食品業(yè)超聲技術(shù)研究
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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)化提取［3］。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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該換能器可以實(shí)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(gè)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(jì)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(gè)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(shí)間只需幾分鐘，比傳統(tǒng)提取方法減少數(shù)小時(shí)。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(shí)驗(yàn)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(shí)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］。ShifengCao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(shí)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(shí)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。BaoYang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。SusannZahn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(gè)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(shí)，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－WenHuang［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(shí)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－HuiShi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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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?？傊?，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。