食品加工與檢測(cè)技術(shù)

1、超聲波在食品工業(yè)中的應(yīng)用摘要：超聲波這項(xiàng)新技術(shù)被用于研究和診斷領(lǐng)域已經(jīng)有很多年了。本文主要介紹了超聲波技術(shù)的基本原理和特點(diǎn),并分別例舉了超聲波技術(shù)在乳品品質(zhì)檢測(cè)，肉制品品質(zhì)檢測(cè)，面粉品質(zhì)檢測(cè)，果蔬產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)，添加劑分析，農(nóng)藥殘留分析和金屬元素分析上的應(yīng)用。旨在對(duì)其目前在食品工業(yè)中的應(yīng)用及其進(jìn)展進(jìn)行介紹，提出了超聲波技術(shù)在食品工業(yè)中具有廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：超聲波；食品檢測(cè)與安全；應(yīng)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 超聲波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療、醫(yī)藥等許多領(lǐng)域。我國(guó)發(fā)展超聲技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：檢測(cè)超聲和功率超聲。檢測(cè)超聲是利用小功率超聲在媒質(zhì)中的傳播特性，檢測(cè)或控制各種非聲學(xué)量及其變化，頻率一般在0.5 20M Hz 。功率超聲是用較大功率的超聲對(duì)物質(zhì)作用，以改變或加速改變物質(zhì)的一些物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)的技術(shù)，頻率一般在數(shù)萬(wàn)赫茲至幾兆赫茲。超聲波在動(dòng)物性食品中的應(yīng)用近年來(lái)不斷有各種嘗試出現(xiàn)，顯示出其廣闊的發(fā)展前景。本文綜述了超聲波技術(shù)的基本原理及其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展情況1。1 超

5、聲波技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)2 用于檢測(cè)的超聲波是高頻率(介于0.520MHz)低能量超聲波，利用高頻聲波與物質(zhì)之間的相互作用以獲取被測(cè)物質(zhì)內(nèi)部的物理化學(xué)性質(zhì)。此技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷學(xué)中應(yīng)用較為成熟。用于加工方面的超聲波是頻率高于20k Hz，并且不引起聽(tīng)覺(jué)的彈性波。現(xiàn)普遍認(rèn)為其空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械作用是超聲技術(shù)應(yīng)用的三大理論依據(jù)。1.1 空化作用 液體中往往存在一些真空的或含有少量氣體或蒸汽的小氣泡，這些小氣泡尺寸不一。當(dāng)一定頻率的超聲波作用于液體時(shí)，只有尺寸適宜的小泡能發(fā)生共振現(xiàn)象，大于共振尺寸的小泡被驅(qū)出液體外，小于共振尺寸的小泡在超聲作用下逐漸變大。接近共振尺寸時(shí)，聲波的稀疏階段使小泡迅速脹大

6、；住聲波的壓縮階段，小泡又突然被絕熱壓縮，直至湮滅。湮滅過(guò)程中，小泡內(nèi)部可達(dá)幾千度的高溫和幾千個(gè)大氣壓的高壓。上述現(xiàn)象稱為空化現(xiàn)象。宅化作用被用干清洗、霧化及促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等方面。1.2熱效應(yīng) 超聲波在媒質(zhì)中傳播，其振動(dòng)能量不斷被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏棺陨頊囟壬?。聲能被吸收可引起媒質(zhì)中的整體加熱、邊界外的局部加熱和空化形成激波時(shí)波前處的局部加熱等。超聲波的強(qiáng)度愈大，產(chǎn)生的熱作用愈強(qiáng)。1.3機(jī)械作用 超聲波是機(jī)械振動(dòng)能量的傳播，可在液體中形成有效的攪動(dòng)與流動(dòng)，破壞介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，粉碎液體中的顆粒，能達(dá)到普通低頻機(jī)械攪動(dòng)達(dá)不到的效果。機(jī)械作用常用于擊碎、切割、凝集等方面。2 超聲波技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)

7、用 近年來(lái)國(guó)外的研究表明, 低能量超聲檢測(cè)技術(shù)具有非破壞性、精確、設(shè)備廉價(jià)、能夠?qū)Ω邼舛仁称泛筒煌该餍圆牧线M(jìn)行檢測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì), 在食品理化特性檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用中具有巨大的潛力3。目前已經(jīng)有多種符合生產(chǎn)在線檢測(cè)要求的設(shè)備問(wèn)世。該技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵在于建立聲特性（聲速、衰減系數(shù)和聲阻抗）與產(chǎn)品特性（成熟度、硬度等）之間關(guān)系。2.1 乳制品品質(zhì)檢測(cè) 超聲檢測(cè)技術(shù)在乳制品工業(yè)中首先被用于對(duì)產(chǎn)品成分含量的檢測(cè), 最常見(jiàn)的檢測(cè)項(xiàng)目是脂肪小液滴含量的檢測(cè)、非脂乳固體(SNF)含量的檢測(cè)和總固形物(TS=脂肪+非脂乳固體) 含量的檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外用超聲檢測(cè)食品成分的研究還限制在對(duì)總類物質(zhì)含量的分析, 如檢測(cè)牛奶中脂

8、肪含量和非脂固形物含量等4，仍然無(wú)法定位到具體成分含量的檢測(cè),這必將成為今后研究的重點(diǎn)。1986年Fairley P.等人5通過(guò)大量的試驗(yàn)建立了乳制品成分與超聲特性之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。 在國(guó)內(nèi)，近幾年湯偉等人6通過(guò)文獻(xiàn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，歸納和總結(jié)了超聲波檢測(cè)牛奶主要成分（非脂類固形物、脂肪、蛋白質(zhì)含量）的方法及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，給出了牛奶冰點(diǎn)、密度和摻水率的定量測(cè)定方法，他們?cè)诖嘶A(chǔ)上又利用超聲波的聲速測(cè)定原理，成功試制了一種可以快速測(cè)定牛奶中主要營(yíng)養(yǎng)成分的便攜式電子裝置7，通過(guò)與西安銀橋奶業(yè)集團(tuán)購(gòu)買的瑞典perten8620 型近紅外測(cè)試儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其性能指標(biāo)如下：脂肪濃度測(cè)定范圍及誤差為（0

9、.5%9%）±0.1%；蛋白質(zhì)濃度測(cè)定范圍及誤差為（2.0%5.3%）±0.2%；非脂固形物濃度測(cè)定范圍及誤差為（6.0%12.0%）±0.2%；密度測(cè)定范圍及誤差為（1.02601.0330）±0.0005g/ml；加水率測(cè)定范圍為(0±60.0%)±5%，測(cè)定速度不大于4.5min/樣品。另外，牛奶在貨架期階段，由于環(huán)境和溫度的變化可能導(dǎo)致變質(zhì)，變質(zhì)的牛奶將由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘胍簯B(tài)，超聲波在這兩種狀態(tài)間的傳播速度和衰減率將有很大的不同，因此適宜用于對(duì)包裝牛奶進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。Nassar等人8采用壓電式換能器進(jìn)行研究并得出了超聲波在牛奶絮凝

10、物中的傳播時(shí)間同其物理屬性間的關(guān)系。Bakkali9采用超聲波脈沖回波技術(shù)對(duì)牛奶制品中的絮凝狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)同時(shí)也被用于乳酪等乳制品生產(chǎn)過(guò)程中工藝的控制，因?yàn)橹挥性谏a(chǎn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)地了解凝乳狀態(tài)，才可以確定切割乳酪和排乳清的時(shí)間，而這對(duì)于控制乳酪的品質(zhì)有直接的影響10。A y C.等人11也利用該原理對(duì)凝乳酶作用導(dǎo)致的乳品凝絮過(guò)程實(shí)現(xiàn)了無(wú)損監(jiān)測(cè), 并得到加酶時(shí)間與衰減系數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式。2.2 肉制品品質(zhì)檢測(cè) 隨著肉制品工業(yè)的快速發(fā)展，在生產(chǎn)領(lǐng)域亟需快速無(wú)損的檢測(cè)方法對(duì)原料肉的品質(zhì)進(jìn)行控制。由于聲波在精肉和肥肉中的傳播速度存在明顯差異，因此能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的超聲成像技術(shù)來(lái)檢測(cè)動(dòng)物活體或宰后

11、畜體的脂肪層厚度12。除了對(duì)瘦肉厚度的檢測(cè)之外，最近有研究者還將超聲檢測(cè)技術(shù)用于對(duì)成品魚(yú)、雞肉中的固體脂肪含量進(jìn)行檢測(cè)13。 超聲波技術(shù)在肉制品中的應(yīng)用非常廣范，除了上面所講的品質(zhì)檢測(cè)，它還有很多其他更重要的的用途，下面將作簡(jiǎn)單介紹。2.2.1 嫩化作用14 1992年美國(guó)農(nóng)業(yè)調(diào)查所的肉品科學(xué)家Morse Solomon 與John Long 合作研究超聲波對(duì)肉的嫩化作用，開(kāi)始了超聲波在肉品嫩化中的應(yīng)用。Lvng 等15聲波技術(shù)可能使溶酶體破壞，同時(shí)肌纖維蛋白和結(jié)締組織也受破壞，從而起到嫩化作用。Reynolds 等在室溫下用40kHz，2W/CM2的超聲波處理肉產(chǎn)品2小時(shí)，可以清楚地看到結(jié)締

12、組織的減少16。 國(guó)內(nèi)也有人開(kāi)始超聲波嫩化肉品的研究，李正英等17研究了超聲波處理對(duì)羊肉的嫩化效果。研究結(jié)果表明: 3 W/cm ：超聲波處理羊肉30min，可以獲得較好的嫩化效果，然后在l0±2條件下放置8 h ,可進(jìn)一步提高羊肉的嫩化效果。2.2.2 解凍 大塊凍結(jié)食品在空氣或水中的解凍過(guò)程是非常緩慢的，這不僅增加了食品的加工成本，而且為飲食的準(zhǔn)備工作帶來(lái)了很多不便。從食品內(nèi)部加熱也許可以加快解凍的速度，但現(xiàn)已采用的微波、高頻、低頻解凍方法并不能有效地縮短解凍時(shí)間，因?yàn)槁岷捅砻孢^(guò)熱的問(wèn)題限制了解凍速度的提高。超聲解凍方法則不存在這些問(wèn)題。Shore 等18人在研究超聲波(17M

13、Hz)在食品凍結(jié)和解凍過(guò)程中速度和衰減特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，已凍結(jié)區(qū)對(duì)超聲波的吸收比未凍區(qū)對(duì)超聲波的吸收要高出幾十倍，而食品初始凍結(jié)點(diǎn)附近對(duì)超聲波的吸收最大。利用超聲波的這一特性，在食品解凍過(guò)程中，用超聲波加熱食品，可以有效地縮短解凍時(shí)間。2.2.3 輔助腌制咸肉制品 咸肉是我國(guó)傳統(tǒng)的腌臘肉制品之一， 包括咸豬肉、咸牛肉、咸羊肉、腌雞等，因其風(fēng)味獨(dú)特、保藏性能好等而深受人們歡迎。腌臘肉制品加工中很重要的步驟是腌制，肉類腌制的方法主要采用干腌、濕腌、混合腌制、鹽水注射，真空滾揉等方法。其中快速腌制新技術(shù)具有腌制時(shí)間短、產(chǎn)品食鹽含量低，脫水少等特點(diǎn)。但是快速腌制方法難以形成傳統(tǒng)產(chǎn)品所產(chǎn)生的那種特征風(fēng)味， 因

14、而通過(guò)快速腌制縮短加工時(shí)間，并形成傳統(tǒng)產(chǎn)品所特有的風(fēng)味，是值得研究的一個(gè)課題。超聲波能破壞食物細(xì)胞壁、增加細(xì)胞膜的滲透力，引起大分子的斷鍵。 蔡華珍等19研究經(jīng)不同頻率超聲波處理后的肉在腌制期間的腌制效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可加速肉塊食鹽的滲透，縮短腌制時(shí)間，28 k Hz的超聲波比40 k Hz的超聲波更能促進(jìn)食鹽的滲透(P<0.01)。色澤方面，不同頻率超聲波處理間無(wú)顯著差異。超聲波處理能加速蛋白質(zhì)分解，促進(jìn)脂肪的分解和氧化作用。2.3 面粉品質(zhì)檢測(cè) 現(xiàn)代的烘焙工業(yè)要求對(duì)面團(tuán)的特性進(jìn)行在線監(jiān)控，而傳統(tǒng)的面團(tuán)測(cè)試手段費(fèi)時(shí)費(fèi)錢(qián)又無(wú)法達(dá)到檢測(cè)要求。J.M.Alava等人20通過(guò)對(duì)30種不

15、同用途的面粉及其形成的面團(tuán)中超聲波聲速和衰減程度的測(cè)量，并將該結(jié)果同傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法（延伸記錄儀、面筋拉力測(cè)定儀）所得出的流變學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析后成功地將超聲波法用于面粉及其形成面團(tuán)的品質(zhì)檢測(cè)。2.4 果蔬產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè) 果蔬產(chǎn)品含水量高，容易腐爛，現(xiàn)階段我國(guó)新鮮果蔬腐爛損耗率：水果達(dá)到30%，蔬菜達(dá)到40%50%。果蔬超聲特性主要是由果蔬細(xì)胞間存在的空穴結(jié)構(gòu)決定的21，一定頻率范圍內(nèi)的超聲波在這種特殊結(jié)構(gòu)中會(huì)形成諧振效應(yīng)，通過(guò)研究果蔬楊氏模量與共振頻率的關(guān)系能夠反映果蔬硬度與成熟度的變化關(guān)系。另外在貯藏過(guò)程中果蔬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和水分含量在發(fā)生變化，糖分或其它成分也在變化，可通過(guò)檢測(cè)水分、糖分等成

16、分的含量檢測(cè)它們的成熟度。Clark22指出超聲波通過(guò)西瓜的衰減時(shí)間隨西瓜成熟度的提高而延長(zhǎng)。2.5 超聲波在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用 根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，常見(jiàn)的農(nóng)藥分為有機(jī)氯、有機(jī)磷、氨基甲酸酯、擬除蟲(chóng)菊酯等。魏俊嶺等人23對(duì)比了超聲波提取, 振蕩提取和索氏提取- 氣相色譜法測(cè)定蔬菜中的有機(jī)氯農(nóng)藥殘留, 超聲波輔助提取的回收率為82.8%110.2%, 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在3%和15%之間，其回收率高于振蕩提取和索氏提取方法, 能夠?qū)κ卟酥卸喾N有機(jī)氯農(nóng)藥的提取達(dá)到很好的效果，因此是一種低成本、省時(shí)、效率高的方法。萬(wàn)益群等人24提出了超聲波輔助提取- 濃硫酸凈化- 氣相色譜法測(cè)定芝麻中多種有機(jī)氯農(nóng)藥殘留

17、量的方法，本法與傳統(tǒng)索氏提取法相比，消耗溶劑少，顯著縮短樣品前處理的時(shí)間，能較好用于實(shí)際樣品分析。曉剛等人25將超聲提取技術(shù)用于檢測(cè)茶葉中的農(nóng)藥殘留，得出的結(jié)果有力的說(shuō)明了超聲波輔助提取技術(shù)具有靈敏度高和重現(xiàn)性好的特點(diǎn)。馮國(guó)棟等人26采用超聲提取- 離心分離技術(shù), 實(shí)現(xiàn)大米、面粉、蔬菜、水果等食品表面有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)。弓愛(ài)君等人27利用高效液相色譜檢測(cè)蘇云金桿菌生物農(nóng)藥中氰戊菊酯，與索氏提取、超聲波提取、機(jī)械震蕩提取和分液漏斗手工震蕩提取等4種方法的提取效果相比，超聲波震蕩提取的回收率最大，時(shí)間消耗和溶劑消耗均較小。蔣定國(guó)等人28將超聲提取技術(shù)用于測(cè)定茶葉中27種有機(jī)氯和

18、擬除蟲(chóng)菊酯農(nóng)藥殘留, 實(shí)驗(yàn)表明該法具有快速、靈敏、準(zhǔn)確、成本低、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。2.6 超聲波在金屬元素分析上的應(yīng)用 重金屬離子是由單一元素組成的，性質(zhì)穩(wěn)定。因此超聲波輔助提取時(shí)，不必考慮目標(biāo)物的分解問(wèn)題，被認(rèn)為是一種快速有效的技術(shù)29。陳文婷等人30將奶粉樣品分別以超聲波輔助提取技術(shù)與傳統(tǒng)濕法消化處理后，測(cè)定其中的鉀鈣銅鉛鋅，兩種方法的結(jié)果不存在顯著性差異，能夠滿足分析測(cè)試的要求，而且同傳統(tǒng)濕法消化相比操作簡(jiǎn)單、方便、快速；另外，在對(duì)油脂類食品含鉛量測(cè)定中，需要對(duì)樣品進(jìn)行濕法消解，由于油脂比重小于水，容易發(fā)生樣品濺出的問(wèn)題，李海等人31將超聲萃取引入該過(guò)程，結(jié)果表明該方法快捷方便，大大提高了

19、工作效率，完全滿足分析工作要求。王芳權(quán)32探索采用混酸、超聲波消解法對(duì)奶粉樣品進(jìn)行處理，以火焰原子吸收光譜法測(cè)定其中鋅的含量，實(shí)驗(yàn)證明該法不但結(jié)果可靠，而且避免了傳統(tǒng)灰化法或消化法處理過(guò)程的繁瑣操作和對(duì)環(huán)境造成污染，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。2.7 超聲波在添加劑分析上的應(yīng)用 張素娟33將食品樣品經(jīng)過(guò)超聲波方法處理后，用氣相色譜測(cè)定其中的甜蜜素含量，樣品最低檢出限為0.3g ，回收率為94.6%106.4% ，相對(duì)偏差RSD<4%，側(cè)面證明用超聲波方法處理固體樣品能夠符合測(cè)定食品中甜蜜素的檢測(cè)要求。3 超聲波在食品工業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)343.1 實(shí)用性強(qiáng): 可實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備的聯(lián)用及連續(xù)化生

20、產(chǎn), 目前已有的市場(chǎng)化設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在5-50U min的流速范圍內(nèi)持續(xù)提供16kw的超聲功率。3.2 能效高: 目前已有的市場(chǎng)化設(shè)備的超聲能量轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到85%左右。3.3 技術(shù)開(kāi)發(fā)價(jià)值高: 隨著高能超聲波設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)要求,能量在介質(zhì)中的傳播途徑(例如: 流動(dòng)元件的設(shè)計(jì), 傳感器的數(shù)量, 管道的安裝等)根據(jù)加工工藝的要求具有獨(dú)特性, 因此相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)讓能夠產(chǎn)生巨大的價(jià)值。3.4 能耗低: 處理單位體積物料所消耗的能量, 大大低于原有傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備(例如: 均質(zhì)機(jī), 切割機(jī)等)。3.5 維護(hù)成本低: 超聲波設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單, 故障率低于傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備, 日常維護(hù)費(fèi)用大大降低。3.6 安

21、裝及改造方便: 目前的超聲波系統(tǒng)的微型化和高效化, 便于實(shí)現(xiàn)其在已有設(shè)備基礎(chǔ)上的安裝和改裝。 生產(chǎn)實(shí)踐證明,由于上述的諸多優(yōu)點(diǎn),超聲波技術(shù)在食品工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。4 結(jié)束語(yǔ) 如前所述,由于“超聲波技術(shù)”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),其在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和技術(shù)潛力。目前,我國(guó)食品加工的總體水平還有待提高,新工藝和新技術(shù)的研究與推廣必將推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)有食品加工技術(shù)的進(jìn)步,通過(guò)高科技將我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢(shì), 為食品工業(yè)開(kāi)辟出一條新路。參考文獻(xiàn)1. 周莉. 超聲波在食品工業(yè)中的應(yīng)用的研究現(xiàn)狀J. 肉類研究, 2009, 2: 67-71.2.鐘賽意, 王善榮, 劉

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