超聲波在食品工業(yè)的應用

1、,低強度超聲波技術(shù)高強度超聲波技術(shù)超聲技術(shù)的分析測定原理低強度超聲波技術(shù)的應用高強度超聲波技術(shù)的應用超聲波技術(shù)在輕工業(yè)中的應用,1,超聲波技術(shù)在食品領(lǐng)域的應用依能量強度主要分為兩大類:,低強度超聲波技術(shù)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(zhì)產(chǎn)生物化破壞作用。通常應用于食品分析檢測領(lǐng)域, 提供食品組成, 質(zhì)構(gòu)及流變學性質(zhì)數(shù)據(jù)。高強度超聲波技術(shù)高強度超聲波因為能量高足以使介質(zhì)發(fā)生物理裂解和加速某些化學反應。用于

2、促進乳化，破解細胞壁和分散聚沉物等。最近,超聲波技術(shù)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(lǐng)域。,1,超聲技術(shù)的分析測定原理,大多數(shù)超聲設備為脈沖式或連續(xù)式。脈沖技術(shù)因易于操作, 測量迅速, 不干擾生產(chǎn)且容易自動化而被廣泛使用。最簡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

3、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(shù)、聲音阻抗三超聲參數(shù)可由返回的信號進行測定。通過測出介質(zhì)體系的超聲波參數(shù)便可以對食品體系的各種性質(zhì)進行分析檢測, 這就是超聲技術(shù)用于食品領(lǐng)域的分析檢測原理。,1,（1）聲速測定,當一個平面波通過介質(zhì)時, 超聲波性質(zhì)與介質(zhì)的物理性質(zhì)可用一個簡單的數(shù)學式關(guān)聯(lián): （Κ/ω）2=ρ/Е

4、 由于衰減系數(shù)α< <ω/ C , Е和ρ基本上與f無關(guān), 動態(tài)和靜態(tài)測定的數(shù)值相差很小。上式簡化為: c2=Е/ρ 只要測出介質(zhì)的聲速, 即可探知介質(zhì)的物理性質(zhì)。所以可通過檢測超聲波性質(zhì)的區(qū)別或變化來定性或定量監(jiān)測介質(zhì)的物理性質(zhì)甚至分子水平的變化。,1,（2）衰減測定,當聲波通過介質(zhì)時, 其振幅會出現(xiàn)減小。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(zhuǎn)化成了其它形式的能

5、量( 最終成為熱能) 。而散射則是當聲波入射到一個介質(zhì)不連續(xù)處( 如分散粒子的表面或其它兩相界面) 時, 它會被散射而偏移入射波方向。不同于吸收機理的是散射機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到這些能量。,1,,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、粘滯耗散和分子弛豫 衰減系數(shù)a可以表述為:A=A0 exp(-ad) A為聲波

6、通過介質(zhì)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(shù)的測定與測量聲速的原理相同, 只不過此時測量的參數(shù)不是時間而是示波器上相鄰回波的振幅及其變化。,1,（3）聲學阻抗測定,當一超聲波入射到兩不同介質(zhì)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(shù)( R) 。R=Ar/Ai=(Z1-Z2)/(Z1+Z2)其中Z 表示聲學阻抗( Z=ρc)

7、當介質(zhì)與其周圍環(huán)境的聲學阻抗性質(zhì)接近時, 只有極少量的超聲波被反射回。相反, 當兩介質(zhì)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(shù)即建立在超聲波從聲學阻抗性質(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。因此通過測量聲學阻抗可以獲取食品體系的一些物理性。,1,低強度超聲波技術(shù)的應用,低強度超聲波技術(shù)應用于食品領(lǐng)域的定性測量約始于上世紀40

8、 年代, 這項技術(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)界越來越重視形成一項分析檢測復雜食品體系新技術(shù), 包括監(jiān)控加工過程食品理化性質(zhì)的變化, 而超聲波技術(shù)能夠滿足這些要求。b、超聲波儀器能實行全自動操作, 檢測快速, 精度能滿足食品分析的要求, 且低強度超聲波技術(shù)檢測時不破壞體系的物化性質(zhì)同時能不干擾生產(chǎn)并能實現(xiàn)在線操作, 另外能應用于光學非透明體系, 這彌補了光學檢測儀的一些不足。c、微電子技

9、術(shù)的快速發(fā)展降低了超聲波儀器設備的造價。超聲分析測量技術(shù)在食品工業(yè)中的應用主要基于可測量的超聲波的幾個主要特征參數(shù)( 聲速、衰減系數(shù)和聲學阻抗) 能反映食品體系物化特性參數(shù)( 如組成、質(zhì)構(gòu)和流變學等物理性質(zhì))。,1,（1）測定介質(zhì)的厚度,超聲儀器設備能準確測定介質(zhì)的厚度。將一超聲波發(fā)送探頭安放在待測介質(zhì)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

10、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定。,1,（2）探測食品中的雜質(zhì)異物,食品加工過程中經(jīng)常會被金屬屑, 玻璃碎片及木屑等雜質(zhì)污染。這些雜質(zhì)的存在嚴重影響到產(chǎn)品的品質(zhì), 必須予以檢出剔除。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(zhì)表面反射回來, 由于雜質(zhì)和產(chǎn)品成分聲學阻抗存在明顯差異, 表現(xiàn)出來的超聲波性質(zhì)也明顯不同, 所以能將雜

11、質(zhì)檢測出來。待檢樣中若存在玻璃等雜質(zhì)時, 通過測定超聲波從該雜質(zhì)反射回來和從檢樣室遠端器壁反射回的時間差異能檢測到該雜質(zhì), 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(zhì)的大小和位置。,1,（3）食品組成的測定,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)在測定食品組成方面潛力巨大。超聲波技術(shù)測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)和聲學阻抗。差別越大, 越易鑒別食品

12、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。由于測量一溶液中速度低至0. 4 m.s- 1超聲波時較為簡單, 利用超聲波技術(shù)可準確測量到濃度低達0. 1%的糖液濃度。目前這項技術(shù)已成功用于測量各種不同果汁及飲料中的糖濃度。,1,（4） 流速的測定,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測量食品物料流經(jīng)一管子的流速, 如Dopp

13、ler 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(jīng)一管子的截面狀態(tài)參數(shù)。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。,1,1,流速計,（5）乳狀液分層的檢測,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低于水的密度, 這導致水包油液中的液

14、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(jīng)常影響到一些產(chǎn)品的貨架壽命。應用超聲波技術(shù)測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)可完全自動化且能在肉眼無法看到的時候檢測到。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,（6）相轉(zhuǎn)變的監(jiān)測,許多食品在制造、貯存會發(fā)生相轉(zhuǎn)變。相轉(zhuǎn)變的發(fā)生主要是因為食品中含有會發(fā)生

15、融解或結(jié)晶的成分, 如糖分、油及水分。由于融解或結(jié)晶過程體系的超聲波性質(zhì)會發(fā)生顯著變化, 因此能用超聲波技術(shù)對相轉(zhuǎn)變實行監(jiān)測。固體的超聲波速度明顯大于液體, 所以當樣品中的成分發(fā)生結(jié)晶時,超聲波速度會明顯增加。而融解時則明顯降低。實際應用中常常通過測定波速來檢測蛋黃醬、人造奶油是否發(fā)生相轉(zhuǎn)變的發(fā)生。,1,高強度超聲波技術(shù)的應用,高強度超聲波因能量高, 能在介質(zhì)中產(chǎn)生強大壓力、剪切力和高溫,改變介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)、 促進某些化學變化。食品工業(yè)

16、中高強度超聲波技術(shù)的應用較為廣泛，早期應用包括細胞的破解、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(lǐng)域。,1,（1）超聲殺菌,高強度超聲波因能產(chǎn)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(shù)已應用于食品工業(yè)。超聲波殺菌與熱處理加氯處理等殺菌技術(shù)配合使用時更有效。,1,（2）超聲嫩化,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

17、對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,應用超聲波技術(shù)的輕工業(yè)產(chǎn)品,超聲波洗衣機超聲波牙刷超聲波加濕器,1,,超聲波洗衣機 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，日本一家公司開發(fā)出一種新型超聲波洗衣機。洗衣時，洗衣機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)點是不用洗滌劑，不損傷織物的纖維，而且比一般洗衣機工作得