1、。超聲波殺菌技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)用一、超聲殺菌效果超聲殺菌的機(jī)理是基于超聲生物、物理和化學(xué)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)在含有空氣或其它氣體的液體中， 在超聲輻射下， 主要由于空化的強(qiáng)烈機(jī)械作用能有效地破壞和殺死某些細(xì)菌與病毒或使其喪失毒性。 例如熒光細(xì)菌在超聲作用下會(huì)受到破壞，大腸桿菌族細(xì)菌也有同樣的結(jié)果。傷寒沙門(mén)氏菌可以用 4.6MHz頻率的超聲來(lái)全部殺死。用 960kHz 的超聲在水溶液和生理鹽水中作用于百日咳菌，發(fā)現(xiàn)超聲對(duì)這些微生物有顯著的破壞作用。在輻射各種細(xì)菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌死亡的同時(shí)，發(fā)生了細(xì)菌的自溶，即形態(tài)結(jié)構(gòu)也受到破壞， 以至在超聲作用以后不僅培養(yǎng)物中的菌落數(shù)目減少， 而且在形態(tài)上保留原狀的細(xì)

2、菌也減少了。 受過(guò)輻射的殺菌懸浮液的渾濁程度也減小， 透明度提高，這是由于每個(gè)單個(gè)細(xì)胞組成膠體的分散程度的減小和細(xì)胞囊的溶解 （這表現(xiàn)為溶液中含氮化合物的增加和細(xì)菌的減?。┧隆６⒂绊憵⒕Ч囊蛩?聲強(qiáng)為了在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空化效應(yīng)（這是殺菌的主動(dòng)力），聲強(qiáng)的必要條件是大于具體情況下的空化閾值。據(jù)研究，殺菌所用的聲強(qiáng)最低也要大于1W/cm2。聲強(qiáng)增大，聲空化效應(yīng)增強(qiáng)， 殺菌效果增強(qiáng)，但也使聲散射衰減增大； 同時(shí)，聲強(qiáng)增大所引起的非線性附加聲衰減亦隨之增大， 因而為取得同樣的殺菌效果所付出的功率消耗增加。 當(dāng)聲強(qiáng)超過(guò)某一界限時(shí)， 空化泡在聲波的膨脹相內(nèi)可能增長(zhǎng)過(guò)大，以至它在聲波的壓縮相內(nèi)來(lái)不及

3、發(fā)生崩潰， 使空化效應(yīng)反而減弱， 殺菌效果會(huì)下降。 可見(jiàn)，為獲得滿意的超聲殺菌效果， 沒(méi)有必要無(wú)限制的追求提高聲強(qiáng)，一般情況殺菌聲強(qiáng)宜于取在161W/cm2的范圍內(nèi)。2頻率頻率越高，越容易獲得較大的聲壓和聲強(qiáng)。另一方面，隨著超聲波在液體中傳播，液體中微小核泡被激活，有振蕩、生長(zhǎng)、收縮及崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程所表現(xiàn)的超聲空化效應(yīng)也越強(qiáng)， 從而超聲波對(duì)微生物細(xì)胞繁殖能力的破壞性也就越明顯，宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的微生物滅菌效果就越好。但頻率升高，聲波的傳播衰減將增大。因此，一般說(shuō)來(lái)，為了獲得同樣的殺菌效果，對(duì)于高頻聲波則需要付出較大的能力消耗。 例如有報(bào)道， 為了在水中獲得空化，使用 400kHz 超聲所

4、消耗的功率， 要比使用 10kHz 的超聲高出 10 倍。由于這個(gè)原因，目前用于超聲殺菌的超聲頻率多選擇早2050kHz。-可編輯修改 -。3殺菌時(shí)間隨著殺菌時(shí)間增加， 殺菌效果大致成正比增加， 但進(jìn)一步增加殺菌時(shí)間， 殺菌效果并沒(méi)有明顯增加， 而趨于一個(gè)飽和值。 對(duì)其它的聲化學(xué)反應(yīng)也如此。 因此一般的殺菌時(shí)間都定在 10min 內(nèi)。另外還有一個(gè)問(wèn)題必須引起充分注意， 隨著殺菌時(shí)間的增加，介質(zhì)的溫升會(huì)加大，這對(duì)于某些熱敏性的食品殺菌是不利的。4超聲波形的影響超聲殺菌可取連續(xù)波和脈沖波兩種波形。連續(xù)波工作時(shí)，聲能在整個(gè)殺菌過(guò)程中不斷連續(xù)作用。 而脈沖是間斷作用的， 可防止介質(zhì)的顯著熱效應(yīng)， 這對(duì)

5、與熱敏性食品的殺菌是有利的。 有研究認(rèn)為在進(jìn)行超聲殺菌時(shí)， 利用混響聲場(chǎng)要比行波聲場(chǎng)有效得多， 在同樣的超聲能量輸入條件下， 可達(dá)到高得多的殺菌效果。 當(dāng)使用脈沖超聲波時(shí)， 為使穩(wěn)定的混響場(chǎng)得以建立， 以期獲得高的殺菌效率， 應(yīng)使脈沖寬度有足夠的寬余 （一般取 10ms左右）；在保證穩(wěn)定的混響場(chǎng)聲場(chǎng)得以建立的情況下，所獲得的殺菌效率等效于連續(xù)波輻射。三、超聲波在食品工業(yè)上的具體應(yīng)用1. 超聲波解凍大塊凍結(jié)食品在空氣、水中解凍很慢，增加加工成本，浪費(fèi)時(shí)間。Shore 等人 (1986) 發(fā)現(xiàn)，超聲波在凍結(jié)肉制品中比在末凍結(jié)組織中衰減程度大，也就是說(shuō)，已凍結(jié)的區(qū)域?qū)Τ暡ǖ奈毡任磧鼋Y(jié)的區(qū)域要高出

6、幾十倍， 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。 即，超聲波大部分能量將被食品中處于凍結(jié)臨界區(qū)域的組織吸收。Miles 等發(fā)現(xiàn)， 500kHz 0.5W 每平方厘米， 1015cm 厚的冷凍牛肉，豬肉在1.5 2.5h 內(nèi)即可完全解凍。超聲波解凍后局部最高溫度與超聲波的加載方向、超聲波的頻率和超聲強(qiáng)度有關(guān)。2. 干燥、除沫超聲波在液體表面形成超聲噴霧（可用來(lái)除沫） ，并使液體產(chǎn)生空化，大大增加了液體的蒸發(fā)面積。 具有干燥速度快、 溫度低，最低含水率低且具有物料不被破壞等優(yōu)點(diǎn)而適用于食品、藥品及生化制品的熱敏性物質(zhì)的干燥。超聲波干燥常用頻率為16 50kHz，聲強(qiáng)大于 150d

7、B。Boucher 超聲波干燥蔗-可編輯修改 -。糖，迅速使水分降至1.2 ，繼續(xù)處理16min，可除去所有水分。一般的噴霧干燥只能用與粘度比較低的物料，而超聲波干燥可用于粘度較高的物料。 3. 分離、提取超聲波能夠增大溶劑向原料細(xì)胞的滲透量并強(qiáng)化傳質(zhì)， 因此它可以明顯地加速植物體和種子中有機(jī)成分的提取過(guò)程。 功率超聲波還能破壞細(xì)胞壁， 釋放細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)。功率超聲用于過(guò)濾系統(tǒng)， 可以防止過(guò)濾阻塞， 使過(guò)濾速度提高幾倍至幾百倍，原因：1. 超聲輻照會(huì)使過(guò)細(xì)的顆粒發(fā)生凝聚， 從而使過(guò)濾速度加快； 2. 超聲輻照向系統(tǒng)提供足夠的振動(dòng)能量， 使部分粒子保持懸浮， 為溶劑的分離提供較多的自由通道。在食品

8、加工中應(yīng)用超聲可以使膜分離的效率提高若干倍。甜菜提蔗糖， 19.3kW 超聲波，提取時(shí)間縮短一半，產(chǎn)量提供10； 400kHz超聲波處理醬油， 1 2min 可使醬油澄清， 1 年內(nèi)可保持穩(wěn)定；葡萄酒常規(guī)方法澄清要 4 10 天，超聲波 12 小時(shí)。 4. 乳化、均質(zhì)超聲波產(chǎn)生的空化氣泡在崩潰時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波合射流作用，使細(xì)胞壁破裂， 從而剪切生物大分子或液體中的分散物質(zhì)，達(dá)到乳化均質(zhì)效果。對(duì)水劑胡蘿卜素進(jìn)行超聲波乳化，粒徑可以達(dá)到1.2um。超聲波處理牛乳使脂肪球的大小顯著降低，在 75.5 ， 20KHz 的超聲波處理 102.3s ，能使脂肪球由 2.79 3.05um 降到 0.57 0

9、.95um。產(chǎn)生更加良好的分子分布態(tài)，形成均質(zhì)牛奶，避免乳油化，提高消化率。5. 輔助結(jié)晶超聲波能影響溶液成核及冰晶生長(zhǎng)， 改善溶液的結(jié)晶過(guò)程， 其空化效應(yīng)還能有效地阻止晶體在冷卻表面上的積聚， 從而確保連續(xù)高效的換熱。 因此，超聲波能用于需要控制結(jié)晶過(guò)程的場(chǎng)合。超聲波加速結(jié)晶效應(yīng)在酒類(lèi)催陳中得到應(yīng)用，據(jù)報(bào)道，超聲波能使重酒石酸鉀鹽的沉淀時(shí)間由410 天減少到 1.5 2 小時(shí)。對(duì)于草莓等質(zhì)軟的水果， 冷凍后口味邊差。其原因：在凍結(jié)過(guò)程中形成的冰晶量少個(gè)大，使大量細(xì)胞破裂。超聲波，導(dǎo)致“熱點(diǎn)效應(yīng)” ，形成改溫度下最小晶體的晶胞及晶核，加快冰核的形成，使冰核數(shù)增多，冰晶最終的尺寸減小，對(duì)細(xì)胞的破

10、壞作用減少。而且，由于冰晶分布更加均勻，加速了傳熱過(guò)程，使凍結(jié)時(shí)間大大縮短。6. 殺菌超聲波對(duì)傳播媒介的相互作用使其蘊(yùn)藏著巨大的能量，這種能量能在短時(shí)間內(nèi)足以起到殺滅和破壞微生物的作用：-可編輯修改 -。利用頻率大于20kHz 的超聲波處理對(duì)液態(tài)食品的殺菌是有效的，當(dāng)累積滅菌時(shí)間達(dá) 4min 時(shí)。所處理的醬油樣品的微生物總數(shù)指標(biāo)達(dá)到了合格標(biāo)準(zhǔn)。在一定壓力下，將超聲波與加熱處理相結(jié)合的處理比單獨(dú)使用超聲波處理需要時(shí)間短，效果更好，國(guó)外特此法稱為 MTS法，但對(duì)處理時(shí)間、壓力、溫度、聲頻或聲強(qiáng)的具體參數(shù)需大量時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)而確定， 在這方面的研究目前尚很缺乏， 有待進(jìn)一步研究，且對(duì)超聲波殺茵的具體原

11、理也應(yīng)深究。7. 超聲波檢測(cè)根據(jù)聲波在流動(dòng)媒質(zhì)中的傳播速度與靜止媒質(zhì)中的不同而制成的，從測(cè)量超聲波在順流方向與逆流方向的傳播速度差值, 即可確定媒質(zhì)的流速。在生產(chǎn)麥芽汁等產(chǎn)品時(shí)，將超聲波探頭安裝在生產(chǎn)管道的外側(cè)，就可以測(cè)定管內(nèi)介質(zhì)的濃度和溫度，且精度優(yōu)于千分之二。通過(guò)對(duì)乳液或肉質(zhì)的超聲頻譜分析，可以鑒別牛奶中水分含量和肉質(zhì)結(jié)構(gòu)。超聲波還可以測(cè)定混合體系中各組分的含量。油脂中固態(tài)組分含量、 方便面中油脂的含量； 尤其是能夠檢測(cè)活體畜禽如豬、羊等肉的質(zhì)地、脂肪含量和脂肪厚度等。提高原料的質(zhì)量具有重要意義。超聲波能迅速定量化檢測(cè)充氣食品中氣泡大小和氣體含量。在卑酒、冰棋淋、面包、餅干等生產(chǎn)中應(yīng)用較多

12、。8. 生物學(xué)、生物化學(xué)效應(yīng)研究表明，超聲波能夠在不破壞細(xì)胞壁的情況下促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，這一特性已被用于提高食品的產(chǎn)量。例如，用低功率超聲波活化液體營(yíng)養(yǎng)介質(zhì)，能夠促進(jìn)藻類(lèi)細(xì)胞的生長(zhǎng)，將蛋白質(zhì)的產(chǎn)量提高三倍。超聲波對(duì)魚(yú)卵的孵化過(guò)程也有明顯影響。每天用頻率為1MIh 的超聲波輻照魚(yú)卵三次，每次35 分鐘，會(huì)使泥鍬的孵化時(shí)間從72 小時(shí)減少到 60 小時(shí)。不僅如此，超聲輻照還能提高魚(yú)卵的孵化率以及已孵化出的小魚(yú)的成活率。此外，還能促進(jìn)種子發(fā)芽。以強(qiáng)度為0.7w 每平方厘米的超聲波對(duì)浸在水中的蓮花種子進(jìn)行10 分鐘的輻照，能將其發(fā)芽率提高30。適當(dāng)?shù)某暡ㄌ幚?，可以增?qiáng)或減弱某些酶的活性、激活固定化酶、加速細(xì)胞新陳代謝等。 如，生產(chǎn)低乳糖酸奶， 超聲波可激活 - 半乳糖酶，使乳糖水解。用 7MHz 超聲波處理固定于多孔聚苯乙烯上的 - 淀粉酶，可使其活力提高 2.5倍。用低功率超聲波處理液體營(yíng)養(yǎng)液可增加其中藻類(lèi)細(xì)胞的生長(zhǎng)速度。四、總-可編輯修改 -。結(jié)我覺(jué)得超聲波殺菌技術(shù)在一定程度上是可行的，首先，因?yàn)樗且环N無(wú)污染的，潔凈的殺菌方式，而且它從某種程度上來(lái)說(shuō)是比較容易實(shí)現(xiàn)的，其次，它的效率比較高，而且相對(duì)比較容易控制。但是，它也有一定的局限性，它只