超声波技术及其在食品工业中的应用最终

食品加工进展

超声波技术及其在食品工业中的应用汇报人、ppt制作：韩佳润综述撰写：刘自强后期审核：崔伟斌报告时间：2015.11.22024/4/28自然界中的超声波现象32024/4/28目录超声波的概述及其分析测定原理超声波技术在食品工业中的应用超声波技术在食品工业中应用未来展望42024/4/28自从1928年美国普林斯顿大学化学实验室的科技人员首次发现超声波有加速二甲基硫酸水解和亚硫酸还原硫酸钾反应作用以来，声学与化学相互交叉渗透的超声化学作为一门新兴的边缘学科发展十分迅速，特别是在20世纪80年代发展更为迅速，并且随着功率超声波仪器设备的发明与制造技术的日趋完善，使超声化学技术广泛用于食品加工、化学、化工、医疗、医药等许多领域。一.超声波的概述及其分析测定原理52024/4/28一.超声波的概述及其分析测定原理

超声波是频率在2万赫兹以上的声波，它不能引起人的听觉（人耳能听到的声波频率为20-20000Hz），是一种机械振动在媒质中的传播过程，具有聚束、定向、反射、透射等特性，它在媒质中主要产生两种形式的振动即横波和纵波，前者只能在固体中产生，而后者可在固、液、气体中产生[1]。1.1超声波的概述62024/4/28

超声波有多种物理和化学效应，超声波的发生主要通过3种方法：通过机械装置产生谐振的方法，一般频率较低（20-30KHz）；利刚磁性材料的磁致伸缩现象的电一声转换器发出超声波的方法，频率在几千赫兹到一百千赫；最后一种方法为利用压电或电致伸缩效应的材料，加上高频电压，使其按电压的正负和大小产生高频伸缩，产生频率100MHz到GHz量级[2]。一.超声波的概述及其分析测定原理72024/4/28一.超声波的概述及其分析测定原理超声波可以在气体、液体、固体等介质中有效传播超声波可以携带较多的能量超声波的传播具有方向性超声波在界面上会产生折射和反射，而且可能会改变振动模式容易衰减（在液体和固体中衰减小）传播速度受温度影响在两种不同介质的界面处反射强烈，在许多场合必须使用耦合剂超声波可以聚焦1.2超声波的特点82024/4/28

超声波与媒介的相互作用可分为热机制、机械（力学）机制和空化机制三种。热机制

超声波在媒质中传播时，其振动能量不断被媒质吸收转变为热量而使媒质温度升高，此种升温方式与其它加热方法相比达到同样的效果，从而这种使媒质温度升高的效应称之为超声的热机制。

例如：用10W声功率处理50mL水，在绝热状态下，理论上2min后可使水温升高5.7℃。一.超声波的概述及其分析测定原理1.3超声波的作用机制机械(力学)机制

超声波的机械机制主要是辐射压强和强声压强引起的。在力学效应中主要有搅拌、分散、成雾凝聚、冲击破碎和疲劳损坏等作用。超声波也是一种机械能量的传播形式，波动过程中的力学量，如原点位移、振动速度、加速度及声压等参数可以表述超声效应。

一.超声波的概述及其分析测定原理空化机制

在液体中，当声波的功率相当大，液体受到的负压力足够强时，媒质分子间的平均距离就会增大并超过极限距离，从而将液体拉断形成空穴，在空化泡或空化的空腔激烈收缩与崩溃的瞬间，泡内可以产生局部的高压，以及数千度的高温，从而形成超声空化现象。空化现象包括气泡的形成、成长和崩溃过程。可见，空化机制是超声化学的主动力，使粒子运动速度大大加快，破坏粒子的力的形成，对乳化、分散、萃取以及其它各种工艺过程有很大作用。一.超声波的概述及其分析测定原理112024/4/28超声技术分析测定广泛使用的超声波技术为脉冲技术。电子脉冲经超声波发送探头转变为超声脉冲，传播到测样室的远距离端器壁，然后返回。接着超声波发送探头又作为超声波接受器将脉冲复原为电子脉冲，脉冲信号显示在计时器上。因为超声波只有部分被吸收，部分被反射回，计时器将会显示一系列强度不同的信号。声速、衰减系数、声音阻抗三个超声参数可由返回的信号进行测定。通过测出介质体系的超声波参数便可以对食品体系的各种性质进行分析检测[3]。一.超声波的概述及其分析测定原理1.4超声技术的分析测定原理122024/4/28声速测定[4]

当一个平面波通过介质时,超声波性质与介质的物理性质可用一个简单的数学式关联：

（Κ/ω）2=ρ/Е

式中：K=ω/C+iα是介质的复合波数，α是衰减系数，C是超声波在介质中的声速；ω=2πf是角频率，f是声波频率；E是介质的弹性模量；ρ是介质密度。由于衰减系数α<<ω/C,Е和ρ基本上与f无关,动态和静态测定的数值相差很小。上式简化为:

c2=Е/ρ所以只要测出介质的声速，即可探知介质的物理性质。因此，可通过检测超声波性质的区别或变化来定性或定量监测介质的物理性质甚至分子水平的变化。一.超声波的概述及其分析测定原理132024/4/28衰减测定

当声波通过介质时,其振幅会出现减小。几乎所有物质均不同程度地使超声波产生这种衰减。这种声波衰减主要是由于传递过程中声波能量发生吸收和散射。吸收的机理可能是声能在过程中被转化成了其它形式的能量。衰减系数α可以表述为

A=A0exp(-ad)A为声波通过介质后检测到的振幅，A0为初始振幅，d为声波通过的距离。

衰减系数的测定与测量声速的原理相同，只不过此时测量的参数不是时间而是示波器上相邻回波的振幅及其变化。

一.超声波的概述及其分析测定原理142024/4/28声学阻抗测定

当一超声波入射到两不同介质所形成的界面时,波的一部分被吸收传播,另一部分则被反射回。反射波的振幅(Ar)与入射波振幅(Ai)的比值记作反射系数(R)。

R=Ar/Ai=(Z1-Z2)/(Z1+Z2)其中Z表示声学阻抗(Z=ρc)当介质与其周围环境的声学阻抗性质接近时,只有极少量的超声波被反射回。相反,当两介质的声学阻抗差别大时,超声波大部分被反射回。

超声显影技术即建立在超声波从声学阻抗性质不同介质的内部边界反射回这一原理上的

。一.超声波的概述及其分析测定原理152024/4/28二.超声波技术在食品工业中的应用低强度超声波技术低强度超声波由于能量低,当超声波通过体系时不会对介质产生物化破坏作用。通常应用于食品分析检测领域,提供食品组成,质构及流变学性质数据[5]。高强度超声波技术高强度超声波因为能量高足以使介质发生物理裂解和加速某些化学反应。用于促进乳化，破解细胞壁和分散聚沉物等。最近,超声波技术已应用于食品起晶过程的控制、酶活力的钝化、肉的嫩化、加速干燥、缩短过滤时间及促进氧化反应等领域。超声波技术在食品领域的应用依能量强度主要分为两大类:162024/4/28低强度超声波技术的应用2.1测定介质的厚度超声仪器设备能准确测定介质的厚度。将一超声波发送探头安放在待测介质原料的一端，并使脉冲超声波输送到待测样中。测出超声波脉冲穿过待检样并返回到探头的时间t，则只要测出超声波在检样中的传播速度c，就能确定检样的厚度。目前此技术已用于糖果中巧克力涂层的厚度，肉的厚度，罐头中液层厚度以及蛋壳的厚度的测定。

又称超声波提取。由于超声波空化可以产生为冲流，能有效打破边界层，使扩散速度增加，提取或浸出的速度提高2-10倍，因此它可以用于中草药有效成分的提取，还可以适用于香料及油、速溶茶、动物组织中的物质如鱼肝油等及污染物如农药残留的提取。与传统提取方法相比，能显著提高萃取的效率。172024/4/28低强度超声波技术的应用2.2超声波萃取

食品加工过程中经常会被金属屑,玻璃碎片及木屑等杂质污染。这些杂质的存在严重影响到产品的品质,须予以检出剔除。测定原理是将一超声波脉冲被导入检样中时脉冲将从所遇到的所有介质表面反射回来,由于杂质和产品成分声学阻抗存在明显差异,表现出来的超声波性质也明显不同,所以能将杂质检测出来。另外通过移动超声波发生器至样品周围的各个方向进行检测可进一步确定杂质的大小和位置。182024/4/28低强度超声波技术的应用2.3探测食品中的杂质异物192024/4/282.4食品组成的测定食品品质的高低一定程度上取决于食品的组成成分的搭配。超声波技术在测定食品组成方面潜力巨大。超声波技术测量食品组成的原理是各不同成分的超声波性质存在差异,如声速、衰减系数和声学阻抗。差别越大,越易鉴别食品的组成状况。比如,20oC时蔗糖溶液的浓度每增加1%则超声波在蔗糖溶液中的传递速度上升约4m.s-1。由于测量溶液中速度低至0.4m.s-1超声波时较为简单,利用超声波技术可准确测量到浓度低达0.1%的糖液浓度。目前这项技术已成功用于测量各种不同果汁及饮料中的糖浓度。低强度超声波技术的应用在许多食品加工操作中,控制食品物料流速的大小显得非常重要,科研人员已研制出一系列用来测量食品物料流经一管子的流速,如Doppler流速计。超声波流速计的测量范围跨度很大,从每秒几毫米到几十米。这些超声波流量计一般测定的是物料的平均流速。最近研制成功的更为精密的流量计可被用来定性测定流体流经一管子的截面状态参数。许多超声波流速计被用来准确测定流体中不同组分的流速而不是局限于测定单一流体的流速。202024/4/28低强度超声波技术的应用2.5流速的测定212024/4/28超声在食品工业另一日益广泛的应用是用来观测乳状液和悬浮液是否发生分层。一般情况下油的密度低于水的密度,这导致水包油液中的液滴向液面上浮起泡而分层,而油包水体系中的液滴会因沉淀而致使液体分层。起泡和沉淀的发生经常影响到一些产品的货架寿命。应用超声波技术测定声波在体系中的传播速度或衰减系数能给产品货架寿命的确定提供重要参考数据。这一技术可完全自动化且能在肉眼无法看到的时候检测到。另外,此技术还被用于研究牛乳乳状液、果汁、人造奶油、啤酒泡沫及色拉奶油的稳定性。低强度超声波技术的应用2.6乳状液分层的检测222024/4/28食品添加剂是为改善食品品质和色、香、味、形、营养、保存及加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或者天然物质。超声波技术应用于食品添加剂方面的研究较多，并且取得良好效果。目前已用超声辐射法由马来酸与二乙酯合成了具有高效杀菌防腐保鲜作用的食品添加剂富马酸二乙酯；利用超声使大豆油催化加氢生成氢化大豆油增加反应速率等。低强度超声波技术的应用2.7食品添加剂的合成高强度超声波因能量高,能在介质中产生强大压力、剪切力和高温,改变介质的物理结构、促进某些化学变化。食品工业中高强度超声波技术的应用较为广泛，早期应用包括细胞的破解、液体脱气、超声清洗和分散聚沉物等。近年来高强度超声不断应用于食品工业新领域。232024/4/28高强度超声波技术的应用高强度超声波能促进分子穿过滤膜和多孔物质表面，因能产生高压,强剪切力和高温而用于杀灭微生物。目前超声波杀菌技术已应用于食品工业。适合于果蔬汁饮料、矿泉水、酱油等液体食品。超声波杀菌较传统高温加热杀菌工艺，超声作用既不会改变食品的色、香、味，也不会破坏食品组分。而其超声空化能提高细菌的凝聚作用，使细菌毒力丧失或死亡，从而达到杀菌目的。242024/4/28高强度超声波技术的应用2.8超声杀菌

超声波杀菌设备只宜用于液态食品的杀菌，其基本形式有三种：液动式超声发生器，清洗槽式超声发生系统和变幅杆式超声发生系统。252024/4/28高强度超声波技术的应用262024/4/28绿茶饮料在加工过程中，由于茶多酚的氧化等原因，颜色会变深，即发生褐变，这使绿茶饮料的外观效果及饮料品质受到严重影响。实验研究表明，用高温灭菌处理再加适量防腐剂可以防止褐变，保证饮用安全，但饮料颜色仍然较深。经微波和超声波灭菌的茶汤饮用安全性能够得到保证，各菌种生长极少，茶汤颜色稳定，透明性好，也不褐变。三种灭菌方法中以超声波灭菌的茶汤颜色变深最少，透明性最小，茶汤中保留的茶多酚也最多，是绿茶灭菌和保护茶多酚尽量不受损失的一种较好的茶汤处理技术。可见，引入超声波灭菌技术对提高饮料品质，保证食品安全都是十分有益的。2.8.1果蔬汁饮料272024/4/282.8.2牛乳牛乳的营养元素全面，是老少皆宜的营养食品，但对微生物来说也是极好的培养基，因此，牛乳极易腐败变质，挤出的生鲜牛奶稍有不慎就会失去食用价值。在牛奶保质中杀菌是必不可少的一步。然而，原料乳经热杀菌后极易破坏其营养价值，因此，原料乳杀菌要尽量在较低温度下进行。超声波杀菌技术就是可以达到此目的的一种冷杀菌技术。将超声波应用于原料乳保鲜，研究结果表明，在60℃条件下，经50kHz，超声波处理原料乳60s，杀菌率达87%，对营养物质无任何破坏，且在15℃条件下保鲜45h，仍有优良的感官性能。282024/4/282.8.3酱油酱油是采用大豆(或豆饼)、小麦粉、麦麸、食盐等为原料，经微生物发酵而得到的一种液态食品，具有营养丰富、浓度高、粘度大、微生物存活总数多等特点。它在生产过程中极易受到有害细菌、霉菌等的污染，气温高于20℃时，在酱油表面易出现白色的斑点，继而加厚，会形成皱膜，颜色由白色变成黄褐色，此即为酱油生霉，生霉的酱油浓度变淡，鲜味减少，营养成分被杂菌消耗，严重影响酱油的质量。用超声波对酱油进行杀菌对比实验，发现用超声波处理酱油5min，杀菌率为72.9%，处理l0min，杀菌率为75%，略低于巴氏杀菌72℃时的杀菌率78.7%。超声波消毒特点是速度快，无外来添加物，对人体无害，对物品无损伤。肉制品的嫩化技术很多，常用的主要包括物理嫩化（滚揉，吊挂和电刺激）、化学嫩化（添加磷酸盐、钙盐）和生物嫩化（添加木瓜蛋白酶等）。延长肉与超声波的作用时间可使肉获得明显的嫩化效果。应用超声波对肉进行处理可使肌纤维蛋白迅速释放,肌纤维蛋白主要对肉制品中各组分起粘连作用。因而超声波技术可改善肉制品持水性、嫩化度及凝聚能力等物理性质。292024/4/28高强度超声波技术的应用2.9超声嫩化超声波肉嫩化控制箱经过超声波处理的羊肉在自然界成熟的过程中，肌原纤维的小片程度加快，可溶性蛋白的浓度也有所增加，剪切力较对照组很快降低初步得出频率40kHz，电功率1000W，强度为1.33W/cm的超声波水浴处理可使山羊肉提前3天成熟[6]。302024/4/28高强度超声波技术的应用

超声波辐射由于具有强烈的定向效应，有补充和加强为形成临界晶核所需的波动作用，故能加速起晶过程。超声波在结晶过程中，既可使饱和溶液的固体溶质产生迅速而平缓的沉淀，又可加速晶体生长，并且可防止晶体在冷冻条件下结壳，从而确保连续有效的传热作用，具有明显的效果。在超声作用下，饱和溶液内会形成大量的结晶中心，并且形成晶体的大小受超声频率与强度所控制，因此可通过控制超声作用获得不同粒度的均匀的晶体沉淀物。目前，已被用于糖浆的结晶过程，从而得到各种均匀粒度的糖粒；此外也有将低其应用于味精的结晶过程，使晶体产量提高8%以上[7]。312024/4/28高强度超声波技术的应用2.10超声控制结晶322024/4/28高强度超声波技术的应用2.11超声过滤许多工厂（食品、化工等）均需要分离出液体中的固体悬浮物，这种分离既可用于固液分离也可用于分离母液中的固体。超声辐射的两个特殊效应可促进过滤过程：（1）声波可促使微小粒子的凝聚从而加速过滤速度；（2）可为系统提供足够的振动能量以保持粒子部分处于悬浮状态从而为溶解洗脱留出更多自由通道。将这一技术用于水果提取物和饮料时，可提高苹果浆过滤取苹果汁的效率

低强度超声波不仅可用于提供许多食品的物化特性信息，还可用于检测其组成情况，诸如不同食品原料的结构和物理特性。由于测定过程迅速、非破坏性、精确、全部自动化及可用于实验室或在线检测等特点，因此赋予超声波有许多优于传统分析技术的优点。还可以利用超声波测量仪表使食品生产全盘自动化，可以制造出控制工艺过程进行、监测密闭容器液面、测定粘度等仪器。工业化的有效使用主要包括：固体及液体食品的质地、粘性及含量测定；蛋类、肉类、蔬菜瓜果类、乳制品及其它产品的成分检测。332024/4/28高强度超声波技术的应用2.12超声分析检测

利用超声波在洗涤液中传播时边产生气泡边消失的现象以及超声波对洗涤剂产生的乳化作用，可应用于果蔬及粮食加工中的清洗作业，其特点是系统可省去机械运动部件、洗涤效果好、速度快、质量高、操作简单、易于实现自动化；清洗效果的好坏要选择一个适当的功率、频率及清洗温度，并且与清洗物品的安放及清洗溶液的选择都有一定关系[8]。342024/4/28高强度超声波技术的应用2.13超声清洗和除沫应用超声波技术在食品工业对各种食品性能的检测和改善已经取得较大成功。在某些领域超声技术有其它技术无可比拟的优点。低强度超声波技术操作费用便宜，且测量速度快，准确，能实现在线操作，不干扰生产，不破坏介质的物化性质及能应用于非透明体系。但是目前食品工业还未大量应用这一技术，这种情形随着食品科学家对这些技术潜在价值的进一步认识和能获得性能价格比合适的超声波仪器设备而得到改变。352024/4/2