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1超聲波技術(shù)在食品工業(yè)方面的應(yīng)用
1.1超聲提取
超聲輔助提取技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型分離技術(shù)。與常規(guī)的提取技術(shù)相比,超聲波輔助提取技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)、安全、高效等特點(diǎn)。在空化場(chǎng)的作用下,瞬間壓力的增大和減小產(chǎn)生胞壁內(nèi)外的壓力差,致使目標(biāo)提取物從撕裂處釋放,從而達(dá)到提取的目的。另外,超聲波的熱作用和機(jī)械作用也能促進(jìn)超聲波強(qiáng)化提?。?]。目前在超聲提取技術(shù)的使用中,較多采用的是單頻率進(jìn)行超聲提取,但是單頻超聲波較易產(chǎn)生駐波,使得空化時(shí)間減少,無(wú)法最大程度發(fā)揮超聲波輔助功效。近年來(lái),有學(xué)者研究了一種能達(dá)到兩種頻率超聲波疊加效果的自聚焦型超聲換能器,通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該換能器可以實(shí)現(xiàn)雙波疊加并發(fā)生聲散射效應(yīng)。復(fù)頻換能器產(chǎn)生的兩列聲波可以發(fā)生聲散射,使聲場(chǎng)頻譜變寬,為更大范圍的空化核提供產(chǎn)生空化效應(yīng)的機(jī)會(huì)。目前對(duì)組合超聲強(qiáng)化浸取作用機(jī)理還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的說(shuō)法,有待于研究。相對(duì)于應(yīng)用較多的間歇超聲提取,連續(xù)提取在工業(yè)上更具有應(yīng)用前景。曹雁平等[4]設(shè)計(jì)的L型螺旋式連續(xù)逆流浸取器,能將連續(xù)逆流浸取的優(yōu)點(diǎn)和超聲波浸取的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合,進(jìn)一步提高浸取效率。M.Corrales等人[5]對(duì)從葡萄中提取花青素進(jìn)行了研究,比較了超聲波提取、靜水壓法和脈沖電場(chǎng)法對(duì)從葡萄中提取花青素的能力,利用70℃下頻率為35kHz的超聲波輔助提取1h,酚含量達(dá)到50%,是600MPa靜水壓力法的4倍,3kV/cm2脈沖電場(chǎng)法的3倍,個(gè)別花色苷的提取效果更好。E.Sanz等人[6]利用超聲場(chǎng)從大米中提取砷,提取率達(dá)到95%,提取時(shí)間只需幾分鐘,比傳統(tǒng)提取方法減少數(shù)小時(shí)。V.Matthieu等人[7]利用超聲法提取蘋(píng)果渣中的多酚物質(zhì),以15%的乙醇溶液萃取,固液比50%,結(jié)果表明,超聲助提取使提取率提高20%。S.Venk等人[8]利用超聲技術(shù)從甜菜中提取色素,在溫度45℃,超聲功率80W下,用1∶1的乙醇-水提取,使提取率提高8%。曹雁平[9]、程偉[10]、莫英杰[11]、劉玉德[12]、張斌[13]、梁華[14]、王靜[15]、馬空軍[16]等人對(duì)利用超聲技術(shù)從植物中提取茶多酚、黃芩苷、大蒜素、姜黃素等有效物質(zhì)及超聲技術(shù)應(yīng)用于食品工業(yè)中的提取過(guò)程進(jìn)行了深入研究,結(jié)果表明,超聲輔助提取技術(shù)可以加快提取速度,提高提取效率。但在超聲輔助提取過(guò)程中,對(duì)植物的有效成分是否被破壞,以及破壞程度,還沒(méi)有系統(tǒng)地研究,這還需要超聲技術(shù)研究工作者的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。
1.2超聲破壁與促進(jìn)滲透
超聲波處理過(guò)程中,空化效應(yīng)釋放巨大能量,使細(xì)胞破裂以達(dá)到破壁的目的。S.Aparna和M.N.Gupta[17]研究了從杏仁中提取杏仁油的工藝,其首先利用功率為70W的超聲波,在pH4、溫度40℃的環(huán)境下處理2min,使杏仁細(xì)胞壁破裂,幫助提取溶劑更有效地與目標(biāo)提取物接觸,使提取時(shí)間縮短為6h,提取率提高77%,效果明顯。
1.3超聲均質(zhì)與乳化
利用超聲波在液體中的空化作用來(lái)達(dá)到均質(zhì)效果。M.L.Melissa等人[18]利用20kHz超聲處理濃度為28%玉米漿3h,處理能力為10~28L/min,均質(zhì)效果比傳統(tǒng)方法提高2~3倍;通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),超聲處理大大降低了玉米漿的粒度,使粒度從1200μm降至平均361.8μm,從而達(dá)到均質(zhì)的目的。S.Kentish等人[19]將超聲乳化技術(shù)應(yīng)用于飲料業(yè),用頻率為20~24kHz的超聲波,使亞麻籽油和水的混合物分子形成粒度135nm大小的乳液,液滴大小和超聲功率成正比,從而提高乳化效率。
1.4食品保鮮
利用超聲波空化效應(yīng)在液體中產(chǎn)生的瞬間高溫及瞬間高壓使液體中某些細(xì)菌致死,病毒失活,延長(zhǎng)蔬菜等食品的保鮮期。超聲滅菌是一種有效的非熱處理的滅菌方法,對(duì)比研究超聲滅菌和傳統(tǒng)滅菌法對(duì)奶制品的作用效果,超聲滅菌效果較好[20]。ShifengCao等人[21],利用超聲波處理采后草莓,其研究了功率250~450W,頻率40kHz,處理時(shí)間5~15min條件下超聲波對(duì)采后草莓的滅菌效果,結(jié)果表明,功率為250W的超聲,處理時(shí)間9.8min,使5℃下保存8d的草莓腐爛率最低。M.Valero等人[22]利用超聲對(duì)桔汁的加工過(guò)程進(jìn)行處理,用頻率500kHz、功率240W的超聲處理15min,防止了桔汁中食源性致病菌的生長(zhǎng),降低了產(chǎn)品中細(xì)菌、酵母和霉菌的濃度,并沒(méi)有影響桔汁的品質(zhì)和顏色。
1.5超聲強(qiáng)化酶促反應(yīng)
超聲波在生物學(xué)上的應(yīng)用已由強(qiáng)超聲波的細(xì)胞破碎提取胞內(nèi)物質(zhì),發(fā)展到利用微超聲波增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)酶的產(chǎn)生和提高非水相酶催化的均質(zhì)效應(yīng),可見(jiàn)適當(dāng)控制超聲波的頻率和強(qiáng)度,不但對(duì)生物活性物質(zhì)沒(méi)有影響,反而可能改善或增強(qiáng)它們的作用。BaoYang等人[23]利用功率為120W,溫度57℃的超聲應(yīng)用于龍眼多糖提取的過(guò)程中處理龍眼12min,增強(qiáng)了龍眼果皮中多聚糖酪氨酸酶的抑制力,效果十分明顯,證明超聲場(chǎng)能有效地促進(jìn)酶促反應(yīng)。
1.6超聲切割
超聲波在食品工業(yè)中,還被應(yīng)用于食品的切割輔助技術(shù),超聲波的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng),作用于食品切割器的接觸面,可以改變切削力對(duì)部分食品的損失。SusannZahn等人[24]研究了超聲波頻率與垂直切割速度對(duì)食品切割品質(zhì)的影響,控制一個(gè)特定的切割速度,增加超聲頻率可以增大工作量,但達(dá)到最大切割速度時(shí),20~40kHz的超聲波對(duì)其沒(méi)有明顯影響。S.Yvonne等人[25]研究超聲頻率對(duì)切割力的影響,提出超聲的功率消耗取決于振幅和頻率,增加振幅加大了處理量,但有更大的電力需求,提高超聲頻率,可以有效地提高切割速度,增大處理量,減少能源消耗。
1.7超聲解凍
超聲波的高頻率振動(dòng),可使凍物組織中的微環(huán)境發(fā)生變化,能量被吸收,更易于化凍過(guò)程。C.A.Miles等人[26]將超聲波技術(shù)應(yīng)用于解凍肉類和海鮮,發(fā)現(xiàn)頻率在0.22~3.3MHz和功率為3W/cm2的超聲波輔助解凍,可使表面加熱溫度減少到最低,牛肉、豬肉和鱈魚(yú)解凍樣品,超聲解凍速度在大約2.5~7.6cm/h。
1.8超聲霧化噴涂
目前,超聲波被應(yīng)用于一種新的封裝技術(shù),即超聲輔助霧化封裝系統(tǒng),利用超聲波的高頻機(jī)械運(yùn)動(dòng),將包裝物質(zhì)霧化噴涂于待包裝物表面。K.Wanwimol和Yao-WenHuang[27]利用頻率40kHz,功率130W的超聲波,將殼聚糖與水按1∶10的比例,并混合入240mg/g的封裝粉,先進(jìn)行乳化然后霧化對(duì)金槍魚(yú)油表面包裹,水含量和水活性低,封裝外觀可接受,可以提高金槍魚(yú)油和其他油類在工業(yè)應(yīng)用中的穩(wěn)定性。
1.9有機(jī)物的聚合與降解
高強(qiáng)度的超聲可引發(fā)兩種似乎是很矛盾的效應(yīng):聚合物的降解和單體的聚合。超聲波的空化作用,在液體內(nèi)部形成局部和極短時(shí)間內(nèi)的高溫、高壓,足以引發(fā)或加速反應(yīng)從而引起分子的熱離解、離子化、產(chǎn)生自由基等,導(dǎo)致一系列化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。T.Malika等人[28]監(jiān)測(cè)凝膠在超聲場(chǎng)中的變化,利用頻率為500kHz的超聲波,溫度控制20~90℃,發(fā)現(xiàn)膠體發(fā)生一定程度的聚合,并改變其流變學(xué)特征,膠體表面彈性減弱。Wen-HuiShi等人[29]利用超聲技術(shù)處理牛血清蛋白,用強(qiáng)度為17.83W/cm2的超聲處理30min,使溶液中蛋白質(zhì)的α螺旋和β折疊分別變化18.1%和25.2%,使溶液在420nm處波長(zhǎng)吸收明顯增加,說(shuō)明超聲處理有助于牛血清蛋白的聚合。因超聲加速了溶劑分子與聚合物分子間的摩擦,從而引起C-C鍵裂解;同時(shí)因超聲的空化效應(yīng)所產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境導(dǎo)致了鏈的斷裂[30]。L.Francesca等人[31]利用超聲技術(shù)處理小麥淀粉,在保持小麥含水量34%和溫度25℃的條件下,用頻率為10MHz的超聲波擠壓淀粉分子,可使直鏈淀粉降解。Y.Umut和J.N.Coupland[32]利用頻率2.25MHz高頻超聲處理濃度為40%乳糖溶液,使直徑小于50μm的乳糖晶體濃度減少并發(fā)生降解。
1.10超聲評(píng)估食品品質(zhì)
目前,探測(cè)超聲技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品品質(zhì)的評(píng)估和食品生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)。S.Raffaella和J.N.Coupland[33]利用超聲波技術(shù)測(cè)定巧克力中的固體脂肪含量,他們將糖果涂層的脂肪以及含可可脂的玉米油分散為一系列區(qū)域,在第26d以27.5~29℃回火融化,以超聲波反射顯示巧克力中固體脂肪融化在回火中的變化。J.Benedito等人[34]用超聲波技術(shù)評(píng)估肉的品質(zhì),以超聲波流速的變化測(cè)量肉中脂肪、水分和蛋白質(zhì)的分布與含量,此方法快速并且不破壞肉的組成。L.R.Correia等人[35]利用超聲波探測(cè)雞胸肉中的骨頭碎片,將頻率為15MHz的超聲波作用于雞肉,對(duì)阻抗和振幅比進(jìn)行了測(cè)定,可以檢測(cè)到6~16mm2的骨頭碎片投影。Feng-JuiKuo[36]、S.Raffaella[37]、A.Chyung[38]等人通過(guò)測(cè)定超聲波傳播速度與待測(cè)物粘度的線性關(guān)系,檢測(cè)復(fù)原果汁、黃原膠蔗糖混合物以及牛奶凝膠系統(tǒng)的粘度。
2展望
超聲技術(shù)作為一種物理場(chǎng)輔助技術(shù),因其獨(dú)特的性質(zhì),已在工業(yè)、食品、醫(yī)學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用,尤其在輔助提取方面,日益顯示出其優(yōu)越性。由于超聲波獨(dú)特的空化機(jī)制,超聲場(chǎng)對(duì)提取過(guò)程中微環(huán)境的影響是其他輔助提取手段所無(wú)法達(dá)到的。但因應(yīng)用于提取領(lǐng)域的超聲設(shè)備的研發(fā)相對(duì)滯后,使得超聲技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)上暫時(shí)無(wú)法達(dá)到預(yù)期的要求,相信隨著人們對(duì)超聲波的了解及更多可精確調(diào)控的大規(guī)模超聲設(shè)備的出現(xiàn),未來(lái)超聲輔助提取技術(shù)將在生產(chǎn)中做出更多貢獻(xiàn)。目前對(duì)超聲技術(shù)機(jī)理的研究還處于實(shí)驗(yàn)理論階段,還需要完善超聲波作用機(jī)理相關(guān)理論,特別是建立相關(guān)機(jī)理性模型;應(yīng)該開(kāi)展超聲場(chǎng)中聲強(qiáng)、聲能密度等聲學(xué)參數(shù)的分布曲線以及溫度分布問(wèn)題的研究;擴(kuò)大研究中采用的超聲頻率范圍,獲取超聲波對(duì)不同物質(zhì)作用特點(diǎn)的規(guī)律,從而確定更合適的頻率和組合??傊?,隨著人們對(duì)超聲技術(shù)的重視,隨著其在日常生活、科學(xué)研究和社會(huì)生產(chǎn)應(yīng)用中的日益發(fā)展,超聲技術(shù)的應(yīng)用前景將會(huì)更為廣闊,必將在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。