超声波技术在食品行业中的应用_超声波技术及应用

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超声波技术在食品行业中的应用

江玉龙，王欢，杜新刚，赵兵

北京弘祥隆生物技术股份有限公司，北京，100085

摘要：超声波具有空化作用、机械效应以及热效应等，作为辅助手段广泛应用于食品行业，如超声辅助提取、超声灭菌、超声乳化、超声结晶、超声干燥等。本文综述了超声波在食品行业中的应用现状。

关键词：超声波，食品，超声提取，超声灭菌，超声乳化，超声结晶，超声干燥

超声波是频率在20KHz以上的声波，它不能引起人的听觉，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。作为一种物理能量形式，超声波广泛应用于金属探伤、水下定位、医学诊断与治疗、药学、工业、化学与化工过程、环境保护、食品工业、生物工程等方面。空化效应、热效应和机械作用是超声技术应用的理论依据。当大能量的超声波作用于介质时，介质被撕裂成许多小空穴，这些小空穴瞬时闭合，并产生高达几千个大气压的瞬间压力，即空化现象。超声波在食品加工的各个环节均有用武之地，本文就其目前的在食品行业中的应用现状加以综述。超声波辅助提取

超声波对各种成分的提取分离的强化作用主要源于空化作用和机械效应，超声空化现象中微小气泡的爆裂会产生极大的压力，使植物细胞壁及整个生物体的破裂在瞬间完成，缩短了破碎时间，同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散和溶解，可显著提高提取效率。与常规提取方法相比，超声波辅助提取技术具有提取效率高、提取时间短、能耗低以及产品收率高等优点。在有效成分提取过程中，细胞的破壁、溶质的扩散和平衡速度等与单位面积的超声功率相关，而且均会对提取效率和回收率产生影响，因此一般选用低频大功率超声。超声辅助提取技术在食品工业中的应用已十分广泛，特别是在实验室中小规模的研究。但由于超声波的衰减现象严重，在一定程度上制约了超声波的工业化应用。为解决超声波工程放大的难题，人们进行了许多开发尝试。在众多解决方案中，北京弘祥隆生物技术股份有限公司开发的循环式超声提取方法最为有效。该技术能使超声波与物料充分接触，超声波利用率达到100%，所有物料循环通过超声场的有效范围，成功的解决了超声提取工程放大的难题，大大拓宽了超声波技术的应用范围。该公司设备适用于各类有效成分的提取，特别是不稳定性成分的提取。以竹节三七为原料提取三七总皂苷，采用HF-2B循环超声提取机在室温下提取2次每次30min的提取得率为7.6%，高于80℃浸提3次每次1.5h的得率5.3%[1]。在大豆豆粕总皂苷的提取研究中，CTXNW-2B循环超声提取机25℃提取15min的得率（4.3%）高于乙醇回流5h的产率（3.4%）[2]。从甘草中提取甘草多糖，在相同条件下（65℃，1h）循环超声提取的得率（9.6%）为水浸提（3.0%）的3.2倍[3]。在沙棘总黄酮的研究中，循环超声提取20min的得率（2.1%）高于索氏提取3h（1.9%）[4]。利用循环超声提取技术从紫苏籽中提取籽油，其45℃提取1.5h与75℃索氏提取6h的得率相当[5]。在藻蓝蛋白的提取研究中，循环超声20℃提取1.5h的得率为冻融提取2.5h的4.2倍[6]。2 超声波杀菌

传统的热杀菌技术由于温度过高，容易导致食品营养成分和风味的损失，而超声波、高压等非热杀菌技术则不存在这样的问题。当采用超声波处理食品时，由于超声波的空化作用，在介质中会产生纵波，即交替压缩和膨胀的区域，压力的变化会在介质中形成气泡。这些气泡在膨胀过程中有更大的表面积，增加了气体的扩散，在这一过程中会使分子产生激烈碰撞，生产冲击波，导致局部区域温度和压力的瞬间升高。这种内爆导致的压力改变是超声波杀菌的主要原因[7]。根据现有文献报道，超声波对如下微生物有杀伤效果：李斯物单胞菌、沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草牙孢杆菌等[8]。在食品工业，单独使用超声波杀菌并不能完全满足要求，将超声与其他灭菌技术联合使用时有更好的效果，特别是与热处理和压力处理等相结合[9]。3 超声波乳化和均质

乳化是一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中，形成乳浊液的过程。超声乳化是利用超声的空化作用和机械效应，剪切大分子或液体 2 中的分散相，使其均质达到乳化的效果；此外，超声波的作用还能够使一些不溶于水的物质活性增加，从而在水中分散均匀或溶解，在几乎不使用稳定剂的情况下保持乳浊体系的稳定[10]。与其他方法相比，超声乳化具有许多优点：(1)所形成的乳液平均液滴尺寸小(0.2−2μm)，液滴尺寸分布范围窄(0.1−10μm)；(2)浓度高，所形成的乳液更加稳定，纯乳液浓度可超过30％，外加乳化剂可高达70％；(3)可以控制乳状液的类型，在超声作用下O/W(水包油)和W/O(油包水)型乳液都可制备；(4)生产乳液所需功率小[11]。新鲜牛奶中含有大量粒度大小不等的脂肪球，其上浮会在牛奶表面形成奶油层，使牛奶产生分层现象。牛奶的均质处理就是要击碎牛奶中的脂肪球，使脂肪球的大小显著降低，由2.79～3.08μm降至0.57～0.95μm，使上浮力减小甚至消失，从而防止牛奶的分层，达到使牛奶均一化的效果。当超声波频率为40 kHz，功率0.8W／cm2时，超声波对牛奶的乳化效果最为理想[12]。4 超声波结晶

超声波能够强化晶体生长，加速起晶过程。与其他刺激起晶法和投晶种法相比，超声起晶所要求的过饱合度较低，晶体生长速度快，所得晶体均匀、完整，成品晶体尺寸分布范围小。在制药行业中为了得到细小而且均匀的颗粒，已将超声用于生产口服液或注射液。超声强化结晶也是改变许多食品特性的有效工具，如膳食脂肪、巧克力、冰淇淋的特性修饰等[13]。此外，超声结晶技术还可以用于控制速冻食品冰晶的形成[14]。超声波可以加快热量传导，使食品冷冻速度加快，并有效防止由于冰晶生长而造成的细胞组织破裂，避免解冻后的组织结构软化和细胞液外流[15]。超声波还能防止在结晶过程中晶体在管路上过度沉积，是一种最佳的绿色防垢技术。赵茜等[16]以葡萄糖为例，研究了超声波用于不同异构体结晶成条件，给出了超声波用于食品结晶成核的一般结论。李文钊等研究了超声波对核黄素结晶的影响，结果表明超声波能促进球状核黄素结晶的形成，并使产品流散性提高[17]。杭方学等[18]研究了引入超声后对穿心莲内酯溶析结晶过程的影响，结果表明，超声波显著降低了结晶诱导期，诱导期随着超声功率的增加而缩短。5 超声波干燥

由于传统干燥技术需要采用高温，容易使食品变形、老化，风味丧失，使保 3 健食品和功能食品的有效成分损失。超声干燥技术解决了上述难题。其通过超声本身所具有的空化作用、机械效应、热效应等影响物料本身的结构，降低水分转移阻力，有效去除结合水，从而加速水分的去除，降低水含量，干燥食品[19]。Garcia Perez JV.等[20]通过对干燥过程进行微波强化、红外线强化、射频强化和超声波强化后效果的比较，发现超声波更适用于低温干燥，它不会引起产品温度的显著升高。超声用于食品干燥常与热风干燥相偶联，通过超声作用将物料内部的结合水转移到物料表面，再热风带走，可显著提高干燥速度，缩短干燥时间，如在55℃下干燥胡萝卜，干燥到原来重量的10％，使用超声波只需要50 min，而不使用超声波需要2 h；在55℃下干燥蘑菇，干燥到相同的含水量，所需的时间只是热风单独干燥的1/3；在55℃下干燥苹果，干燥到原来重量的6％，使用超声波是不使用超声波所用时间的40％[19]。此外，超声技术也与喷雾干燥、冷冻干燥等干燥技术相偶联。6 结论

超声技术具有高效、节能等其他技术无可比拟的优势，现已在食品行业中广泛应用。但相关设备的研发相对滞后，尤其是超声结晶、超声乳化、超声灭菌国内尚无生产型设备，且现有设备成本高，自动化程度低，因此，新设备的研制必将成为该领域新的热点。

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