超聲波在食品加工過程中的運(yùn)用探析論文
現(xiàn)今超聲波技術(shù)已被各個領(lǐng)域所廣泛應(yīng)用，大多都是用于機(jī)械零部件和試驗(yàn)器具等的清洗、醫(yī)療器械（ B 超） 的消毒和藥物的提取等。超聲波技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用也日益增加，廣為人知的是超聲波用于食品加工單一過程，也就是僅僅用于食品加工的某個特殊的環(huán)節(jié)，如原材料的解凍、冷凍，肉制品的入味等這些單一的加工過程。在綜述了超聲波可用于食品加工單一過程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了超聲波在食品加工全過程中的應(yīng)用，為未來食品加工新技術(shù)提供了更為簡單、環(huán)保的食品加工新思路，力求超聲波技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用提升到新的高度。
1 超聲波機(jī)理探討
通常把頻率大于 20 kHz 的聲波稱為超聲波。超聲波將聲能通過換能器轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而使超聲介質(zhì)產(chǎn)生振動，進(jìn)而產(chǎn)生的一系列物理生化效應(yīng)。從物理學(xué)角度可歸結(jié)為三大效應(yīng)，即熱效應(yīng)、空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，超聲波的頻率和強(qiáng)度決定了超聲波機(jī)械作用強(qiáng)弱。超聲波將聲能通過換能器轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，導(dǎo)致介質(zhì)不斷地振動，從而產(chǎn)生大量的能量，能量的大小與超聲波的頻率、功率以及介質(zhì)自身的特性（ 密度和流動性） 有關(guān)，能量不斷的聚集就會導(dǎo)致介質(zhì)溫度的升高[1].空化效應(yīng)一般在液體介質(zhì)中完成，由于超聲波的振動使得液體介質(zhì)也發(fā)生相應(yīng)的振動，在振動中的液體出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓迫使液體介質(zhì)中的氣泡逃逸出來，形成小氣泡，而這些氣泡非常不穩(wěn)定，它們隨著周圍介質(zhì)的振動不斷地運(yùn)動、長大，最終破裂。
而在氣泡破裂的一瞬間伴隨著激波會產(chǎn)生高溫、高壓等特殊的物理現(xiàn)象[2].超聲波通過換能器將電能轉(zhuǎn)換為聲波能，而聲波可以產(chǎn)生振動，即所謂的機(jī)械效應(yīng)。機(jī)械效應(yīng)的強(qiáng)弱與聲波能的大小有關(guān)，而超聲波的頻率和功率均與超聲波所產(chǎn)生的機(jī)械能成正比。超聲波的機(jī)械效應(yīng)是通過介質(zhì)（ 一般是液體介質(zhì)） 的傳播作用到物體的，并且不同強(qiáng)度的機(jī)械效應(yīng)作用在不同物體上所產(chǎn)生的物理效應(yīng)是不同的。
超聲波的物理效應(yīng)對食品加工具有深遠(yuǎn)的意義，研究超聲波的機(jī)理也是為了更好地將超聲波運(yùn)用到食品加工過程中來。如利用超聲的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)促進(jìn)晶核的形成，影響晶體粒徑的分布，改善食品的品質(zhì)； 利用超聲強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)效應(yīng)，可提高生產(chǎn)效率，縮短工藝時間； 另外，超聲波還可用于食品加工的其他不同方面。因而，超聲技術(shù)在食品工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用價值[3].
2 超聲波在食品加工單一過程中的應(yīng)用
超聲波技術(shù)在食品中的應(yīng)用已經(jīng)得到了相關(guān)領(lǐng)域人士的高度認(rèn)可，這些應(yīng)用大多是在食品加工過程中某一關(guān)鍵環(huán)節(jié)或特定環(huán)節(jié)使用超聲波，其作用單一而不簡潔，但在某種程度上使用超聲波可以提高食品加工效率和改善食品的品質(zhì)等。
2.1 超聲波在蛋白質(zhì)提取中的應(yīng)用
超聲波提取是一種較為高效提取方法。超聲波提取就是利用了超聲波的空化效應(yīng)，而提取需要一定的介質(zhì)，提取過程中當(dāng)超聲波的頻率達(dá)到一定值時，介質(zhì)中產(chǎn)生的氣泡會發(fā)生破裂，繼而釋放出大量的能量，能量可以使細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜破裂，迫使細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)流出到提取介質(zhì)中，最終實(shí)現(xiàn)提取的效果。
馮磊等[4]研究了茶葉籽蛋白提取方式，發(fā)現(xiàn)超聲波提取茶葉籽蛋白的最佳工藝條件是： 液料比1∶ 25、溫度 40 ℃、pH 9.5 和超聲時間 40 min,此條件下超聲波提取茶葉籽蛋白的提取率達(dá)到了 79.54%,相比其他傳統(tǒng)的提取方法，超聲波提取法的提取率提高了 20%左右。李盼盼等[5]研究了超聲波輔助提取銀杏蛋白，發(fā)現(xiàn)超聲波輔助提取銀杏蛋白的最佳工藝條件是： 液料比 1∶ 25、溫度 45 ℃、pH 10、功率 310 W 和處理時間 20min,此工藝條件下所提取的蛋白質(zhì)含量是 61.75 mg / g,相比其他傳統(tǒng)的提取方法超聲波提取法的提取率提高了 15.42%.王麗敏等[6]在研究超聲波輔助提取大豆蛋白的過程中發(fā)現(xiàn)，超聲波輔助丁二酸二異辛酯磺酸鈉（ AOT） 、十二烷基磺酸鈉（ SDS） 、十六烷基甲基溴化銨（ CTAB） 和十二烷基二甲基芐基氯化銨（ DMBAC） 這4 種反膠束體系提取大豆蛋白的提取率分別是 98.91%、82.08%、86.73%和 81.44%,而傳統(tǒng)的非超聲波的提取方法對大豆蛋白的提取率只有 72.38%,間接說明超聲波輔助不同的介質(zhì)提取蛋白質(zhì)的效果有所差異。實(shí)例說明超聲波對蛋白質(zhì)的提取率較傳統(tǒng)提取方法均有大幅度的提高。
2.2 超聲波的殺菌作用
超聲波的.殺菌作用已經(jīng)得到了證實(shí)，利用超聲波的殺菌作用可以大大緩解食品工業(yè)依賴防腐劑的詬病，而超聲殺菌的機(jī)理則是依靠它的三大效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，即熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)。超聲波內(nèi)放入一定的液體介質(zhì)，液體介質(zhì)在一般條件下均溶有一定的氣體，一旦超聲波開始工作，超聲波的空化作用使得這些氣泡破裂，產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械作用，從而破壞大多數(shù)細(xì)菌或病毒的細(xì)胞壁或細(xì)胞膜，其穿透力穿透細(xì)胞核，最終使細(xì)菌或病毒致死。例如大腸桿菌在超聲作用下作用一定時間會被殺死，金黃色葡萄球菌等一些致病菌在一定程度也會被殺滅。傷寒沙門氏菌可以用 4.6 MHz 頻率的超聲小組來全部殺死。在不同頻率超聲波條件下作用原始微生物含量較高的食品原料，發(fā)現(xiàn)超聲波對這些微生物有顯著的殺滅作用。
Krasnyj V 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，水溶液中臭氧濃度為 10 mg/L 時放入功率為 100 W 的超聲波中處理一定時間可以使蠟樣芽孢桿菌完全失活。Wrigley 等[8]人研究了超聲波在不同介質(zhì)下對鼠傷寒桿菌殺滅的情況，對脫脂乳在 50 ℃條件下超聲波處理 30 min,細(xì)菌總數(shù)減少 3 個對數(shù)，在 40 ℃條件下處理 30 min,減少 2.5 個對數(shù)； 對腦心浸出液在 40 ℃條件下超聲波處理 30 min,細(xì)菌總數(shù)減少 3 個對數(shù)，在 20 ℃條件下處理 30 min,減少 1 個對數(shù)。譚海剛等[9]發(fā)現(xiàn)，超聲波對原料乳中的微生物有殺滅作用，并確定了超聲波殺菌的最佳工藝條件是： 溫度 60 ℃，時間 3.2 min,間歇比 5∶ 2,與巴氏殺菌相比大大降低了殺菌時間，間接說明了超聲波能夠殺菌的事實(shí)。
2.3 超聲波的解凍作用
食品原材料很多是在凍庫中保藏的，而在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中要想解凍原材料并非易事，在大型肉類食品加工企業(yè)原材料的解凍成了降低生產(chǎn)效率的主要因素。因其大體積凍結(jié)的原料無論是在空氣還是在水中解凍速度都相當(dāng)慢，另外解凍用水亦是一種資源浪費(fèi)，增加了企業(yè)的成本。超聲波解凍正好適合大體積凍結(jié)材料的解凍，且具有解凍速度快，解凍均勻等優(yōu)點(diǎn)。
劉雪梅等[10]在研究不同解凍方法對速凍草莓品質(zhì)的影響中發(fā)現(xiàn)，不同解凍方法所需解凍時間大為不同，超聲波解凍<水浴解凍<空氣解凍。經(jīng)不同解凍方法處理后速凍草莓的物理特性： 超聲波解凍后的草莓色澤較好、硬度大、汁液流失率最低； 其次為水浴解凍； 而空氣解凍汁液流失率最大、硬度最小； 空氣解凍與水浴解凍對色澤的影響較大，解凍后亮度明顯變暗。董慶利等[11]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波解凍凍豬肉較空氣解凍和流水解凍更能保證凍豬肉的品質(zhì)，更好的解決肉汁流失率和部分過熱的問題等。葉盛英等[12]發(fā)現(xiàn)不同超聲波功率解凍對肉汁損失率影響呈 U 型分布，在功率為 34.98 W 時，肉汁損耗率為最低值。由不同超聲波功率與試樣中心溫度達(dá) 5 ℃所需時間的關(guān)系，可得在超聲功率為 34~35 W 解凍時，所需解凍時間最短，且解凍后的豬肉品質(zhì)變化最小。Shore 等[13]人研究表明，超聲波在凍結(jié)肉制品中和在未凍結(jié)組織中衰減程度比較，前者大于后者，而且這種衰減隨著溫度顯著增加，在起始冷凍點(diǎn)達(dá)到最大值，隨著凍肉的不斷解凍，溫度不斷升高，超聲波的衰減也逐漸減弱，從而證明了超聲波能夠解凍原材料的事實(shí)。
2.4 超聲波的入味作用
傳統(tǒng)肉制品的腌制過程相對緩慢，且腌制效果一般，超聲波因其獨(dú)特的頻率和穿透力可以加快肉制品及其他可入味食品的入味速度，而且可促進(jìn)鹵料均勻滲透到肉中。加快工藝時間，提高腌制肉的品質(zhì)。
李瑩影等[14]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波輔助恒溫動態(tài)循環(huán)腌制雞翅的最佳工藝條件： 超聲功率 335 W,腌制溫度50 ℃ ,腌制液鹽濃度 6%,超聲時間為 60 min.此條件下測得雞翅肉中 NaCl 含量 2. 01%,游離氨基酸94.35 mg /100 g,揮發(fā)性鹽基氮 9.31 mg /100 g,均大于傳統(tǒng)腌制雞翅中相應(yīng)的含量，超聲波輔助恒溫動態(tài)循環(huán)腌制能促進(jìn)食鹽的滲透速率，提高游離氨基酸的含量，縮短腌制時間，有利于產(chǎn)品風(fēng)味的形成。王石泉[15]研究超聲波-脈動壓聯(lián)用快速腌制咸鴨蛋時發(fā)現(xiàn)，超聲波脈動比（ 2 ∶ 10） min,壓力 140 kPa,高壓脈動比（ 4∶ 16） min,超聲波作用時長為 132 min 時，腌制出來的咸蛋口感較好，此時咸蛋蛋白中含鹽量為 4.61%,蛋黃中含鹽量為 2.12%,兩者含鹽量相差只有 2.49%.感官咸蛋具有： 咸味適中、細(xì)嫩（ 蛋白） ; 松沙、含油、咸味可口（ 蛋黃） 的特點(diǎn)，同時整個生產(chǎn)時間比用傳統(tǒng)腌制方法的生產(chǎn)周期縮短近 90%.
趙永敢等[16]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波輔助處理腌制牛肉可以加快腌制液的滲透速度，縮短腌制時間，并且隨著超聲處理時間的增加，效果更加明顯； 此外，超聲波輔助處理腌制牛肉還可以使腌制液均勻的向肌肉組織滲透，達(dá)到均勻腌制效果。王進(jìn)青[17]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波輔助醬鹵雞爪腌制的最佳工藝條件是： 超聲功率 80 W,超聲溫度 55 ℃，超聲時間 40 min,生產(chǎn)的醬鹵雞爪不僅感官品質(zhì)好于傳統(tǒng)工藝，且能明顯縮短生產(chǎn)周期，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
劉永峰等[18]在研究超聲波輔助低鹽腌制秦川牛肉中發(fā)現(xiàn)，超聲波不但可以加速秦川牛肉的腌制效果，而且對于提高牛肉多不飽和脂肪酸含量、降低秦川牛各部位牛肉脂肪的含量有明顯的效果。崔齡文[19]也發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可以加速腌制液中食鹽、亞硝酸鹽和蔗糖向濕腌豬肉的滲透，加快腌制速度，而且提高肉的嫩度，增加豬肉的保水性，將蒸煮損失控制在合理范圍之內(nèi)。
2.5 超聲波的冷凍作用
超聲波的冷凍作用依靠超聲波的空化效應(yīng)，液體在超聲波空化作用下產(chǎn)生氣泡，其氣泡能促進(jìn)結(jié)晶過程中晶核的形成，在超聲波聲能的作用下晶核就被擊碎形成食品在凍結(jié)過程中所需的小晶核，最終達(dá)到凍結(jié)食品的目的。辛穎[20]研究發(fā)現(xiàn)，在超聲功率 150（ 30 kHz） 或175 W（ 20 kHz） 條件下，結(jié)合適當(dāng)?shù)某曁幚頃r間、初始作用溫度和脈沖模式，能夠顯著縮短西蘭花的凍結(jié)時間，且可提高西蘭花凍結(jié)后的品質(zhì)。
Bao-guo Xu 等[21]通過感官評價和實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論： 超聲波冷凍蘿卜可以大大縮短冷凍時間，而且更好的保護(hù)了冷凍后蘿卜的品質(zhì)，用顯微鏡觀察蘿卜結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其組織破換程度相對較小。AE Delgado 等[22]研究超聲波冷凍蘋果過程發(fā)現(xiàn)，超聲波使蘋果溫度保持 0 ℃或者-1 ℃ 120 s,以 30 s 為一個時間間隔，由特性冷凍時間表示平均冷凍速率，結(jié)果冷凍速率明顯提高了 8%,并且觀察到超聲波可以誘導(dǎo)晶核的形成。
Sun 等[23]采用超聲波強(qiáng)化馬鈴薯片的冷凍過程，間歇使用功率為 15.8 W 的超聲波與浸漬冷凍相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)此時超聲波可以顯著提高凍結(jié)速率，生成的冰晶體粒徑小、數(shù)目多、粒度分布均勻。Hozumi 等[24]研究結(jié)果表明，超聲頻率 45 kHz,功率 0.28 W/cm2時能降低純水結(jié)晶的過冷度，促進(jìn)冰晶形成。Inada 等1研究發(fā)現(xiàn)，超聲波顯著的提高了冰晶成核和相變的可能性，而空化強(qiáng)度的選擇對于得到較好的可重復(fù)性結(jié)果起到了至關(guān)重要的作用。
2.6 其他方面
超聲波還可用于食品的干燥與除濕、過濾與分離、乳化和均質(zhì)等[26],超聲波技術(shù)運(yùn)用在食品加工其他單一過程中的實(shí)例已經(jīng)很多，如陳麗清等[27]研究發(fā)現(xiàn)，豬皮超聲波乳化脫脂效果明顯優(yōu)于單獨(dú)使用超聲波脫脂效果，其中以超聲波 SDBS 乳化脫脂效果最好，最適脫脂工藝條件為 0.75%SDBS、脫脂時間 2 h、料液比1 ∶ 2.5,此時鮮豬皮的脫脂率可達(dá) 68.67%、膠原損失率為 10.01%.杭瑜瑜等[28]研究表明，在超聲波功率 600W,料液比 1 ∶ 60,時間 20 min,乙醇濃度 40%情況下，超聲波輔助提取菠蘿皮中黃酮類物質(zhì)的提取率最高。
3 超聲波在食品加工全過程中的應(yīng)用
3.1 超聲波在泡鳳爪加工全過程中的應(yīng)用
多年來泡鳳爪工藝一直沒有得到明顯的變革，傳統(tǒng)泡鳳爪工藝加工時間長，能耗較大，而且存在使用雙氧水的安全性爭議，近兩年唐春紅等[29]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可用于泡鳳爪加工的全過程中，其中包括鳳爪原料的解凍、去血水（ 材料處理） 、冷卻和入味等所有工藝過程，而且全過程中不使用雙氧水乃至任何化工類防腐劑，這一應(yīng)用使得泡鳳爪工藝更加簡潔快速，從環(huán)境角度考慮可以節(jié)約大量的水資源，也對未來泡鳳爪行業(yè)樹立了一個標(biāo)桿。
3.2 超聲波在泡菜加工全過程中的應(yīng)用
泡菜多以自然發(fā)酵的方式得到廣大泡菜企業(yè)的親睞，蔬菜的發(fā)酵速度和發(fā)酵質(zhì)量直接影響著泡菜成品的價值。唐春紅[30]在《面向未來的食品加工新技術(shù)》一書中提到了超聲波加工泡菜的全過程，基本工藝過程為： 蔬菜→加 5%的醋和 6%~10%的鹽腌制 90 min→焯水→加醋、鹽、香料粉、酒等再腌制 30 min→超聲波處理 60 min→包裝→成品。其原理是： 超聲波處理蔬菜可以從蔬菜中快速提取乳酸菌，使蔬菜快速發(fā)酵成為泡菜，加速了發(fā)酵過程、提高了生產(chǎn)效率，工藝在實(shí)際生產(chǎn)中具有占用器具少、生產(chǎn)速度快和加工設(shè)備少等特點(diǎn)，全過程主要運(yùn)用了超聲波的一種加工設(shè)備，且全過程控制在 4 h 內(nèi)完成。
3.3 超聲波在罐頭加工全過程中的應(yīng)用
蔬菜、水果罐頭工藝過程： 蔬菜或水果→加醋和鹽腌制 90 min→加天然護(hù)色劑用沸水焯→1醋超聲波入味 60 min→裝瓶→成品。肉類罐頭工藝過程： 材料超聲波處理 60 min→白水煮開放肉再煮 20min 左右→冷卻→再放入加鹵水的超聲波設(shè)備中處理 60 min→裝罐→成品。從上面兩個罐頭加工工藝中可以看出兩種罐頭在加工全過程中主要應(yīng)用了超聲波這種單一的加工設(shè)備，而它們運(yùn)用的正是超聲波的殺菌和入味效應(yīng)的結(jié)合，將超聲波的兩種甚至更多的原理應(yīng)用到了一個完整的生產(chǎn)加工過程中，使得整個工藝過程清晰、明了，可操作性更強(qiáng)，且可讓超聲波得到充分的發(fā)展利用。
4 結(jié)論與展望
綜上所述，超聲波技術(shù)在食品中的應(yīng)用還不夠成熟，雖然超聲波在食品加工單一過程中的應(yīng)用較多，但在食品加工全過程中的應(yīng)用依舊很少，食品加工過程通常包含原材料解凍、殺菌和入味等基本工序，而將超聲波的這些機(jī)理運(yùn)用在同一個食品加工過程中既可以展現(xiàn)超聲波的優(yōu)勢又能夠使得食品加工工藝簡潔、易操作。此外，超聲波技術(shù)在食品加工全過程中的應(yīng)用可以大大減少化工類食品添加劑的使用，把超聲波技術(shù)靈活的運(yùn)用在未來食品加工中是食品行業(yè)需要去突破的。
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