食品生产中的超声波处理技术

作者：中国人民大学 生吉萍

欢迎访问e展厅 展厅 10 通用食品机械展厅 组合称, 过滤器, 乳化罐, 混料缸, 冷热缸, ... 超声波作为一种物理能量形式的机械波广泛应用于医学、工业、化学和化工领域。目前，在食品工业中，超声波主要应用于食品分析及食品评价，并且越来越多地作为一种食品加工的技术广泛应用于食品加工生产领域。 功率超声波在食品原料生产中的应用 功率超声波具有激发细胞的活性作用，因此很多研究利用功率超声波促进细胞的生长代谢、提高产率。很多研究表明超声波能够在不破坏细胞比的情况下促进细胞生长。 低频率高能量的超声波能够对细胞产生刺激作用。超声波通过改进细胞的质量传输机制，加速细胞的新陈代谢过程提高细胞内相关酶的活性，从而促进细胞生长和相应代谢产物的积累。超声波能够提高营养介质中海藻细胞的生长速率，可使海藻蛋白的产量提高三倍。用超声波辅助生产酸乳酪能够提高乳酸菌活性，改善产品的均匀性和质地，而且减少了原料奶的使用量。 超声波作用能够显著影响鱼卵的孵化率，每天用频率为1 MHZ的超声波辐照鱼卵三次，每次35分钟，会使泥鳅孵化时间从 72 小时减少到60小时。不仅如此，超声波辐照还能提高鱼卵的孵化率和孵出小鱼的成活率。 此外，超声波还能够刺激种子萌发。在农业生产中，作物的产量主要取决于植株品种的优劣和种子的发芽率及生长率，因此超声波的应用为提高大规模农作物和普通园艺植物的产量提供了一种可能途径。多篇研究报告表明，在播种以前对种子进行超声波处理能够有效地提高农作物产量。通常种子是浸泡在水里的，以帮助结束其休眠状态。实验结果表明，采用这种超声波处理方法确实缩短了大豆和大米的发芽时间。以强度为0.7 W/cm2的超声波对浸在水中的莲花种子进行10分钟处理，能将其发芽率提高30%。经过超声波处理的向日葵种子在土壤中的发芽率提高了3倍，使番茄的成熟时间缩短了10天。用20 KHZ，0.5 W/cm2的超声波处理白术块根的出苗率随超声波处理时间的延长而增加。 由上看出，这项技术的前景广泛，超声波除了可以增加发芽率，刺激生长，缩短成熟时间等，也是对化学处理技术的一大挑战，它可以引领无害的有机农业发展。 许多研究表明, 超声波处理通过超声波处理的空化作用和超混合效应可使分子中的一些化学键断裂,降低粒子大小,得到均匀的溶液或分散液,大量反应基团暴露,加强分子间相互作用,从而可得到更坚韧、更紧密的膜.超声波处理可有效提高大豆分离蛋白膜的抗拉强度和阻湿性,但伸长率会有所下降。 莫文敏研究的0W～280W功率超声波处理大豆分离蛋白膜的结果表明,经 200W 超声波处理 1h 的大豆分离蛋白膜综合性能最好,机械强度几乎是对照膜的2倍,水蒸气气迁移系数值为对照膜的52.5% ,并且随着处理时间的增长,这些性能更加优越(见表1)。 抑制和杀灭微生物的研究 长期以来，超声清洗和杀灭微生物一直作为工业中的有效方法为人熟知。由于低频率高能量的超声波在液体介质中会产生空化效应，对于不规则表面的清洗和杀菌是非常有效的。空化效应在物体表面产生的射流能够清除表面污物和细菌，而且可以达到传统清洗杀菌所不能及的表面缝隙中。在食品消毒杀菌过程中，超声波和杀菌剂结合使用能够高效地清除和杀灭食品表面的细菌。 超声表面清洁的一项最新应用实例是利用超声波配合杀菌剂清洁孵化的蛋，与目前所使用的喷药或气熏方法相比，超声辅助清洁的效果更好。超声波与氯水结合处理使得新鲜果蔬表面的细菌数量明显降低，空化作用也使得细菌对杀菌剂更为敏感。 传统的热杀菌和消毒是目前食品生产中最常用的抑制微生物的方法；但是消费者需要一种能够对营养成分和整体食物品质影响最小的新型杀菌方法。超声波处理是替代技术中的一种，既能够抑制微生物活性又可以显著降低或消除热的参与，在食品工业中表现出了饮用前景。 高能超声波的杀菌作用是通过破坏细胞结构来杀死或活细胞，但是如果单独利用超声波作用达到完全杀菌效果所需要的能量是极高的，并且是一项非常有难度的工作。除了上面提到的与杀菌剂配合使用外，研究热点更集中在超声波与酸、氯、过氧化氢结合使用；超声波结合热杀菌、结合压力杀菌和结合热和压力的物理方式抑制食品中微生物方面。利用超声波协同作用能够提高杀菌效果，并且极大程度提高能源利用效率。 超声和热的协同作用杀菌机理的报道是由Ordonez等在1984年首次报道的，当时采用20 KHZ，1600 W的超声波结合5~62 ℃的温度条件进行杀灭葡萄球菌实验，发现热声配合使用无论从处理时间还是能量消耗方面都比单独使用两个杀菌条件更为有效。例如，丁四兵等人用臭氧水和超声波以及生物保鲜剂对荔枝处理后，结合处理同两者单项处理相比，更有效的抑制了PPO和POD的活，,延缓了花色素苷的降解，有效的保持了果皮颜色。其原因可能是由于超声波的热效应和空化机制以及臭氧水对PPO和POD的钝化和底物的过氧化，从而抑制了两种酶的活性。姚松等人的实验证明，水杨酸结合超声波处理与超声波单独处理相比能够明显提高鸭梨果实自身抵抗病原Penicil limexpansum 侵染的能力，降低接种发病率和病斑面积,提高防御酶POD活性。随着超声波结合水杨酸处理时间的增加,抑制效果逐渐变得明显。 国外超声波及其结合技术用于抑制食品中病原物的报道、讨论很多。Wrigley & Llorca (1992)研究了超声波及结合热处理处理对肉汤、脱脂乳、液体鸡蛋中的S.Typhimurium的杀灭效果。Munkacsi & Elhami(1967)研究了超声波及超声波结合技术UV处理对牛奶中大肠杆菌的杀灭效果。Manas等(2000)研究了超声波及结合技术对鸡蛋中沙门氏菌的抑制作用。有很多关于结合超声波使用杀灭食品及表面的细菌、产芽孢菌、真菌的研究报道。 李立炜等（2006）采用塑料膜包装,在超声波中对鲜鱼进行处理,然后将处理好的鲜鱼冷藏于10℃,以其细菌菌落数、PH值和感观变化为技术指标,研究塑料膜包装2超声波的保鲜效果。结果表明:经塑料膜包装-超声波处理,对鱼的保鲜期有所延长,且得出PS包装的鲜鱼在超声波中处理15min为最佳。 影响酶活力方面的研究 超声波不仅能激发酶的活性，而且也能够抑制酶的活性。实验发现，以酪蛋白为底物，在20 KHZ 超声波的作用下，在凝胶支持物中的α-靡蛋白酶活性提高了2倍。这种活性增强的原因是由于超声波空化效应使得凝胶表面的底物向凝胶内渗透增加造成的。超声波（20 KHZ、10 W）可以使得脆壁克鲁维氏酵母菊糖酶产量提高1倍以上；1982年yoshio等用频率20 KHZ，声功率15 W，时间15h提取细胞内的葡萄糖氧化酶，提高了酶产率，且未失活。并得出以温和的超声波条件应用于胞内酶的连续生产。利用超声波处理α-淀粉酶和糖化酶对淀粉和糖原水解活性的变成的影响发现酶催化反应速率和转化酶对蔗糖的水解活性显著升高。国内外这方面研究开展的较早也相对较多。 Wiltshire将过氧化物酶（大多数果蔬中主要的氧化酶，与果蔬变味和褐变密切相关）sigma-P8000溶解于0.1M、20 ℃、pH 7.0的磷酸钾缓冲溶液中，加以20 KHZ的超声波3 h，酶的活性下降了90% 。近来，L.De Gennaro 等人研究了热声共同抑制过氧化物酶活性的效果，实验表明，热声作用的效率比常用的加热方法高。 超声辅助提取 在传统工艺中，用溶剂浸提植物原料需要选择适当的溶剂，还需要进行加热或搅动。能量超声波由于空化效应产生的微射流和传质作用，能够增大溶剂向原料细胞的渗透量并强化传质，因此它可以明显得加速植物体和种子中有机成分的提取过程。此外，由于细胞的破坏也使得胞内物释放。 超声辅助提取法还可以用于提取中草药中的药物成分。而且超声提取法最大的优点是效率较常规方法高，能够在更低的温度下，更短的时间内获得更纯的产品。例如：用超声提取10 min比热碱提取50 min的提出率高，而且没有改变槐米中芦丁的化学成分。 此外，用超声技术还可以提高小牛胃中凝乳酶的提取率，且活性高。在豆奶的工业化生产中，采用能量超声波处理大豆浆体可以有效地提高其蛋白质及固形物的萃取率，从而提高豆奶的消化率。速溶茶生产前利用超声波提取茶内固体成分可使提纯率提高20%。 超声波促进渗透作用的应用 超声波的空化作用及其伴随效应可以起到促进溶液渗透作用。在果脯加工中，与常规渗糖方法相比，超声波可以显著提高果蔬组织的渗糖速率，同时可以明显降低糖煮对果蔬组织细胞结构的破坏作用。超声波应用于咸蛋的腌制过程中能够降低蛋清粘度，明显促进氯化钠的渗透与扩散，缩短了腌制时间。 超声波还能增加一些大分子、多肽类如胰岛素等的药物透皮吸收强度，起着药物促溶、促渗的作用。 其他方面的应用 在我国，鲜肉消费约占肉类总产量的70%～80%，牛肉的销售方式以集市销售和超市的速冻包装为主。近年来，冷却肉的加工在我国呈现上升的势头，所谓冷却肉，就是将刚屠宰的家畜肉吊挂在冷却室内，在一定时间内使其冷却到最厚处的深层温度达0～4℃，并保持在此温度下贮藏、运输和销售的一类肉品。Dykes 和Moorhead 等人试验证明：在-1.5 或4℃的真空包装或CO2气贮条件下，冷却肉中的E.coli 0157:H7和沙门氏菌数量在贮藏期间变化不明显。若在常温下，细菌生长迅速，16℃下细菌1d 繁殖15 倍，21℃时繁殖700倍，27℃时繁殖3000 倍，在4℃冷藏时则一天繁殖2倍，因而，对鲜肉进行包装和改进生产方法势在必行。在冷却肉加工过程中，对其进行减菌化处理，特别是采用非化学试剂处理的手段已成为冷却肉发展的必然趋势。因为，过度的依赖化学法延长冷却肉保质期，会导致安全性问题，且对产品风味也会带来不利影响。并且化学保鲜法，也不能尽如人意。 在肉制食品加工中，超声波可以用于破坏肉的肌原纤维，破坏后的肌原纤维会分泌粘液，增加肉的粘度，起到嫩化肉质作用，较之传统的滚揉工艺对肉处理效果更好。室温下对牛腰肉超声波处理（40 KHZ,2 W/cm2）2h肉中结缔组织明显减少。Reynoldsd等（1983）用超声波处理火腿肠时发现经超声波处理的样品在所有品质方面是最好的。 Gill 和Badoni 研究揭示：当用防腐剂保鲜冷却牛肉时，它们的作用效果可能不协调，这是因为牛肉来源和肉表面的差异所致，并且那些被防腐剂损伤的微生物在低温下有恢复的可能。超声波对微生物有破坏作用，能使微生物细胞内容物受到强烈的震荡而使细胞破坏。一般认为在水溶液内，由于超声波的作用，能产生过氧化氢，具有杀菌能力。新鲜牛肉通过超声波处理，可以很好地促进了牛肉中蛋白质分解酶的游离和分泌，使游离氨基酸量得到增加，促进组织结构变化，从而达到改善肉质的嫩度。而鲜肉的气调包装是用适合保鲜的保护气体置换包装容器中的空气，抑制细菌繁殖，结合调控温度以达到保存和保鲜目的。 牛秋劲等（2006）紫外线处理+ 超声波处理+ 气调(50%CO2+25%O2+25%N2)的组合方式进行的保鲜处理，可以使冷却肉的保质期达到22d；其次为第4 组处理，其保质期达到19d，比经真空包装后冷却肉保质期(10d)延长了9d。而紫外线处理+ 超声波处理+ 充入混合气体(20%CO2+70%O2+10%N2)的组合方式进行的处理，能维持冷却肉16d 以上的良好色泽，并且其理化指标和微生物指标在贮藏16d 后仍能达到国家一级鲜肉的标准。分析原因认为，采用紫外线照射、超声波和气贮结合的技术处理可以延长冷却肉的保质期限，并能改善冷却肉的嫩度。 在辅助结晶方面，超声波能够改善晶体的结晶过程，控制结晶过程，形成晶体的大小由超声频率与强度所控；超声波还可以加速酒类的催陈过程，使得酒味醇厚；影响冻结过程的冰核形成，在食品解冻过程中用超声波加热食品可以有效地缩短解冻时间，起到良好解冻效果；由于空化效应，气泡破裂产生的冲击波可以起到搅拌混匀作用用于乳化加工过程中，如用于番茄酱、蛋黄酱、果酱、人造奶油、婴儿食品、巧克力、色拉油、油塘水及其他类混合食品；另外，超声辅助过滤技术已被应用于果汁加工业，有利于浆液细化，使得浆液得出汁率提高。 另外，超声波也越来越多地被用于基因工程中，用于诱导基因转移，将外源基因导入植物、动物细胞和组织。 由此看出，超声波在加工过程中的应用带来了方法学上的创新，对传统的技术形成了有益的补充。超声波在杀菌 、提取、结晶、冷冻和过滤等工艺方面尤其有用。采用这些技术可以缩短加工时间，提高加工效率。目前的超声波应用又分出了一些新的领域，包括次激活细胞和酶，改进肉类加工和谷物处理方法等。但是有些技术目前还限于实验室内，应用于工业生产时会遇到一些实际困难，如大规模处理时难以找到合适的超声源。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/14/2013)