超聲波技術及其在食品工業(yè)中的應用最終

1、食品加工進展超聲波技術及其在食品工業(yè)(sh pn n y)中的應用 匯報人、 ppt制作：韓佳潤綜述撰寫：劉自強后期審核(shnh)：崔偉斌報告時間： 2015.11.共四十頁22022/7/29自然界中的超聲波現象(xinxing)共四十頁32022/7/29目錄(ml)超聲波的概述(i sh)及其分析測定原理超聲波技術在食品工業(yè)中的應用超聲波技術在食品工業(yè)中應用未來展望共四十頁42022/7/29 自從1928年美國普林斯頓大學化學實驗室的科技人員首次發(fā)現超聲波有加速二甲基硫酸水解和亞硫酸還原硫酸鉀反應作用以來，聲學與化學相互(xingh)交叉滲透的超聲化學作為一門新興的邊緣學科發(fā)展十分迅

2、速，特別是在20世紀80年代發(fā)展更為迅速，并且隨著功率超聲波儀器設備的發(fā)明與制造技術的日趨完善，使超聲化學技術廣泛用于食品加工、化學、化工、醫(yī)療、醫(yī)藥等許多領域。一. 超聲波的概述(i sh)及其分析測定原理共四十頁52022/7/29一. 超聲波的概述及其分析測定(cdng)原理 超聲波是頻率在2萬赫茲以上的聲波，它不能引起人的聽覺（人耳能聽到的聲波頻率為20-20000Hz），是一種機械振動在媒質中的傳播過程，具有聚束、定向、反射、透射等特性，它在媒質中主要產生兩種形式的振動即橫波(hngb)和縱波，前者只能在固體中產生，而后者可在固、液、氣體中產生1 。1.1 超聲波的概述共四十頁620

3、22/7/29 超聲波有多種物理和化學效應，超聲波的發(fā)生主要通過3種方法：通過機械裝置產生諧振的方法，一般頻率較低（20-30KHz）；利剛磁性材料的磁致伸縮(shn su)現象的電一聲轉換器發(fā)出超聲波的方法，頻率在幾千赫茲到一百千赫；最后一種方法為利用壓電或電致伸縮(shn su)效應的材料，加上高頻電壓，使其按電壓的正負和大小產生高頻伸縮(shn su)，產生頻率100MHz到 GHz 量級 2 。一. 超聲波的概述及其分析(fnx)測定原理共四十頁72022/7/29一. 超聲波的概述及其分析測定(cdng)原理超聲波可以在氣體、液體(yt)、固體等介質中有效傳播超聲波可以攜帶較多的能量

4、超聲波的傳播具有方向性超聲波在界面上會產生折射和反射，而且可能會改變振動模式容易衰減（在液體和固體中衰減小）傳播速度受溫度影響在兩種不同介質的界面處反射強烈，在許多場合必須使用耦合劑超聲波可以聚焦1.2 超聲波的特點共四十頁82022/7/29 超聲波與媒介的相互作用可分為熱機制、機械（力學）機制和空化機制三種。熱機制 超聲波在媒質中傳播時，其振動能量不斷被媒質吸收轉變?yōu)闊崃慷姑劫|溫度升高，此種升溫方式(fngsh)與其它加熱方法相比達到同樣的效果，從而這種使媒質溫度升高的效應稱之為超聲的熱機制。 例如：用10W聲功率處理50mL水，在絕熱狀態(tài)下，理論上2min后可使水溫升高5.7。一. 超

5、聲波的概述及其分析(fnx)測定原理1.3 超聲波的作用機制共四十頁機械(力學)機制 超聲波的機械機制主要是輻射壓強和強聲壓強引起的。 在力學效應中主要有攪拌、分散、成霧凝聚、沖擊破碎和疲勞損壞等作用。超聲波也是一種機械能量的傳播形式， 波動過程中的力學量，如原點位移(wiy)、振動速度、 加速度及聲壓等參數可以表述超聲效應。 一. 超聲波的概述及其分析(fnx)測定原理共四十頁空化機制 在液體中，當聲波的功率相當大，液體受到的負壓力足夠強時，媒質分子間的平均距離就會增大并超過極限距離，從而將液體拉斷形成空穴，在空化泡或空化的空腔激烈收縮與崩潰的瞬間，泡內可以產生局部的高壓，以及數千度的高溫，

6、從而形成超聲空化現象?？栈F象包括氣泡的形成、成長和崩潰過程。 可見，空化機制是超聲化學的主動力，使粒子運動(yndng)速度大大加快，破壞粒子的力的形成，對乳化、分散、萃取以及其它各種工藝過程有很大作用。一. 超聲波的概述(i sh)及其分析測定原理共四十頁112022/7/29 超聲技術分析測定廣泛使用的超聲波技術為脈沖技術。電子脈沖經超聲波發(fā)送探頭轉變?yōu)槌暶}沖，傳播到測樣室的遠距離端器壁，然后返回。接著超聲波發(fā)送探頭又作為超聲波接受器將脈沖復原為電子脈沖，脈沖信號顯示在計時器上。因為超聲波只有部分被吸收，部分被反射回，計時器將會顯示一系列強度不同的信號。聲速、衰減系數、聲音阻抗三個超聲

7、參數可由返回的信號進行測定。通過測出介質(jizh)體系的超聲波參數便可以對食品體系的各種性質進行分析檢測3 。一. 超聲波的概述及其分析(fnx)測定原理1.4 超聲技術的分析測定原理共四十頁122022/7/29聲速測定4 當一個平面波通過介質時,超聲波性質與介質的物理性質可用一個簡單的數學式關聯：（/）2=/ 式中：K=/ C + i是介質的復合波數，是衰減系數，C是超聲波在介質中的聲速；= 2f 是角頻率，f 是聲波頻率；E 是介質的彈性模量；是介質密度 。 由于衰減系數 / C , 和基本上與f無關, 動態(tài)和靜態(tài) 測定的數值相差很小。上式簡化為: c2=/所以只要測出介質的聲速，即可

8、探知介質的物理性質。因此，可通過檢測超聲波性質的區(qū)別或變化來定性或定量(dngling)監(jiān)測介質的物理性質甚至分子水平的變化。一. 超聲波的概述及其分析測定(cdng)原理共四十頁132022/7/29衰減測定 當聲波通過介質時,其振幅會出現減小。幾乎所有(suyu)物質均不同程度地使超聲波產生這種衰減。這種聲波衰減主要是由于傳遞過程中聲波能量發(fā)生吸收和散射。吸收的機理可能是聲能在過程中被轉化成了其它形式的能量。衰減系數可以表述為A=A0 exp(-ad) A為聲波通過介質后檢測到的振幅，A0為初始振幅，d為聲波通過的距離。 衰減系數的測定與測量聲速的原理相同，只不過此時測量的參數不是時間而是

9、示波器上相鄰回波的振幅及其變化。一. 超聲波的概述(i sh)及其分析測定原理共四十頁142022/7/29聲學阻抗測定 當一超聲波入射到兩不同介質所形成的界面時,波的一部分被吸收傳播,另一部分則被反射回。反射波的振幅(Ar)與入射波振幅(Ai) 的比值記作反射系數(R) 。R=Ar/Ai=(Z1-Z2)/(Z1+Z2) 其中Z 表示(biosh)聲學阻抗( Z=c) 當介質與其周圍環(huán)境的聲學阻抗性質接近時, 只有極少量的超聲波被反射回。相反, 當兩介質的聲學阻抗差別大時, 超聲波大部分被反射回。 超聲顯影技術即建立在超聲波從聲學阻抗性質不同介質的內部邊界反射回這一原理上的 。一. 超聲波的概

10、述及其分析測定(cdng)原理共四十頁152022/7/29二. 超聲波技術在食品工業(yè)(sh pn n y)中的應用低強度超聲波技術低強度超聲波由于能量低,當超聲波通過體系時不會對介質(jizh)產生物化破壞作用。通常應用于食品分析檢測領域, 提供食品組成, 質構及流變學性質數據5 。高強度超聲波技術高強度超聲波因為能量高足以使介質發(fā)生物理裂解和加速某些化學反應。用于促進乳化，破解細胞壁和分散聚沉物等。最近,超聲波技術已應用于食品起晶過程的控制、酶活力的鈍化、肉的嫩化、加速干燥、縮短過濾時間及促進氧化反應等領域。超聲波技術在食品領域的應用依能量強度主要分為兩大類:共四十頁162022/7/29

11、低強度超聲波技術(jsh)的應用2.1 測定(cdng)介質的厚度超聲儀器設備能準確測定介質的厚度。將一超聲波發(fā)送探頭安放在待測介質原料的一端，并使脈沖超聲波輸送到待測樣中。測出超聲波脈沖穿過待檢樣并返回到探頭的時間t，則只要測出超聲波在檢樣中的傳播速度c，就能確定檢樣的厚度。目前此技術已用于糖果中巧克力涂層的厚度，肉的厚度，罐頭中液層厚度以及蛋殼的厚度的測定。共四十頁 又稱超聲波提取。由于超聲波空化可以產生為沖流，能有效打破邊界層，使擴散速度增加，提取或浸出的速度提高2-10倍，因此它可以用于中草藥有效成分的提取，還可以適用(shyng)于香料及油、速溶茶、動物組織中的物質如魚肝油等及污染物

12、如農藥殘留的提取。與傳統提取方法相比，能顯著提高萃取的效率。172022/7/29低強度超聲波技術(jsh)的應用2.2 超聲波萃取共四十頁 食品加工過程中經常會被金屬屑,玻璃碎片及木屑等雜質污染。這些雜質的存在嚴重影響到產品的品質,須予以檢出剔除。測定原理是將一超聲波脈沖被導入檢樣中時脈沖將從所遇到的所有介質表面反射回來,由于雜質和產品成分聲學阻抗存在明顯差異,表現出來的超聲波性質也明顯不同(b tn),所以能將雜質檢測出來。另外通過移動超聲波發(fā)生器至樣品周圍的各個方向進行檢測可進一步確定雜質的大小和位置。182022/7/29低強度超聲波技術(jsh)的應用2.3 探測食品中的雜質異物共四

13、十頁192022/7/292.4 食品(shpn)組成的測定食品品質的高低一定程度上取決于食品的組成成分的搭配。超聲波技術在測定食品組成方面潛力巨大。超聲波技術測量食品組成的原理是各不同成分的超聲波性質存在差異, 如聲速、衰減系數和聲學阻抗。差別越大, 越易鑒別食品的組成狀況。比如, 20oC時蔗糖溶液的濃度每增加1%則超聲波在蔗糖溶液中的傳遞速度上升約4m.s- 1。由于測量溶液中速度低至0. 4 m.s- 1超聲波時較為簡單, 利用超聲波技術可準確測量到濃度低達0. 1%的糖液濃度。目前這項技術已成功(chnggng)用于測量各種不同果汁及飲料中的糖濃度。低強度超聲波技術的應用共四十頁在許

14、多食品加工操作中,控制食品物料流速的大小顯得非常(fichng)重要,科研人員已研制出一系列用來測量食品物料流經一管子的流速,如Doppler流速計。超聲波流速計的測量范圍跨度很大,從每秒幾毫米到幾十米。這些超聲波流量計一般測定的是物料的平均流速。最近研制成功的更為精密的流量計可被用來定性測定流體流經一管子的截面狀態(tài)參數。許多超聲波流速計被用來準確測定流體中不同組分的流速而不是局限于測定單一流體的流速。202022/7/29低強度(qingd)超聲波技術的應用2.5 流速的測定共四十頁212022/7/29超聲在食品工業(yè)另一日益廣泛的應用是用來觀測乳狀液和懸浮液是否發(fā)生分層。一般情況下油的密度

15、低于水的密度, 這導致水包油液中的液滴向液面上浮起泡而分層, 而油包水體系中的液滴會因沉淀而致使液體分層。起泡和沉淀的發(fā)生經常影響到一些產品的貨架壽命。應用超聲波技術測定聲波在體系中的傳播速度或衰減系數能給產品貨架壽命的確定提供(tgng)重要參考數據。這一技術可完全自動化且能在肉眼無法看到的時候檢測到。另外, 此技術還被用于研究牛乳乳狀液、果汁、 人造奶油、啤酒泡沫及色拉奶油的穩(wěn)定性。低強度超聲波技術(jsh)的應用2.6 乳狀液分層的檢測共四十頁222022/7/29 食品添加劑是為改善食品品質和色、香、味、形、營養(yǎng)(yngyng)、保存及加工工藝的需要而加入食品中的化學合成或者天然物質。

16、超聲波技術應用于食品添加劑方面的研究較多，并且取得良好效果。目前已用超聲輻射法由馬來酸與二乙酯合成了具有高效殺菌防腐保鮮作用的食品添加劑富馬酸二乙酯；利用超聲使大豆油催化加氫生成氫化大豆油增加反應速率等。低強度超聲波技術(jsh)的應用2.7 食品添加劑的合成共四十頁高強度超聲波因能量高, 能在介質中產生強大壓力、剪切力和高溫,改變介質的物理結構、促進某些化學變化。食品工業(yè)中高強度超聲波技術的應用較為廣泛，早期應用包括細胞的破解(p ji)、液體脫氣、超聲清洗和分散聚沉物等。近年來高強度超聲不斷應用于食品工業(yè)新領域。232022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用共四十頁高強度超聲波能促

17、進分子穿過濾膜和多孔物質表面，因能產生高壓,強剪切力和高溫而用于殺滅微生物。目前超聲波殺菌技術已應用于食品工業(yè)。適合于果蔬汁飲料、礦泉水、醬油等液體食品。超聲波殺菌較傳統高溫加熱殺菌工藝，超聲作用既不會改變食品的色、香、味，也不會破壞食品組分。而其超聲空化能提高細菌的凝聚作用，使細菌毒力喪失或死亡(swng)，從而達到殺菌目的。242022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用2.8 超聲殺菌共四十頁 超聲波殺菌設備只宜用于液態(tài)(yti)食品的殺菌，其基本形式有三種：液動式超聲發(fā)生器，清洗槽式超聲發(fā)生系統和變幅桿式超聲發(fā)生系統。252022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用共四十頁

18、262022/7/29綠茶飲料在加工過程中，由于茶多酚的氧化等原因，顏色會變深，即發(fā)生褐變，這使綠茶飲料的外觀效果及飲料品質受到嚴重(ynzhng)影響。實驗研究表明，用高溫滅菌處理再加適量防腐劑可以防止褐變，保證飲用安全，但飲料顏色仍然較深。經微波和超聲波滅菌的茶湯飲用安全性能夠得到保證，各菌種生長極少，茶湯顏色穩(wěn)定，透明性好，也不褐變。三種滅菌方法中以超聲波滅菌的茶湯顏色變深最少，透明性最小，茶湯中保留的茶多酚也最多，是綠茶滅菌和保護茶多酚盡量不受損失的一種較好的茶湯處理技術。可見，引入超聲波滅菌技術對提高飲料品質，保證食品安全都是十分有益的。 2.8.1 果蔬汁飲料(ynlio)共四十頁

19、272022/7/292.8.2 牛乳(ni r)牛乳的營養(yǎng)元素全面，是老少皆宜的營養(yǎng)食品，但對微生物來說也是極好的培養(yǎng)基，因此，牛乳極易腐敗變質，擠出的生鮮牛奶稍有不慎就會失去食用價值。在牛奶保質中殺菌是必不可少的一步。然而，原料乳經熱殺菌后極易破壞其營養(yǎng)價值，因此，原料乳殺菌要盡量在較低溫度下進行。超聲波殺菌技術就是可以(ky)達到此目的的一種冷殺菌技術。將超聲波應用于原料乳保鮮，研究結果表明，在60條件下，經50kHz，超聲波處理原料乳60s，殺菌率達87%，對營養(yǎng)物質無任何破壞，且在15條件下保鮮4 5 h，仍有優(yōu)良的感官性能。共四十頁282022/7/292.8.3 醬油(jingy

20、u)醬油是采用大豆(或豆餅)、小麥粉、麥麩、食鹽等為原料，經微生物發(fā)酵而得到的一種液態(tài)食品，具有營養(yǎng)豐富、濃度高、粘度大、微生物存活總數多等特點。它在生產過程中極易受到有害細菌、霉菌等的污染，氣溫高于20時，在醬油表面易出現白色的斑點，繼而加厚，會形成皺膜，顏色由白色變成黃褐色，此即為醬油生霉，生霉的醬油濃度變淡，鮮味(xin wi)減少，營養(yǎng)成分被雜菌消耗，嚴重影響醬油的質量。用超聲波對醬油進行殺菌對比實驗，發(fā)現用超聲波處理醬油5min，殺菌率為72.9%，處理l0min，殺菌率為75%，略低于巴氏殺菌72時的殺菌率78.7%。超聲波消毒特點是速度快，無外來添加物，對人體無害，對物品無損傷。

21、共四十頁肉制品的嫩化技術很多，常用(chn yn)的主要包括物理嫩化（滾揉，吊掛和電刺激）、化學嫩化（添加磷酸鹽、鈣鹽）和生物嫩化（添加木瓜蛋白酶等）。延長肉與超聲波的作用時間可使肉獲得明顯的嫩化效果。應用超聲波對肉進行處理可使肌纖維蛋白迅速釋放, 肌纖維蛋白主要對肉制品中各組分起粘連作用。因而超聲波技術可改善肉制品持水性、嫩化度及凝聚能力等物理性質。292022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用2.9 超聲嫩化超聲波肉嫩化控制箱共四十頁經過超聲波處理的羊肉在自然界成熟的過程中，肌原纖維的小片程度加快，可溶性蛋白(dnbi)的濃度也有所增加，剪切力較對照組很快降低初步得出頻率40kHz

22、，電功率1000W，強度為1.33W/cm的超聲波水浴處理可使山羊肉提前3天成熟6 。302022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用共四十頁 超聲波輻射由于具有強烈的定向效應，有補充和加強為形成臨界晶核所需的波動作用，故能加速起晶過程。超聲波在結晶過程中，既可使飽和溶液的固體溶質產生迅速而平緩的沉淀，又可加速晶體生長，并且可防止晶體在冷凍條件下結殼，從而確保連續(xù)有效的傳熱作用，具有明顯的效果。在超聲作用下，飽和溶液內會形成大量的結晶中心，并且形成晶體的大小受超聲頻率與強度所控制，因此(ync)可通過控制超聲作用獲得不同粒度的均勻的晶體沉淀物。目前，已被用于糖漿的結晶過程，從而得到各種均

23、勻粒度的糖粒；此外也有將低其應用于味精的結晶過程，使晶體產量提高8%以上7。312022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用2.10 超聲控制結晶共四十頁322022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用2.11 超聲過濾(gul) 許多工廠（食品、化工等）均需要分離出液體中的固體懸浮物，這種分離既可用于固液分離也可用于分離母液中的固體。超聲輻射的兩個特殊效應可促進過濾過程：（1）聲波可促使微小粒子的凝聚從而加速過濾速度；（2）可為系統提供足夠的振動能量以保持粒子部分處于懸浮狀態(tài)從而為溶解洗脫留出更多自由通道。 將這一技術用于水果提取物和飲料時，可提高蘋果漿過濾取蘋果汁的效率共四十頁

24、 低強度超聲波不僅可用于提供許多食品的物化特性信息，還可用于檢測其組成情況，諸如不同食品原料的結構和物理特性。由于測定過程(guchng)迅速、非破壞性、精確、全部自動化及可用于實驗室或在線檢測等特點，因此賦予超聲波有許多優(yōu)于傳統分析技術的優(yōu)點。還可以利用超聲波測量儀表使食品生產全盤自動化，可以制造出控制工藝過程(guchng)進行、監(jiān)測密閉容器液面、測定粘度等儀器。工業(yè)化的有效使用主要包括：固體及液體食品的質地、粘性及含量測定；蛋類、肉類、蔬菜瓜果類、乳制品及其它產品的成分檢測。332022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用2.12 超聲分析檢測共四十頁 利用超聲波在洗滌液中傳播時邊

25、產生氣泡邊消失的現象以及超聲波對洗滌劑產生的乳化作用，可應用于果蔬及糧食加工中的清洗作業(yè)，其特點是系統可省去機械運動部件、洗滌效果好、速度快、質量高、操作簡單、易于實現自動化；清洗效果的好壞要選擇一個適當的功率、頻率及清洗溫度(wnd)，并且與清洗物品的安放及清洗溶液的選擇都有一定關系8 。342022/7/29高強度超聲波技術(jsh)的應用2.13 超聲清洗和除沫共四十頁應用超聲波技術在食品工業(yè)對各種食品性能的檢測和改善已經取得較大成功。在某些領域超聲技術有其它技術無可比擬的優(yōu)點(yudin)。低強度超聲波技術操作費用便宜，且測量速度快，準確 ，能實現在線操作，不干擾生產，不破壞介質的物化

26、性質及能應用于非透明體系。但是目前食品工業(yè)還未大量應用這一技術，這種情形隨著食品科學家對這些技術潛在價值的進一步認識和能獲得性能價格比合適的超聲波儀器設備而得到改變。352022/7/29三. 超聲波在食品工業(yè)中應用(yngyng)的未來展望共四十頁高強度超聲技術多年來一直應用在食品的物理化學改性領域，然而大多數還停留在實驗室水平，為生產人員所轉化(zhunhu)為大規(guī)模生產技術不多。高強度超聲技術的應用主要受該類儀器設備造價昂貴這一瓶頸限制。顯然，使這類儀器造價降低具有重大商業(yè)技術科研意義，這樣超聲技術的諸多優(yōu)點才能更充分顯現出來362022/7/29三. 超聲波在食品工業(yè)中應用的未來(wili)展望共四十頁 總之(zngzh)，隨著食品工業(yè)