超声波技术在食品生产检测和食品安全检测中的应用进展.doc

超声波技术在食品生产检测和食品安全检测中的应用进展福建分析测试FujianAnalysis&Testing超声波技术在食品生产检测和食品安全检测中的应用进展刘芳,赵峰(1.福建省中心检验所,福建福州350001;2.福建农林大学食品科学学院,福建福州350001)摘要:超声波这项新技术被用于研究和诊断领域已经有很多年了本文分别例举了超声波技术在乳品品质检测,肉制品品质检测,面粉品质检测,果蔬产品品质检测,添加剂分析,农药残留分析和金属元素分析上的应用.旨在对其目前在食品生产领域和食品安全检测领域中的应用及其进展进行介绍,为新检测技术研究者提供参考资料.关键词:超声波;食品生产;食品安全中图分类号:TB551文献标识码:A文章编号:10098143(2008)04-002705Developmentofultrasonictechnologyusedinfoodproductioninspectionandfoodsafetyanalysisl2LiuFang,ZhaoFeng(1.Fujianproincialcentralinspectioninstitute,Fuzhou,Fujian350001,China;2.FoodScienceCollege,FujianAcultureandForestUniversity,Fuzhou.Fujian350001,China)Abstract:Theinnovativeultrasonictechnologyhasbeenusedforyearsinthere.searchanddiagnostics.Thisarticlegivessomeexmnplesofitsusesuchasintheinspectionofmilkquality,meatproductquality,flourquality,fruitandvegetableproductqualityandanalysisoffoodadditives.pesticideresiduesandmetalelemen.Theobjectiveofthepresentpaperistogiveanintroductionofultrasonicapplicationsthathavebeenusedinfoodproductioninspectionandfoodsafetyanalysis,givingreferenceforstudyofthenewinspectiontechnolo.Keywords:Ultrasonictechnique;foodproductinspection;foodsafetyanalysis超声波是指频率在2l04l10Hz间的声波,属于机械波的一种,因其超越了人的声阈高限,因此称为超声波.它的频率范围很宽,占声学全部范围的二分之一以上,其传播遵循声波传播的基本规律,同时也具备以下几个突出特点:(1)超声波频率可以很高,传播的方向性较强,在液体,固体中传播时,衰减很小;(2)超声波在传播过程中介质质点的振动加速度非常大;(3)在液体介质中,当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象.频率高,波长短,定向传播性良好,穿透性很强,超声波的这些特性使其技术在近几年得到了迅猛的应用和发展.1超声波的分类在食品检测领域所应用的超声波主要有两种类型:低密度超声波和高密度超声波.1.1低密度超声波即低能量水平的超声波,通常能量密度低于1w/m2,频率介于100200kHz,不会对物料的物化特性产生改变,因此被作为一种声学特性分析法,运用于食品的无损检测领域.但该类型超声波在被检测物料中传播时,物料的声学特性和内部组织的变化会对其传播产生一定的影响,其基本原理是通过收稿日期:2008-42作者简介:刘芳(1971-),女,助理工程师,从事食品检测工作.Emil:1783134728福建分析测试综述与进展测定超声脉冲信号经过介质时的声速及振幅衰减等参数来了解物料性能和结构变化.1.2高密度超声波即高能量水平的超声波,通常能量密度超过|W/ftin频率介于l8lOOkHzj它能够通过热效应,机械机制和空化效应的共同作用,加速待测物的溶出,缩短体系达到平衡的时间,敬广泛应用于食品安全检测领域.本文针对两种超声波在食品生产检测和食品安全检测中的应用进行分类陈述.2超声波技术在食品生产检测中的应用近年来国外的研究表明,低能量超声检测技术具有非破坏性,精确,设备廉价,能够对高浓度食品和不透明性材料进行检测的独特优势,在食品理化特性检测等领域的应用中具有巨大的潜力【2】.目前已经有多种符合生产在线检测要求的设备问世.该技术应用关键在于建立声特性(声速,衰减系数和声阻抗)与产品特性(成熟度,硬度等)之间关系.2.1乳制品品质检测超声检测技术在乳制品工业中首先被用于对产品成分含量的检测,最常见的检测项目是脂肪小液滴含量的检测,非脂乳同体(SNF)含量的检测和总固形物frS=脂肪+非脂乳同体)含量的检测.目前国内外用超声俭测食品成分的研究还限制在对总类物质含量的分析.如检测牛奶中脂肪含量和非脂固形物含量等,仍然无法定位到具体成分含量的检测.这必将成为今后研究的重点.1986年FairleyP.等人4l通过大量的试验建立了乳制品成分与超声特性之间的经验关系式.在国内,近几年汤伟等人51通过文献与实验验证,归纳和总结了超声波检测牛奶主要成分(非脂类固形物,脂肪,蛋白质含量)的方法及相应的数学模型,给出了牛奶冰点,密度和掺水率的定量测定方法,他们在此基础上义利用超声波的声速测定原理,成功试制了一种可以快速测定牛奶中主要营养成分的便携式电子装置MI,通过与西安银桥奶业集团购买的瑞典peaen8620型近红外测试仪进行对比测试,发现其性能指标如下:脂肪浓度测定范围及误差为(O.5%9%)4-0.1%;蛋白质浓度测定范围及误差为(2.0%5.3%)0.2%;非脂固形物浓度测定范同及误差为(6.0%一12.0%)4-0.2%;密度测定范同及误差为(I.0260I.0330)0.O005Jml;加水率测定范陶为(04-60.0%)5%,测定速度不大于4.5rain/样品.另外,牛奶在货架期阶段,由于环境和温度的变化可能导致变质,变质的牛奶由液态转变为半液态,超声波在这两种状态间的传播速度和衰减率将有很大的不同,因此适宜用于对包装牛奶进行无损检测.Nassar人【采用压电式换能器进行研究并得出了超声波在牛奶絮凝物中的传播时间同其物理属性间的关系.Bakkalitsl采用超声波脉冲回波技术对牛奶制品中的絮凝状态进行了检测,这项技术同时也被用于乳酪等乳制品生产过程中工艺的控制,冈为只有在生产过程中动态地了解凝乳状态,才可以确定切割乳酪和排乳清的时间,而这对于控制乳酪的品质有直接的影响91.AYC.等人【Ol也利用该原理对凝乳酶作用导致的乳品凝絮过程实现了无损监测,并得到加酶时间与衰减系数之间的关系表达式.2.2肉制品品质检测随着肉制品工业的快速发展,在生产领域亟需快速无损的检测方法对原料肉的品质进行控制.由于声波在精肉和肥肉中的传播速度存在明显差异,因此能够通过简单的超声成像技术来检测动物活体或宰后畜体的脂肪层厚度】.除了对瘦肉厚度的检测之外,最近有研究者还将超声检测技术用于对成品鱼,鸡肉中的固体脂肪含量进行检i贝.2.3面粉品质检测现代的烘焙工业要求对面团的特性进行在线监控,而传统的面团测试手段费时费钱又无法达到检测要求.J.M.Alava等人【I3】通过对30种不同用途的面粉及其形成的面团中超声波声速和衰减程度的测量,并将该结果同传统的实验方法(延伸记录仪,面筋拉力测定仪)所得出的流变学数据进行相关性分析后成功地将超声波法用于面粉及其形成面团的品质检测.2.4果蔬产品品质检测果蔬产品含水量高,容易腐烂,现阶段我国新鲜果蔬腐烂损耗率:水果达到30%,蔬菜达到40%50%.果蔬超声特性主要是由果蔬细胞间存在的空刘芳等:超声波技术在食品生产检测和食品安全检测中的应用进展29穴结构决定的I”I,一定频率范嗣内的超声波在这种特殊结构中会形成谐振效应,通过研究果蔬杨氏模量与共振频率的关系能够反映果蔬硬度与成熟度的变化关系.另外在贮藏过程中果蔬内部组织结构和水分含量在发生变化,糖分或其它成分也在变化,可通过检测水分,糖分等成分的含量检测它们的成熟度.Clarkt嘲指出超声波通过两瓜的衰减时间随西瓜成熟度的提高而延长.3超声波技术在食品安全检测中的应用食品的品质如何对人们的生活和健康至关重要,因此可靠准确的分析结果就必须要有非常完善的前处理,尽量使被i贝4试的元素不被损失或不被污染.由于食品多数是同态的,所以样品的前处理步骤包括粉碎和匀浆使其成为粉末状,食品样品可用研钵,药碾,粉碎机,球磨机,匀浆机等粉碎方法,超声波在食品安全分析方面主要是用于强化提取过程ll61.3.1超声波在添加剂分析上的应用张素娟将食品样品经过超声波方法处理后,用气相色谱测定其中的甜蜜素含量,样品最低检出限为0.3g,回收率为94.6%106.4%,相对偏差RSD<4%,侧面证明用超声波方法处理固体样品能够符合测定食品中甜蜜素的检测要求.射向机m1的研究也得出了相类似的结论.林奕芝等IJ9】在研究中采用不同的提取方法对蜜饯类食品中苯甲酸,山梨酸,糖精钠的回收率进行对比,结果如下表:表1不同提取方法的回收率结果表明用超声波提取同样可以简单高效地达到较好的回收率,因此适合作为蜜饯类食品中苯甲酸,山梨酸,糖精钠分析的样品前处理方法.3-2超声波在农药残留检测中的应用超声波是一种辅助能量,施加到提取样品中时,可以加快样品颗粒,待测化合物分子及溶剂分子的震动频率,使待测化合物分子在同液体系中迅速达到分配平衡,并大大提高了提取速度.与索氏提取,微波提取,超临界提取等技术相比,该方法简单,价廉.因此十分适用于日常分析中的样品前处理,目前已经广泛地运用于食品安全分析领域.但是,对于性质不稳定的化合物,由于超声波的空化作用产生的瞬间高温高压,可能导致目标物的分解,从而使回收率降低,解决目标物质分解所产生的问题是提高提取效率的关键之一.根据化学结构的不同,常见的农药分为有机氯,有机磷,氨基甲酸酯,拟除虫菊酯等.魏俊岭等人对比了超声波提取,振荡提取和索氏提取一气相色谱法测定蔬菜中的有机氯农药残留,超声波辅助提取的回收率为82.8%l10,2%.相对标准偏差在3%和15%之间,其回收率高于振荡提取和索氏提取方法,能够对蔬菜中多种有机氯农药的提取达到很好的效果,因此是一种低成本,省时,效率高的方法.万益群等人t2I提出了超声波辅助提取一浓硫酸净化一气相色谱法测定芝麻中多种有机氯农药残留量的方法,水浴中超声提取40rain,用浓硫酸净化,各种有机氯农药的回收牢在83.4%109.2%之间,RSD为1.01%一6.21%.本法与传统索氏提取法相比,消耗溶剂少,显着缩短样品前处理的时间,能较好用于实际样品分析.杜晓刚等人221将超声提取技术用于检测茶叶中的农药残留,对提取的温度和方式进行筛选,实验结果如下:甲胺磷回收率范围为75.2%95.3%,乐果回收率范围为86.7%l10.2%;相对标准偏差分别为4.8%和3.5%;检出限为0.01mg/kg和0.02mg/kg.该结果进一步说明超声波辅助提取技术具有灵敏度高和重现性好的特点.福建分析测试综述与进展冯国栋等人【I采用超声提取一离心分离技术,实现大米,面粉,蔬菜,水果等食品表面有机磷和氨基甲酸酯类农药残留的快速检测.弓爱君等人利用高效液相色谱检测苏云金杆菌生物农药中氰戊菊酯,研究测试了索氏提取,超声波提取,机械震荡提取和分液漏斗手工震荡提取等4种方法的提取效果,超声波震荡提取的回收率可以达到99%以上,时间消耗和溶剂消耗均较小,超声波振荡15min,并能够将氰戊菊酯有效地提取出来,提取液经浓缩后用高效液相色谱分析,检测限为0.60g/mL,线性范围为I.O0800g,mL,方法平均回收率为99.16%,相对标准偏差为0.13%.蒋定国等人口超声提取技术用于测定茶叶中27种有机氯和拟除虫菊酯农药残留,实验表明该法具有快速,灵敏,准确,成本低,可靠性强等特点,检测单个样品中有机氯类,拟除虫菊酯类农药只需1.5h.3.3超声波在金属元素分析上的应用重金属离子是由单一元素组成的,性质稳定.因此超声波辅助提取时,不必考虑目标物的分解问题,被认为是一种快速有效的技术.陈文婷等人271将奶粉样品分别以超声波辅助提取技术与传统湿法消化处理后,测定其中的钾钙铜铅锌,两种方法的结果不存在显着性差异,能够满足分析测试的要求,而且同传统湿法消化相比操作简单,方便,快速;另外,在对油脂类食品含铅量测定中,需要对样品进行湿法消解,由于油脂比重小于水,容易发生样品溅出的问题,李海等人将超声萃取引入该过程,结果表明该方法快捷方便,大大提高了工作效率,完全满足分析工作要求.王芳权探索采用混酸,超声波消解法对奶粉样品进行处理,以火焰原子吸收光谱法测定其中锌的含量,实验证明该法不但结果可靠,而且避免了传统灰化法或消化法处理过程的繁琐操作和对环境造成污染,具有一定的实用价值和推广意义.4结束语近年来,超声波技术在食品检测领域的应用研究取得了巨大的进展,低能量超声检测以其非破坏性,精确性,廉价性,快速性等诸多独特优势,得到科研工作者的重况,并在食品理化检测领域中发挥出越来越大的作用.高能量超声波作为一种提取的辅助能量,应用于样品前处理过程,同传统样品处理方法对比中显示出极大的优势,因此相信在广大科研工作者的共同努力下,超声波技术将不断发挥越来越大的优势.参考文献1】应义斌,韩东海.农产品无损检测技术【M】.北京:化学工业出版社,2005:174.2】MuletA,BeneditoJ.GolasY,Noninvasive.Ultrasonicmea-surementsinthefoodindustryJ】.FoodReviewsInternational,2002,18(23):123-133.【3】PoveyM,WilkinsonJM.Theusesofulasonictechnologyinfoodindustry.PoetrySci,1980,21:489.4BhattiSS,BhattiR,SinghS.Ultrasonictestingoffnjlk【J】.Aeus-tic1986,62:96101.【5汤伟,王明伟,董文宾,赵旭博.牛奶主要营养成分的数学模型【刀.陕西科技大学,2005.23:5056.6汤伟,董文宾,王明伟.采用超声波测量牛奶主要营养成分的电子装置J.自动化与仪表,2005(6):916.7NassarG,NongaillardB.&NoelY.Monitoringofmilkgelationusinglowfrequencyuhrasonictechnique【J】.JournalofFoodEngineering,200l,48:351-359.【8】BakkaliF,MouddenA.FaizB,AmgharA,MazeG,MonterodeEspinosaF,eta1.UhtasonicmeasurementofmilkcoagulationtimeJ】.MeasurementScienceandTechnology,2001,12:2154-2159.9BenguiguiL,EmeryJ.DurandD,&BusnelJ.P.UltrasonicstudyofmilkclottingJ.Lajt,1994,74:197-206.【10】AyC,GunasekaranS.Evaluatingmilkcoaglilafiontimewithul-trasonicsJ.FoodTechnol,1994,48:74.【11】FisherA.V.Areviewofthetechniqueofestimatingthetompositionoflivestockusingthevdocityofultrasound【J】.ComputersandElectronicsinAgriculture,1997,l7(2):217-231.【12】麻建国,周建军.超声波技术在食品检测中的应用J】.食品与发酵工业,1998,24(5):5257.13】J.M.Alava.S.S.SaM,J.Garcia-Alvarez,A.Turo,eta1.Useoful-asoundforthedeterminationofflourqualit【J.Ultrasonics,2007,46:270276.【14MizrachA.BecharA,GrinshponY,eta1.Ultrasonicclassifica-tionofmealinessinnappies【J】.TransactionsoftheASAE,2003,46(2):397-400.【15】赵丽丽.果品类内部品质近红外无损检测技术的研究.2008,17(4)刘芳等:超声波技术在食品生产检测和食品安全检测中的应用进展3l北京:中国农业大学,2003.【23】冯国栋,王兴华,谢菲