超聲波在食品工業(yè)的應(yīng)用

1、,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,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:,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

2、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)用于食品起晶過程的控制、酶活力的鈍化、肉的嫩化、加速干燥、縮短過濾時(shí)間及促進(jìn)氧化反應(yīng)等領(lǐng)域。,1,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

3、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,（1）聲速測(cè)定,當(dāng)一個(gè)平面波通過介質(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

4、 由于衰減系數(shù)α< <ω/ C , Е和ρ基本上與f無關(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)。所以可通過檢測(cè)超聲波性質(zhì)的區(qū)別或變化來定性或定量監(jiān)測(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)甚至分子水平的變化。,1,（2）衰減測(cè)定,當(dāng)聲波通過介質(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(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,,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=A0 exp(-ad) A為聲波

6、通過介質(zhì)后檢測(cè)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(cè)定與測(cè)量聲速的原理相同, 只不過此時(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,（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)

7、當(dāng)介質(zhì)與其周圍環(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。因此通過測(cè)量聲學(xué)阻抗可以獲取食品體系的一些物理性。,1,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

8、 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

9、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,（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

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(cè)定。,1,（2）探測(cè)食品中的雜質(zhì)異物,食品加工過程中經(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, 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)出來的超聲波性質(zhì)也明顯不同, 所以能將雜

11、質(zhì)檢測(cè)出來。待檢樣中若存在玻璃等雜質(zhì)時(shí), 通過測(cè)定超聲波從該雜質(zhì)反射回來和從檢樣室遠(yuǎn)端器壁反射回的時(shí)間差異能檢測(cè)到該雜質(zhì), 另外通過移動(dòng)超聲波發(fā)生器至樣品周圍的各個(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,（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

12、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. 4 m.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,（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測(cè)量食品物料流經(jīng)一管子的流速, 如Dopp

13、ler 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。,1,1,流速計(jì),（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

14、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,（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

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(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)用中常常通過測(cè)定波速來檢測(cè)蛋黃醬、人造奶油是否發(fā)生相轉(zhuǎn)變的發(fā)生。,1,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)

16、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。近年來高強(qiáng)度超聲不斷應(yīng)用于食品工業(yè)新領(lǐng)域。,1,（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,（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

17、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,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,,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