食品生產中的超聲波處理技術
閱讀：8663發布時間：2015-1-12
超聲波作為一種物理能量形式的機械波廣泛應用于醫學、工業、化學和化工領域。目前，在食品工業中，超聲波主要應用于食品分析及食品評價，并且越來越多地作為一種食品加工的技術廣泛應用于食品加工生產領域。
功率超聲波在食品原料生產中的應用
功率超聲波具有激發細胞的活性作用，因此很多研究利用功率超聲波促進細胞的生長代謝、提高產率。很多研究表明超聲波能夠在不破壞細胞比的情況下促進細胞生長。
低頻率高能量的超聲波能夠對細胞產生刺激作用。超聲波通過改進細胞的質量傳輸機制，加速細胞的新陳代謝過程提高細胞內相關酶的活性，從而促進細胞生長和相應代謝產物的積累。超聲波能夠提高營養介質中海藻細胞的生長速率，可使海藻蛋白的產量提高三倍。用超聲波輔助生產酸乳酪能夠提高乳酸菌活性，改善產品的均勻性和質地，而且減少了原料奶的使用量。
超聲波作用能夠顯著影響魚卵的孵化率，每天用頻率為1MHZ的超聲波輻照魚卵三次，每次35分鐘，會使泥鰍孵化時間從72小時減少到60小時。不僅如此，超聲波輻照還能提高魚卵的孵化率和孵出小魚的成活率。
此外，超聲波還能夠刺激種子萌發。在農業生產中，作物的產量主要取決于植株品種的優劣和種子的發芽率及生長率，因此超聲波的應用為提高大規模農作物和普通園藝植物的產量提供了一種可能途徑。多篇研究報告表明，在播種以前對種子進行超聲波處理能夠有效地提高農作物產量。通常種子是浸泡在水里的，以幫助結束其休眠狀態。實驗結果表明，采用這種超聲波處理方法確實縮短了大豆和大米的發芽時間。以強度為0.7W/cm2的超聲波對浸在水中的蓮花種子進行10分鐘處理，能將其發芽率提高30%。經過超聲波處理的向日葵種子在土壤中的發芽率提高了3倍，使番茄的成熟時間縮短了10天。用20KHZ，0.5W/cm2的超聲波處理白術塊根的出苗率隨超聲波處理時間的延長而增加。
由上看出，這項技術的前景廣泛，超聲波除了可以增加發芽率，刺激生長，縮短成熟時間等，也是對化學處理技術的一大挑戰，它可以無害的有機農業發展。
許多研究表明,超聲波處理通過超聲波處理的空化作用和超混合效應可使分子中的一些化學鍵斷裂,降低粒子大小,得到均勻的溶液或分散液,大量反應基團暴露,加強分子間相互作用,從而可得到更堅韌、更緊密的膜.超聲波處理可有效提高大豆分離蛋白膜的抗拉強度和阻濕性,但伸長率會有所下降。莫文敏研究的0W～280W功率超聲波處理大豆分離蛋白膜的結果表明,經200W超聲波處理1h的大豆分離蛋白膜綜合性能,機械強度幾乎是對照膜的2倍,水蒸氣氣遷移系數值為對照膜的52.5%,并且隨著處理時間的增長,這些性能更加*(見表1)。
newmaker.com
抑制和殺滅微生物的研究
長期以來，超聲清洗和殺滅微生物一直作為工業中的有效方法為人熟知。由于低頻率高能量的超聲波在液體介質中會產生空化效應，對于不規則表面的清洗和殺菌是非常有效的。空化效應在物體表面產生的射流能夠清除表面污物和細菌，而且可以達到傳統清洗殺菌所不能及的表面縫隙中。在食品消毒殺菌過程中，超聲波和殺菌劑結合使用能夠地清除和殺滅食品表面的細菌。
超聲表面清潔的一項應用實例是利用超聲波配合殺菌劑清潔孵化的蛋，與目前所使用的噴藥或氣熏方法相比，超聲輔助清潔的效果更好。超聲波與氯水結合處理使得新鮮果蔬表面的細菌數量明顯降低，空化作用也使得細菌對殺菌劑更為敏感。
傳統的熱殺菌和消毒是目前食品生產中zui常用的抑制微生物的方法；但是消費者需要一種能夠對營養成分和整體食物品質影響zui小的新型殺菌方法。超聲波處理是替代技術中的一種，既能夠抑制微生物活性又可以顯著降低或消除熱的參與，在食品工業中表現出了飲用前景。
高能超聲波的殺菌作用是通過破壞細胞結構來殺死或活細胞，但是如果單獨利用超聲波作用達到*殺菌效果所需要的能量是*的，并且是一項非常有難度的工作。除了上面提到的與殺菌劑配合使用外，研究熱點更集中在超聲波與酸、氯、過氧化氫結合使用；超聲波結合熱殺菌、結合壓力殺菌和結合熱和壓力的物理方式抑制食品中微生物方面。利用超聲波協同作用能夠提高殺菌效果，并且極大程度提高能源利用效率。
超聲和熱的協同作用殺菌機理的報道是由Ordonez等在1984年報道的，當時采用20KHZ，1600W的超聲波結合5~62℃的溫度條件進行殺滅葡萄球菌實驗，發現熱聲配合使用無論從處理時間還是能量消耗方面都比單獨使用兩個殺菌條件更為有效。例如，丁四兵等人用臭氧水和超聲波以及生物保鮮劑對荔枝處理后，結合處理同兩者單項處理相比，更有效的抑制了PPO和POD的活，,延緩了花色素苷的降解，有效的保持了果皮顏色。其原因可能是由于超聲波的熱效應和空化機制以及臭氧水對PPO和POD的鈍化和底物的過氧化，從而抑制了兩種酶的活性。姚松等人的實驗證明，水楊酸結合超聲波處理與超聲波單獨處理相比能夠明顯提高鴨梨果實自身抵抗病原Penicillimexpansum侵染的能力，降低接種發病率和病斑面積,提高防御酶POD活性。隨著超聲波結合水楊酸處理時間的增加,抑制效果逐漸變得明顯。
國外超聲波及其結合技術用于抑制食品中病原物的報道、討論很多。Wrigley&Llorca(1992)研究了超聲波及結合熱處理處理對肉湯、脫脂乳、液體雞蛋中的S.Typhimurium的殺滅效果。Munkacsi&Elhami(1967)研究了超聲波及超聲波結合技術UV處理對牛奶中大腸桿菌的殺滅效果。Manas等(2000)研究了超聲波及結合技術對雞蛋中沙門氏菌的抑制作用。有很多關于結合超聲波使用殺滅食品及表面的細菌、產芽孢菌、真菌的研究報道。
李立煒等（2006）采用塑料膜包裝,在超聲波中對鮮魚進行處理,然后將處理好的鮮魚冷藏于10℃,以其細菌菌落數、PH值和感觀變化為技術指標,研究塑料膜包裝2超聲波的保鮮效果。結果表明:經塑料膜包裝-超聲波處理,對魚的保鮮期有所延長,且得出PS包裝的鮮魚在超聲波中處理15min為*。
影響酶活力方面的研究
超聲波不僅能激發酶的活性，而且也能夠抑制酶的活性。實驗發現，以酪蛋白為底物，在20KHZ超聲波的作用下，在凝膠支持物中的α-靡蛋白酶活性提高了2倍。這種活性增強的原因是由于超聲波空化效應使得凝膠表面的底物向凝膠內滲透增加造成的。超聲波（20KHZ、10W）可以使得脆壁克魯維氏酵母菊糖酶產量提高1倍以上；1982年yoshio等用頻率20KHZ，聲功率15W，時間15h提取細胞內的葡萄糖氧化酶，提高了酶產率，且未失活。并得出以溫和的超聲波條件應用于胞內酶的連續生產。利用超聲波處理α-*和糖化酶對淀粉和糖原水解活性的變成的影響發現酶催化反應速率和轉化酶對蔗糖的水解活性顯著升高。國內外這方面研究開展的較早也相對較多。
Wiltshire將過氧化物酶（大多數果蔬中主要的氧化酶，與果蔬變味和褐變密切相關）sigma-P8000溶解于0.1M、20℃、pH7.0的磷酸鉀緩沖溶液中，加以20KHZ的超聲波3h，酶的活性下降了90%。近來，L.DeGennaro等人研究了熱聲共同抑制過氧化物酶活性的效果，實驗表明，熱聲作用的效率比常用的加熱方法高。
超聲輔助提取
在傳統工藝中，用溶劑浸提植物原料需要選擇適當的溶劑，還需要進行加熱或攪動。能量超聲波由于空化效應產生的微射流和傳質作用，能夠增大溶劑向原料細胞的滲透量并強化傳質，因此它可以明顯得加速植物體和種子中有機成分的提取過程。此外，由于細胞的破壞也使得胞內物釋放。
超聲輔助提取法還可以用于提取中草藥中的藥物成分。而且超聲提取法zui大的優點是效率較常規方法高，能夠在更低的溫度下，更短的時間內獲得更純的產品。例如：用超聲提取10min比熱堿提取50min的提出率高，而且沒有改變槐米中蘆丁的化學成分。
此外，用超聲技術還可以提高小牛胃中凝乳酶的提取率，且活性高。在豆奶的工業化生產中，采用能量超聲波處理大豆漿體可以有效地提高其蛋白質及固形物的萃取率，從而提高豆奶的消化率。速溶茶生產前利用超聲波提取茶內固體成分可使提純率提高20%。
超聲波促進滲透作用的應用
超聲波的空化作用及其伴隨效應可以起到促進溶液滲透作用。在果脯加工中，與常規滲糖方法相比，超聲波可以顯著提高果蔬組織的滲糖速率，同時可以明顯降低糖煮對果蔬組織細胞結構的破壞作用。超聲波應用于咸蛋的腌制過程中能夠降低蛋清粘度，明顯促進氯化鈉的滲透與擴散，縮短了腌制時間。
超聲波還能增加一些大分子、多肽類如胰島素等的藥物透皮吸收強度，起著藥物促溶、促滲的作用。
其他方面的應用
在我國，鮮肉消費約占肉類總產量的70%～80%，牛肉的銷售方式以集市銷售和超市的速凍包裝為主。近年來，冷卻肉的加工在我國呈現上升的勢頭，所謂冷卻肉，就是將剛屠宰的家畜肉吊掛在冷卻室內，在一定時間內使其冷卻到zui厚處的深層溫度達0～4℃，并保持在此溫度下貯藏、運輸和銷售的一類肉品。Dykes和Moorhead等人試驗證明：在-1.5或4℃的真空包裝或CO2氣貯條件下，冷卻肉中的E.coli0157:H7和沙門氏菌數量在貯藏期間變化不明顯。若在常溫下，細菌生長迅速，16℃下細菌1d繁殖15倍，21℃時繁殖700倍，27℃時繁殖3000倍，在4℃冷藏時則一天繁殖2倍，因而，對鮮肉進行包裝和改進生產方法勢在必行。在冷卻肉加工過程中，對其進行減菌化處理，特別是采用非化學試劑處理的手段已成為冷卻肉發展的必然趨勢。因為，過度的依賴化學法延長冷卻肉保質期，會導致安全性問題，且對產品風味也會帶來不利影響。并且化學保鮮法，也不能盡如人意。
在肉制食品加工中，超聲波可以用于破壞肉的肌原纖維，破壞后的肌原纖維會分泌粘液，增加肉的粘度，起到嫩化肉質作用，較之傳統的滾揉工藝對肉處理效果更好。室溫下對牛腰肉超聲波處理（40KHZ,2W/cm2）2h肉中結締組織明顯減少。Reynoldsd等（1983）用超聲波處理火腿腸時發現經超聲波處理的樣品在所有品質方面是的。
Gill和Badoni研究揭示：當用防腐劑保鮮冷卻牛肉時，它們的作用效果可能不協調，這是因為牛肉來源和肉表面的差異所致，并且那些被防腐劑損傷的微生物在低溫下有恢復的可能。超聲波對微生物有破壞作用，能使微生物細胞內容物受到強烈的震蕩而使細胞破壞。一般認為在水溶液內，由于超聲波的作用，能產生過氧化氫，具有殺菌能力。新鮮牛肉通過超聲波處理，可以很好地促進了牛肉中蛋白質分解酶的游離和分泌，使游離氨基酸量得到增加，促進組織結構變化，從而達到改善肉質的嫩度。而鮮肉的氣調包裝是用適合保鮮的保護氣體置換包裝容器中的空氣，抑制細菌繁殖，結合調控溫度以達到保存和保鮮目的。
牛秋勁等（2006）紫外線處理+超聲波處理+氣調(50%CO2+25%O2+25%N2)的組合方式進行的保鮮處理，可以使冷卻肉的保質期達到22d；其次為第4組處理，其保質期達到19d，比經真空包裝后冷卻肉保質期(10d)延長了9d。而紫外線處理+超聲波處理+充入混合氣體(20%CO2+70%O2+10%N2)的組合方式進行的處理，能維持冷卻肉16d以上的良好色澤，并且其理化指標和微生物指標在貯藏16d后仍能達到*鮮肉的標準。分析原因認為，采用紫外線照射、超聲波和氣貯結合的技術處理可以延長冷卻肉的保質期限，并能改善冷卻肉的嫩度。
在輔助結晶方面，超聲波能夠改善晶體的結晶過程，控制結晶過程，形成晶體的大小由超聲頻率與強度所控；超聲波還可以加速酒類的催陳過程，使得酒味醇厚；影響凍結過程的冰核形成，在食品解凍過程中用超聲波加熱食品可以有效地縮短解凍時間，起到良好解凍效果；由于空化效應，氣泡破裂產生的沖擊波可以起到攪拌混勻作用用于乳化加工過程中，如用于番茄醬、蛋黃醬、果醬、人造奶油、嬰兒食品、巧克力、色拉油、油塘水及其他類混合食品；另外，超聲輔助過濾技術已被應用于果汁加工業，有利于漿液細化，使得漿液得出汁率提高。
另外，超聲波也越來越多地被用于基因工程中，用于誘導基因轉移，將外源基因導入植物、動物細胞和組織。
由此看出，超聲波在加工過程中的應用帶來了方法學上的創新，對傳統的技術形成了有益的補充。超聲波在殺菌、提取、結晶、冷凍和過濾等工藝方面尤其有用。采用這些技術可以縮短加工時間，提高加工效率。目前的超聲波應用又分出了一些新的領域，包括次激活細胞和酶，改進肉類加工和谷物處理方法等。但是有些技術目前還限于實驗室內，應用于工業生產時會遇到一些實際困難，如大規模處理時難以找到合適的超聲源。(end)
