正向方向的速度之比），發(fā)現(xiàn)在常規(guī)切割種，ξ 越大，切割干酪和香腸的切割力越小；而增大ξ 的同時(shí)，切割路徑增長(zhǎng)，導(dǎo)致摩擦力的作用也越大。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變刀刃弧度，使刀具本身具有ξ 特性，減小食品切割所需要的切割力，從而減少食品破損情況[45]。King[38]指出在UAC中同樣也存在這種現(xiàn)象，通過(guò)在正向切割時(shí)附加滑動(dòng)切割可以減小切割力，但該團(tuán)隊(duì)沒(méi)有進(jìn)一步探討切割力的減小主要?dú)w因于ξ 還是振動(dòng)切割特性。Arnold 等[46]隨后對(duì)斜切在UAC 中的作用展開(kāi)了研究，通過(guò)對(duì)15 種不同食品的UAC 發(fā)現(xiàn)：切割力和切割功的減少主要?dú)w因于切割速度和食品物性，斜切不能有效解釋該現(xiàn)象；當(dāng)斜切角越來(lái)越大時(shí)，壓的運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)作用，使部分奶酪被壓入樣品架，品相變差。陳健[47]在面包的UAC 中發(fā)現(xiàn)傾斜角度越大，切運(yùn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴哼\(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致切割力變大，面包切割時(shí)間增長(zhǎng)；而在無(wú)振動(dòng)切割中，斜切有效地減小了切割力[29，48]。在UAC 和常規(guī)切割中，斜切具有不同的切割表現(xiàn)，可能是因?yàn)槌曊駝?dòng)速度、切割速度對(duì)切割力的減小起主導(dǎo)作用，斜切的影響較?。灰灿锌赡苁鞘称返奈镄圆町悓?dǎo)致。

超聲切割過(guò)程參數(shù)對(duì)食品的切割有很大的影響，合理的頻率、振幅、切割速度和切壓比可以有效降低切割力、切割功和摩擦力，并提高切割品相和裝置壽命。因此，后續(xù)研究可以嘗試?yán)蒙疃葘W(xué)習(xí)算法、多目標(biāo)優(yōu)化算法和計(jì)算機(jī)仿真來(lái)對(duì)上述切割過(guò)程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，以此提高UAC 性能。

3.3 物料特性對(duì)食品切割的影響

食品的組分和結(jié)構(gòu)對(duì)切割有巨大的影響，如多孔和致密的食品、植物基和動(dòng)物基食品等，各類食品的成分和物性存在較大的差異，呈現(xiàn)出不同的黏彈性、塑脆性，在UAC 中的切割表現(xiàn)有較大的差異[50]。此外，食品是一種溫度依賴性物料，不同溫度下食品的物性存在較大的差別，影響其UAC 性能。因此，需展開(kāi)物料特性對(duì)切割影響的研究。

Schneider 等[51]根據(jù)食品在UAC 中的表現(xiàn)，將食品在宏觀上分為：均勻緊密固體、多孔固體、植物基和動(dòng)物基物料，并發(fā)現(xiàn)由于超聲的熱效應(yīng)和空化效應(yīng)，植物基和動(dòng)物基食品易產(chǎn)生次級(jí)效應(yīng)，可以通過(guò)優(yōu)化切割過(guò)程參數(shù)來(lái)減小不良影響[51-52]。通過(guò)比較5 種烘焙類食品的UAC 發(fā)現(xiàn)[40]，食品的物性與能耗顯著相關(guān)，高水分或高脂肪的致密性食品相比于多孔的食品所需要的切割力更小，在UAC 過(guò)程中，切面與刀具之間生成了一層潤(rùn)濕性的滑膜，減小了滑動(dòng)摩擦力。圖4所示為奶油面包在UAC 和常規(guī)切割中的現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)相較于常規(guī)切割，奶油蛋糕在UAC 下的品質(zhì)更高，UAC 具有不黏刀和自清潔的優(yōu)點(diǎn)，適合于黏彈性食品的加工[47]。Arnold 等[49]比較了8 種不同成分的奶酪在UAC 中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)水含量的提高削弱了蛋白質(zhì)之間的相互作用，降低了奶酪的彈性模量，從而減小了切割力；而低脂高蛋白奶酪因其具有致密性的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通常硬度較高，需要更大的分離力。因此，食品的成分極大的改變了其物性，在UAC中有不同的切割表現(xiàn)。此外，在常規(guī)切割中，Wu等[30]表明物料顆粒大小對(duì)切割力有較大的影響。目前，UAC 還沒(méi)有研究食品中的顆粒大小對(duì)切割性能的影響，后續(xù)需完善該方面的研究。

圖4 奶油面包的切割情況[47]Fig.4 Cutting phenomenon of butter bread[47]

食品具有溫度依賴性，溫度越低，食品的硬度越大，反之變軟。King[38]探討了兩類冷凍肉的UAC現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)溫度越低，切割力越大；在-30～-15 ℃下，兩類肉的切割力沒(méi)有明顯差異，可能是因?yàn)樵诘蜏貤l件下，肉中的冰晶占主導(dǎo)作用，對(duì)切割力的貢獻(xiàn)更大，成分的影響較小；在-5～-1.5 ℃時(shí)，冷凍肉仍擁有較大的硬度，每增加一倍切割速度，切割力就增加10%，可能是因?yàn)槲锪喜荒芗皶r(shí)吸收切割沖擊能，只能將吸收不了的沖擊能反向作用于刀具，抵抗切割運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，從而提高了切割力。Brown 等[53]對(duì)不同溫度下奶酪、牛肉和培根的常規(guī)切割中也同樣發(fā)現(xiàn)溫度越低，所需切割力越大。

由于食品的組分、結(jié)構(gòu)特征和溫度會(huì)導(dǎo)致物性間存在較大的差別，進(jìn)而對(duì)UAC 產(chǎn)生較大影響。因此，為了擴(kuò)大食品質(zhì)構(gòu)特性對(duì)UAC 的影響研究，后續(xù)可利用高分子材料來(lái)模擬不同物性的食品，并嘗試建立相應(yīng)的切割數(shù)據(jù)庫(kù)，為未來(lái)不同特性的食品UAC 提供借鑒和參考。

3.4 超聲波輔助切割對(duì)食品品質(zhì)與儲(chǔ)藏期的影響

UAC 在食品切割中，可以減少切割拖尾、變形、破裂和黏刀現(xiàn)象，在切割黏性和脆性食品中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在食品加工領(lǐng)域內(nèi)逐漸受到了人們的關(guān)注。目前，有關(guān)UAC 在食品中應(yīng)用的研究大多集中于切割過(guò)程中的力學(xué)變化，對(duì)UAC 處理后的食品品質(zhì)及在儲(chǔ)藏期內(nèi)的影響卻鮮有報(bào)道。

通常，鈍刀在切割中需要更大的切割力，而較大的切割力使切面破損更嚴(yán)重，破壞切面細(xì)胞并使其與空氣大量接觸，從而降低抗氧化活性，降低食品切后品質(zhì)[54]。UAC 是高頻振動(dòng)切割方式，其切割力和破壞小，并且擁有自清潔能力，減少切割過(guò)程中的交叉污染和停機(jī)清洗時(shí)間，適合對(duì)食品進(jìn)行切割加工[55]。Yildiz 等[56]研究3 種超聲振幅和不使用超聲對(duì)3 種切后奶酪的品質(zhì)和儲(chǔ)藏期的影響，通過(guò)比較儲(chǔ)藏21 d 內(nèi)的奶酪切面色澤、pH值、過(guò)氧化物值、表面形態(tài)和感官特性發(fā)現(xiàn)：經(jīng)UAC 的奶酪表現(xiàn)出更光亮、平滑的切面品質(zhì)，在儲(chǔ)藏期內(nèi)切面褐變程度小，L*值高。同時(shí)UAC 可以降低奶酪的過(guò)氧化物值，其可能的原因是UAC奶酪的切面破損小，因此暴露在空氣中的機(jī)會(huì)小，不易發(fā)生氧化反應(yīng)。雖然在儲(chǔ)藏期內(nèi)UAC 后的奶酪感官評(píng)分均高于不使用超聲切割的奶酪，但差異不顯著；此外，50%振幅切割的奶酪品質(zhì)相對(duì)更好。有文獻(xiàn)研究了有/無(wú)超聲對(duì)蛇果和金冠蘋(píng)果切后品質(zhì)與儲(chǔ)藏期的影響[57]。如圖5所示，相比于常規(guī)切割，50%振幅的UAC 金冠蘋(píng)果的切面更光滑和光亮，褐變緩慢，L*值更高。觀察2 種切法的掃描電鏡圖，同樣可以發(fā)現(xiàn)：常規(guī)切割法的蘋(píng)果表面較粗糙，更多的細(xì)胞出現(xiàn)破裂和滑移現(xiàn)象，同時(shí)存在幾毫米的裂縫，導(dǎo)致細(xì)胞液和組織液泄露，褐變嚴(yán)重且切后品質(zhì)急劇下降；而經(jīng)UAC 的蘋(píng)果切面致密光滑，細(xì)胞損傷小，在14 d 內(nèi)保持了更好的品相。經(jīng)感官評(píng)價(jià)分析同樣可以得出UAC 蘋(píng)果擁有更高的評(píng)分，值得注意的是，當(dāng)切后蘋(píng)果儲(chǔ)藏到第7 天和第14 天時(shí)，經(jīng)0%和30%振幅的UAC 中產(chǎn)生不良的味道，而經(jīng)40%和50%振幅的UAC 中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異味?？赡苁且?yàn)楫?dāng)超聲振幅太小，UAC的振動(dòng)效果不明顯，導(dǎo)致細(xì)胞破損嚴(yán)重，降低蘋(píng)果的切后品質(zhì)；也可能是因?yàn)檎穹^(guò)低導(dǎo)致的超聲次級(jí)效應(yīng)明顯，降低了切割品質(zhì)。因此，為了獲取最佳的切后品質(zhì)，需要對(duì)UAC 切割參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 金冠蘋(píng)果切割面的外觀及形態(tài)[57]Fig.5 Appearance and morphology of section surface in Golden Delicious apple[57]

UAC 有助于延緩切后食品在儲(chǔ)藏期內(nèi)的品質(zhì)下降程度，可作為新的切割技術(shù)替代傳統(tǒng)的切割方法。同時(shí)，UAC 具有不黏刀和自清潔的特性，可以有效防止切割過(guò)程中的染色和交叉污染等不良現(xiàn)象的發(fā)生。因此，UAC 可用于連續(xù)快速的切割，提高切后食品品質(zhì)并提高切割效率和產(chǎn)能，在現(xiàn)代化食品加工業(yè)領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。

4 超聲波輔助切割的優(yōu)點(diǎn)

UAC 是一種新型的冷切割技術(shù)，通過(guò)將超聲振動(dòng)疊加到相應(yīng)的刀具上，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品的高效切割。與傳統(tǒng)切割相比，UAC 主要有以下優(yōu)勢(shì)[47，58]：

1）降低切割力、摩擦系數(shù)和切割溫度。由于刀具在超聲激勵(lì)下不斷周期性振動(dòng)，因此刀刃與物料之間的有效接觸時(shí)間僅占整個(gè)振動(dòng)周期的很小一部分，該時(shí)間內(nèi)的切割距離也是微量的，此時(shí)超聲波能量聚集在刀刃處，使裂紋處組織軟化、熔化、斷裂，進(jìn)而降低切割力，提高切割品質(zhì)的同時(shí)降低切割能耗。此外，刀具的動(dòng)態(tài)特性使刀面上出現(xiàn)滑動(dòng)層，從而降低摩擦系數(shù)和切割溫度，減少對(duì)食品的破壞。

2）提高切面品質(zhì)和產(chǎn)品儲(chǔ)藏期。在UAC 中，刀刃與物料之間的碰撞遵循不靈敏性振動(dòng)切削機(jī)理，使得產(chǎn)品形變非常小，切割處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，提高了切割穩(wěn)定性和切割精度，切面光滑平整；此外，UAC 有切面熔合作用，一方面防止切面松散破裂；另一方面在切面處形成封膜，減少細(xì)胞與空氣接觸，從而延長(zhǎng)儲(chǔ)藏期。

3）減少食品交叉污染和環(huán)境污染。在UAC中，由于刀具的動(dòng)態(tài)特性，在切割過(guò)程中幾乎不會(huì)發(fā)生黏刀現(xiàn)象，減少連續(xù)切割或復(fù)合食品切割中食品交叉污染的情況；此外，UAC 主要表現(xiàn)為“切割”作用，不存在將物料擠壓、打碎和崩壞的情況，因此加工中切屑和碎屑較少，幾乎沒(méi)有環(huán)境污染。

4）刀具磨損小，延長(zhǎng)刀具壽命。在UAC 中，刀具與物料在整個(gè)切割周期內(nèi)的接觸時(shí)間和作用距離極小，不易產(chǎn)生刀具的切割疲勞；同時(shí)切割力、摩擦系數(shù)和切割溫度的降低，減少了刀刃的磨損狀況，從而延長(zhǎng)了刀具的壽命。

5 超聲波輔助切割在食品領(lǐng)域的展望

UAC 是一種新型的切割技術(shù)，因其獨(dú)特的切割方式和優(yōu)點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)的切割方法。為了打破傳統(tǒng)切割能耗高、品質(zhì)差的壁壘，提高UAC 在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍，需重點(diǎn)開(kāi)展以下的研究：

1）在食品的切割中，提高刀具的耐腐蝕性和耐磨性至關(guān)重要，因此需要開(kāi)發(fā)新型的智能材料或生物材料制作刀具涂層，以減少食品對(duì)刀具的黏附和腐蝕情況，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。此外，刀具參數(shù)如楔角、鋒利度、刀面光潔度和表面織構(gòu)等對(duì)UAC 切割性能的影響還不夠完善，需逐一進(jìn)行研究，以提高切割品質(zhì)和產(chǎn)能；

2）不同切割參數(shù)對(duì)切割品質(zhì)有較大的影響，在激光刀切割加工應(yīng)用中，已逐漸采用人工智能算法優(yōu)化切割過(guò)程參數(shù)，并取得了較好的結(jié)果[59]。因此，在食品領(lǐng)域的UAC 中，需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、物料參數(shù)和切割過(guò)程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以及采用多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)UAC 加工中的能耗、產(chǎn)量、碳排放等因素同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建切割模型并逐步建立食品切割領(lǐng)域內(nèi)的UAC 數(shù)據(jù)庫(kù)，打造高品質(zhì)、低能耗的現(xiàn)代化食品智能UAC 方式；

3）由于食品的組分和結(jié)構(gòu)對(duì)其物性有較大的影響，因此需要研究不同食品的力學(xué)特性對(duì)切割性能的影響，并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和UAC 試驗(yàn)對(duì)不同黏性、彈性、塑性和脆性食品在切割過(guò)程中的破裂機(jī)制進(jìn)行探討，以構(gòu)建不同物性的食品在UAC 中的力學(xué)變化和組織破裂機(jī)理，建立不同物性食品在UAC 作用下的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)未知物料的UAC 提供指導(dǎo)作用；

4）隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的快速發(fā)展，使近紅外光譜、高光譜和機(jī)器視覺(jué)等原位無(wú)損檢測(cè)食品的理化屬性成為可能[60-62]。此外，工業(yè)4.0 和中國(guó)制造2025 的逐步推進(jìn)，亟需發(fā)展現(xiàn)代化食品智能加工技術(shù)。因此，在食品的UAC中需要結(jié)合高精度的傳感器（如：視覺(jué)傳感器、力值傳感器、光學(xué)傳感器等），對(duì)食品的物性和狀態(tài)進(jìn)行在線檢測(cè)，幫助切割系統(tǒng)完成切割參數(shù)選擇；同時(shí)開(kāi)發(fā)多刀頭切割系統(tǒng)和多自由度切割裝置，來(lái)提高切割效率和產(chǎn)能，以實(shí)現(xiàn)智能化、柔性化和個(gè)性化的現(xiàn)代食品切割制造。

目前正處于各類食品的大需求、高品質(zhì)及綠色低碳生產(chǎn)的大環(huán)境下，UAC 技術(shù)在食品加工領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用空間。