时间：2017-10-14 点击： 次 来源：网络 作者：佚名 - 小 + 大
| 引言随着乳品工业的发展，出现了一些新的加工技术。超声波加工技术就是其中的一种。声学与化学相互交叉渗透的超声波化学技术广泛应用于食品加工、化学、化工、医药和农药等诸多领域。本文就超声化学的原理和其在乳品行业中应用以及其对乳品质量影响等诸多方面加以阐述。 1超声波概述超声波的频率大于20kHz，能穿透气体、液体和固体物质，它是一种有弹性的机械振荡，超出人的听觉上限。超声波分为2类，低强度超声波（≤1W／cm2，0.1～0.2MHz）和高强度超声波（10～1000W／cm2，≤0.1MHz）。 低强度超声波可用于物质特性的分析；高强度超声波可根据具体需要，不同程度的改变物质的物理化学结构。因此高强度的超声波常用于加工产品的生产中。 超声波的发生主要有3种方法：通过机械装置产生谐振的方法，一般频率较低（20～30MHz）：利用磁性材料的磁致伸缩现象的电―声转换器发出超声波的方法，频率在几千赫兹到一百千赫：最后一种方法是利用压电或电致伸缩效应的材料，加上高频压电，使其电压的正负和大小产生高频伸缩，产生的频率在100MHz到GHz量级。 超声波与媒质的相互作用可分为热机制、机械（力学）机制和空化机制3种。 1.1热机制超声波在媒质中传播时，其振动能量不断被媒质吸收转变为热量而使媒质温度升高，此种升温方法与其它加热方法相比达到同样的效果，用10W声功率处理50mL水，在绝热状态下，理论上2min后可使水温升高5.7℃。 1.2机械（力学）机制超声波的机械机制主要是辐射压强和强声压强引起的。在力学效应中主要有搅拌、分散、成雾、凝聚、冲击破碎和疲劳损坏等作用。超声波也是一种机械能量的传播形式，波动过程中的力量学，如原点位移、振动速度、加速度及声压等参数可以表述超声效应。 1.3空化机制在液体中，当声波的功率相当大，液体受到的负压力足够强时，媒质分子间的平均距离就会增大并超过极限距离，从而将液体拉断形成空穴，在空化泡或空化的空腔激烈收缩与崩溃的瞬间，泡内可以产生局部的高压，以及数千度的高温，从而形成超声空化现象。空化现象包括气泡的形成、成长和崩溃过程。空化机制是超声化学的主动力，使粒子运动速度大大加快，破坏粒子的力的形成，从而使许多物理化学和化学过程急剧加速，对乳化、分散、萃取以及其他各种工艺过程有很大的作用。 2超声波在乳品生产加工中的应用2.1超声波的灭菌超声波灭菌技术主要是用于果蔬汁、饮料、酒料、牛奶、矿泉水、酱油等液体食品，这对延长食品保质期，保持食品安全性有重要的意义。柠檬汁采用巴斯德杀菌法由于其高温将导致口味、香味变化，同时还会使得维生素及挥发性组分损失，此外，如热还能加剧褐变反应的进行。上述反应随时间及温度的增加而加大，因此一种新杀菌技术的产生将使柠檬汁工艺受益。此技术较之传统高温和热灭菌工艺不需要加热，因此不仅可以保持食品原有的风味和维生素，且耗时短。若采用超声－激光或超声－磁化联合杀菌，效果更佳，这种基于光、电、声、磁综合应用的“冷杀菌工艺”受到国内外食品行业极大的关注，必将成为21世纪食品工业研究和推广的重要高新技术之一。 2.2超声波的乳化和均质 超声波对脂肪球的影响能提高牛乳的贮藏性能及营养性能。 3超声波的分析和检测低强度超声波不仅用于提供食品的物化特性信息，还可用于检测其组成情况，诸如不同食品原料的结构和物理特性。与传统分析技术相比，超声波技术具有测定过程迅速，非破坏性精确，全部自动化和可用于实验室或在线检测等特点。工业化的有效使用主要包括：固体及液体食品的质地、黏度及含量的检测；蛋类、肉类、蔬菜瓜果类、乳制品及其它食品的检测；加工中浓度、流量、温度检测及监测；蛋壳及食品包装的无损检测。 超声波检测机理是通过超声波脉冲信号经过介质的声速或振幅衰减等参数来达到检测目的。浙江大学叶兴乾等通过乳液的超声波频幅分析，研制出乳品分析仪，可测定牛奶中的主要成分含量，从而鉴定品质。 利用超声波所特有的高频率以及超声波在酶质中的传播原理，对牛乳及其制品中脂肪测定的方法进行改进，此方法测定试样品不需加热，经超声波提取脂肪，减少醚提取液用量。方法相对标准偏差0.023％～0.122％，合并相对偏差为0.071％。此方法样品处理简便快速。易于统一，适合大批量样品分析。 4超声波的清洗和除沫4.1清洗利用超声波在洗涤液中传播时边产生气泡边消失的现象以及超声波对洗涤剂产生的乳化作用，可应用于果疏粮食加工中及乳制品加工中的清洗作用。其特点是省去机械运动部件，洗涤效果好、速度快、质量高、操作简单、易于实现自动化；清洗效果的好坏要选择一个适当的功率，频率及清洗温度，并且与清洗物品的安放及清洗溶液的选择都有一定的关系。 目前，人们对超声波在乳制品中的应用研究主要集中于清洗工具方面。 散低温冷藏牛乳中的细菌凝块，该清洗系统能起到与通常的搅拌机同样的效果。 HENSEN设计了用于清洗干酪槽的超声波清洗器。 HOLSTRO则推出了另一种用在干酪加工中的超声波清洗设备。 KIVELA则在温度65～70℃下，采用强度为12kW的超声波用于清洗干酪槽，效果非常明显，而且能耗可降低25％。 4.2除沫乳制品加工中产生少量泡沫是正常的，但大量的泡沫会导致投料低，浪费空间，被动操作及染菌等问题，因此有效地除沫可大大降低生产成本，提高生产质量。尽管化学消泡剂通常较机械物理方法有效、经济，但机械物理方法作为一种无污染的消泡手段依然受到关注。非化学方法主要包括加热、离心、喷射式超声振动。可选择按转机械物理消泡设备，从而避免化学消泡剂所造成的食品污染问题。 5微生物代谢虽然温度、pH值、营养源、氧、光等是控制微生物反应的因子，但是声波也是一种全新的控制方法，这就表明了超声波是加速微生物代谢的合适方法。在较适中的超声波作用下，可促进酶和微生物的反应体系。在固定化酶反应体系中，常常因存在于载体内和载体周围的基质向外部膜内扩散的阻力而反应减慢，但通过超声波辐射可促进基质扩散。 5.1超声波可钝化乳制品中的微生物和酶5.1.1超声波可钝化细菌、大肠杆菌及致病菌MUNKACSI等人对牛乳进行超声波（8.4W／cm2，1min）―紫外线辐射（20s）处理后，发现细菌总数和大肠菌群致死率分别为93.0％和97.5％，凝乳酶和凝结时间延迟10％￣25％，酶凝时间的延迟是蛋白质变性造成的。虽然经超声波―紫外线处理可防止辐射牛乳中不良风味的产生，但该牛乳中仍存在微蒸煮味。 超声波对沙门氏菌的钝化效果可以利用0.1％的蛋白胨溶液的薄膜和牛奶巧克力作出评价。研究表明，超声波对蛋白胨溶液中的沙门氏菌的破坏作用远远高于其对巧克力中沙门氏菌的破坏。这是因为超声波在作用于巧克力时，巧克力的物理化学结构较特殊，空化作用受到限制。 ORDNOE研究了加热（50.3￣56.7℃）―超声波（20kHz，3.75W／mL）处理对磷酸缓冲溶液和UHT全脂乳中葡萄球菌存活的影响。处理后发现磷酸溶液液中其D值减少为63％，而牛乳中则为43％。这可能是牛乳对细菌裂变的保护作用所致。 GARCLA分别研究了超声波对水、甘油、牛乳中枯草杆菌的影响，结果表明在70￣95℃的条件下，超声波对水中孢子破坏作用较显著，在这种情况下，D值减少99.9％。 根据RAHARINTSOA的研究，凝乳酶、胃蛋白酶和霉菌酶对超声波（27kHz）有不同敏感。对凝乳酶来说，增加超声波处理时间能降低其凝结活力。超声波能降低上述酶分解蛋白质的活力。超声波对牛乳的黏度、凝结的影响试验表明：①超声波处理后牛乳黏度下降，这是由于脂肪球的亲水力增强所致；②超声波能加速能加速凝块硬化，增强最终硬度，超声波处理牛乳的凝结时间与凝乳酶的凝结时间是一致的。 5.2超声波在发酵乳制品―酸奶、干酪等生产中的应用5.2.1超声波在干酪生产中的应用（1）超声波在干酪成熟中的应用。超声波能改良酶触反应，机理如下：使酶从微生物细胞中游离而不破坏细胞，减少细胞周围的边界层，增加块状物质在细胞的迁移激活酶。 超声波处理能加速凝乳酶的抽提速率。采用20kHz，36W／cm2的超声波处理能是抽提时间缩短97％，凝乳酶的活力上升53％。超声波不能钝化凝乳酶（可能与pH值有关）。干酪成熟过程中，肽酶水解苦味肽，降低苦味。 BOQUTEN等成功的应用超声波处理（5.57W／mL，30s）释放lactococcuslastissubspcremoris中的安泰梅尔为改变酶的抗原性。 （2）超声波均质牛乳可提高干酪产值，改善干酪品质。 SCHMIDT研究发现牛乳在60℃超声波均质处理后，脂肪球平均直径降为1μm。牛乳在60℃超声波处理后，脂肪球平均值径将为1μm。资料显示，低于45℃下经超声波处理，可维持脂肪粒的稳定性，而不致破坏IgA，IgG和乳铁蛋白。但是当超声波处理温度高于55℃时，损失IgA55.1％，IgG损失57.6％。 超声波处理可用于超低脂干酪的生产。有研究表明，超声波应用于牛乳均质可提高干酪产量（至少5％），改善干酪水分的分布状况，从而改善干酪的品质。超声波处理的牛乳脂肪球膜上有更多的结合位，这样就能结合更多的酪蛋白和乳清蛋白。在通常的均质乳中脂肪球的亲水膜的特性未能很好的表现出来，结合性能就差。 Geffney设计了多种干酪的生产方案。酶凝块能在预定的pH值条件迅速完成（1min）。虽然超声波均质与其他工艺比较，能耗较大，但该处理技术能增加干酪的产量，改善干酪的品质。常规均质通常存在干酪中的水分含量高，黏度低和弹性低等缺陷。 超声波在酸奶生产中的应用乳酸菌生产在酸奶中能分解乳糖。乳糖水解的乳制品（如酸奶）对具有乳糖不耐症的人来说意义非常重大。超声波处理能使β－半乳糖苷酶从德氏乳杆菌中释放，乳糖转化率可上升20％。 SAKAKIBARA成功地应用超声波处理工艺（200kHz）制造了酸奶。另有研究表明，50℃、pH值为6.5～7.0，200kHz的超声波处理能使乳糖高度水解。 6其他方面超声波还可根据其在流体中传播速度的不同确定流体流速，从而测定流体流量；也可用于食品原料的改质及加工工艺的改善；有报道指出可用超声波对食品进行快速解冻，超声波能从空气中沉降悬浮物的性质对实际应用也具有很大的意义。 7结束语我国的超声波技术虽然起步较晚，但起点高、发展迅猛，但是实际应用方面还不够广，大多数只停留在实验室阶段。原因之一就是它比电能贵2～3倍，其次是在设计有效的声波发生器方面做得不好，没有工业规模化的生产也是超声波不能进一步推广的障碍。 将超声波应用于乳品工业刚起步，是乳品加工领域的一个新的课题。目前，超声波在乳品加工中的应用研究主要集中在清洗工具上，各乳品厂能较合理的利用该清洗技术而不必耗费大量的能源。现在对超声波的应用研究仍局限于其钝化微生物和酶，要将其作为加工贮藏技术，还需对乳制品的营养价值和安全性作进一步的研究。现已证实，超声波与其他加工工艺（紫外线、加热、加压等）联合使用才能发挥显著作用，因此，如何将超声波与其它工艺优化组合应用于乳制品生产中是有待进一步研究的课题。 超声波应用于乳品加工工艺改良，使酶从微生物中游离而不阻止细胞生长，这可用于干酪成熟和发酵乳制品生产。 总之，随着食品工业的不断发展，超声波换能器设计的不断进步，超声波技术的应用前景必将更加广阔。 |
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