超聲波殺菌技術在食品中的應用

1、。超聲波殺菌技術在食品中的應用一、超聲殺菌效果超聲殺菌的機理是基于超聲生物、物理和化學效應。研究發(fā)現(xiàn)在含有空氣或其它氣體的液體中， 在超聲輻射下， 主要由于空化的強烈機械作用能有效地破壞和殺死某些細菌與病毒或使其喪失毒性。 例如熒光細菌在超聲作用下會受到破壞，大腸桿菌族細菌也有同樣的結(jié)果。傷寒沙門氏菌可以用 4.6MHz 頻率的超聲來全部殺死。用 960kHz 的超聲在水溶液和生理鹽水中作用于百日咳菌，發(fā)現(xiàn)超聲對這些微生物有顯著的破壞作用。在輻射各種細菌時發(fā)現(xiàn)，在細菌死亡的同時， 發(fā)生了細菌的自溶，即形態(tài)結(jié)構(gòu)也受到破壞，以至在超聲作用以后不僅培養(yǎng)物中的菌落數(shù)目減少，而且在形態(tài)上保留原狀的細菌也

2、減少了。 受過輻射的殺菌懸浮液的渾濁程度也減小，透明度提高， 這是由于每個單個細胞組成膠體的分散程度的減小和細胞囊的溶解（這表現(xiàn)為溶液中含氮化合物的增加和細菌的減?。┧?。二、影響殺菌效果的因素1聲強為了在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空化效應（這是殺菌的主動力），聲強的必要條件是大于具體情況下的空化閾值。據(jù)研究，殺菌所用的聲強最低也要大于1W/cm2。聲強增大，聲空化效應增強，殺菌效果增強，但也使聲散射衰減增大；同時，聲強增大所引起的非線性附加聲衰減亦隨之增大，因而為取得同樣的殺菌效果所付出的功率消耗增加。當聲強超過某一界限時，空化泡在聲波的膨脹相內(nèi)可能增長過大，以至它在聲波的壓縮相內(nèi)來不及發(fā)生崩潰，使空化

3、效應反而減弱，殺菌效果會下降?？梢?，為獲得滿意的超聲殺菌效果，沒有必要無限制的追求提高聲強，一般情況殺菌聲強宜于取在1 61W/cm2的范圍內(nèi)。2頻率頻率越高， 越容易獲得較大的聲壓和聲強。另一方面，隨著超聲波在液體中傳播，液體中微小核泡被激活， 有振蕩、 生長、收縮及崩潰等一系列動力學過程所表現(xiàn)的超聲空化效應也越強， 從而超聲波對微生物細胞繁殖能力的破壞性也就越明顯，宏觀上表現(xiàn)出來的微生物滅菌效果就越好。但頻率升高，聲波的傳播衰減將增大。因此，一般說來，為了獲得同樣的殺菌效果，對于高頻聲波則需要付出較大的能力消耗。例如有報道，為了在水中獲得空化，使用400kHz超聲所消耗的功率，要比使用10

4、kHz 的超聲高出 10 倍。由于這個原因，目前用于超聲殺菌的超聲頻率多選擇早 20 50kHz。3殺菌時間隨著殺菌時間增加， 殺菌效果大致成正比增加， 但進一步增加殺菌時間，殺菌效果并沒有明顯增加， 而趨于一個飽和值。 對其它的聲化學反應也如此。因此一般的殺菌時間都定在10min 內(nèi)。另外還有一個問題必須引起充分注意，隨著殺菌時間的增加，介質(zhì)的溫升會加大，這對于某些熱敏性的食品殺菌是不利的。4超聲波形的影響超聲殺菌可取連續(xù)波和脈沖波兩種波形。連續(xù)波工作時， 聲能在整個殺菌過程中不斷連續(xù)作用。 而脈沖是間斷作用的，可防止介質(zhì)的顯著熱效應，這對與熱敏性食品的殺菌是有利的。有研究認為在進行超聲殺菌

5、時，利用混響聲場要比行波聲場有效得多，在同樣的超聲能量輸入條件下， 可達到高得多的殺菌效果。 當使用脈沖超聲波時，為使穩(wěn)定的混響場得以建立，以期獲得高的殺菌效率，應使脈沖寬度有足夠的寬余（一般取 10ms 左右）；在保證穩(wěn)定的混響場聲場得以建立的情況下，所獲得的殺菌效率等效于連續(xù)波輻射。-可編輯修改 -。三、超聲波在食品工業(yè)上的具體應用1. 超聲波解凍大塊凍結(jié)食品在空氣、水中解凍很慢，增加加工成本，浪費時間。Shore等人 (1986) 發(fā)現(xiàn)，超聲波在凍結(jié)肉制品中比在末凍結(jié)組織中衰減程度大，也就是說，已凍結(jié)的區(qū)域?qū)Τ暡ǖ奈毡任磧鼋Y(jié)的區(qū)域要高出幾十倍，而且這種衰減隨著溫度顯著增加， 在起始冷

6、凍點達到最大值。即，超聲波大部分能量將被食品中處于凍結(jié)臨界區(qū)域的組織吸收。Miles等發(fā)現(xiàn)， 500kHz 0.5W 每平方厘米， 10 15cm厚的冷凍牛肉，豬肉在1.5 2.5h內(nèi)即可完全解凍。超聲波解凍后局部最高溫度與超聲波的加載方向、超聲波的頻率和超聲強度有關。2. 干燥、除沫超聲波在液體表面形成超聲噴霧（可用來除沫） ，并使液體產(chǎn)生空化，大大增加了液體的蒸發(fā)面積。 具有干燥速度快、 溫度低， 最低含水率低且具有物料不被破壞等優(yōu)點而適用于食品、藥品及生化制品的熱敏性物質(zhì)的干燥。超聲波干燥常用頻率為 16 50kHz，聲強大于 150dB。Boucher 超聲波干燥蔗糖，迅速使水分降至

7、1.2 ，繼續(xù)處理 16min，可除去所有水分。一般的噴霧干燥只能用與粘度比較低的物料，而超聲波干燥可用于粘度較高的物料。3. 分離、提取超聲波能夠增大溶劑向原料細胞的滲透量并強化傳質(zhì)，因此它可以明顯地加速植物體和種子中有機成分的提取過程。功率超聲波還能破壞細胞壁，釋放細胞內(nèi)的物質(zhì)。功率超聲用于過濾系統(tǒng)，可以防止過濾阻塞，使過濾速度提高幾倍至幾百倍，原因： 1.超聲輻照會使過細的顆粒發(fā)生凝聚，從而使過濾速度加快；2. 超聲輻照向系統(tǒng)提供足夠的振動能量， 使部分粒子保持懸浮，為溶劑的分離提供較多的自由通道。在食品加工中應用超聲可以使膜分離的效率提高若干倍。甜菜提蔗糖， 19.3kW 超聲波，提取

8、時間縮短一半，產(chǎn)量提供10； 400kHz 超聲波處理醬油， 1 2min 可使醬油澄清，1 年內(nèi)可保持穩(wěn)定；葡萄酒常規(guī)方法澄清要4 10 天，超聲波 12 小時。4. 乳化、均質(zhì)超聲波產(chǎn)生的空化氣泡在崩潰時會產(chǎn)生沖擊波合射流作用，使細胞壁破裂， 從而剪切生物大分子或液體中的分散物質(zhì)，達到乳化均質(zhì)效果。對水劑胡蘿卜素進行超聲波乳化，粒徑可以達到1.2um。超聲波處理牛乳使脂肪球的大小顯著降低，在 75.5 ， 20KHz 的超聲波處理 102.3s ，能使脂肪球由 2.79 3.05um 降到 0.57 0.95um。產(chǎn)生更加良好的分子分布態(tài)，形成均質(zhì)牛奶，避免乳油化，提高消化率。5. 輔助結(jié)

9、晶超聲波能影響溶液成核及冰晶生長， 改善溶液的結(jié)晶過程， 其空化效應還能有效地阻止晶體在冷卻表面上的積聚， 從而確保連續(xù)高效的換熱。 因此， 超聲波能用于需要控制結(jié)晶過程的場合。超聲波加速結(jié)晶效應在酒類催陳中得到應用，據(jù)報道， 超聲波能使重酒石酸鉀鹽的沉淀時間由 410 天減少到1.5 2 小時。對于草莓等質(zhì)軟的水果，冷凍后口味邊差。 其原因：在凍結(jié)過程中形成的冰晶量少個大，使大量細胞破裂。超聲波，導致“熱點效應”，形成改溫度下最小晶體的晶胞及晶核，加快冰核的形成，使冰核數(shù)增多，冰晶最終的尺寸減小，對細胞的破壞作用減少。而且，由于冰晶分布更加均勻，加速了傳熱過程，使凍結(jié)時間大大縮短。6. 殺菌

10、-可編輯修改 -。超聲波對傳播媒介的相互作用使其蘊藏著巨大的能量，這種能量能在短時間內(nèi)足以起到殺滅和破壞微生物的作用：利用頻率大于 20kHz 的超聲波處理對液態(tài)食品的殺菌是有效的， 當累積滅菌時間達 4min 時。所處理的醬油樣品的微生物總數(shù)指標達到了合格標準。在一定壓力下， 將超聲波與加熱處理相結(jié)合的處理比單獨使用超聲波處理需要時間短，效果更好，國外特此法稱為MTS法，但對處理時間、壓力、溫度、聲頻或聲強的具體參數(shù)需大量時間進行試驗而確定，在這方面的研究目前尚很缺乏，有待進一步研究，且對超聲波殺茵的具體原理也應深究。7. 超聲波檢測根據(jù)聲波在流動媒質(zhì)中的傳播速度與靜止媒質(zhì)中的不同而制成的，

11、從測量超聲波在順流方向與逆流方向的傳播速度差值, 即可確定媒質(zhì)的流速。在生產(chǎn)麥芽汁等產(chǎn)品時，將超聲波探頭安裝在生產(chǎn)管道的外側(cè)，就可以測定管內(nèi)介質(zhì)的濃度和溫度，且精度優(yōu)于千分之二。通過對乳液或肉質(zhì)的超聲頻譜分析，可以鑒別牛奶中水分含量和肉質(zhì)結(jié)構(gòu)。超聲波還可以測定混合體系中各組分的含量。油脂中固態(tài)組分含量、 方便面中油脂的含量； 尤其是能夠檢測活體畜禽如豬、 羊等肉的質(zhì)地、脂肪含量和脂肪厚度等。提高原料的質(zhì)量具有重要意義。超聲波能迅速定量化檢測充氣食品中氣泡大小和氣體含量。在卑酒、冰棋淋、 面包、 餅干等生產(chǎn)中應用較多。8. 生物學、生物化學效應研究表明， 超聲波能夠在不破壞細胞壁的情況下促進細胞

12、生長，這一特性已被用于提高食品的產(chǎn)量。例如，用低功率超聲波活化液體營養(yǎng)介質(zhì)，能夠促進藻類細胞的生長，將蛋白質(zhì)的產(chǎn)量提高三倍。超聲波對魚卵的孵化過程也有明顯影響。每天用頻率為1MIh 的超聲波輻照魚卵三次，每次 35 分鐘，會使泥鍬的孵化時間從 72 小時減少到 60 小時。不僅如此，超聲輻照還能提高魚卵的孵化率以及已孵化出的小魚的成活率。此外，還能促進種子發(fā)芽。以強度為0.7w 每平方厘米的超聲波對浸在水中的蓮花種子進行 10 分鐘的輻照，能將其發(fā)芽率提高30。適當?shù)某暡ㄌ幚?，可以增強或減弱某些酶的活性、激活固定化酶、 加速細胞新陳代謝等。如，生產(chǎn)低乳糖酸奶，超聲波可激活- 半乳糖酶，使乳糖水解。用7MHz超聲波處理固定于多孔聚苯乙烯上的- 淀粉酶，可使其活力提高2.5 倍。用低功率超聲波處理液體營養(yǎng)液可增加其中藻類細胞的生長速度。四、總結(jié)我覺得超聲波殺菌技術在一定程度上是可行的，首先，因為它是一種無污染的，潔凈的殺菌方式， 而且它從某種程度上來說是比較容易實現(xiàn)的，其次，它的效率比較高，而且相對比較容易控制。 但是，它也有一定的局限性，它只適用于液態(tài)食品的殺菌，可以說它的應用范