食品加工与检测技术

1、超声波在食品工业中的应用摘要：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。本文主要介绍了超声波技术的基本原理和特点,并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工业中的应用及其进展进行介绍，提出了超声波技术在食品工业中具有广阔的发展前景。关键词：超声波；食品检测与安全；应用 Applications of Ultrasound in Food IndustryAbstract: The innovative ultrasonic technology has been used

2、for years in the research and diagnostics. ln this paper the author summarizes the basic principle and the characteristics of ultrasonic technology. And this article gives some examples of its use such as in the inspection of milk quality, meat product quality, flour quality, fruit and vegetable pro

3、duct quality and analysis of food additives, pesticide residues and metal elements. The objective of the present paper is to give an introduction of ultrasonic applications that have been used in food industry. And the development of ultrasonic technique was proposed.Key words: Ultrasonic technique;

4、 food inspection and analysis; application 超声波技术已广泛应用于化工、医疗、医药等许多领域。我国发展超声技术起步较晚，但发展迅速，主要应用于两个方面：检测超声和功率超声。检测超声是利用小功率超声在媒质中的传播特性，检测或控制各种非声学量及其变化，频率一般在0.5 20M Hz 。功率超声是用较大功率的超声对物质作用，以改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术，频率一般在数万赫兹至几兆赫兹。超声波在动物性食品中的应用近年来不断有各种尝试出现，显示出其广阔的发展前景。本文综述了超声波技术的基本原理及其在食品领域的应用研究进展情况1。1 超

5、声波技术的基本原理及特点2 用于检测的超声波是高频率(介于0.520MHz)低能量超声波，利用高频声波与物质之间的相互作用以获取被测物质内部的物理化学性质。此技术在医学诊断学中应用较为成熟。用于加工方面的超声波是频率高于20k Hz，并且不引起听觉的弹性波。现普遍认为其空化效应、热效应和机械作用是超声技术应用的三大理论依据。1.1 空化作用 液体中往往存在一些真空的或含有少量气体或蒸汽的小气泡，这些小气泡尺寸不一。当一定频率的超声波作用于液体时，只有尺寸适宜的小泡能发生共振现象，大于共振尺寸的小泡被驱出液体外，小于共振尺寸的小泡在超声作用下逐渐变大。接近共振尺寸时，声波的稀疏阶段使小泡迅速胀大

6、；住声波的压缩阶段，小泡又突然被绝热压缩，直至湮灭。湮灭过程中，小泡内部可达几千度的高温和几千个大气压的高压。上述现象称为空化现象。宅化作用被用干清洗、雾化及促进化学反应等方面。1.2热效应 超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。声能被吸收可引起媒质中的整体加热、边界外的局部加热和空化形成激波时波前处的局部加热等。超声波的强度愈大，产生的热作用愈强。1.3机械作用 超声波是机械振动能量的传播，可在液体中形成有效的搅动与流动，破坏介质的结构，粉碎液体中的颗粒，能达到普通低频机械搅动达不到的效果。机械作用常用于击碎、切割、凝集等方面。2 超声波技术在食品检测中的应

7、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3。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、非脂乳固体(SNF)含量的检测和总固形物(TS=脂肪+非脂乳固体) 含量的检测。目前国内外用超声检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

8、肪含量和非脂固形物含量等4，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Fairley P.等人5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6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，他们在此基础上又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7，通过与西安银桥奶业集团购买的瑞典perten8620 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（0

9、.5%9%）±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围及误差为（6.0%12.0%）±0.2%；密度测定范围及误差为（1.02601.0330）±0.0005g/ml；加水率测定范围为(0±60.0%)±5%，测定速度不大于4.5min/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，变质的牛奶将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等人8采用压电式换能器进行研究并得出了超声波在牛奶絮凝

10、物中的传播时间同其物理属性间的关系。Bakkali9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，因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10。A y C.等人11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

11、畜体的脂肪层厚度12。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测13。 超声波技术在肉制品中的应用非常广范，除了上面所讲的品质检测，它还有很多其他更重要的的用途，下面将作简单介绍。2.2.1 嫩化作用14 1992年美国农业调查所的肉品科学家Morse Solomon 与John Long 合作研究超声波对肉的嫩化作用，开始了超声波在肉品嫩化中的应用。Lvng 等15声波技术可能使溶酶体破坏，同时肌纤维蛋白和结缔组织也受破坏，从而起到嫩化作用。Reynolds 等在室温下用40kHz，2W/CM2的超声波处理肉产品2小时，可以清楚地看到结缔

12、组织的减少16。 国内也有人开始超声波嫩化肉品的研究，李正英等17研究了超声波处理对羊肉的嫩化效果。研究结果表明: 3 W/cm ：超声波处理羊肉30min，可以获得较好的嫩化效果，然后在l0±2条件下放置8 h ,可进一步提高羊肉的嫩化效果。2.2.2 解冻 大块冻结食品在空气或水中的解冻过程是非常缓慢的，这不仅增加了食品的加工成本，而且为饮食的准备工作带来了很多不便。从食品内部加热也许可以加快解冻的速度，但现已采用的微波、高频、低频解冻方法并不能有效地缩短解冻时间，因为漏热和表面过热的问题限制了解冻速度的提高。超声解冻方法则不存在这些问题。Shore 等18人在研究超声波(17M

13、Hz)在食品冻结和解冻过程中速度和衰减特性时发现，已冻结区对超声波的吸收比未冻区对超声波的吸收要高出几十倍，而食品初始冻结点附近对超声波的吸收最大。利用超声波的这一特性，在食品解冻过程中，用超声波加热食品，可以有效地缩短解冻时间。2.2.3 辅助腌制咸肉制品 咸肉是我国传统的腌腊肉制品之一， 包括咸猪肉、咸牛肉、咸羊肉、腌鸡等，因其风味独特、保藏性能好等而深受人们欢迎。腌腊肉制品加工中很重要的步骤是腌制，肉类腌制的方法主要采用干腌、湿腌、混合腌制、盐水注射，真空滚揉等方法。其中快速腌制新技术具有腌制时间短、产品食盐含量低，脱水少等特点。但是快速腌制方法难以形成传统产品所产生的那种特征风味， 因

14、而通过快速腌制缩短加工时间，并形成传统产品所特有的风味，是值得研究的一个课题。超声波能破坏食物细胞壁、增加细胞膜的渗透力，引起大分子的断键。 蔡华珍等19研究经不同频率超声波处理后的肉在腌制期间的腌制效应。研究发现，超声波处理可加速肉块食盐的渗透，缩短腌制时间，28 k Hz的超声波比40 k Hz的超声波更能促进食盐的渗透(P<0.01)。色泽方面，不同频率超声波处理间无显著差异。超声波处理能加速蛋白质分解，促进脂肪的分解和氧化作用。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20通过对30种不

15、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穴结构决定的21，一定频率范围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

16、分的含量检测它们的成熟度。Clark22指出超声波通过西瓜的衰减时间随西瓜成熟度的提高而延长。2.5 超声波在农药残留检测中的应用 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23对比了超声波提取, 振荡提取和索氏提取- 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%110.2%, 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24提出了超声波辅助提取- 浓硫酸净化- 气相色谱法测定芝麻中多种有机氯农药残留

17、量的方法，本法与传统索氏提取法相比，消耗溶剂少，显著缩短样品前处理的时间，能较好用于实际样品分析。晓刚等人25将超声提取技术用于检测茶叶中的农药残留，得出的结果有力的说明了超声波辅助提取技术具有灵敏度高和重现性好的特点。冯国栋等人26采用超声提取- 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27利用高效液相色谱检测苏云金杆菌生物农药中氰戊菊酯，与索氏提取、超声波提取、机械震荡提取和分液漏斗手工震荡提取等4种方法的提取效果相比，超声波震荡提取的回收率最大，时间消耗和溶剂消耗均较小。蒋定国等人28将超声提取技术用于测定茶叶中27种有机氯和

18、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。2.6 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29。陈文婷等人30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著性差异，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31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

19、工作效率，完全满足分析工作要求。王芳权32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。2.7 超声波在添加剂分析上的应用 张素娟33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。3 超声波在食品工业中应用的优势343.1 实用性强: 可实现多种设备的联用及连续化生

20、产, 目前已有的市场化设备能够实现在5-50U min的流速范围内持续提供16kw的超声功率。3.2 能效高: 目前已有的市场化设备的超声能量转换效率能达到85%左右。3.3 技术开发价值高: 随着高能超声波设备的标准化生产要求,能量在介质中的传播途径(例如: 流动元件的设计, 传感器的数量, 管道的安装等)根据加工工艺的要求具有独特性, 因此相关生产技术的转让能够产生巨大的价值。3.4 能耗低: 处理单位体积物料所消耗的能量, 大大低于原有传统生产设备(例如: 均质机, 切割机等)。3.5 维护成本低: 超声波设备结构较为简单, 故障率低于传统机械传动设备, 日常维护费用大大降低。3.6 安

21、装及改造方便: 目前的超声波系统的微型化和高效化, 便于实现其在已有设备基础上的安装和改装。 生产实践证明,由于上述的诸多优点,超声波技术在食品工业的实际应用中已经取得了相当可观的经济效益。4 结束语 如前所述,由于“超声波技术”的独特优势,其在食品工业领域的应用具有巨大经济价值和技术潜力。目前,我国食品加工的总体水平还有待提高,新工艺和新技术的研究与推广必将推动我国现有食品加工技术的进步,通过高科技将我国的农产品资源优势转化为产品优势, 为食品工业开辟出一条新路。参考文献1. 周莉. 超声波在食品工业中的应用的研究现状J. 肉类研究, 2009, 2: 67-71.2.钟赛意, 王善荣, 刘

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