超聲波在食品工業(yè)的應(yīng)用

超聲波在食品工業(yè)的應(yīng)用第1頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四低強(qiáng)度超聲波技術(shù)高強(qiáng)度超聲波技術(shù)超聲技術(shù)的分析測(cè)定原理低強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用高強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用超聲波技術(shù)在輕工業(yè)中的應(yīng)用1第2頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲波技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用依能量強(qiáng)度主要分為兩大類(lèi):低強(qiáng)度超聲波技術(shù)低強(qiáng)度超聲波由于能量低,當(dāng)超聲波通過(guò)體系時(shí)不會(huì)對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生物化破壞作用。通常應(yīng)用于食品分析檢測(cè)領(lǐng)域,提供食品組成,質(zhì)構(gòu)及流變學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)。高強(qiáng)度超聲波技術(shù)高強(qiáng)度超聲波因?yàn)槟芰扛咦阋允菇橘|(zhì)發(fā)生物理裂解和加速某些化學(xué)反應(yīng)。用于促進(jìn)乳化，破解細(xì)胞壁和分散聚沉物等。最近,超聲波技術(shù)已應(yīng)用于食品起晶過(guò)程的控制、酶活力的鈍化、肉的嫩化、加速干燥、縮短過(guò)濾時(shí)間及促進(jìn)氧化反應(yīng)等領(lǐng)域。1第3頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲技術(shù)的分析測(cè)定原理大多數(shù)超聲設(shè)備為脈沖式或連續(xù)式。脈沖技術(shù)因易于操作,測(cè)量迅速,不干擾生產(chǎn)且容易自動(dòng)化而被廣泛使用。最簡(jiǎn)單且被廣泛使用的超聲波技術(shù)為脈沖技術(shù)。電子脈沖經(jīng)超聲波發(fā)送探頭轉(zhuǎn)變?yōu)槌暶}沖,傳播到測(cè)樣室的遠(yuǎn)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(fù)原為電子脈沖,脈沖信號(hào)顯示在計(jì)時(shí)器上。因?yàn)槌暡ㄖ挥胁糠直晃?部分被反射回,計(jì)時(shí)器將會(huì)顯示一系列強(qiáng)度不同的信號(hào)。聲速、衰減系數(shù)、聲音阻抗三超聲參數(shù)可由返回的信號(hào)進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)測(cè)出介質(zhì)體系的超聲波參數(shù)便可以對(duì)食品體系的各種性質(zhì)進(jìn)行分析檢測(cè),這就是超聲技術(shù)用于食品領(lǐng)域的分析檢測(cè)原理。1第4頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）聲速測(cè)定

當(dāng)一個(gè)平面波通過(guò)介質(zhì)時(shí),超聲波性質(zhì)與介質(zhì)的物理性質(zhì)可用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式關(guān)聯(lián):（Κ/ω）2=ρ/Е由于衰減系數(shù)α<<ω/C,Е和ρ基本上與f無(wú)關(guān),動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)定的數(shù)值相差很小。上式簡(jiǎn)化為:c2=Е/ρ只要測(cè)出介質(zhì)的聲速,即可探知介質(zhì)的物理性質(zhì)。所以可通過(guò)檢測(cè)超聲波性質(zhì)的區(qū)別或變化來(lái)定性或定量監(jiān)測(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)甚至分子水平的變化。1第5頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）衰減測(cè)定當(dāng)聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí),其振幅會(huì)出現(xiàn)減小。這種聲波衰減主要是由于傳遞過(guò)程中聲波能量發(fā)生吸收和散射。吸收的機(jī)理可能是聲能在過(guò)程中被轉(zhuǎn)化成了其它形式的能量(最終成為熱能)。而散射則是當(dāng)聲波入射到一個(gè)介質(zhì)不連續(xù)處(如分散粒子的表面或其它兩相界面)時(shí),它會(huì)被散射而偏移入射波方向。不同于吸收機(jī)理的是散射機(jī)理中超聲波的能量形式上并不發(fā)生改變,但由于被散射到其它方向以及相位發(fā)生了變化,所以接收器難以檢測(cè)到這些能量。1第6頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四通常超聲波在液態(tài)介質(zhì)中的吸收表現(xiàn)為三種基本形式:熱傳導(dǎo)、粘滯耗散和分子弛豫衰減系數(shù)a可以表述為:A=A0exp(-ad)A為聲波通過(guò)介質(zhì)后檢測(cè)到的振幅,A0為初始振幅,d為聲波通過(guò)的距離。衰減系數(shù)的測(cè)定與測(cè)量聲速的原理相同,只不過(guò)此時(shí)測(cè)量的參數(shù)不是時(shí)間而是示波器上相鄰回波的振幅及其變化。1第7頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（3）聲學(xué)阻抗測(cè)定當(dāng)一超聲波入射到兩不同介質(zhì)所形成的界面時(shí),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(shù)(R)。R=Ar/Ai=(Z1-Z2)/(Z1+Z2)其中Z表示聲學(xué)阻抗(Z=ρc)當(dāng)介質(zhì)與其周?chē)h(huán)境的聲學(xué)阻抗性質(zhì)接近時(shí),只有極少量的超聲波被反射回。相反,當(dāng)兩介質(zhì)的聲學(xué)阻抗差別大時(shí),超聲波大部分被反射回。超聲顯影技術(shù)即建立在超聲波從聲學(xué)阻抗性質(zhì)不同介質(zhì)的內(nèi)部邊界反射回這一原理上的。聲速、衰減系數(shù)、聲學(xué)阻抗均為超聲波的基本物理參數(shù),都依賴于介質(zhì)的結(jié)構(gòu),組成等性質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)。因此通過(guò)測(cè)量聲學(xué)阻抗可以獲取食品體系的一些物理性。1第8頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四低強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用低強(qiáng)度超聲波技術(shù)應(yīng)用于食品領(lǐng)域的定性測(cè)量約始于上世紀(jì)40年代,這項(xiàng)技術(shù)一直到最近才得到研究人員的重視,這主要由如下三方面原因:a、食品工業(yè)界越來(lái)越重視形成一項(xiàng)分析檢測(cè)復(fù)雜食品體系新技術(shù),包括監(jiān)控加工過(guò)程食品理化性質(zhì)的變化,而超聲波技術(shù)能夠滿足這些要求。b、超聲波儀器能實(shí)行全自動(dòng)操作,檢測(cè)快速,精度能滿足食品分析的要求,且低強(qiáng)度超聲波技術(shù)檢測(cè)時(shí)不破壞體系的物化性質(zhì)同時(shí)能不干擾生產(chǎn)并能實(shí)現(xiàn)在線操作,另外能應(yīng)用于光學(xué)非透明體系,這彌補(bǔ)了光學(xué)檢測(cè)儀的一些不足。c、微電子技術(shù)的快速發(fā)展降低了超聲波儀器設(shè)備的造價(jià)。超聲分析測(cè)量技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要基于可測(cè)量的超聲波的幾個(gè)主要特征參數(shù)(聲速、衰減系數(shù)和聲學(xué)阻抗)能反映食品體系物化特性參數(shù)(如組成、質(zhì)構(gòu)和流變學(xué)等物理性質(zhì))。1第9頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）測(cè)定介質(zhì)的厚度超聲儀器設(shè)備能準(zhǔn)確測(cè)定介質(zhì)的厚度。將一超聲波發(fā)送探頭安放在待測(cè)介質(zhì)原料的一端,并使脈沖超聲波輸送到待測(cè)樣中。測(cè)出超聲波脈沖穿過(guò)待檢樣并返回到探頭的時(shí)間t,則只要測(cè)出超聲波在檢樣中的傳播速度c就能確定檢樣的厚度(d=ct/2)。目前此技術(shù)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(cè)定。1第10頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）探測(cè)食品中的雜質(zhì)異物食品加工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)被金屬屑,玻璃碎片及木屑等雜質(zhì)污染。這些雜質(zhì)的存在嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的品質(zhì),必須予以檢出剔除。測(cè)定原理是將一超聲波脈沖被導(dǎo)入檢樣中時(shí)脈沖將從所遇到的所有介質(zhì)表面反射回來(lái),由于雜質(zhì)和產(chǎn)品成分聲學(xué)阻抗存在明顯差異,表現(xiàn)出來(lái)的超聲波性質(zhì)也明顯不同,所以能將雜質(zhì)檢測(cè)出來(lái)。待檢樣中若存在玻璃等雜質(zhì)時(shí),通過(guò)測(cè)定超聲波從該雜質(zhì)反射回來(lái)和從檢樣室遠(yuǎn)端器壁反射回的時(shí)間差異能檢測(cè)到該雜質(zhì),另外通過(guò)移動(dòng)超聲波發(fā)生器至樣品周?chē)母鱾€(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)可進(jìn)一步確定雜質(zhì)的大小和位置。1第11頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（3）食品組成的測(cè)定食品品質(zhì)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(shù)在測(cè)定食品組成方面潛力巨大。超聲波技術(shù)測(cè)量食品組成的原理是各不同成分的超聲波性質(zhì)存在差異,如聲速、衰減系數(shù)和聲學(xué)阻抗。差別越大,越易鑒別食品的組成狀況。比如,20oC時(shí)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(cè)量一溶液中速度低至0.4m.s-1超聲波時(shí)較為簡(jiǎn)單,利用超聲波技術(shù)可準(zhǔn)確測(cè)量到濃度低達(dá)0.1%的糖液濃度。目前這項(xiàng)技術(shù)已成功用于測(cè)量各種不同果汁及飲料中的糖濃度。1第12頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（4）流速的測(cè)定在許多食品加工操作中,控制食品物料流速的大小顯得非常重要,科研人員已研制出一系列用來(lái)測(cè)量食品物料流經(jīng)一管子的流速,如Doppler流速計(jì)。超聲波流速計(jì)的測(cè)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(jì)一般測(cè)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(jì)可被用來(lái)定性測(cè)定流體流經(jīng)一管子的截面狀態(tài)參數(shù)。許多超聲波流速計(jì)被用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)定流體中不同組分的流速而不是局限于測(cè)定單一流體的流速。1第13頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1流速計(jì)第14頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（5）乳狀液分層的檢測(cè)超聲在食品工業(yè)另一日益廣泛的應(yīng)用是用來(lái)觀測(cè)乳狀液和懸浮液是否發(fā)生分層。一般情況下油的密度低于水的密度,這導(dǎo)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(huì)因沉淀而致使液體分層。起泡和沉淀的發(fā)生經(jīng)常影響到一些產(chǎn)品的貨架壽命。應(yīng)用超聲波技術(shù)測(cè)定聲波在體系中的傳播速度或衰減系數(shù)能給產(chǎn)品貨架壽命的確定提供重要參考數(shù)據(jù)。這一技術(shù)可完全自動(dòng)化且能在肉眼無(wú)法看到的時(shí)候檢測(cè)到。另外,此技術(shù)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。1第15頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（6）相轉(zhuǎn)變的監(jiān)測(cè)許多食品在制造、貯存會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變。相轉(zhuǎn)變的發(fā)生主要是因?yàn)槭称分泻袝?huì)發(fā)生融解或結(jié)晶的成分,如糖分、油及水分。由于融解或結(jié)晶過(guò)程體系的超聲波性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化,因此能用超聲波技術(shù)對(duì)相轉(zhuǎn)變實(shí)行監(jiān)測(cè)。固體的超聲波速度明顯大于液體,所以當(dāng)樣品中的成分發(fā)生結(jié)晶時(shí),超聲波速度會(huì)明顯增加。而融解時(shí)則明顯降低。實(shí)際應(yīng)用中常常通過(guò)測(cè)定波速來(lái)檢測(cè)蛋黃醬、人造奶油是否發(fā)生相轉(zhuǎn)變的發(fā)生。1第16頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用高強(qiáng)度超聲波因能量高,能在介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)大壓力、剪切力和高溫,改變介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)、促進(jìn)某些化學(xué)變化。食品工業(yè)中高強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，早期應(yīng)用包括細(xì)胞的破解、液體脫氣、超聲清洗和分散聚沉物等。近年來(lái)高強(qiáng)度超聲不斷應(yīng)用于食品工業(yè)新領(lǐng)域。1第17頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）超聲殺菌高強(qiáng)度超聲波因能產(chǎn)生高壓,強(qiáng)剪切力和高溫而用于殺滅微生物。目前超聲波殺菌技術(shù)已應(yīng)用于食品工業(yè)。超聲波殺菌與熱處理加氯處理等殺菌技術(shù)配合使用時(shí)更有效。1第18頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）超聲嫩化延長(zhǎng)肉與超聲波的作用時(shí)間可使肉獲得明顯的嫩化效果。應(yīng)用超聲波對(duì)肉進(jìn)行處理可使肌纖維蛋白迅速釋放,肌纖維蛋白主要對(duì)肉制品中各組分起粘連作用。因而超聲波技術(shù)可改善肉制品持水性、嫩化度及凝聚能力等物理性質(zhì)。1第19頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四應(yīng)用超聲波技術(shù)的輕工業(yè)產(chǎn)品超聲波洗衣機(jī)超聲波牙刷超聲波加濕器1第20頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲波洗衣機(jī)

根據(jù)超聲波能量集中，在液體中能產(chǎn)生高溫和空化作用的原理，日本一家公司開(kāi)發(fā)出一種新型超聲波洗衣機(jī)。洗衣時(shí)，洗衣機(jī)把超聲波和空氣流一起壓入水中，從而使衣物上的油脂或污垢脫離纖維，將衣服洗干凈。其主要優(yōu)點(diǎn)是不用洗滌劑，不損傷織物的纖維，而且比一般洗衣機(jī)工作得既快又干凈。1第