超聲波技術(shù)在食品檢測中的應用分析

孫 濤

（泰安市食品藥品檢驗檢測研究院（泰安市纖維檢驗所），山東泰安 271000）

隨著食品行業(yè)的飛速發(fā)展，食品行業(yè)之間的競爭愈發(fā)激烈。各大食品企業(yè)為占據(jù)更好的市場地位，越來越重視食品質(zhì)量的提升、新食品的研發(fā)和生產(chǎn)成本的縮減。近年來，隨著人們對食品質(zhì)量的不斷重視，食品安全問題也成為了人們廣泛關(guān)注的熱門話題。在此背景下，對食品安全檢測工作極為重要，利用超聲波技術(shù)快速了解和掌握食品的組分結(jié)構(gòu)、特性等，可以為食品生產(chǎn)工作提供技術(shù)參考?；诖?，本文主要對超聲波技術(shù)展開研究，分析超聲波技術(shù)在食品檢測領(lǐng)域中的應用，旨在促進食品安全質(zhì)量的提高。

1 超聲波技術(shù)檢測原理

從本質(zhì)上來看，超聲波技術(shù)是一種機械波，其需要借助媒介才能夠傳播，而在不同媒介中超聲波表現(xiàn)出的聲學特征也不盡相同，如衰減、聲阻抗、聲速及絕熱壓縮系數(shù)等。此外，這些參數(shù)也是構(gòu)建超聲波聲學模型的基本參數(shù)，其中聲速、聲阻抗和衰減是超聲波檢測中使用較多的3類參數(shù)，其主要與食品結(jié)構(gòu)、成分和物理狀態(tài)有緊密的聯(lián)系。按照傳播頻率，超聲波技術(shù)分為低頻率超聲波和高頻率超聲波[1]。

低頻率超聲波具體是指頻率在100～200 kHz，能量密度低于1 W/m2的超聲波。低頻率超聲波不會改變物體的物化特性，因此主要用于無損檢測領(lǐng)域。但是低頻率超聲波在食品檢測過程中，食品介質(zhì)內(nèi)部組織和聲學特性會對超聲波傳播產(chǎn)生影響，主要通過測定食品介質(zhì)中超聲波信號的振幅衰減和脈沖信號了解食品介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化和物料性能等 參數(shù)。

高頻率超聲波具體是指頻率在18～100 kHz，能量密度大于1 W/cm2的超聲波。高頻率超聲波主要通過空化效應、機械機制和過熱效應的共同作用，進一步加快待測食品的溶出，縮短食品體系達到平衡穩(wěn)定的時間，高頻率超聲波技術(shù)在安全檢測領(lǐng)域中有著廣泛的應用[2]。與傳統(tǒng)的超臨界提取、微波提取和索氏提取技術(shù)相比，超聲波技術(shù)成本較低，操作簡便，在食品檢測領(lǐng)域中應用廣泛。

1.1 聲速

通常情況下，超聲波聲速（C）會受到食品介質(zhì)密度（ρ）和彈性模量（E）的影響，3者之間的關(guān)系式為：

食品介質(zhì)彈性模量主要受到食品結(jié)構(gòu)、密度、物理性質(zhì)和組分的影響，因此在食品檢測過程中，可以利用超聲波技術(shù)反映食品表征信息。超聲波聲速計算公式為：

式中：d為超聲波傳播距離，m；t為傳播時間，s。

1.2 衰減系數(shù)

食品介質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、組分和密度等都會影響超聲波的傳播，其進入食品介質(zhì)后會出現(xiàn)吸收衰減和散射衰減，其中吸收衰減指超聲波進入食品介質(zhì)后，食品中液體黏性、分子松弛和熱傳導性會將超聲波的能量轉(zhuǎn)化為熱量；散射衰減現(xiàn)象主要出現(xiàn)在混合材料中，如泡沫、懸浮液和乳濁液，當超聲波進入非連續(xù)性食品介質(zhì)后，部分超聲波會出現(xiàn)改變方向的現(xiàn)象，進而導致入射超聲波無法被完全檢測。通常情況下，超聲波衰減系數(shù)主要與食品化學性質(zhì)有緊密的關(guān)系，如分子松弛性、濃度、微結(jié)構(gòu)和黏度等[3]。

超聲波衰減系數(shù)表示式為：

式中：A為超聲波進入介質(zhì)中的振幅，cm；A0為超聲波初始振幅，cm；x為超聲波傳播距離，m；ɑ為衰減系數(shù)，dB/m。

1.3 聲阻抗

超聲波在進入食品介質(zhì)后會出現(xiàn)傳播和反射兩種現(xiàn)象，而入射波（Ai）和反射波（Ar）的比率即超聲波反射系數(shù)（R）：

式中：Z為聲阻抗，Pa·s/m3；Z1、Z2為不同食品介質(zhì)聲阻抗，Pa·s/m3。

在食品介質(zhì)中，超聲波不會被單一的食品介質(zhì)界面反射，而在兩種不同的食品介質(zhì)中，大部分超聲波基本都會出現(xiàn)反射現(xiàn)象。超聲波成像技術(shù)就是依靠超聲波在不同食品介質(zhì)中的反射現(xiàn)象，實現(xiàn)物品成像。聲阻抗與衰減系數(shù)、聲速相同，都是基礎(chǔ)物理量，并且與食品的微結(jié)構(gòu)和組分有緊密的聯(lián)系。

2 超聲波技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 無損檢測

在食品檢測中，超聲波技術(shù)可以在不破壞食品結(jié)構(gòu)的情況下，快速檢測食品的物化特性，并且超聲波監(jiān)測技術(shù)適用范圍廣、檢測速度快，其在無損檢測領(lǐng)域中有著極為廣泛的應用。超聲波技術(shù)不需要介入食品本身，不會破壞食品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且能夠快速獲取食品檢測報告。例如，將超聲波技術(shù)應用于蔬菜檢測中，可以在不破壞蔬菜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，快速獲取蔬菜糖分累計和水分散發(fā) 情況[4]。

2.2 結(jié)晶控制

超聲波結(jié)晶控制是指利用超聲波定向效應控制食品內(nèi)部的結(jié)晶速度和過程，尤其是當食品處于臨界核狀態(tài)下，利用超聲波技術(shù)能夠進一步加快食品結(jié)晶核的形成，以此來減小食品結(jié)晶時受到的外界影響，提高食品結(jié)晶的均勻性和細致性。在冷凍肉、海鮮、冰激凌等食品存儲和制作方面，超聲波結(jié)晶控制有著廣泛的應用。例如，利用結(jié)晶控制技術(shù)對蝦、肉等食品進行冷凍，可以進一步降低食品存儲時細胞液外流。

3 超聲波技術(shù)在食品檢測中的應用

3.1 在乳制品檢測中的應用

通常情況下，水相密度大于油相密度，因此乳制品中油相液體會浮于水相液體上，進而形成乳液分離的現(xiàn)象，該現(xiàn)象并不能說明乳制品出現(xiàn)了變質(zhì)問題。但是消費者在購買到該類物品時通常會誤認為乳制品發(fā)生了變質(zhì)，因此在乳制品制作過程中，需要嚴格檢查乳制品油相含量和分布情況，降低乳制品出現(xiàn)變質(zhì)的問題[5]。對于傳統(tǒng)乳制品檢測技術(shù)，其主要利用粒子散射作用觀察食品介質(zhì)中粒子的運行情況，并利用速凍技術(shù)固定乳制品中油相位置，以此來掌握乳制品的油相含量、運動規(guī)律和分布狀態(tài)等。傳統(tǒng)乳制品檢測技術(shù)存在檢測效率低、操作難度大、檢測結(jié)果誤差大等問題，無法滿足現(xiàn)階段食品檢測的要求。而超聲波檢測技術(shù)易操作、檢測效率高，可以快速檢測乳制品的粒子分層和聚集情況。例如，在牛奶等不透光食品檢測中，牛奶粒子分散體積相對較大，利用光學顯微鏡無法準確檢測出牛奶粒子的分布情況。而超聲波技術(shù)則可以根據(jù)牛奶的聲速、密度、衰減特性等檢測牛奶是否存在沉降、凝聚等問題，進而快速判斷牛奶粒子分布情況[6]。

3.2 在水果、蔬菜檢測中的應用

在水果蔬菜檢測過程中，超聲波技術(shù)可以通過構(gòu)建聲特性（如聲阻抗、衰減系數(shù)和聲速）與食品特性（如硬度、成熟度）關(guān)系曲線，進而判斷食品的質(zhì)量。在水果蔬菜檢測過程中，水果蔬菜具有的空穴結(jié)構(gòu)會影響其超聲特性，當超聲波進入空穴結(jié)構(gòu)后會出現(xiàn)諧振效應，通過分析水果蔬菜共振頻率和楊氏模量掌握水果蔬菜與成熟度之間的變化關(guān)系。當水果蔬菜中出現(xiàn)諧振效應時，超聲波衰減系數(shù)會出現(xiàn)增大的情況，進行影響檢測結(jié)果的準確性。此外，超聲波在食品介質(zhì)中的傳播速度低于在空氣中的傳播速度，并且超聲波無法穿透水果蔬菜，因此在水果蔬菜檢測過程中主要利用回波檢測方法了解水果蔬菜的氣穴密集度、形狀和大小[7]。

3.3 在飲料、酒類檢測中的應用

近年來，飲品行業(yè)發(fā)展速度較快，而對于飲料和酒類產(chǎn)品的質(zhì)量檢測也成為了人們廣泛關(guān)注的話題。飲料和酒類主要以液體形式存在，并且其中的溶劑以水為主，但是由于液體之間密度均存在一定差異，因此液體之間并不會完全相同。普通的飲料制品中不同液體之間的混合率為80%，液體之間在相互融合過程中會形成新密度液體。而超聲波技術(shù)在不同密度液體中傳播速度存在一定差異，憑借這一特點，可以利用超聲波技術(shù)區(qū)分液體的種類。例如，雪碧、可樂等碳酸飲料，由于其溶解了CO2，其密度小于1 g/cm3；橙汁的密度通常為1.2 g/cm3； 酒精濃度為10°的啤酒，其密度通常在1.005～ 1.010 g/cm3。飲料過期后會產(chǎn)生雜質(zhì)，其密度也會增大，因此檢測人員可以利用這一原理和特性，快速檢測食品的安全問題。此外，在飲料酒類檢測過程中，超聲波技術(shù)不會破壞飲品的性質(zhì)和內(nèi)部成分，可以保證檢測結(jié)果的可靠性和真實性。

4 結(jié)語

綜上所述，超聲波技術(shù)憑借其精準性、快速性、非破壞性和成本低等優(yōu)勢，在食品檢測領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應用。從長遠發(fā)展角度來看，超聲波技術(shù)有著廣闊的發(fā)展空間，利用超聲波技術(shù)能夠提高食品檢測結(jié)果的真實性和準確性，并且超聲波技術(shù)具有成本低、操作簡便的特點，與其他檢測技術(shù)相比超聲波檢測速度較快，并且不會對人體產(chǎn)生危害，因此在今后的發(fā)展中需要加大該技術(shù)的研究 力度。