超聲波技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用進(jìn)展

梁詩洋，張 鷹,2,3,4, ，曾曉房,2,3,4，白衛(wèi)東,2,3,4，趙文紅,2,3,4

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東廣州 510225；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東省嶺南特色食品科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510225；3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院，廣東廣州 510225；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部嶺南特色食品綠色加工與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510225）

食品加工是將原材料轉(zhuǎn)化為可食用、功能性和文化上可接受食品的必要過程，是食品價(jià)值鏈中生產(chǎn)和消費(fèi)之間的重要環(huán)節(jié)[1]。食品加工過程包含很多不同的操作以達(dá)到需求目的，例如干燥、蒸煮、乳化、腌制、切割等。在傳統(tǒng)食品加工過程中，往往需要依賴熱量的消耗（即加熱食品加工），殺滅微生物，來延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。但這些熱處理會(huì)導(dǎo)致食品營(yíng)養(yǎng)成分的損失，對(duì)食品口感產(chǎn)生負(fù)面影響甚至衍生出有害物質(zhì)[2]。與此同時(shí)，非熱處理因其提供了更短的處理時(shí)間和更低的溫度條件，減少損壞食物中熱敏營(yíng)養(yǎng)成分的機(jī)率，保持食物原有質(zhì)地，且不會(huì)因高溫而在食物中形成任何有毒化合物[3]，在食品加工過程中更有優(yōu)勢(shì)。

超聲波是被廣泛應(yīng)用于食品加工操作過程中的一種非熱處理加工技術(shù)，其在食品的加工和保存、產(chǎn)品質(zhì)量地提高、縮短操作時(shí)間、低溫下微生物存活率地降低等方面具有一定優(yōu)勢(shì)[4]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，超聲波最開始應(yīng)用于降解生物聚合物，后來也逐漸應(yīng)用在增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)、降解污染物和滅活微生物等方面[5]。目前，超聲波的應(yīng)用幾乎涵蓋了所有食品工業(yè)操作，從分類、分級(jí)、到生產(chǎn)、加工和儲(chǔ)存，如萃取、冷凍、乳化、脫氣、干燥、均質(zhì)等。通過對(duì)文獻(xiàn)的梳理，以往對(duì)食品超聲波技術(shù)的應(yīng)用研究多集中于在提取生物活性化合物，而對(duì)超聲波在食品加工操作過程中的應(yīng)用研究比較少。因此，本文基于超聲波技術(shù)的基本原理上，綜述了超聲波技術(shù)在干燥、切割、過濾、提取、冷凍結(jié)晶等不同食品加工操作中產(chǎn)生的效應(yīng)與作用，梳理應(yīng)用超聲波技術(shù)處理前后食品的優(yōu)劣變化。最后指出當(dāng)前超聲波技術(shù)的不足，并對(duì)前景進(jìn)行了展望，以期超聲波技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用提升到新的高度。

1 超聲波技術(shù)

超聲波是一種機(jī)械波，頻率超過人類聽覺的極限，即頻率在20 kHz及以上的聲波。超聲在食品工業(yè)中的應(yīng)用可根據(jù)所使用的聲功率（W）、聲強(qiáng)度（W/m2）或聲能量密度（W/ m3）或根據(jù)應(yīng)用情況的不同分為兩種類型：高頻低強(qiáng)度非破壞性超聲（頻率＞1 MHz，強(qiáng)度＜1 W/cm2）以及低頻高強(qiáng)度功率超聲（20～100 kHz，10～1000 W/cm2）[6]。其中，高頻低強(qiáng)度超聲對(duì)食品特性具有最小的物理或化學(xué)影響，可提供有關(guān)食品的物理化學(xué)特性、結(jié)構(gòu)和成分的信息[7]，而功率超聲因?yàn)槟軌虍a(chǎn)生快速移動(dòng)的微氣泡流和氣泡破裂，使用過程或產(chǎn)品產(chǎn)生機(jī)械、化學(xué)或者物理影響，而被廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)和化學(xué)工程技術(shù)中[8]。與超聲頻率相關(guān)的物理和化學(xué)現(xiàn)象包括攪拌、振動(dòng)、壓力、激波、剪切力、微噴射、壓縮和稀疏、聲流、空化和自由基的形成[9]。

在超聲波系統(tǒng)中，超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換成振動(dòng)能，使周圍的介質(zhì)振動(dòng)，然后超聲波將能量傳遞給其他相鄰的粒子，產(chǎn)生空化、振動(dòng)、破碎、混合等綜合效應(yīng)[10]。圖1為超聲空化現(xiàn)象的原理圖。超聲空化的物理過程是超聲波在液體介質(zhì)中發(fā)生周期性的交替拉伸和壓縮。由于連續(xù)的壓縮-稀薄的循環(huán)，空化氣泡能隨著聲波頻率的變化而變化，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的超聲氣泡是穩(wěn)定氣泡。但是當(dāng)氣泡到達(dá)臨界尺寸，并在高聲壓下變得不穩(wěn)定而破裂和劇烈坍塌，產(chǎn)生高溫（5000 K）和高壓（50 MPa），這一過程伴隨著強(qiáng)烈的沖擊波和微射流[11]，這種則為瞬態(tài)空化形成的瞬態(tài)氣泡。超聲空化作用通常伴隨著機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等等。

圖1 超聲波空化現(xiàn)象Fig.1 Ultrasonic cavitation phenomenon

超聲波的機(jī)械效應(yīng)不論超聲強(qiáng)度的大小均會(huì)產(chǎn)生，但是超聲波的頻率和強(qiáng)度決定了機(jī)械作用的強(qiáng)弱。當(dāng)超聲在介質(zhì)傳播時(shí)由反射而形成駐波時(shí)，懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)械力的作用而聚集在波節(jié)處，在介質(zhì)中形成周期性的堆積[12]。超聲波所造成的機(jī)械作用可促進(jìn)食品液體的乳化、凝膠的液化、固體的分散和細(xì)胞的破裂等。熱效應(yīng)是由于超聲波在傳播過程中，其能量被介質(zhì)吸收而導(dǎo)致溫度局部升高的一種現(xiàn)象。同時(shí)，由于振動(dòng)超聲波會(huì)使介質(zhì)間相互摩擦而產(chǎn)生熱能。所以，超聲波的熱效應(yīng)來源于空化作用產(chǎn)生的熱量和介質(zhì)吸收聲能后轉(zhuǎn)化的熱量。溫度波動(dòng)會(huì)破壞食品中細(xì)菌的結(jié)構(gòu)和功能組合。另外，超聲瞬態(tài)空化會(huì)在空氣泡周圍瞬時(shí)產(chǎn)生高剪切力和湍流，極端條件下會(huì)導(dǎo)致氫自由基和羥基自由基的產(chǎn)生，因此超聲的化學(xué)效應(yīng)會(huì)促使或者引發(fā)新的反應(yīng)機(jī)制[4]。Mckenzie等[13]認(rèn)為超聲波能夠?qū)е戮酆衔镦溇鸦蛉軇┬》肿臃纸?，從而促進(jìn)反應(yīng)性自由基的產(chǎn)生，還描述了通過可逆（自由基）失活方法的控制體系。

2 超聲波在食品加工中的應(yīng)用

2.1 在食品干燥中的應(yīng)用

當(dāng)與食品工業(yè)中的各種加工操作結(jié)合使用時(shí)，超聲波可以影響操作過程中食品的特性（表1）。干燥技術(shù)能夠去除水分，從而抑制微生物生長(zhǎng)，還可以減少產(chǎn)品的總重量，縮短包裝空間，從而最大限度地降低包裝和運(yùn)輸成本，所以常用于保存各種容易因水分過多而腐敗變質(zhì)的食品[40]。傳統(tǒng)的干燥技術(shù)，如日光干燥會(huì)對(duì)食品產(chǎn)生負(fù)面影響，如收縮、色澤不良和維生素氧化等。有研究者表明，利用超聲波應(yīng)用可以降低水分活度，改善產(chǎn)品顏色并減少營(yíng)養(yǎng)損失[41]。超聲波通過獨(dú)特的機(jī)械波動(dòng)和空化效應(yīng)能在固體材料中創(chuàng)建微通道，使水分傳輸更加容易，增強(qiáng)傳質(zhì)過程[42]。傳質(zhì)的增加能夠減少食品干燥時(shí)間，從一定程度上減少了食品與空氣的接觸，抑制食品的氧化[43]。Aksoy等[44]比較了不同干燥技術(shù)對(duì)肉糜干燥動(dòng)力學(xué)和顏色的影響，結(jié)果表明超聲輔助真空干燥的肉糜收縮率最低，并能保持肉糜樣品的顏色特性。水分的去除是通過超聲波“海綿效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)的，海綿效應(yīng)增加了水從食品內(nèi)部到表面的擴(kuò)散。此外，超聲波在空氣與產(chǎn)物界面處產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)生空氣湍流，以去除表面的水分[45]。Oladejo等[14]在對(duì)黃木薯的干燥動(dòng)力學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)超聲波對(duì)木薯組織的空化效應(yīng)削弱了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建了一個(gè)微觀路徑，導(dǎo)致熱空氣干燥過程中的傳質(zhì)速率增加，導(dǎo)致有效水分?jǐn)U散增加。Wu等[15]在對(duì)超聲波對(duì)菠蘿蜜干燥特性的研究中也同樣認(rèn)為由于超聲波的壓縮和膨脹導(dǎo)致的“海綿效應(yīng)”以及空化效應(yīng)導(dǎo)致的湍流和微射流的形成，導(dǎo)致菠蘿蜜切片內(nèi)部水分?jǐn)U散速率的提高，促進(jìn)了水分的流失。

2.2 在食品復(fù)水中的應(yīng)用

食品為了延長(zhǎng)其貯藏期會(huì)選擇降低水分活度以達(dá)到儲(chǔ)存條件，但是這些食品在再加工或使用前需要進(jìn)一步水合或再水合，例如谷物豆類[46]。再水合的過程非常耗費(fèi)時(shí)間，因此有些人使用較高的浸泡溫度來強(qiáng)化水化過程。但是，高溫會(huì)改變食物本來的組分結(jié)構(gòu)以及營(yíng)養(yǎng)成分，并且高溫浸泡會(huì)增加額外的用水量和能量[47]。超聲波技術(shù)的應(yīng)用能夠緩解以上的問題。超聲波的海綿效應(yīng)導(dǎo)致組織和細(xì)胞的收縮和膨脹，從而導(dǎo)致流體泵送或慣性通量。另一方面，超聲波傳播引發(fā)的聲空化導(dǎo)致細(xì)胞破裂或基質(zhì)破裂，從而導(dǎo)致微空腔和微通道的形成。另外，Miano等[48]認(rèn)為這兩種效應(yīng)不是同時(shí)發(fā)生的，這取決于谷物顆粒中的玻璃質(zhì)胚乳密度，密度越高避免空化形成微通道的概率越高。Yadav等[16]研究的超聲輔助小米及其淀粉的水合作用中，認(rèn)為小米及其淀粉的水合過程的增強(qiáng)是兩種效應(yīng)共同作用的結(jié)果，而且發(fā)現(xiàn)超聲極大提高小米淀粉的水合作用，并且隨著超聲振幅和處理時(shí)間的增加，水結(jié)合能力顯著增加。相似的結(jié)果在Miano等[17]利用超聲波輔助羽扇豆顆粒的水合過程也能得到，超聲波的處理不僅能夠提高羽扇豆顆粒的水合作用，還縮短了45%的水合時(shí)間。

2.3 在食品提取中的應(yīng)用

提取技術(shù)在食品工業(yè)中可用于從食品基質(zhì)中有效分離各種脂質(zhì)、色素、多酚、多糖等生物活性化合物。與傳統(tǒng)的提取方法相比，超聲輔助提取工藝簡(jiǎn)單，能夠縮短處理時(shí)間、減少溶劑用量，且提取溫度低，得率高，純度高[49]。超聲提取的主要機(jī)理是空化效應(yīng)與機(jī)械效應(yīng)的混合效應(yīng)。超聲系統(tǒng)輸出使介質(zhì)振動(dòng)，從而使超聲波能量傳遞給溶液中的固體。超聲氣泡的瞬態(tài)空化釋放出高能量，傳質(zhì)得到增強(qiáng)，同時(shí)固體表面破裂，溶液更容易滲透進(jìn)入固體內(nèi)部，增加了提取溶劑與固體的接觸面積，提高提取效率[50]。Sanwal等[51]討論超聲輔助提取變量對(duì)沙棘籽油的提取效率和質(zhì)量的影響時(shí)，在提取溫度為50 ℃、液固比為10:1、超聲功率700 W和提取時(shí)間為8.28 min的最優(yōu)條件下提取沙棘油，得到產(chǎn)油率為6.4 g·hg-1、抗氧化活性為4.1 μg·mL-1。超聲處理最大效率地保留了沙棘籽油的生物活性成分。Gadalka等[18]在利用超聲波輔助提取西瓜籽蛋白過程中，認(rèn)為超聲波誘導(dǎo)空化力，使溶劑更大地滲透到細(xì)胞材料，并增強(qiáng)傳質(zhì)，并改善細(xì)胞內(nèi)容物釋放到介質(zhì)中。利用超聲輔助提取法的提取率為87%，溶劑使用量減少了20%，超聲提取時(shí)間從常規(guī)的120 min縮短到9 min，這表明超聲通過空化作用正強(qiáng)化了萃取過程，從而產(chǎn)生湍流和細(xì)胞破壞。Song等[19]在提取枸杞多糖也同樣發(fā)現(xiàn)，超聲提取比傳統(tǒng)熱水提取時(shí)間要縮短47%，提取得率也提高83.3%。在Gazeran等[52]提取藏紅花的藏紅花素時(shí)，因超聲空化效應(yīng)破壞植物細(xì)胞，最終提取物中藏紅花素的含量比溶劑浸提法提取的含量高17.84%，同時(shí)提取時(shí)間從原來的5 h縮短到10 min。

2.4 在食品切割中的應(yīng)用

超聲波切割或超聲波輔助切割是一種利用超聲振動(dòng)能量與常規(guī)刀片運(yùn)動(dòng)疊加來提高切割質(zhì)量的操作[53]。在超聲切割操作中，切割刀在超聲頻率下的往復(fù)振動(dòng)大大減少了刀片與產(chǎn)品之間的摩擦，使切割直線、干凈，產(chǎn)品的尺寸、形狀和密度均勻。超聲切割食品的好處體現(xiàn)在具有平整的切割面，能夠減少食品損耗，不易變形，能夠處理易碎和具有一定粘性的食品，還有助于改善衛(wèi)生[54]。Yildiz等[20]探索超聲波切割蘋果的方法，并研究切割后蘋果的品質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲切割刀振幅從30%增加到50%時(shí)，質(zhì)量屬性有所改善，超聲切割的蘋果都表現(xiàn)出相對(duì)致密和光滑的表面形態(tài)，細(xì)胞損傷較少。Arnold等[21]研究不同成分的奶酪品種在切割過程中對(duì)超聲波激勵(lì)的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)刀具的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致切割力和切割功的降低，進(jìn)而導(dǎo)致切割過程中產(chǎn)品變形的減少，從而提高切割質(zhì)量，減少切割組件的污垢，降低產(chǎn)品磨損量，從而減少產(chǎn)品浪費(fèi)。陳健[55]開發(fā)了一款面包超聲波切割裝置，研究了超聲波面包切割參數(shù)對(duì)面包切割效果的影響。實(shí)驗(yàn)對(duì)比超聲切割和傳統(tǒng)切割方式對(duì)切割脆性、易于產(chǎn)生碎屑面包和帶奶油易粘刀面包的影響，結(jié)果表明超聲切割可以解決傳統(tǒng)切割面包過程中出現(xiàn)易產(chǎn)生碎屑和粘刀的痛點(diǎn)。

2.5 在食品過濾中的應(yīng)用

過濾技術(shù)是用來從液體中分離出固體的有效技術(shù)。超聲波有效解決過濾過程中膜表面上方的濾液或?yàn)V餅過濾器造成的污染或者濃度極化的問題[56]。超聲產(chǎn)生的振動(dòng)能使顆粒保持懸浮并繼續(xù)移動(dòng)，使過濾器表面保持干凈，并促進(jìn)溶劑進(jìn)入孔隙。它還創(chuàng)造了一個(gè)無摩擦的表面，使液體或更小的顆粒更容易通過，從而改善了流動(dòng)性，減少了加工時(shí)間。另一優(yōu)點(diǎn)是延長(zhǎng)了過濾器的使用壽命，過濾器表面出現(xiàn)的持續(xù)氣穴可防止堵塞或結(jié)垢[57]。Prabhuzantye 等[22]利用超聲波來增加乳清的膜通量，除了增強(qiáng)的通量外，使用超聲波的總間歇時(shí)間也從傳統(tǒng)方法（即不使用超聲波）的3 h縮短到2.5 h左右。說明超聲波的應(yīng)用使?jié)舛葮O化最小化，并且空化能夠在膜表面附近產(chǎn)生湍流，這有助于防止膜上形成濾餅層。Khaire等[23]首次使用雙頻超聲強(qiáng)化膜超濾，加強(qiáng)乳清的膜通量，進(jìn)而提高了從乳清中回收乳糖的回收率。功率120 W超聲喇叭的使用使乳清的滲透回收率從83.3%增加到88.5%，乳糖結(jié)晶回收率從86.3%增加到88.9%；但功率為300 W的雙頻超聲滲透回收率為96%，乳糖結(jié)晶回收率94.3%?；厥章实奶岣呖蓺w因于污垢阻力的降低，從而實(shí)現(xiàn)更好的膜清洗，并減少因顆粒沉積在膜表面附近而導(dǎo)致的滲透通量隨時(shí)間的減少。在最優(yōu)條件下測(cè)定污垢阻力和污垢程度，結(jié)果表明雙頻超聲的使用減少了膜的結(jié)垢程度（32%）。

2.6 在食品冷凍/結(jié)晶中的應(yīng)用

冷凍和結(jié)晶過程是相互關(guān)聯(lián)的，結(jié)晶決定了冷凍過程的效率和冷凍產(chǎn)品的質(zhì)量，因?yàn)槎叨家猿跏汲珊诉^程和隨后的結(jié)晶為特征[58]。在冷凍過程中，超聲波應(yīng)用于相變階段，以誘導(dǎo)成核并促進(jìn)隨后的冰晶生長(zhǎng)，從而提高冷凍效率，并影響結(jié)晶過程的自發(fā)和隨機(jī)性[59]。Zhang等[60]研究超聲輔助浸泡冷凍對(duì)豬最長(zhǎng)肌冷凍速度和質(zhì)量的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)180 W超聲處理的樣品比無超聲處理的樣品的總凍結(jié)時(shí)間縮短了12.6%，并且在顯微鏡下觀察下的冰晶分布最均勻，冰晶半徑從13.17 μm減少至5.02 μm。表明這種變化是由于超聲波通過輔助誘導(dǎo)成核和加速傳熱傳質(zhì)速度來強(qiáng)化冷凍過程。超聲波誘導(dǎo)成核主要包括有兩個(gè)方面的作用，在初生成核過程中，由于超聲波的壓縮和拉伸，產(chǎn)生了大量氣泡，這些氣泡對(duì)小冰晶的形成起到了核的作用[61]。在二次成核的過程中，瞬態(tài)空化氣泡的崩塌會(huì)導(dǎo)致微射流、沖擊波的產(chǎn)生，局部的高溫高壓能夠破壞冰晶的結(jié)構(gòu)[62]。同時(shí)，新形成的小冰晶會(huì)再次充當(dāng)晶核，促進(jìn)冰晶形成，并且在整個(gè)冷凍過程中，氣泡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)會(huì)加速傳熱傳質(zhì)過程，從而縮短凍結(jié)時(shí)間。超聲波輔助冷凍結(jié)晶還能影響到食品的品質(zhì)。Li等[24]研究了超聲處理在整個(gè)冷凍過程對(duì)冷凍面團(tuán)的質(zhì)量影響，發(fā)現(xiàn)超聲波能夠降低二硫鍵對(duì)面團(tuán)的破壞作用，改善了面團(tuán)的加工質(zhì)量，還減少了面團(tuán)的冷凍時(shí)間。Sun等[25]使用超聲波冷凍技術(shù)對(duì)鯉魚冷凍速度和品質(zhì)進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)超聲波冷凍可以減少鯉魚在長(zhǎng)期冷凍儲(chǔ)存過程中蛋白質(zhì)氧化和肌原纖維凝膠的質(zhì)量損失。與非超聲處理的鯉魚蛋白凝膠相比，超聲處理的蛋白凝膠具有更好的彈性、粘性、凝膠持水性和凝膠強(qiáng)度；此外，經(jīng)過SEM圖像分析，超聲處理的蛋白凝膠具有更小更細(xì)的孔隙。這都說明了超聲促進(jìn)細(xì)小冰晶的形成，不僅提高了冷凍效率，還改善了冷凍鯉魚蛋白的凝膠特性。Tian等[61]開發(fā)了一種能夠產(chǎn)生正交超聲的新型超聲輔助冷凍系統(tǒng)，探討其對(duì)速凍馬鈴薯品質(zhì)的影響。利用微觀結(jié)構(gòu)分析和主成分分析馬鈴薯冷凍前后的質(zhì)量變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正交超聲使馬鈴薯具有最細(xì)小的孔隙和最豐滿的組織，不僅提高冷凍率和縮短總冷凍時(shí)間，還減少樣品滴漏損失以及提高樣品硬度。

2.7 在食品解凍中的應(yīng)用

冷凍產(chǎn)品的解凍過程極為緩慢，而且在長(zhǎng)時(shí)間的解凍過程中，食物會(huì)受到微生物、化學(xué)或物理變化的影響。超聲輔助解凍具有均勻性和節(jié)省時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，主要?dú)w因于超聲波在凍結(jié)與融化邊界附近快速衰減，聲能向熱能轉(zhuǎn)化，從而改善傳熱，縮短解凍時(shí)間[63]。此外，超聲波減少解凍時(shí)間不僅是由于其對(duì)傳熱的影響增強(qiáng)，而且是由于劇烈的振蕩所造成的空化氣泡崩塌，導(dǎo)致冰晶分解成更小的尺寸，由此提高解凍率[64]；另一種原因可能是超聲誘導(dǎo)的微蒸汽增強(qiáng)傳熱和傳質(zhì)，從而降低冰/液界面處傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象的阻力[65]。Sun等[26]使用超聲波輔助解凍鯉魚發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)某暡üβ剩?00 W）可以加速解凍過程，并且維持其肌肉品質(zhì)和良好的感官性質(zhì)。當(dāng)然，過度的超聲波也會(huì)破壞了魚肉的組織結(jié)構(gòu)。Zhang等[66]利用相似的方法對(duì)雞胸肉的解凍速率和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開研究，得到同樣在超聲功率為300 W時(shí)能得到最優(yōu)解凍品質(zhì)的雞胸肉，并且對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響有所降低。Guo等[27]評(píng)估超聲輔助解凍對(duì)白耗牛肉肉質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波解凍處理使解凍時(shí)間縮短30.95%～64.28%，并且在處理功率為400 W時(shí)，解凍損失和蒸煮都相對(duì)較少。

2.8 在食品乳化中的應(yīng)用

乳液包含兩種互不相溶液體的系統(tǒng)，存在于很多常見的食物中，例如牛奶、黃油、冰淇凌和沙拉醬等。超聲波乳化產(chǎn)生的乳液更加穩(wěn)定，液滴的尺寸更小，粒徑分布窄，還降低了乳化劑的用量，并誘導(dǎo)乳化劑快速移動(dòng)，在界面上快速吸附[67]。這是因?yàn)槌暡ㄈ榛^程中，超聲波能夠使油滴變形和破碎，從而減少了懸浮油滴的尺寸。超聲波能夠在連續(xù)相中形成分散的大液滴，然后介質(zhì)中持續(xù)的物理剪切和聲空化作用可以逐漸擊穿大液滴[68]。在超聲功率與明膠濃度的影響研究中，認(rèn)為超聲過程降低了生物聚合物溶液的電位、界面張力和粘度，從而得到穩(wěn)定的乳液，液滴尺寸更小，而且更高的超聲功率可以改變聚合物網(wǎng)絡(luò)[69]。在Zhou等[28]的研究中，超聲處理使豬肉脂肪顆粒粒徑減小，乳化液滴分布均勻，提高了所有乳液的乳化活性、乳化穩(wěn)定性和流出指數(shù)，同時(shí)降低了乳液的粘度系數(shù)，并導(dǎo)致蛋白質(zhì)疏水基團(tuán)和脂肪顆粒之間的結(jié)合增加。在Li等[29]研究的高強(qiáng)度超聲對(duì)雞肌纖維蛋白乳化性能的影響，認(rèn)為超聲探頭伴隨著微流和湍流的空化作用和剪切力破壞了肌纖維完整性和導(dǎo)致蛋白質(zhì)解離，所以經(jīng)超聲處理后的雞肌纖維蛋白能提高乳液的活性指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)。

2.9 在食品發(fā)泡中的應(yīng)用

在空氣/水界面形成泡沫的過程是蛋白質(zhì)分子的運(yùn)輸、滲透和重組的過程。這些過程受表面疏水性、蛋白質(zhì)取向、變性程度（均質(zhì)化增加）以及蛋白質(zhì)大小和結(jié)構(gòu)的影響[70]。因此，超聲能夠在加工過程中參與以上過程，從而影響蛋白質(zhì)的發(fā)泡性能。超聲處理會(huì)讓蛋白質(zhì)具有更多暴露的疏水結(jié)構(gòu)域，降低了蛋清的粘度和表面張力，減少蛋白質(zhì)尺寸[71]，增加去折疊表面疏水性，增加了界面作用的促進(jìn)作用，使蛋白質(zhì)更容易吸附在氣液界面上，并通過疏水或靜電相互作用進(jìn)行分子組裝[72]。Martínez-Velasco等[30]利用高強(qiáng)度超聲處理蠶豆蛋白時(shí)，發(fā)現(xiàn)超聲處理的蛋白發(fā)泡能力（258.3%）顯著高于未經(jīng)超聲處理的發(fā)泡能力（145.8%）。其原因是聲空化和微流發(fā)生了快速的分子運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)鏈展開，暴露出更多疏水基團(tuán)，使表面張力降低，在空氣-水界面表現(xiàn)出顯著更高的吸附動(dòng)力學(xué)。另外，超聲波的應(yīng)用通常改善了乳清蛋白泡沫的溢出和排水性能。Tan等[31]使用60%的振幅和25 min的超聲時(shí)間對(duì)乳清蛋白懸浮液進(jìn)行處理，對(duì)比未經(jīng)處理的乳清蛋白，超聲處理可顯著產(chǎn)生穩(wěn)定泡沫，其溢出率更高，排水量也相對(duì)較低，表明泡沫穩(wěn)定性更高。

2.10 在食品凝膠中的應(yīng)用

在對(duì)富含蛋白質(zhì)的乳品、豆類以及水產(chǎn)的加工上，良好的凝膠性能使蛋白質(zhì)具有更適合加工的質(zhì)構(gòu)特性。而且蛋白凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既能做水的載體，也可做糖、風(fēng)味成分及其他配合物的載體。一些學(xué)者認(rèn)為超聲處理能夠改善凝膠性能是因?yàn)槌暱栈瘹馀輨×移屏?，伴隨著極端的物理效應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓和機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的剪切力和沖擊波，從而改善蛋白質(zhì)的溶解度并促進(jìn)蛋白質(zhì)構(gòu)象的展開，改變了蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)蛋白質(zhì)之間的相互作用和交聯(lián)[73]。蛋白質(zhì)之間的相互作用增強(qiáng)，有利于凝膠的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加規(guī)則，便于水分或其他物質(zhì)鎖住在結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)凝膠持水性和穩(wěn)定性[74]。He等[32]的研究表明，與傳統(tǒng)水浴加熱相比，超聲輔助水浴加熱處理的鯛魚魚糜在相同鹽濃度下的凝膠特性得到明顯改善，凝膠強(qiáng)度和持水性都得到不同程度地提高，魚糜凝膠的圍觀結(jié)構(gòu)更加均勻致密。主要是因?yàn)槌暡ǖ厥褂么龠M(jìn)了蛋白質(zhì)構(gòu)象從α-螺旋向地轉(zhuǎn)化，便于氫鍵的形成和其他疏水基相互作用。但是在雙超聲處理下，魚糜凝膠的硬度較低，認(rèn)為是長(zhǎng)時(shí)間超聲導(dǎo)致蛋白質(zhì)過度延伸，嚴(yán)重?fù)p害蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。相似的結(jié)果也在姜昕等[33]的研究中得出，鰱魚魚糜樣品被超聲波處理10 min時(shí)，凝膠強(qiáng)度和水的束縛能力都得到增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為致密。同樣地，經(jīng)皮爾遜相關(guān)性分析，凝膠特性的改善與蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)，ɑ-螺旋含量下降，β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲的含量相對(duì)上升，使蛋白之間的相互作用增強(qiáng)。但隨著超聲處理時(shí)間的增長(zhǎng)，魚糜凝膠的緊實(shí)程度降低，凝膠結(jié)構(gòu)對(duì)水的束縛能力下降，使得部分不易流動(dòng)水變?yōu)樽杂伤z特性劣化。

2.11 在食品殺菌中的應(yīng)用

一般的高熱處理殺菌技術(shù)會(huì)致使食品本身的品質(zhì)和風(fēng)味產(chǎn)生變化，因此為了最大限度地減少損失，超聲波也被用于微生物的滅活。超聲波滅活微生物的機(jī)理與聲空化效應(yīng)相關(guān)。瞬態(tài)空化氣泡坍塌產(chǎn)生的沖擊波會(huì)剪切和破壞細(xì)胞壁與膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致微生物細(xì)胞的成分被機(jī)械沖擊波破壞。同時(shí)，自由基會(huì)發(fā)生反應(yīng)并破壞微生物的DNA。此外，在空化過程中形成的過氧化氫（H2O2）具有殺菌和抑菌作用。在探討超聲波對(duì)大腸桿菌的滅活機(jī)理，Lin等[75]說明了超聲處理后細(xì)菌的細(xì)胞膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)和DNA泄露，并且由超聲波產(chǎn)生的自由基會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)能量代謝衰減，最終導(dǎo)致微生物滅活。Margean等[34]利用高功率超聲代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱處理方法來提高紅葡萄果汁中微生物的失活率，結(jié)果表明與巴氏殺菌法相比，高功率超聲處理能在不影響所研究的生物活性化合物和葡萄汁樣品理化參數(shù)的情況下，引起微生物計(jì)數(shù)的顯著下降。而且振幅為70%的超聲處理比振幅50%的超聲處理微生物計(jì)數(shù)下降更多。采用小麥苗汁為對(duì)象，Ahmed等[35]在探究不同超聲處理?xiàng)l件對(duì)其生物活性物質(zhì)、微生物、營(yíng)養(yǎng)和理化性質(zhì)的影響中，得到積極的結(jié)果。但是也有相關(guān)研究表明，超聲處理會(huì)在一定條件下刺激微生物的生長(zhǎng)。Carrillo-Lopez等[76]研究了高強(qiáng)度超聲處理對(duì)牛肉微生物的變化影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度超聲處理顯著地增加了嗜溫菌的數(shù)量，使其從對(duì)照組的7.32 lg CFU/mL分別增加到超聲浴系統(tǒng)的7.7 lg CFU/mL和探針系統(tǒng)的7.64 lg CFU/mL。Lariss等[77]用超聲浴在不同時(shí)間對(duì)意大利臘腸進(jìn)行超聲，發(fā)現(xiàn)臘腸經(jīng)9 min超聲處理后乳酸菌增多，隨后經(jīng)過120 d的儲(chǔ)存，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌總數(shù)顯著高于對(duì)照組（P＜0.05），猜測(cè)微生物生長(zhǎng)與超聲暴露時(shí)間有關(guān)。在某一特定條件下，超聲波可能只部分破壞了微生物結(jié)構(gòu)，殺菌效果有限；或者微生物內(nèi)通道可能被激活，超聲波進(jìn)一步促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向?yàn)槲⑸锏倪\(yùn)輸，進(jìn)而促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)[78]。

2.12 在食品腌制中的應(yīng)用

腌制指的是一種干燥或液體的形式的混合材料，應(yīng)用于未煮熟的食物，通過滲透梯度的方式擴(kuò)散到肉基質(zhì)中，以豐富風(fēng)味和質(zhì)地特性，提高肉制品的貨架期。超聲波的應(yīng)用可以克服傳統(tǒng)腌制方法效率低、保存速度慢等缺點(diǎn)。因?yàn)槌暡ǖ穆暱栈饔每梢愿淖內(nèi)饨M織的物理化學(xué)特性，通過收縮和膨脹改變?nèi)饨M織的加工和固化。超聲處理過程中的氣體被排出，因此肌肉組織被破壞，導(dǎo)致肌肉束之間形成更大的間隙，這有利于鹽水分散到肉組織中。同時(shí)，肌肉組織內(nèi)部的負(fù)壓降低了腌料進(jìn)入肉塊的阻力，因此超聲波處理能顯著增強(qiáng)腌料滲透性[79]。在Inguglia等[36]的研究中，雖然超聲波處理無法代替鹽的作用，但也沒有對(duì)雞胸肉的腌制造成負(fù)面影響，甚至還在此基礎(chǔ)上加快了鈉鹽的擴(kuò)散，縮短了腌制時(shí)間，1 h就能達(dá)到原本需要16 h的腌制效果。在另一研究中，超聲波在兔肉腌制、縮短浸泡時(shí)間、提高肉的硬度和失水率方面都有正面影響。同樣在固定的條件下對(duì)比超聲處理與傳統(tǒng)處理的兔肉腌制結(jié)果，超聲波壓縮了腌制時(shí)間是其最大的優(yōu)勢(shì)[37]。

2.13 在食品風(fēng)味中的應(yīng)用

超聲波的應(yīng)用對(duì)食品加工風(fēng)味也有一定的影響，主要是超聲物理和機(jī)械效應(yīng)的綜合作用致使蛋白質(zhì)和脂肪的結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致食品風(fēng)味的變化。針對(duì)肉類食品來說，蛋白質(zhì)和脂質(zhì)氧化是最終肉制品整體風(fēng)味形成的主要原因，因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生大量的味活性氨基酸、小肽、脂肪酸和香味。美拉德反應(yīng)被認(rèn)為是最重要的化學(xué)反應(yīng)之一，它影響食品的質(zhì)量特性。Yu等[80]針對(duì)超聲輔助美拉德反應(yīng)做出了全面的闡述，表明超聲波能夠作為促進(jìn)蛋白糖基化的有效手段，并且對(duì)美拉德反應(yīng)的中間階段和最后階段起著重要的促進(jìn)作用。Chen等[38]研究了超聲預(yù)處理對(duì)雞肝蛋白及其水解物的美拉德反應(yīng)程度和美拉德產(chǎn)物的影響，超聲預(yù)處理增加了美拉德反應(yīng)后雞肝蛋白水解物的褐色著色程度和風(fēng)味前體物的含量，降低了雞肝蛋白水解物的粒徑，并促進(jìn)蛋白水解物與木糖之間的交聯(lián)作用。在超聲處理下，雞肝蛋白水解物美拉德產(chǎn)物的揮發(fā)性化合物增加，苦味和澀味特征降低，表現(xiàn)出更強(qiáng)的焦糖狀和甜味特征。在另一相似研究中，Habinshuti等[39]研究超聲波輔助酶解和不同單糖對(duì)甘薯蛋白水解產(chǎn)物的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的肽結(jié)構(gòu)和風(fēng)味特性的影響。通過pH、褐變強(qiáng)度和熒光光譜的顯示，說明超聲處理能夠增強(qiáng)美拉德反應(yīng)的進(jìn)程，同時(shí)增加了ORAC值、鮮味、甜味和酸味特征，并且降低了所有美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的苦味。但是，超聲處理也能帶來不好的風(fēng)味。Sfakiankis等[81]比較了超聲處理與壓力處理牛奶制成的酸奶風(fēng)味，結(jié)果超聲處理牛奶導(dǎo)致酸奶中酮、醛、碳?xì)浠衔锖投琢虻臐舛仍黾?，產(chǎn)生異味（金屬味、焦味、橡膠味等）。Munir[82]比較超聲、微波和高壓處理牛奶對(duì)切達(dá)干酪的風(fēng)味影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅超聲處理后制成的干酪中具有焦味和金屬味等異味，分析發(fā)現(xiàn)醛、碳?xì)浠衔镆约耙恍?duì)照組不存在的揮發(fā)性物質(zhì)的增多。

3 展望

超聲波技術(shù)在食品行業(yè)已經(jīng)被用于改善不同的工藝，并且已經(jīng)成為了一個(gè)非常有前景的前沿技術(shù)。綠色環(huán)保的超聲技術(shù)的應(yīng)用，能有效縮短整個(gè)食品加工操作的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。但超聲技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用還存在著不足。超聲對(duì)食品分子結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制以及超聲動(dòng)力學(xué)模型需要進(jìn)一步的深挖。多數(shù)的研究都是基于簡(jiǎn)單的超聲波反應(yīng)器設(shè)計(jì)，因此超聲波在處理復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)的作用非常有限，需要開發(fā)更為復(fù)雜的控制系統(tǒng)和有效的控制方法。如果將傳統(tǒng)技術(shù)和創(chuàng)新技術(shù)相結(jié)合，將超聲波與其它有利于改善加工工藝的操作或技術(shù)協(xié)同作用，有望能克服超聲波技術(shù)的短板，將有效作用放到最大效益。此外，超聲的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化需要大量的能源，保證超聲的連續(xù)能源供應(yīng)也應(yīng)是未來研究的重點(diǎn)。相信在不遠(yuǎn)的未來，超聲波技術(shù)能隨著科研人員的持續(xù)研究，克服目前的短板，在食品加工單元操作中發(fā)揮更大效用。