超声波在果蔬采后加工中的应用

超声波在果蔬采后加工中的应用

新鲜水果和蔬菜富含纤维、蛋白质、维生素、钾、钙和其他养分，是满足人们日常饮食健康和营养平衡的重要食品。随着人们生活水平不断提高以及营养健康的饮食理念逐渐形成,市场对于生鲜果蔬的需求日益增加,对于果蔬安全、营养和品质的要求也愈来愈高。近些年来,我国的果蔬产量不断增长,据统计2016年我国水果和蔬菜的总产量分别达到2.75亿吨和7.74亿吨。由于果蔬采收、分级、预冷、采后商品化处理(清洗、打蜡、分级、包装等)、贮藏、运输等关键环节技术规程、基础设施、配套工艺、设备较为落后,以及生理病害、微生物病害的影响导致我国果蔬商品化率较低,采后损害、损耗浪费情况较为严重1970年,超声波技术首次在食品领域应用,用于检测鸡蛋蛋白质量1超声波清洗机1.1人耳听力的范围超声波是以机械振动的形式在媒介中传播的声波,其频率大于20kHz超出了人耳听力的范围。按照频率(Hz)不同,超声波可以分为低频超声(20kHz<ν<1MHz)和高频超声(ν>1MHz),按照功率不同(声功率W、声强W/m1.2气体分子有足够的负压超声波通过一系列压缩波和稀疏波在介质中传播,分别对应形成正负压,并产生正压和负压交替变化的周期,对介质分子产生交替的压缩和拉伸作用。当声波能量足够高时,稀疏波对应产生足够大的负压,如果负压对气体分子的作用力超过液体分子对气体分子的作用力,原先存在于液体中的气核就从液体中脱离,形成空穴气泡。随着超声波的传播,有些气泡随着超声波的变化而逐渐长大,达到临界半径后发生崩溃。空穴气泡崩塌时释放出巨大能量,导致局部温度(3038℃)和压力(1000MPa)迅速升高,产生高达101.3超声波萃取仪检测果蔬原料和抗菌性能超声波技术在果蔬采后保鲜中的应用仍然处于实验室水平,主要采用超声清洗仪和超声波探头,其结构分别如图1中a和b所示。超声波清洗仪主要由清洗槽、超声波发生器和加热器组成。清洗槽由弹性好、耐腐蚀的优质不锈钢制成。清洗槽底部安装有超声波发生器,超声波发生器将高频电能转换成机械能之后,产生振幅极小的高频震动并传播到清洗槽内的溶液中发生空化作用。超声清洗仪的工作频率一般为40kHz~60kHz,功率和温度可以在一定范围内进行调节。采用超声清洗仪时,果蔬原料需要完全浸没在清洗槽的溶液中,使其受到均匀的超声波作用。超声波萃取仪,又名超声波细胞破碎仪,主要由超声波发生器和传感器两大部分组成。超声波探头通过浸没在反应容器中释放超声波能量,产生空化作用。由于超声波探头末端表面积非常狭小,超声波探头可在短时间内释放大量能量,使液体介质快速升温。超声波细胞破碎仪的工作频率为20kHz~60kHz,功率调节一般不得超过70%,否则会造成探头损坏。采用超声波探头时,果蔬原料同样需要完全浸没在溶液中,超声波探头置于反应容器底部以上一定的距离,通常是几厘米。2超声技术对水果收获后的贮藏和保险的研究2.1超声波清洗对草莓贮藏期间腐败率的影响作为一种有效的辅助灭菌方法,超声波已经应用于饮用水消毒、果汁、牛乳、饮料杀菌等领域以超声波对草莓的杀菌研究为例,Cao等发现超声波(40kHz,350W,10min)处理的草莓在5℃、80%~90%湿温相对度(RelativeHumidity,RH)条件下贮藏8d,腐败率从23%减少到13%,菌落总数从(3.23±0.04)lgCFU/g减少到(2.43±0.02)lgCFU/g,霉菌和酵母的数量从(3.88±0.07)lgCFU/g减少到(3.02±0.02)lgCFU/g,说明超声波清洗可以有效清洗、杀灭草莓表面微生物,抑制采后腐败2.2超声波结合化学成分对脱砂梨果的影响尽管相关研究表明超声波通过空化作用可以在一定程度上杀灭腐败微生物和病原菌,但是部分研究者认为现阶段的超声波技术单独应用于新鲜果蔬杀菌还存在局限性以超声波结合过氧乙酸对圣女果杀菌的研究为例,José等研究发现40mg/L过氧乙酸或45kHz超声波分别使附着在果实表面的沙门氏菌SalmonellaTyphimuriumATCC14028减少了2.73lgCFU/g和1.73lgCFU/g;当两种清洗方式结合时,附着在果实表面的沙门氏菌减少了3.88lgCFU/g,结果表明超声波与过氧乙酸结合使用可以提高圣女果表面沙门氏菌的清除效率3农药的净化与除氯效果近年来,我国农药使用量总体呈现出明显上升的态势,农药使用的绝对数量增幅较大。根据农业部的统计资料,我国每年使用农药140多万吨,其中主要是化学农药,占世界总使用量的1/3岳田利等研究发现超声波功率609.16W、时间70.46min、温度15.45℃条件下,苹果中有机氯农药去除率可达到64.32%。超声波处理对苹果的硬度没有显著性影响,虽然苹果的总糖、总酸略有降低,但没有超出国家标准及主要出口国苹果标准的要求4微生物的影响果蔬采后仍然是有生命的机体,在贮藏过程中受到环境因素和致病微生物的影响,逐渐成熟、衰老和死亡,果蔬的品质也随之发生改变。研究表明超声波可以应用于果蔬采后保鲜,延缓果蔬采后成熟衰老、抑制贮藏过程中品质下降4.1苯丙烷类代谢途径酶作为一种生物催化剂对于果蔬在成熟和衰老过程中品质形成有重要作用。研究发现超声波可以诱导果蔬防御酶的活性增加,提高果蔬采后贮藏期间的抗病性。苯丙烷类代谢途径在植物抗病防御机制中起着重要作用,丙氨酸解氨酶(phenylalanineammonialyase,PAL)是苯丙烷代谢途径的关键酶,酚类物质作为苯丙烷途径的代谢产物,可被氧化成能对病原菌产生直接毒性的醌类物质,或参与被侵染部位木质素的形成抑制病原菌的侵染超声波对果蔬中的酶既有激活作用,也有钝化作用。超声波对于果蔬中酶的钝化作用主要与超声波的频率、功率、处理时间、介质和温度等因素相关4.2果胶和纤维素质构是消费者接受新鲜果蔬的关键品质,与果蔬组织中的果胶和纤维素组成和含量相关。果蔬采后成熟、衰老过程中,细胞壁果胶和半纤维素逐渐降解,细胞沿中胶层分离,细胞间结构变得松散,宏观表现为组织软化4.3果蔬采后变色的主要途径颜色是评价新鲜果蔬的重要品质指标,直接影响消费者的购买选择。果蔬采后贮藏过程中发生颜色变化与果蔬的呼吸强度、代谢程度以及微生物生长情况等因素有关,变色的类型包括以花青素为主的红色降解,以叶绿素为主的绿色降解以及各类褐变,花青素降解的途径主要包括热降解、氧化降解、光降解、糖降解、酶降解、微生物降解等途径,而叶绿素和褐变主要是通过酶降解途径4.4人体生理代谢的能量来源和必要物质新鲜果蔬富含的碳水化合物、有机酸、维生素C等营养成分,是人体生理代谢的能量来源和必要物质。研究人员以维生素C、pH值、多酚、可溶固形物、可滴定酸等作为考察指标,发现超声波在一定条件下使果蔬中的营养成分在采后贮藏过程中保持较高水平5超声波清洗技术向商业化应用的方向发展超声波作为一种非热加工技术在果蔬采后清洗、杀菌、减少农药残留、品质调控等方面具有良好的效果,显示了其在果蔬采后保鲜中潜在的应用性。但是,目前超声波保鲜技术还不成熟,从实验室走向商业化应用面临很多挑战。首先,缺乏超声波清洗不同果蔬的生产标准和技术参数。其次,超声波清洗设备耗能高,需要与其他物理或化学技