食品殺菌技術(shù)課件

1、食品殺菌新技術(shù)微波殺菌技術(shù) 高壓殺菌技術(shù)高壓脈沖電場殺菌技術(shù) 脈沖強光殺菌技術(shù)輻射殺菌技術(shù)臭氧殺菌技術(shù)遠紅外照射殺菌技術(shù) 第1頁，共117頁。微波是一種高頻電磁波，當(dāng)它在介質(zhì)內(nèi)部起作用時，水、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等極性分子受到交變電場的作用而劇烈振蕩，引起強烈的摩擦而產(chǎn)生熱，這就是微波的介電感應(yīng)加熱效應(yīng)。熱效應(yīng)也使得微生物內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等分子結(jié)構(gòu)改性或失活；高頻的電場也使其膜電位、極性分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變 效果：2450 MHz的微波處理醬油，可以抑制霉菌的生長及殺滅腸道致病菌。用于啤酒的滅菌，取得良好的效果，且使啤酒風(fēng)味保持良好。用于處理蛋糕、月餅、切片面包和春卷皮，結(jié)果表明，這些食品的保

2、鮮期由原來3d4d，延長到30d 第2頁，共117頁。 所謂高壓殺菌是指將食品放人液體介質(zhì)中，加100MPa1000MPa的壓力作用一段時間后，殺滅食品中的微生物的過程。原因：高壓滅菌通常認為蛋白質(zhì)在高壓下立體結(jié)構(gòu)（四級結(jié)構(gòu)）崩潰而發(fā)生變性而使細菌失活，或以較弱結(jié)合構(gòu)成生物體高分子物質(zhì)如核酸、多糖類、脂肪等物質(zhì)或細胞膜都會受到超高壓的影響，尤其通過剪切力而使生物體膜破裂，從而使生物體的生命活動受到影響甚至停止。滅菌均勻，無污染，操作安全，且較加熱法耗能低，減少環(huán)境污染 國外已將其用于肉、蛋、大豆蛋白、水果、香料、牛奶、果汁、礦泉水、啤酒等物品的加工中 第3頁，共117頁。高壓脈沖技術(shù)：液態(tài)食品

3、作為電介質(zhì)置于電場中時，食品中微生物的細胞膜在強電場作用下被電擊穿，產(chǎn)生不可修復(fù)的穿孔或破裂，使細胞組織受損，導(dǎo)致微生物失活 在脈沖電場強度為 1240 Kvcm，脈沖時間為20s18s的條件下，可有效地對食品進行滅菌，且以雙矩形波最為有效 利用脈沖電場處理大豆，可實現(xiàn)滅酶脫腥，并有效的保留大豆的香氣 運用該技術(shù)應(yīng)綜合考慮場強的大小，殺菌時間、食品的pH值、對細菌的種類等因素，以確定最佳方案 第4頁，共117頁。 脈沖強光殺菌：利用強烈白光閃照的殺菌技術(shù) 其系統(tǒng)主要包括動力單元和燈單元，動力單元為惰性氣體燈提供能量，燈便放出只持續(xù)數(shù)百微秒，其波長由紫外光區(qū)域至近紅外光區(qū)域的強光脈沖，其光譜與太

4、陽光相似，但比陽光強幾千倍至數(shù)萬倍。由于只處理食品表面，從而對食品營養(yǎng)成分影響很小。光脈沖輸人能量為700J，光脈沖寬度小于800us ，閃照30次后，對枯草芽泡桿菌、大腸桿菌、酵母都有較強的致死效果 第5頁，共117頁。輻射殺菌是運用射線、射線或電子高速射線照射食品，引起食品中的生物體產(chǎn)生物理或化學(xué)反應(yīng)，抑制或破壞其新陳代謝和生長發(fā)育，甚至使細胞組織死亡從而達到滅菌消毒，延長食品貯存銷售時間的目的。輻射殺菌幾乎不產(chǎn)生熱量，可保持食品在感官和品質(zhì)方面的特性，并適合對冷凍狀態(tài)的食品進行殺菌處理 輻射法廣泛應(yīng)用于各種調(diào)料的消毒 第6頁，共117頁。臭氧殺菌技術(shù) ：臭氧是氧的同素異形體，具有極強的氧

5、化能力，在水中的氧還原電位為2.07V，僅次于氟電位2.87V，居第二位，它的氧化能力高于氯（1.36 V）、二氧化氯（1.5V）。對細菌、霉菌、病毒具有強烈的殺滅性而且在食品的脫臭、脫色等方面也展示了廣闊的前景 臭氧很容易同細菌的細胞壁中的脂蛋白或細胞膜中的磷脂質(zhì)、蛋白質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使細菌的細胞壁和細胞受到破壞（即所謂的溶菌作用）細胞膜的通透性增加，細胞內(nèi)物質(zhì)外流，使其失去活性，臭氧破壞或分解細胞壁，迅速擴散到細胞里，氧化了細胞內(nèi)的酶或DNA、RNA，從而致死病原體 第7頁，共117頁。遠紅外照射殺菌技術(shù) ：遠紅外射線與傳導(dǎo)加熱相比，在致死溫度以上時菌的生存率顯著下降。 楊瑞金報道將細

6、菌、酵母和霉菌懸浮液裝人塑料袋中進行遠紅外線殺菌，其對照功率分別為6KW、8KW、10KW和12KW。結(jié)果表明：照射10Min能使不耐熱細菌全部殺死。（能使耐熱細菌的數(shù)量降低1O5108以上；對于酵母菌采用8KW以上的功率，就足以達到抑制的需求；對于霉菌，8KW以上的照射功率照射10Min就可以將活菌完全殺死） 第8頁，共117頁。微波殺菌微波：微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的電磁波(波長1米 - 1毫米)，通常是作為信息傳遞而用于雷達、通訊技術(shù)中。而近代應(yīng)用中又將它擴展為一種新能源，在工農(nóng)業(yè)上用作加熱、干燥；在化學(xué)工業(yè)中催使化學(xué)反應(yīng)；在科研中激發(fā)等離子體等。家用微波爐就是微波能應(yīng)用的一

7、個典型例子。目前用于工業(yè)加熱的微波頻率為915兆赫和2450兆赫第9頁，共117頁。原理介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成，在微波電磁場作用下，極性分子從原來的熱運動狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照電磁場的方向交變而排列取向。交變電磁場的能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使介質(zhì)溫度出現(xiàn)宏觀上的升高 電磁場不能透入金屬材料內(nèi)部而是被反射出來，所以金屬材料不能吸收微波 第10頁，共117頁。微波殺菌原理微生物同時受到微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的共同作用 食品中的水分、蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等部屬于電介質(zhì)，是吸收微波的最好介質(zhì)。這些極性從分子原來的隨機分布狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐勒针妶龅臉O性排列取向，這一過程促使分子高速運動和相互摩擦，從而產(chǎn)

8、生熱量，這種效應(yīng)稱介電感應(yīng)加熱效應(yīng)。由于水分子的特殊結(jié)構(gòu)，在微波作用下，它是引起食品材料發(fā)熱的主要成分。 第11頁，共117頁。非熱效應(yīng)1965年，Olsen等人揭示了微波對鐮刀霉芽抱的非熱效應(yīng)。他們指出，微生物在微波場中比其他介質(zhì)更易受微波的作用，因此提出了微波殺菌機理的非熱效應(yīng)理論。 有人發(fā)現(xiàn)微波處理106的60ml枯草芽胞桿菌懸浮液，維持懸浮液溫度60、80、100，以巴氏滅菌法維持懸浮液60、80、100為對照。通過測定細菌殘存菌數(shù)與處理時間的關(guān)系，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微波滅菌法1000.65min，而巴氏滅菌法100 5.50min，按照食品滅菌理論，腐敗菌及其芽胞的耐熱性規(guī)律可以認為在相

9、同菌種、濃度和溫度情況下所得值的差異，只能從它們分別所受處理方法的不同來解釋。 第12頁，共117頁。可能是由于在強大的電磁場作用下，細胞壁受到某種機械性損傷而破裂，結(jié)構(gòu)受到破壞，細胞的核酸和蛋白質(zhì)等滲漏體外，正常代謝出現(xiàn)障礙，從而達到滅菌的效果。Rosen從量子能量的觀點得出結(jié)論，認為微波的能量是不足以拆開微生物蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的結(jié)合鍵，他舉出射線和微波能量的量子計算結(jié)果：以Ehv量子能量方程計算，分別為1.2106ev和1.2105ev，而HoH能級為5.2ev，由此結(jié)論，射線能量足以拆開HOH健而微波則不行。 第13頁，共117頁。微波裝置微波加熱殺菌裝置都有以下共同點：產(chǎn)生微波的部分，主

10、要由電源和微波管或微波發(fā)生器，微波導(dǎo)管等；爐體或爐腔部分，用可反射微波的材料制成，能產(chǎn)生微波諧振；爐內(nèi)還有微波攪動或分散裝置；密封門部分，可防止微波泄露；操作控制部分包括安全連鎖裝置。現(xiàn)在大批量的生產(chǎn)主要是采用輸送帶式隧道爐；如果數(shù)量少時采用分批式微波爐比較方便。 第14頁，共117頁。目前在食品工業(yè)中具體使用的微波加熱設(shè)備駐波場諧振腔型加熱器，行波場波導(dǎo)型加熱器，輻射型加熱器和慢波型加熱器。 選擇微波加熱器主要是選擇微波頻率和加熱器形式。微波頻率根據(jù)被加工的食品體積和厚度；食品的含水量和損耗因素；總產(chǎn)量和成本以及設(shè)備體積四個方面來選擇。加熱器類型的選擇則取決于被加熱食品的形狀，數(shù)量和工藝要求

11、。第15頁，共117頁。三、微波殺菌保鮮的特點1、時間短、速度快：各種物料的殺菌作用一般在3-5分鐘2、低溫殺菌保持營養(yǎng)成份和傳統(tǒng)風(fēng)味能在比較低的溫度和較短的時間就能獲得所需的消毒殺菌效果，常規(guī)熱力處理的蔬菜保留的維生素C是46-50%，而微波處理是60-90%，常規(guī)加熱豬肝維生素A保持為58%，而微波加熱為84%第16頁，共117頁。3 、節(jié)約能源 常規(guī)熱力殺菌往往在環(huán)境及設(shè)備上存在熱損失，而微波是直接對食品進行作用處理，因而沒有額外的熱能損耗4、均勻徹底微波具有穿透作用，對食品進行整體處理時，表面和內(nèi)部都同時受到作用，所以消毒殺菌均勻、徹底5、便于控制設(shè)備能即開即用，微波功率能從零到額定功

12、率連續(xù)可調(diào)、傳輸速度從零開始連續(xù)調(diào)整。6、設(shè)備簡單，工藝先進 微波殺菌設(shè)備，不需要鍋爐，復(fù)雜的管道系統(tǒng)，煤場和運輸車輛等，只要具備水、電基本條件即可。 第17頁，共117頁。7、改善勞動條件，節(jié)省占地面積設(shè)備的工作環(huán)境溫度低、噪音小，極大地改善了勞動條件應(yīng)用：廣泛用于牛肉干、豬肉脯、魚片、醬囟肉、鴨肉、雞肉等制品的熱化、干燥和殺菌8、選擇性加熱 微波對不同性質(zhì)的物料有不同的作用，這一點對干燥作業(yè)有利。因為水分子對微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量較低的部位這就是選擇加熱的特點。 第18頁，共117頁。微波加熱存在問題 （一）微波加熱不均勻 （1）微波加熱的選擇性，即使在

13、相同的微波場中，不同的食品材料以及這些材料溫度、狀態(tài)的不同，都會引起食品各部分溫度上升的差異；（2）微波隨有好的穿透性，可是它在實際加熱中受反射、穿透、折射、吸收等影響，使被加熱物體各部分產(chǎn)生的熱能可能產(chǎn)生較大的差異；（3）電場的尖角集中性，有的也稱菱角效應(yīng)（edge effect），微波作為電波的一種，其電場有尖角集中性，這是造成食品微波加熱不均勻的主要原因。 第19頁，共117頁?？偨Y(jié)解決方法：1) 要了解被加熱物體的電容特性 在此基礎(chǔ)上對加熱設(shè)備進行合理設(shè)計，并對加熱程序進行控制。例如采用間歇式方法，使熱點集中的熱量得以向周圍擴散2) 按照半衰深度的大小，將食品分割成適當(dāng)體積。分割厚度一

14、般為半衰深度的22.5倍。例如半衰厚度大的冰凍食品解凍，可大一些,一般為15cm左右；半衰深度小的食品要分割成6cm以下的小塊。 第20頁，共117頁。3) 為了克服菱角效應(yīng)和熱點的產(chǎn)生，人們在容器上作了許多改進。例如盡量使用大小合適的圓角容器，環(huán)狀容器。對有尖角的食品進行整形處理。4) 因為微波加熱很快，自然傳熱往往來不及使各部分溫度均一，所以對于液體食品可采用攪拌的方法，對固體食品要用旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)的方法使各部分加熱溫度均勻；對冷凍食品要先解凍后加熱，解凍時要使表面和拐角部分盡量保持低溫，不要溶解。5) 為了克服微波加熱的局限性，把微波與遠紅外等加熱方法組合在一起的設(shè)備，成了當(dāng)前微波爐開發(fā)的新

15、趨勢。紅外線、光電纖維測溫技術(shù)和電腦控制也使微波爐的性能得到大大改善。第21頁，共117頁。（二）微波加熱的特殊效果 1.升溫快、加熱時間短，使食品的色香味損失少。尤其是對于一些需要膨化的食品，微波有特殊作用。但是對于某些食品并非優(yōu)點，如烤紅薯，由于微波加熱快，淀粉酶來不及把淀粉水解為糖，因此沒有慢火烤得甜。微波烤肉雖快，但肉內(nèi)難以變得軟爛。 2.微波由于內(nèi)外同時加熱，所以加熱后的食品風(fēng)味與一般方法不同。對于湯汁食品在用微波煮制時產(chǎn)生對流很少，湯汁不易翻動，這樣可以保持其穩(wěn)定形態(tài)，有利于宴會菜的造型。另外微波處理還有一些用加熱原理難以說明的特點，微波加熱的雞肉，骨和肉易于分離；微波干燥的面條口

16、感韌性增加等等。相反對于面包食品，由于內(nèi)外同時升溫，表面難以形成均勻漂亮的烤色，甚至有些生的感覺。 3.微波加熱的硬化與軟化現(xiàn)象，微波加熱淀粉類食品時，剛出爐很軟，但要馬上吃，不然很快會變硬。軟化的原因是在微波的作用下，使與淀粉相結(jié)合的結(jié)合水游離出來軟化了整個食品組織。但由于自由水增加，引起蒸發(fā)加大，當(dāng)涼下來時，自由水的一部分又成為結(jié)合水，使組織急速失水而硬化。第22頁，共117頁。超高壓殺菌 食品超高壓技術(shù)（ultrahigh pressure processing 簡稱UHP）是當(dāng)前備受各國重視、廣泛研究的一項食品高新技術(shù)它可簡稱為高壓技術(shù)（High pressure processing

17、，HPP）或高靜水壓技術(shù)（High Hydrostatic process，HHP）。第23頁，共117頁。“加壓食品”與加熱食品同樣地是將食品密封于彈性容器或無菌泵系統(tǒng)中，以水或其它流體作為傳遞壓力的媒介物，在高壓（100MPa以上,常用400600MPa）下和在常溫或較低溫度下（一般指在100以下）作用一段時間，以達到加工保藏的目的，而食品味道、風(fēng)味和營養(yǎng)價值不受或很少受影響的一種加工方法。即以加壓取代加熱而成。 第24頁，共117頁。一、歷史1899年美國化學(xué)家Bert Hite首次發(fā)現(xiàn)450MPa的高壓能延長牛奶的保存期，他和他的同事做了大量研究工作，證實了高壓對多種食品及飲料的滅菌效

18、果； 美國的物理學(xué)家P.W.Briagman （1914）年就提出了在靜水壓下卵白變成硬的凝膠狀和蛋白質(zhì)變性的報告。 限于當(dāng)時的條件如高壓加工設(shè)備、包裝材料、市場對新的加工方法的需求及有關(guān)技術(shù)等，并沒有把這種技術(shù)用到食品加工上 美國人Eyring 、Kauzmann，日本的歸山、柳本、鈴木等先后深入研究蛋白質(zhì)的高壓變性。 第25頁，共117頁。上世紀(jì)八十年代，人們重新發(fā)現(xiàn)它的價值 1986年日本京都大學(xué)農(nóng)學(xué)博士林立凡教授發(fā)表了用高壓加工食品的研究報告1989年在日本高壓加工食品用試驗機就達到了30臺以上 1991年4月日本明治屋食品公司舉世首創(chuàng)的應(yīng)用高壓處理技術(shù)制造果醬 第26頁，共117頁。

19、二、高壓加工食品的原理 高壓處理食品是先將食品原料充填到塑料等柔軟的容器中，密封后再投入到有數(shù)千靜水壓的高壓裝置中加壓處理。食品領(lǐng)域利用高壓處理和加工主要是基于食品的主成分水的壓縮效果，即高壓對液體的壓縮作用，導(dǎo)致微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)反應(yīng)、基因機制以及細胞壁膜發(fā)生多方面的變化，從而影響微生物原有的生理活動機能，甚至使原有功能破壞或發(fā)生不可逆變化。 第27頁，共117頁。它是利用了帕斯卡定律：加在液體上的壓力可以瞬間以同樣大小轉(zhuǎn)到系統(tǒng)的各個部分。水在高壓下體積只被壓縮14%，隨之而發(fā)生的熱量也很少，水系中被包著食品中的蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)，在靜水壓下也向自身體積減少的方向變化，即形成生物體高

20、分子立體構(gòu)造的氫鍵結(jié)合、離子結(jié)合、疏水結(jié)合等非共有結(jié)合發(fā)生變化。 第28頁，共117頁。蛋白質(zhì)、淀粉原來的構(gòu)造破壞、發(fā)生變性，酶失去機能，細菌也被殺死。蛋白質(zhì)一次構(gòu)造的氨基酸的縮氨酸結(jié)合，是共有結(jié)合在數(shù)千高壓下其構(gòu)造不發(fā)生變化；同樣食品中的維生素、香氣成分等低分子化合物也具有共有結(jié)合，在高壓下不發(fā)生變化 1988年林立凡研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不只是蛋白質(zhì)變性，凡是以較弱的結(jié)合構(gòu)成的生物體高分子物質(zhì)如核酸、多糖、脂肪等物質(zhì)或細胞膜都會受到高壓的影響，于是生物體的生命活動就會受到影響甚至停止，也就是說高壓處理可達到殺菌、殺蟲、惰化酶的效果 第29頁，共117頁。鈴木（1989）曾經(jīng)以豬肉火腿（腌制肉）加壓以

21、探討一般微生物的消長。 （10保持30分鐘） 高壓壓力 Mpa 微生物存活數(shù)量（個/g） 0 5.4104 202 2.7104 303 6.7104 404 300 506 300 607 300 第30頁，共117頁。大森（1991）曾將肉品中常見的腐敗菌及食物中毒菌接種在豬肉漿中，在25下加壓101607MPa以探討殺菌可行性大腸桿菌在202MPa下未見減少，而303MPa以上可達殺菌目的；綠膿菌、沙門氏菌、Campylobacter或Y等在303.0MPa以上就可殺菌；微球菌、葡萄球菌、腸球菌等在303MPa下都未減少，但達到405MPa以上就開始減少，而607MPa就可殺菌；酵母（S

22、acchaomyces Cereuisiae. Candida Utilis）405MPa以上就有殺菌效果第31頁，共117頁。高壓可以引起細胞形狀、細胞膜及細胞壁的結(jié)構(gòu)和功能都發(fā)生了變化； 啤酒酵母（S.cerevisiae）以405MPa處理后細胞膜的結(jié)構(gòu)和細胞質(zhì)內(nèi)細胞器完全變形，同時大量的核內(nèi)物質(zhì)滲出細胞，當(dāng)施壓至506MPa時，細胞核及其細胞核內(nèi)物質(zhì)完全被破壞而無法辨認；Kriss等利用SEM研究了假單孢菌（Pseudomonas spp.）經(jīng)過30.046.0 MPa壓力下作用后，其細胞呈長條狀、細胞膜同細胞壁分離、細胞壁加厚、細胞膜變得清晰可見、產(chǎn)生無膜構(gòu)造的細胞壁以及核糖體數(shù)目減

23、少等現(xiàn)象。Chong和Cossins發(fā)現(xiàn)在高壓下，隨著細胞膜磷脂分子的橫切面的減少，細胞膜的雙層結(jié)構(gòu)的體積也隨之降低，細胞膜的通透性因此而改變。 第32頁，共117頁。微生物的形態(tài)、生化反應(yīng)、基因作用機制、細胞膜及細胞壁等產(chǎn)生許多變化，如Zobell和Cobert發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在40.5MPa壓力下長度由正常的12變成10100； 第33頁，共117頁。高壓對酶的影響加熱和加壓處理同樣會使酶和蛋白質(zhì)失去活性，但它們是兩個不同的物理過程。高溫會引起共價鍵的變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)不可逆變性；而高壓則會生成或破壞維持酶的空間結(jié)構(gòu)的非共價鍵（氫鍵、離子鍵、疏水鍵、雙硫鍵）等，使蛋白質(zhì)的變性情況更為復(fù)雜，有的是

24、可逆性，也有的是不可逆性。曲霉的葡萄糖糖化酶(-Glucoamlase)及酸性蛋白酶和中性蛋白酶(Protease)、羧基肽酶(Caroxypeptidase)等酶在25、600MPa下加壓10分鐘只能惰化（不可逆）2060%，尤其是Glucoamylase的抗壓最強 第34頁，共117頁。Fukuda h和Kungi 報道胰蛋白酶（Trypsin）和羧基肽酶Y（Carboxypeptidase Y）的活性在高壓下受到抑制，而嗜熱菌蛋白酶（Thermolysin）和纖維素酶（Cellulase）在高壓下則被激活。牛肉中蛋白酶中氨肽酶（Amino peptidase）和羧基肽酶分別在506MPa

25、和405MPa下活性受到抑制，中性蛋白酶在405MPa以上壓力下受到一定影響，而酸性蛋白酶則幾乎不受影響 柑桔果膠酯酶（PE酶,Pectinesterase）活性隨處理壓力的提高而惰化，但是高至6000bar仍有部分殘存，而過氧化物酶(Peroxidase)的耐壓性則更高，在相同壓力下提高處理溫度可提高酶活性惰化的比率 第35頁，共117頁。1. 多酚氧化酶在高壓處理中，當(dāng)制品受壓時，若壓力較低，也有增強酶活力的效果。如切片的馬鈴薯、蘋果和洋梨在加壓時，可激活組織中的多酚氧化酶，使苯酚類物質(zhì)氧化，形成褐變。若加壓到400MPa以上，則酶很快失活 第36頁，共117頁。2. 果膠酶（Pectin

26、ase） Ogawa 等將未經(jīng)殺菌的鮮榨伊予柑汁與有機酸混勻，在100600MPa壓力條件下處理一段時間。隨著果汁濃度的增加，其中果膠酯酶受壓力鈍化的程度降低，但pH值（2.54.5）及有機酸的種類（檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、乳酸或醋酸）對壓力作用影響不大。盡管在300或400MPa的壓力下處理10min后，果汁中的果膠酯酶并未完全失活，但在正常儲運條件下失活的酶沒有再生。 第37頁，共117頁。3. 纖維素酶（Cellulase） Murao 研究發(fā)現(xiàn)纖維素酶的活性隨著壓力的升高而增強，并在400MPa達到最大值。此時的酶活力是常壓下酶活力的1.7倍。300MPa時的酶活力也可達到常壓時的1.

27、5倍。 第38頁，共117頁。 4. 過氧化物酶（Peroxidase） 23、600MPa處理10min，其酶活力只降低了30%，而相同條件下處理的果膠酯酶僅存20%的活力；將緩沖液換成食品基質(zhì)，則過氧化物酶的耐壓性更高中性環(huán)境中，60、600MPa處理10 min，過氧化物酶的殘存活力仍高達90%，當(dāng)pH從7變成9，酶活力減少了50% 第39頁，共117頁。5. 蛋白酶（Protease） 胰凝乳蛋白酶與羧肽酶的活性都會被高壓所抑制，而嗜熱菌蛋白酶在高壓條件下活力反而增加 壓力激活的嗜熱菌蛋白酶,在200MPa時，該蛋白酶的活性有很大的提高，常壓時只部分消化B-乳球蛋白，200MPa時則完

28、全消化；對a-乳球蛋白，兩種消化值基本不變。 第40頁，共117頁。6. 脂酶（Lipase） 室溫、600Mpa、10min.的處理可使脂酶的活力降低40%；若升溫升壓，則700MPa、45處理10Min.就可完全鈍化脂酶。 脂酶的高壓失活速率也符合一級反應(yīng)方程，可表示為：A=A0e(-kt) 第41頁，共117頁。7. 溶菌酶（Lysozyme） 能降低細菌芽孢的抗熱性，對延長制品的貨架期起有效作用。一般酶類在數(shù)千大氣壓下也不會完全失活。 第42頁，共117頁。8. 固定化酶（Immobilized Enzyme） 等將酶固定在水不溶性的載體上進行加壓處理，其對壓力的敏感性低于溶解態(tài)的酶。

29、溶解態(tài)的胰蛋白酶鈍化溫度是50，而固定化后鈍化溫度升至60。同時穩(wěn)定性也隨之壓力升高而增強了。盤尼西林酰基態(tài)酶，在40，300MPa的條件下保溫處理兩個小時，酶活未見降低用適當(dāng)?shù)膲毫l件提高酶的穩(wěn)定性 第43頁，共117頁。高壓處理影響因素 1. 壓力的大小和受壓時間 滅活曲線（inactivation curve）隨壓力的升高呈對數(shù)下降，受壓時的溫度也可能改變曲線的形狀 大腸桿菌在40或50時受壓250MPa 20min,滅活曲線呈一次性線性關(guān)系（first order），但當(dāng)溫度低于30時，該曲線的形狀就變成對數(shù)曲線（膜液態(tài)變換）第44頁，共117頁。2. 種間差異 處于指數(shù)生長期的細菌比

30、處于靜止期細胞對壓力反應(yīng)更為敏感。革蘭氏陽性G+的細菌比革蘭氏陰性G的細菌對壓力更具抗性，孢子對壓力的抵抗力則更強，可以在高達1000MPa的壓力下生存，病毒對壓力也有較強的抵抗力 第45頁，共117頁。3. 與溫度的關(guān)系 其中枯草桿菌(B.subtilis)、生芽胞梭狀芽胞桿菌(C.sporgenes)等芽胞形成菌是使用芽胞，而孢子形成菌米曲霉(Asp. oryzae)、R. javanicus 則采用其孢子，在100400Mpa、pH7.0, 20及20下處理20min.，發(fā)現(xiàn)大部分微生物在200300Mpa都死滅，但是耐熱性高的枯草桿菌、生芽胞梭狀芽胞桿菌芽胞在20及20都未死滅。 第4

31、6頁，共117頁。4. 與pH的關(guān)系 在受壓條件下，培養(yǎng)基的pH值可能發(fā)生變化，與此同時，細菌的最適生長pH范圍也變得較為狹窄。 pH=7的磷酸鹽緩沖溶液在69.1MPa下變?yōu)閜H=6.6。海水在101.325kPa和1的條件下pH為8.10，在101MPa的壓力下，pH則變?yōu)?.87。 Marquis 報導(dǎo)糞鏈球菌（Streptococcus faecalis）在pH9.5常壓下生長受到抑制，在40.5MPa當(dāng)pH8.4時生長受阻；靈桿菌（Serratia marcescenns z）在常壓下當(dāng)pH10.0時生長受到抑制，而在40.5MPa下，當(dāng)pH9.0時就受到抑制 第47頁，共117頁。

32、 5.培養(yǎng)基蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類對微生物具有保護作用；強化的培養(yǎng)基因富含可供細菌利用的氨基酸和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，從而對細菌在高壓下具有更好的保護作用。 第48頁，共117頁。四、加壓食品的特點 1.高壓處理技術(shù)可以創(chuàng)造新物性的食品素材2.高壓可并用加熱而創(chuàng)新食品加工方法。3.可利用為半調(diào)理食品加工。如上所述，高壓可在保持食品原有風(fēng)味的條件下進行殺菌，這種食品可簡單加熱后食用，擴大了半調(diào)理食品的用途。4.可以保持生鮮食品或發(fā)酵食品的風(fēng)味，但應(yīng)考慮壓力處理可能帶來的物性變化。5.沒有色香味及營養(yǎng)成分之劣變，相反的無法期待由加熱產(chǎn)生之著色或香氣之發(fā)生。6.比熱加工而言能耗較低。第49頁，共117

33、頁。五、展望1 超高壓技術(shù)開發(fā)的重點 加熱和加壓的相乘和拮抗效果的利用；高壓在食品化學(xué)反應(yīng)方面的特殊效果利用；植物細胞由于加壓體積縮小，細胞膜功能消失，成為單純的半透膜，可利用此特點來提取動植物的精華和制造咸菜等；超高壓酒類催陳技術(shù)；加壓裝置成本的降低和高效率生產(chǎn)。 第50頁，共117頁。2 目前超高壓技術(shù)存在的問題 超高壓是基于對食品主成分水的壓縮效果，干燥食品、粉狀或粒狀食品，不能采用超高壓處理技術(shù)； 高壓下食物的體積會縮小，故只能用軟材料包裝 ；一些產(chǎn)芽抱的細菌，特別是低酸性食品中的肉毒梭茵，需在70以上加壓到600MPa或加壓到1000MMPa以上才能殺死；酶因其分子量和分子結(jié)構(gòu)不同，

34、超高壓下活性變化也不一樣，故需加壓到所有酶失活為止；超高壓裝置必須采用耐高壓的金屬材料和結(jié)構(gòu)；因反復(fù)加減壓，高壓密封體易損壞，加壓容器易發(fā)生損傷 ；實際應(yīng)用時仍需根據(jù)加工的食品設(shè)定處理條件 第51頁，共117頁。3.加壓食品開發(fā)課題（一）加熱與加壓并用 1.殺菌：如果溫度和壓力選用不當(dāng)往往會降低殺菌效果 2.殺菌與物性的變化：進行食品壓力殺菌時常常要顧及食品物性變化（二）產(chǎn)品風(fēng)味之保存方法 加壓產(chǎn)品可以保存原有之風(fēng)味與色澤，但須注意的是其于食品貯藏過程中亦會受到光、氧、酶、溫度等條件影響，且比生鮮狀態(tài)更易變化 第52頁，共117頁。（三）包裝材料 伴隨之變形及內(nèi)容物漏失，避免其它如加熱產(chǎn)生之變

35、質(zhì)問題（四）高壓裝置的改良 高壓裝置有處理量少、設(shè)備成本高、使用壽命短等缺點 （五）名詞術(shù)語 為了使食品高壓處理技術(shù)成為日常使用的技術(shù)，需要規(guī)定一些與加熱法相區(qū)別、并適合加壓法的名詞術(shù)語。 （六）法規(guī)問題食品殺菌法規(guī)、法律都是以加熱法為前提制定的，因此如何實驗數(shù)據(jù)證明加壓殺菌也適用食品加工，使之符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 第53頁，共117頁。食品電阻加熱殺菌技術(shù) 電阻加熱技術(shù)(ohmic heating，又稱為歐姆加熱) 將電流通過食品利用其電阻抗產(chǎn)生熱能來加熱食品，主要是針對含顆粒流體食品的無菌加工，減少液體和固體顆粒間的加熱殺菌程度不均勻，配合機械制造技術(shù)發(fā)展，新材料出現(xiàn)，新電極零組件，絕緣

36、裝置制造技術(shù)改善，使得連續(xù)式電阻加熱系統(tǒng)的技術(shù)比較成熟且設(shè)備成本降低，而使其成為商業(yè)生產(chǎn)可行的技術(shù)。 第54頁，共117頁。1電阻加熱技術(shù)的發(fā)展 連續(xù)式電阻加熱器的開發(fā)設(shè)計是由英國電氣研究發(fā)展中心開始研究，80年代取得專利，90年代制造商業(yè)型電阻加熱系統(tǒng)。 罐頭食品的色香味及營養(yǎng)價值已漸漸無法滿足消費者的要求，而無菌包裝技術(shù)只用于低粘度流質(zhì)產(chǎn)品如果汁、牛奶、茶、運動欽料等。 第55頁，共117頁。以蒸汽為熱源，熱煤通過熱交換先加熱流體，然后由載流液體以對流方式將熱能傳遞給固體顆料，然后顆粒本身再以熱傳導(dǎo)方式將熱能傳遞到固體中心，所以有熱傳遞速度慢且加熱不均勻的問題。電阻加熱技術(shù)是以交流電電流通

37、過食物，因食物中所含的鹽分或有機酸均為電解質(zhì)，無論流體或固體電流均可通過。熱由食品內(nèi)部產(chǎn)生，其原理是利用食品本身的導(dǎo)電性，及不良導(dǎo)體產(chǎn)生大的電阻抗特性來產(chǎn)生熱能 第56頁，共117頁。電阻加熱與傳統(tǒng)加熱的加熱速率曲線 第57頁，共117頁。2電阻加熱技術(shù)的原理 歐姆加熱與微波加熱不同之處是滲透的深度沒有明顯的限制，加熱范圍由被加熱物質(zhì)的導(dǎo)電性和在加熱器中停留時間而定。歐姆加熱效果是當(dāng)電流流過導(dǎo)電物質(zhì)時產(chǎn)生的熱效應(yīng) 食品能否適合歐姆加熱取決于該食品的導(dǎo)電性。在固定電壓下，電阻加熱的熱能產(chǎn)生與食品的導(dǎo)電度成正比，因此食品的導(dǎo)電度在加熱中起關(guān)鍵作用。 第58頁，共117頁。大部分可輸送的流體食品只要

38、其水分含量超過30且溶有鹽類，已具有足夠的導(dǎo)電性來使電阻加熱。但非離子化的物質(zhì)如脂肪、油、糖、糖漿或不添加鹽類的純水等因不具導(dǎo)電性，故不適合應(yīng)用電阻加熱。另外，必須配合專利設(shè)計的電極設(shè)計來提供電流，才能排除食品因電流而產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)及電極腐蝕的可能性，提高安全性，降低成本，有利于電阻加熱在食品商業(yè)殺菌的運用。 第59頁，共117頁。特點可以生產(chǎn)新鮮的、含固形物的高營養(yǎng)價值的產(chǎn)品；沒有熱傳導(dǎo)界面，因此可以連續(xù)加熱；可以處理鮮美的食品；污染少；對流體和固體快速均勻加熱，具最少熱破壞和最短加工時間；生產(chǎn)很安靜；維修成本低；啟動、停止操作簡單，加工控制方便；具有降低前處理、生產(chǎn)制造和包裝成本的可能性。

39、 第60頁，共117頁。3影響電阻加熱技術(shù)的因素 食品的導(dǎo)電度是電阻加熱技術(shù)的關(guān)鍵因素，任何影響電阻加熱的因素均直接影響導(dǎo)電度，而導(dǎo)電度的高低決定電阻加熱技術(shù)的表現(xiàn)。 第61頁，共117頁。3.1 溫度 食品原料溫度愈高，導(dǎo)電度也愈高；加熱速率隨著食品原料溫度上而增大，電壓梯度不同，加熱速度不一樣 3.2 電解質(zhì)的濃度 顆粒食品先浸泡在不同濃度的食鹽水溶液中，以提高顆粒電解質(zhì)含量，再進行電阻加熱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)濃度高的顆粒，其導(dǎo)電性高，使得加熱速度更高；顆粒先預(yù)熱后再電阻加熱，會有較高的導(dǎo)電度，其加熱速率也增加。 第62頁，共117頁。3.3 食品的組成及顆粒的大小 食品富含油脂，其導(dǎo)電度與

40、加熱速率均容易產(chǎn)生不規(guī)則的變化，低溫時加熱較慢，高溫時加熱較快，含淀粉質(zhì)的顆粒，對電阻加熱也有影響，主要是淀粉糊化使液體粘度增加。固體顆粒種類不同，大小不一，數(shù)量多少也會影響食品的導(dǎo)電度，加熱速度也隨之變化，其重點在于如何判定冷點，以及冷點受熱是否足夠商業(yè)殺菌。 第63頁，共117頁。4續(xù)式電阻加熱系統(tǒng) 連續(xù)式電阻加熱系統(tǒng)在無菌加工中高溫短時殺菌的應(yīng)用 一般由四支電極構(gòu)成一組三個加熱段的加熱器 加熱管以直立角度安裝，使產(chǎn)品流向為向上流動。 食品由混合桶或緩沖桶進入系統(tǒng)經(jīng)定量輸送泵輸送入直立的電阻加熱器加熱殺菌品能達到140高溫殺菌不沸騰，必須維持足夠的背壓為4bar的壓力第64頁，共117頁。

41、運用電阻加熱器在無菌加工中的流程 第65頁，共117頁。安全條件(1)系統(tǒng)的電氣設(shè)計必須避免造成食品電解作用及因電極解離或食品局部過熱燒焦而導(dǎo)致污染食品； (2)有效控制食品的加熱速率和其流速； (3)具有無菌環(huán)境下充填和密封包裝含顆粒流體食品的無菌包裝技術(shù)； (4)系統(tǒng)設(shè)備投資和運轉(zhuǎn)費用可以接受。 第66頁，共117頁。5用電阻加熱技術(shù)的優(yōu)點 5.1 產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)旦直接加熱不需借助熱交換表面，與傳統(tǒng)熱交換方式比較，減少了熱交換表現(xiàn)的粘附問題，延長系統(tǒng)運轉(zhuǎn)周期。5.2 快速、均勻加熱液體和顆粒，使兩者的熱破壞和滯留時間的差異減少，能保留較高的產(chǎn)品營養(yǎng)和顆粒完整性，比其它加熱方式更具有新鮮、美味

42、的品質(zhì)。5.3 系統(tǒng)沒有機械攪拌部分，產(chǎn)品流速較慢，適合易磨損的產(chǎn)品。5.4 系統(tǒng)可處理較高固液比的產(chǎn)品，使用范圍廣，投資成本回收快。5.5 配合無菌包裝技術(shù)可生產(chǎn)具有高檔的保健食品。 第67頁，共117頁。強度脈沖電子場 高強度脈沖電子場（PEF）是將食品置于兩個電極間進行高壓的短時不超過1秒的電擊。高壓過程要求通過建立一個蓄電器貯存電能，然后釋放來實現(xiàn)。 決定微生物失活是因為電子場而不是產(chǎn)品的電解或歐姆、電阻加熱。PEF技術(shù)能破壞微生物的細胞壁。整個過程不會導(dǎo)致食品中的化學(xué)或物理變化特征發(fā)生變化。 第68頁，共117頁。PEF加工過程條件由食品特性決定。對任何一種食品PEF條件由以下各可變

43、參數(shù)決定，電子場峰強度（KV/cm）（千伏每厘米），脈沖周期（微秒），脈沖數(shù)量，最初溫度，最高處理溫度，有關(guān)微生物種類和微生物數(shù)量。 第69頁，共117頁。高強度脈沖電子場殺滅微生物的特點 優(yōu)點 :消滅大量致病菌和腐敗有機體 產(chǎn)品中有輕微的溫度升高 可能比較熱處理價格低 產(chǎn)品沒有變化，維生素和酶無損失 缺點：對孢子需要高劑量和長時間 只能用于液體或灌制食品 同時只能用于貨架穩(wěn)定酸性食品和冷藏食品 必須設(shè)計每一種產(chǎn)品的具體過程 第70頁，共117頁。滅菌機理 現(xiàn)有多種假說：主要有細胞膜穿孔效應(yīng)、電磁機制模型、粘彈極性形成模型，電解產(chǎn)物效應(yīng)、臭氧效應(yīng)等，大多數(shù)學(xué)者傾向于認同電磁場對細胞膜的影響，并

44、以此為基礎(chǔ)對抑菌動力學(xué)進行探索 第71頁，共117頁。細胞膜穿孔效應(yīng) 膜的外表面與膜內(nèi)表面之間具有一定的電勢差。當(dāng)細胞上加一個外加電場、這個電場將使膜內(nèi)外電勢差增大，細胞膜的通透性也隨著增加，當(dāng)電場強度增大到一個臨界值時，細胞膜的通透性劇增、膜上出現(xiàn)許多小孔，使膜的強度降低 當(dāng)所加電場為一脈沖電場時，電壓在瞬間劇烈波動，在膜上產(chǎn)生振蕩效應(yīng)?？椎募哟蠛驼袷幮?yīng)的共同作用使細胞發(fā)生崩潰，從而達到殺菌目的 第72頁，共117頁。電磁機制理論 電場能量與磁場能量是相互轉(zhuǎn)換的，在兩個電極反復(fù)充電與放電的過程中，磁場起了主要殺菌作用，而電場能向磁場的轉(zhuǎn)換保證了持續(xù)不斷的磁場殺菌作用。這樣的放電裝置在放電端

45、使用電容器與電感線圈直接相連、細菌放置在電感線圈內(nèi)部，受到強磁場(場強687特斯拉，功率16KJ)作用。 第73頁，共117頁。粘彈極性形成模型一是細菌的細胞膜在殺菌時受到強烈的電場作用而產(chǎn)生劇烈振蕩，二是在強烈電場作用下，介質(zhì)中產(chǎn)生等離子體，并且等離子體發(fā)生劇烈膨脹，產(chǎn)生強烈的沖擊波，超出細菌細胞膜的可塑性范圍而將細菌擊碎。 第74頁，共117頁。電解產(chǎn)物理論 在電極點施加電場時，電極附近介質(zhì)中的電解質(zhì)電離產(chǎn)生陰離子，這些陰陽離子在強電場作用下極為活躍，穿過在電場作用下通透性提高的細胞膜，與細胞的生命物質(zhì)如蛋白質(zhì)、核糖核酸結(jié)合而使之變性。 不足之處是難以解釋PH值變化劇烈的條件下，殺菌效果沒

46、有什么變化的結(jié)果。 第75頁，共117頁。臭氧效應(yīng)理論臭氧效應(yīng)理論認為在電場作用下液體介質(zhì)電解產(chǎn)生臭氧，在低濃度下臭氧已能有效殺滅細菌。 第76頁，共117頁。處理系統(tǒng)設(shè)計 高壓脈沖處理系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是脈沖發(fā)生器和處理腔的設(shè)計。美、法等國建立起了一批可商業(yè)化應(yīng)用的設(shè)備。但是這些設(shè)備少則數(shù)萬美元，多則數(shù)十萬美元價格非常昂貴，從而限制了這一技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。 第77頁，共117頁。2.1脈沖發(fā)生器 具有最佳處理效果的脈沖發(fā)生器的設(shè)計、制造是當(dāng)前高壓脈沖殺菌技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的最大障礙。 高壓脈沖處理系統(tǒng)的脈沖可以采用方波、指數(shù)波、交變波等三種形式 方波脈沖發(fā)生電路價格過于昂貴，以此為基礎(chǔ)的處理系統(tǒng)尚不

47、適于在規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。相對來講指數(shù)脈沖發(fā)生電路價格比較便宜適合于工業(yè)化應(yīng)用。傳統(tǒng)高壓脈沖發(fā)生器價格高昂第78頁，共117頁。磁壓縮脈沖發(fā)生器是傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器的良好替代品 將電能以磁能的形式儲藏起來，然后突然釋放，從而形成指數(shù)脈沖。這種脈沖發(fā)生器消除了傳統(tǒng)高壓脈沖發(fā)生器對高速開關(guān)和觸發(fā)電路的要求，并且電源也可以改用交流電源，從而消除了傳統(tǒng)直流電源中整流的耗費。 第79頁，共117頁。2.2處理腔設(shè)計 靜態(tài)分批式處理腔規(guī)模小、考慮影響因素較少，不適于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。連續(xù)式處理腔，主要有平行盤式、線圈繞柱式、柱柱式、柱盤式、同心軸式。其中，平行盤式和同心軸式處理腔結(jié)構(gòu)被廣泛報道。 第80頁，共11

48、7頁。3. HPEF 殺菌效果的影響因素HPEF 設(shè)備參數(shù)電場強度：是影響殺菌效果最重要的因素之一。 在達到穿透膜電位的臨界值后, 繼續(xù)增加電場強度, 對象菌存活率明顯下降處理時間：殺菌時間是各次放電釋放的脈沖時間的總和。隨著殺菌時間的延長，對象菌存活率開始急劇下降、然后平緩，逐漸變平，最后增加殺菌時間亦無多大作用。 處理時的溫度：隨著處理溫度上升(在2460范同內(nèi))，殺菌效果有所提高，其提高的程度一般在10倍以內(nèi)。 脈沖頻率：提高脈沖頻率，殺菌效果上升。第81頁，共117頁。食品性質(zhì)食品電阻由于介質(zhì)的電導(dǎo)率提高，脈沖頻率上升、因而脈沖的寬度下降。這樣，電容器放電時、脈沖數(shù)目不變，即殺菌脈沖時

49、間下降，從而殺菌效果相應(yīng)下降。介質(zhì)電導(dǎo)率影響放電時的脈沖強度和脈沖次數(shù)、如空氣導(dǎo)電、則無脈沖產(chǎn)生。食品pH pH下降，殺菌效率提高第82頁，共117頁。微生物特性對象菌的種類：不同菌種對電場的承受力有很大的不同。無芽孢細菌較有芽孢細菌更易被殺滅，格蘭氏陰性菌較陽性菌易于被殺滅。在其它條件均相同的情況下用電場滅菌，霉菌、乳酸茵、大腸桿菌、酵母茵等不同菌種的存活率由高到低排列。 第83頁，共117頁。對象菌的生理狀態(tài)對數(shù)期的菌體比穩(wěn)定期和衰退期的菌體更易殺滅。Gaskova報道對數(shù)期酵母細胞致死率比穩(wěn)定期的高30%。這是因為對數(shù)期菌體中大部分處于分裂階段,細胞膜對電場的作用很敏感。 第84頁，共1

50、17頁。菌數(shù)量對菌數(shù)低的樣品與菌數(shù)高的樣品加以同樣強度、同樣時間的脈沖，前者菌數(shù)下降的對數(shù)值比后者要多得多。 第85頁，共117頁。4 處理效果 國內(nèi)外研究人員使用高壓脈沖電場對培養(yǎng)液中的酵母、各類格蘭式陰性菌、格蘭式陽性菌、細菌袍子，以及蘋果汁、香蕉汁、菠蘿汁、牛奶、蛋清液等進行了大量研究，并取得了良好的結(jié)果。研究結(jié)果表明抑菌效果可達到46個對數(shù)周期，其處理時間一般在幾個微秒到幾個毫秒，最長不超過1秒，該處理沒有對食品的感官質(zhì)量造成影響，其貨架期一般都可延長46周。 第86頁，共117頁。高壓脈沖電場殺菌主要是利用食品的非熱物理性質(zhì)，溫升小(一般在50以下)、耗能低。一個35千伏的處理系統(tǒng)每

51、處理1毫升液體食品只需20J的能量，而對超高溫瞬時滅菌熱處理系統(tǒng)來說卻至少需要100J以上的能量。國內(nèi)鄧元修等實驗證明高壓脈沖電場對酵母和大腸桿菌的殺滅耗能只有1860l05Jm32。據(jù)國外資料報道，一個脈沖處理系統(tǒng)的操作費用據(jù)估計只有大約0.40.8美分，并且物料流率可達1000Lh。第87頁，共117頁。超聲波殺菌技術(shù) 一、超聲波及其特性聲波是機械振動能量的一種傳播形式。振動頻率在1.6104Hz的聲波稱為超聲波，它是不為人耳所聽見的一種聲波。聲波及其所帶的能量的傳遞是基于介質(zhì)；粒子（原子、分子或彈性單元系統(tǒng)）相對于平衡位置的來回振動。 第88頁，共117頁。聲波具有下列性質(zhì)：1超聲波能夠

52、傳遞很強的能量超聲波的作用主要是對超聲場的障礙物施加交變的壓力（聲壓）。超聲場中某一點在某時間所具有的壓力p1與沒有超聲波存在時的靜壓力p0之差稱為聲壓p，單位為Pa。當(dāng)有聲波傳播時，在傳播介質(zhì)中形成的壓縮區(qū)內(nèi)，壓力將增高；而在稀疏區(qū)內(nèi)壓力則降低。聲壓與聲速c和振動頻率成正比 聲強與質(zhì)點振動位移振幅的平方成正比，與質(zhì)點振動的角頻率平方成正比，也與質(zhì)點振動速度的平方成正比，或與聲壓的平方成正比。 第89頁，共117頁。2超聲波通過不同介質(zhì)時會在界面上發(fā)生波速突變 決定于兩種介質(zhì)的特性阻抗，介質(zhì)的特性阻抗值越大，超聲波通過界面是能量的反射率越高。當(dāng)超聲波從液體或固體傳入到空氣或者相反從空氣傳入到液

53、體或固體的情況下，反射率都接近100。這表明若把超聲波輻射到某一玻璃化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的液體中時，那么聲波能量將在容器內(nèi)表面全部被反射，不會投射到容器外邊的空氣中。往往要求超聲波在兩種聲特性阻抗不同的介質(zhì)間傳播時，或者在同一介質(zhì)中傳播但用薄板之類的物件分開時，傳播時的聲能損耗為最小。 第90頁，共117頁。當(dāng)超聲輻射到薄板上時，部分能量被反射，部分能量透過它。當(dāng)薄板的厚度與聲波波長之比滿足下列兩種條件時，超聲能的穿透性最好，即能量的損失最小：（1）n / 2（n1，2，3），即薄板厚度是半波長的整數(shù)倍，可與超聲波發(fā)生諧振。（2），這時薄板厚度已經(jīng)不影響超聲波從一個介質(zhì)傳入另一介質(zhì)。上述條件對在液體中

54、建立所謂的聲窗口有很大意義，窗口可以得到最大的機聲比，即可以保證最大限度地傳遞超聲能量。當(dāng)需要提高窗口膜片的“強度”和“剛度”時，膜片也應(yīng)該取滿足上述條件的諧振厚度。第91頁，共117頁。此外，空氣有可壓縮性，更阻礙了超聲波的傳播。為了改善超聲波在相鄰介質(zhì)中的傳遞條件，往往在聲學(xué)部件的各連接面間加入機油、凡士林作為傳遞介質(zhì)以消除空氣及因它而引起的衰減。 第92頁，共117頁。3散射現(xiàn)象 當(dāng)聲波在彈性介質(zhì)中傳播遇上障礙時，將發(fā)生散射和繞射，一般說來，每一個障礙物，都成為二次聲源，使散射聲波向各個方向傳播。散射現(xiàn)象與聲波頻率有關(guān)，一般說來，頻率增高，散射增強，但對散射現(xiàn)象影響最大的是障礙物（散射元

55、）的尺寸，數(shù)量及它的聲阻抗。 第93頁，共117頁。4超聲振動在介質(zhì)中傳播時，它的強度會隨傳播距離的增加而衰減衰減的第一個原因是影響超聲波的幾何因素所引起的波的反射、折射、繞射和散射，這是介質(zhì)的非均勻性，具有反射面和介質(zhì)中具有異物等 第二個原因是介質(zhì)吸收其能量。這是因為所以三種介質(zhì)（氣體、液體和固體）的振動質(zhì)點之間均存在內(nèi)摩擦（粘滯性相互作用），其結(jié)果是把部分機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽橘|(zhì)獲得一定的溫升。 第94頁，共117頁。即聲波頻率f的提高將導(dǎo)致衰減系數(shù)a的迅速增加，從而使聲波能量隨傳播距離的增加而衰減更甚。聲波的吸收基本上由內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)所決定，通常是很小的，但在兩交界面處，當(dāng)聲強足夠高時可使

56、材料發(fā)熱，這種熱效應(yīng)在超聲焊接方面有很大用途。在超聲波傳播過程中，一般將離聲源距離Lr2/ 以內(nèi)的區(qū)域稱為近場區(qū)，r為聲源半徑，為聲波波長。當(dāng)xL時，即進入遠場區(qū)。在遠場區(qū)內(nèi)，軸線上的聲強周期起伏。遠場區(qū)聲束開始發(fā)散，聲場發(fā)散使聲波能量向更大的空間擴展，因此在給定方向上單位面積內(nèi)的能量減小，這是造成聲波衰減的另一個因素。第95頁，共117頁。5波的疊加原理 兩個頻率相同、振動方向相同，相位相同或相位差恒定的聲波疊加時，則會使空間某些質(zhì)點的振動始終加強，而另一些質(zhì)點的振動始終減弱或完全抵消，這種現(xiàn)象就稱為波的干涉現(xiàn)象 第96頁，共117頁。二、殺菌原理 （一）熱效應(yīng)機制 1超聲振動能量在通過介質(zhì)

57、中不斷地被介質(zhì)吸收，部分振動能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?由于超聲波的振動，使介質(zhì)質(zhì)點產(chǎn)生強烈的高頻振蕩，介質(zhì)間相互摩擦而發(fā)熱。3在不同組織的分界部分由于組織分層介質(zhì)聲阻抗不同，將產(chǎn)生反射，形成駐波引起分子間相對運動，產(chǎn)生摩擦而形成熱，此時在與駐波引起分子間相對運動，產(chǎn)生摩擦而形成熱。第97頁，共117頁。（二）機械效應(yīng) 當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，將引起傳播空間內(nèi)介質(zhì)質(zhì)點的振動，使它們具有交變的速度、加速度、位移、聲壓、壓力、張力、切應(yīng)力（彈性的或粘滯的）、膨脹、壓縮等 由于介質(zhì)質(zhì)點在超聲波作用下的振動加速度與振動頻率的平方成正比，雖然振動質(zhì)點的位移和速度不大，由于頻率很高，故振動加速度卻相當(dāng)大，有時超過重

58、力加速度的數(shù)萬倍 當(dāng)超聲介質(zhì)是不均勻的分層介質(zhì)時，各層介質(zhì)聲阻抗不同將使傳播的聲波產(chǎn)生反射、形成駐波，駐波的波腹、波節(jié)造成壓力、張力和加速度的變化。由于不同介質(zhì)質(zhì)點的質(zhì)量不同，則壓力變化引起的振動速度有差異，使得介質(zhì)質(zhì)點間的相對運動所造成的壓力變化，是引起超聲機械效應(yīng)的另一原因。 第98頁，共117頁。（三）空化效應(yīng) 超聲空化是指激活氣泡或空穴的各種動力學(xué)表現(xiàn)。當(dāng)超聲波在液體中傳播時，液體中的微小氣泡（或空穴），在聲場的作用下被激活，它表現(xiàn)為這些氣泡（空化核）的振蕩、生長、收縮及崩潰等一系列動力學(xué)過程?？栈菔湛s及崩潰瞬間，泡內(nèi)可呈現(xiàn)5000以上的高溫和幾百到上千個大氣壓的高壓，溫度變化率高到

59、109K/s，逐漸導(dǎo)致產(chǎn)生自由基及聲致發(fā)光、次諧波、噪聲等現(xiàn)象，并伴隨有強大的沖擊波（對均相液體介質(zhì)）或時速達400km的射流（對非均相介質(zhì)），會產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)或生物效應(yīng)。 第99頁，共117頁。（四）化學(xué)效應(yīng) 超聲波還引起化學(xué)作用，促進化學(xué)作用，尤其是氧化還原、聚合、電化學(xué)及其它過程。例如在溶有氮的水中，經(jīng)超聲波處理后就產(chǎn)生硝酸。超聲對高分子物質(zhì)有分解作用，超聲在有機體內(nèi)能引起分子產(chǎn)生高振動速度，高速振動分子間產(chǎn)生摩擦力，此力能使聚合的高分子遭到破壞，起到解聚的作用。可使淀粉變?yōu)楹?，糖原還原。 第100頁，共117頁。（五）彌散效應(yīng) 超聲能量可以強化和加速滲透通過薄膜、篩網(wǎng)、過濾器、

60、半透膜等的擴散過程，強化攪拌過程，會減薄固液分界面有效厚度從而提高擴散速度。超聲能使藥物更易進入微生物體內(nèi)。將消毒藥物與超聲合并使用，可提高細菌對藥物的敏感性，增強藥物的殺菌作用，這就是藥物的透入療法的原理。 第101頁，共117頁。（六）聲流效應(yīng) 發(fā)生在超聲場中的宏觀和微觀穩(wěn)定的液體渦流稱為聲流。在空化泡振蕩時，在固體（或微粒）表面附近會形成這種特殊的聲流；當(dāng)超聲射入不同聲阻抗的介質(zhì)截面上，動量發(fā)生變化，所產(chǎn)生的輻射壓力也會引起聲流。在聲流的作用下，液體介質(zhì)也會出現(xiàn)一些特殊的物理、化學(xué)和生物效應(yīng)。例如會引起生物組織分子的移動或轉(zhuǎn)動，當(dāng)這種運動的幅度足夠大時，會引起組織的損傷甚至撕裂。 第10