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(yùn)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?dú)w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(dú)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(yùn)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(dú)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(dú)作用時的1.5倍左右，是超聲波單獨(dú)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。