超聲波與物理場組合食品技術(shù)研究進(jìn)展

徐大山，胡愛軍*，鄭捷, ，王若冰，李楊

1. 安徽銅陵技師學(xué)院（銅陵 244000）；2. 天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（天津 300457）；3. 天津鴻騰水產(chǎn)科技發(fā)展有限公司（天津 301800）

超聲波是一種彈性機(jī)械波，頻率范圍為2×104～2×109Hz。超聲波在介質(zhì)中傳遞形成介質(zhì)粒子的機(jī)械運動并傳播能量，可分為縱向波和橫向波。在固體內(nèi)，兩者都可以傳送，而在氣體和液體內(nèi)只能傳送縱向波。從物理角度出發(fā)，其作用機(jī)制主要歸結(jié)為熱機(jī)制、機(jī)械機(jī)制與空化機(jī)制。利用超聲波可強(qiáng)化傳熱，縮短干燥時間，加速過濾，促進(jìn)并控制結(jié)晶速度與晶體大小，強(qiáng)化物質(zhì)提取、解凍、切割、霧化噴涂，改性淀粉、纖維素等生物大分子物質(zhì)，還能夠改善食品質(zhì)地，提高食品質(zhì)量等。另外，超聲波通過其傳播參數(shù)變化，還可用于食品體系的無損檢測與分析。但是超聲波技術(shù)也存在一些亟需解決的問題，如超聲波受物料黏度、溫度、蒸汽壓、液體表面張力、氣體環(huán)境等因素限制，高強(qiáng)度、長時間的超聲處理會使食品色、香、味、營養(yǎng)物質(zhì)及質(zhì)地等發(fā)生改變，影響產(chǎn)品的外觀品質(zhì)，降低食品的食用價值；超聲波單獨應(yīng)用于食品殺菌存在殺菌不徹底等缺點[1]。

超聲技術(shù)與其他技術(shù)組合能夠有效克服其本身的一些缺陷，強(qiáng)化單元操作過程和加工過程，改善食品的品質(zhì)，從而取得更好技術(shù)效果，在食品工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用潛力。因此，重點綜述超聲波分別與微波、超高壓、真空、電場、紅外、紫外技術(shù)形成的組合技術(shù)及其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展，旨在為超聲技術(shù)的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 超聲-微波技術(shù)

1.1 超聲-微波提取

超聲-微波技術(shù)具有很強(qiáng)的傳質(zhì)傳熱作用，應(yīng)用于功能性物質(zhì)的提取。張國財?shù)萚2]利用超聲波-微波提取富硒蛹蟲草硒多糖，相比超聲提取法和水提法分別提高4.47%和12.92%。Sun等[3]利用超聲-微波提取旱蓮木果實中的多糖，相比熱水法提取等量的多糖所需要的時間由120 min減少至20 min。Lu等[4]用超聲-微波提取蓮子低聚糖，與熱水提取、超聲提取和微波提取相比，提取時間分別縮短91.8%，88.78%和13.56%。Xu等[5]采用超聲-微波提取對羊肚菌多糖，在相同條件下，與超聲提取和微波提取相比較，超聲-微波的提取率最高。另外，微波-超聲提取還具有保護(hù)提取物結(jié)構(gòu)甚至增強(qiáng)其生物特性的作用。應(yīng)瑞峰等[6]采用超聲-微波提取青錢柳葉超微粉中多糖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多糖生物活性顯著高于熱水法提取的多糖；袁汝玲等[7]采用微波-超聲從燕麥麩皮中提取燕麥麩油，與溶劑浸提相比，微波-超聲提取的燕麥麩油具有更強(qiáng)氧化活性。

1.2 超聲-微波改性

超聲-微波改性的原理是利用微波輻射使極性分子高速運動造成大分子氫鍵斷裂，同時輔以超聲波機(jī)械振蕩作用使反應(yīng)體系加熱均勻，從而加速基質(zhì)中目標(biāo)化合物吸附和解吸的過程，如利用超聲-微波改性制備蛋白-糖復(fù)合可食膜，會使蛋白質(zhì)與多糖分子之間產(chǎn)生氫鍵或共價鍵，改善其透氣性、延展性等物理性能。隋思瑤等[8]利用超聲-微波改性制備乳清蛋白-殼聚糖可食膜，與常規(guī)方法相比，透氣率降低27.9%、透氧率降低48.1%，顯著提高膜的阻隔性。Wang等[9]利用超聲-微波改性制備大豆分離蛋白-二氧化鈦膜，其機(jī)械性能得到改善。

1.3 超聲-微波降解

超聲-微波能夠促進(jìn)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等大物質(zhì)的降解，主要表現(xiàn)在2個方面：一是超聲波的空化作用能加速植物細(xì)胞壁破裂，微波能夠使原料中的水、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等極性分子強(qiáng)烈吸收，產(chǎn)生大量熱量，致使部分半纖維素、木質(zhì)素等的化學(xué)鍵斷裂；二是小相對分子質(zhì)量的化學(xué)物質(zhì)急劇揮發(fā)，產(chǎn)生壓力，促使原料纖維形成無數(shù)微隙與孔洞，植物纖維比表面積顯著增大[10]，超聲-微波輔助酸、堿、酶等降解方法，能夠大幅加速降解反應(yīng)進(jìn)行；李文杰等[11]利用微波-超聲助硫酸降解玉米秸稈，在相同處理時間內(nèi)比酸法水解還原糖得率提高6.6%；張莉莉等[12]采用超聲-微波協(xié)同水解玉米皮渣獲得還原糖，與酸水解相比，還原糖含量提高20.72%；寇曉亮等[13]采用超聲輔助H2O2降解殼聚糖，超聲30 min殼聚糖平均相對分子質(zhì)量降低至1.23×105Da，處理180 min后降低至2.9×104；而毛江江等[14]采用超聲波-微波聯(lián)合H2O2降解殼聚糖，H2O2氧化10 min，超聲-微波降解3 min處理，使其平均相對分子質(zhì)量降低至3.52×103Da。超聲-微波組合處理極大縮短反應(yīng)時間并降低平均相對分子質(zhì)量。

1.4 超聲-微波陳化

在酒類工業(yè)中，縮短陳釀期、加速酒陳化過程是生產(chǎn)中一直追求的目標(biāo)。超聲波的空化作用會使得酒體處于短暫性的高溫高壓狀態(tài)，增加酵母菌細(xì)胞破碎的速率和程度，酵母多糖浸出增加，加速酯類與乙醇、水的結(jié)合，使酒味變得醇厚柔和；微波則可以利用電磁場輻射，破壞酒中分子群之間的締合，在短時間內(nèi)使乙醇分子、水分子等分子群重新結(jié)合成穩(wěn)定的締合分子群，使得葡萄酒口感更加協(xié)調(diào)醇和，從而達(dá)到縮短陳釀期的目的。崔艷等[15]以帶酒泥的赤霞珠葡萄原酒為原料，使用超聲波和微波連續(xù)處理進(jìn)行人工催陳后的多糖含量明顯高于微波處理及對照組，總酚含量有所降低；香氣成分中酯類物質(zhì)含量增加，高級醇含量下降，呈現(xiàn)出生青、苦澀味降低，花香增強(qiáng)、果香減弱的趨勢，香氣更加平衡，酒體柔和圓潤。

2 超聲-高壓技術(shù)

超聲技術(shù)與高壓技術(shù)相組合，具有明顯的殺菌效果，更適用于熱敏性物料的殺菌操作。同時超聲-高壓組合技術(shù)在酸、堿敏感性物質(zhì)提取領(lǐng)域具有較大潛力，其使用水作為溶劑提取，能夠避免酸、堿造成的糖苷鍵斷裂或多糖分解。林春銘[16]以西瓜汁為研究對象，在100 kHz超聲處理15 min，經(jīng)壓力150 MPa作用，西瓜汁中菌落總數(shù)下降約2.7個對數(shù)單位，對鮮榨西瓜汁的預(yù)殺菌效果有明顯提高。郭晶等[17]使用超聲-高壓法提取金針菇黃酮，超聲波功率300 W，超聲時間6 min，高壓溫度115 ℃，高壓處理40 min，黃酮提取率達(dá)到16.53%，而高壓熱水浸提在溫度121 ℃、浸提時間60 min條件下提取率僅為12.7%[18]。另外，超聲-高壓均質(zhì)組合還可用于制備穩(wěn)定的Tween 80和乳清蛋白納米乳液，所需的能量輸入比單獨超聲和高壓均質(zhì)均低[19]。

3 超聲-真空技術(shù)

超聲波在真空環(huán)境中不能傳播，因此超聲與真空同時處理并無效果，但超聲可用于食品物料的預(yù)處理過程中。超聲波預(yù)處理組合真空技術(shù)能夠縮短干燥時間，同時改善產(chǎn)品品質(zhì)與復(fù)水率，可應(yīng)用于酸奶、胡蘿卜、香蕉片、蘋果片等果蔬制品的干燥，其使用范圍廣，具有較好的應(yīng)用效果。楊菊芳等[20]采用超聲-真空冷凍干燥酸奶，顯著提高物料在較低氣流速度和低溫下的水分?jǐn)U散，干燥時間在同等條件下最短，比無超聲作用的對照組平均縮短20.58 h。Chen等[21]采用超聲-真空冷凍干燥大蒜，干燥時間比無超聲作用的對照組減少40 min，得到的干燥大蒜切片的質(zhì)地、色澤也優(yōu)于對照組。林平等[22]采用超聲波-真空冷凍干燥胡蘿卜，40 kHz，250 W處理30 min得到的凍干胡蘿卜的復(fù)水率在5.1以上，且感官性狀較好；周頔等[23]采用超聲波預(yù)處理蘋果片后，其干制品VC保留量更高、顏色更加潔白、硬度變小、質(zhì)地更加疏松。

4 超聲-電場技術(shù)

靜電場具有破膜、增強(qiáng)空化效果的作用，超聲與電場共同作用，能夠強(qiáng)化破壞植物細(xì)胞組織，從而增加提取率；楊日福等[24]采用超聲-電場提取黃花菜總黃酮，靜電場7 kV，超聲電功率600 W提取40 min，黃花菜黃酮的提取得率達(dá)1.48%，比超聲提取黃花菜黃酮[25]得率增加1.81倍。啤酒酵母懸浮液先經(jīng)高壓脈沖電場處理（場強(qiáng)25 kV/cm）再經(jīng)超聲處理（功率400 W）進(jìn)行蛋白質(zhì)和核酸提取，蛋白質(zhì)和核酸提取率分別達(dá)到45.86%和53.75%，且蛋白質(zhì)和核酸提取率均是脈沖電場單獨作用時的1.5倍左右，是超聲波單獨作用時的2倍左右[26]。

5 超聲-紅外技術(shù)

超聲波的空化效應(yīng)能夠使食品物料表面出現(xiàn)大量裂縫，提高滲透過程中的傳質(zhì)效率，促進(jìn)水分?jǐn)U散，增加物料的干燥速率，從而降低干燥溫度、縮短干燥時間、降低能耗、改善產(chǎn)品品質(zhì)。陳文敏等[27]采用超聲-紅外技術(shù)干燥紅棗，將干燥時間由13.33 h縮短為9.55 h，干制品品質(zhì)顯著優(yōu)于未超聲處理，極顯著優(yōu)于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥，其維生素C、總酚、總黃酮含量最高，糖酸比最高，色澤最優(yōu)，能耗最少；張鵬飛等[28]研究桃片超聲滲透-紅外輻射干燥特性及干燥能耗，結(jié)果表明，超聲可增加桃片滲透脫水速率和固形物滲入率，并且具有節(jié)約能耗、提高產(chǎn)品品質(zhì)的效果。

6 超聲-紫外技術(shù)

紫外技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水體、空氣的殺菌，超聲場的加入能夠強(qiáng)化其殺菌效果。一方面，超聲空化產(chǎn)生的高剪切力與微射流能夠損傷細(xì)菌的物理結(jié)構(gòu)；另一方面，聲場的加入還能防止紫外燈管表面結(jié)垢，提高殺菌效果。吳木生等[29]應(yīng)用超聲-紫外對飲用天然水殺菌，有很明顯的殺菌效果，超聲-紫外殺菌技術(shù)使用臭氧質(zhì)量濃度0.10 mg/L時，殺菌效果優(yōu)于單一0.30 mg/L臭氧殺菌效果，且溴酸鹽質(zhì)量濃度低于0.005 mg/L。超聲組合低濃度臭氧的飲用水殺菌技術(shù)可替代單一的臭氧殺菌技術(shù)，既能達(dá)到殺菌效果，又可降低溴酸鹽風(fēng)險，確保產(chǎn)品品質(zhì)。靳慧霞等[30]應(yīng)用超聲-紫外對大腸桿菌進(jìn)行滅活，導(dǎo)致其細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

7 結(jié)語與展望

超聲技術(shù)由于其高效、低能耗、低污染等特點而應(yīng)用于食品領(lǐng)域。超聲技術(shù)的應(yīng)用效果取決于超聲參量、物料和媒介特性。通過與微波、超高壓、真空、電場、紅外或紫外技術(shù)組合，能克服超聲技術(shù)缺陷，有效縮短食品組分的提取時間，加速大分子物質(zhì)降解、促進(jìn)酒的陳釀、食品殺菌和干燥。

為了使超聲波與物理場組合技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，以下方面應(yīng)開展進(jìn)一步研究。

（1）超聲波組合技術(shù)的研究不少，但還僅限于實驗室，其放大試驗、過程優(yōu)化與應(yīng)用研究迫在眉睫。

（2）超聲波與其他技術(shù)組合，使影響因素增多，各因素影響規(guī)律及相互作用機(jī)理需深入研究。

（3）超聲波與物理場組合技術(shù)裝備的研發(fā)、放大和應(yīng)用是研究的重點方向。

隨著研究的深入，超聲波與物理場組合技術(shù)將在食品、化工、生物技術(shù)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助推相關(guān)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。