超声波杀菌技术在食品行业中的应用

超声波杀菌技术在食品行业中的应用一、超声杀菌效果超声杀菌的机理是基于超声生物、物理和化学效应。研究发现在含有空气或其它气体的液体中，在超声辐射下，主要由于空化的强烈机械作用能有效地破坏和杀死某些细菌与病毒或使其丧失毒性。例如荧光细菌在超声作用下会受到破坏，大肠杆菌族细菌也有同样的结果。伤寒沙门氏菌可以用4.6MHz频率的超声来全部杀死。用960kHz的超声在水溶液和生理盐水中作用于百日咳菌，发现超声对这些微生物有显著的破坏作用。在辐射各种细菌时发现，在细菌死亡的同时，发生了细菌的自溶，即形态结构也受到破坏，以至在超声作用以后不仅培养物中的菌落数目减少，而且在形态上保留原状的细菌也减少了。受过辐射的杀菌悬浮液的浑浊程度也减小，透明度提高，这是由于每个单个细胞组成胶体的分散程度的减小和细胞囊的溶解（这表现为溶液中含氮化合物的增加和细菌的减小）所致。二、影响杀菌效果的因素1．声强为了在液体介质中产生空化效应（这是杀菌的主动力），声强的必要条件是大于具体情况下的空化阈值。据研究，杀菌所用的声强最低也要大于1W/cm2。声强增大，声空化效应增强，杀菌效果增强，但也使声散射衰减增大；同时，声强增大所引起的非线性附加声衰减亦随之增大，因而为取得同样的杀菌效果所付出的功率消耗增加。当声强超过某一界限时，空化泡在声波的膨胀相内可能增长过大，以至它在声波的压缩相内来不及发生崩溃，使空化效应反而减弱，杀菌效果会下降。可见，为获得满意的超声杀菌效果，没有必要无限制的追求提高声强，一般情况杀菌声强宜于取在1－61W/cm2的范围内。2．频率频率越高，越容易获得较大的声压和声强。另一方面，随着超声波在液体中传播，液体中微小核泡被激活，有振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程所表现的超声空化效应也越强，从而超声波对微生物细胞繁殖能力的破坏性也就越明显，宏观上表现出来的微生物灭菌效果就越好。但频率升高，声波的传播衰减将增大。因此，一般说来，为了获得同样的杀菌效果，对于高频声波则需要付出较大的能力消耗。例如有报道，为了在水中获得空化，使用400kHz超声所消耗的功率，要比使用10kHz的超声高出10倍。由于这个原因，目前用于超声杀菌的超声频率多选择早20－50kHz。3．杀菌时间随着杀菌时间增加，杀菌效果大致成正比增加，但进一步增加杀菌时间，杀菌效果并没有明显增加，而趋于一个饱和值。对其它的声化学反应也如此。因此一般的杀菌时间都定在10min内。另外还有一个问题必须引起充分注意，随着杀菌时间的增加，介质的温升会加大，这对于某些热敏性的食品杀菌是不利的。4．超声波形的影响超声杀菌可取连续波和脉冲波两种波形。连续波工作时，声能在整个杀菌过程中不断连续作用。而脉冲是间断作用的，可防止介质的显著热效应，这对与热敏性食品的杀菌是有利的。有研究认为在进行超声杀菌时，利用混响声场要比行波声场有效得多，在同样的超声能量输入条件下，可达到高得多的杀菌效果。当使用脉冲超声波时，为使稳定的混响场得以建立，以期获得高的杀菌效率，应使脉冲宽度有足够的宽余（一般取10ms左右）；在保证稳定的混响场声场得以建立的情况下，所获得的杀菌效率等效于连续波辐射。三、超声波在食品工业上的具体应用1.超声波解冻大块冻结食品在空气、水中解冻很慢，增加加工成本，浪费时间。Shore等人(1986)发现，超声波在冻结肉制品中比在末冻结组织中衰减程度大，也就是说，已冻结的区域对超声波的吸收比未冻结的区域要高出几十倍，而且这种衰减随着温度显著增加，在起始冷冻点达到最大值。即，超声波大部分能量将被食品中处于冻结临界区域的组织吸收。Miles等发现，500kHz0.5W每平方厘米，10～15cm厚的冷冻牛肉，猪肉在1.5～2.5h内即可完全解冻。超声波解冻后局部最高温度与超声波的加载方向、超声波的频率和超声强度有关。2.干燥、除沫超声波在液体表面形成超声喷雾（可用来除沫），并使液体产生空化，大大增加了液体的蒸发面积。具有干燥速度快、温度低，最低含水率低且具有物料不被破坏等优点而适用于食品、药品及生化制品的热敏性物质的干燥。超声波干燥常用频率为16～50kHz，声强大于150dB。Boucher超声波干燥蔗糖，迅速使水分降至1.2％，继续处理16min，可除去所有水分。一般的喷雾干燥只能用与粘度比较低的物料，而超声波干燥可用于粘度较高的物料。3.分离、提取超声波能够增大溶剂向原料细胞的渗透量并强化传质，因此它可以明显地加速植物体和种子中有机成分的提取过程。功率超声波还能破坏细胞壁，释放细胞内的物质。功率超声用于过滤系统，可以防止过滤阻塞，使过滤速度提高几倍至几百倍，原因：1.超声辐照会使过细的颗粒发生凝聚，从而使过滤速度加快；2.超声辐照向系统提供足够的振动能量，使部分粒子保持悬浮，为溶剂的分离提供较多的自由通道。在食品加工中应用超声可以使膜分离的效率提高若干倍。甜菜提蔗糖，19.3kW超声波，提取时间缩短一半，产量提供10％；400kHz超声波处理酱油，1～2min可使酱油澄清，1年内可保持稳定；葡萄酒常规方法澄清要4～10天，超声波1～2小时。4.乳化、均质超声波产生的空化气泡在崩溃时会产生冲击波合射流作用，使细胞壁破裂，从而剪切生物大分子或液体中的分散物质，达到乳化均质效果。对水剂胡萝卜素进行超声波乳化，粒径可以达到1.2um。超声波处理牛乳使脂肪球的大小显著降低，在75.5℃，20KHz的超声波处理102.3s，能使脂肪球由2.79～3.05um降到0.57～0.95um。产生更加良好的分子分布态，形成均质牛奶，避免乳油化，提高消化率。5.辅助结晶超声波能影响溶液成核及冰晶生长，改善溶液的结晶过程，其空化效应还能有效地阻止晶体在冷却表面上的积聚，从而确保连续高效的换热。因此，超声波能用于需要控制结晶过程的场合。超声波加速结晶效应在酒类催陈中得到应用，据报道，超声波能使重酒石酸钾盐的沉淀时间由4～10天减少到1.5～2小时。对于草莓等质软的水果，冷冻后口味边差。其原因：在冻结过程中形成的冰晶量少个大，使大量细胞破裂。超声波，导致“热点效应”，形成改温度下最小晶体的晶胞及晶核，加快冰核的形成，使冰核数增多，冰晶最终的尺寸减小，对细胞的破坏作用减少。而且，由于冰晶分布更加均匀，加速了传热过程，使冻结时间大大缩短。6.杀菌超声波对传播媒介的相互作用使其蕴藏着巨大的能量，这种能量能在短时间内足以起到杀灭和破坏微生物的作用：利用频率大于20kHz的超声波处理对液态食品的杀菌是有效的，当累积灭菌时间达4min时。所处理的酱油样品的微生物总数指标达到了合格标准。在一定压力下，将超声波与加热处理相结合的处理比单独使用超声波处理需要时间短，效果更好，国外特此法称为MTS法，但对处理时间、压力、温度、声频或声强的具体参数需大量时间进行试验而确定，在这方面的研究目前尚很缺乏，有待进一步研究，且对超声波杀茵的具体原理也应深究。7.超声波检测根据声波在流动媒质中的传播速度与静止媒质中的不同而制成的，从测量超声波在顺流方向与逆流方向的传播速度差值,即可确定媒质的流速。在生产麦芽汁等产品时，将超声波探头安装在生产管道的外侧，就可以测定管内介质的浓度和温度，且精度优于千分之二。通过对乳液或肉质的超声频谱分析，可以鉴别牛奶中水分含量和肉质结构。超声波还可以测定混合体系中各组分的含量。油脂中固态组分含量、方便面中油脂的含量；尤其是能够检测活体畜禽如猪、羊等肉的质地、脂肪含量和脂肪厚度等。提高原料的质量具有重要意义。超声波能迅速定量化检测充气食品中气泡大小和气体含量。在卑酒、冰棋淋、面包、饼干等生产中应用较多。8.生物学、生物化学效应研究表明，超声波能够在不破坏细胞壁的情况下促进细胞生长，这一特性已被用于提高食品的产量。例如，用低功率超声波活化液体营养介质，能够促进藻类细胞的生长，将蛋白质的产量提高三倍。超声波对鱼卵的孵化过程也有明显影响。每天用频率为1MIh的超声波辐照鱼卵三次，每次35分钟，会使泥锹的孵化时间从72小时减少到60小时。不仅如此，超声辐照还能提高鱼卵的孵化率以及已孵化出的小鱼的成活率。此外，还能促进种子发芽。以强度为0.7w每平方厘米的超声波对浸在水中的莲花种子进行10分钟的辐照，能将其发芽率提高30％。适当的超声波处理，可以增强或减弱某些酶的活性、激活固定化酶、加速细胞新陈代谢等。如，生产低乳糖酸奶，超声波可激活β-半乳糖酶，使乳糖水解。用7MHz超声波处理固定于多孔聚苯乙烯上的α-淀粉酶，可使其活力提高2.5倍。用低功率超声波处理液体营养液可增加其中藻类细胞的生长速度。四、总结我觉得超声波杀菌技术在一定程度上是可行的，首先，因为它是一种无污染的，洁净的杀菌方式，而且它从某种程度上来说是比较容易实现的，其次，它的效率比较高，而且相对比较容易控制。但是，它也有一定的局限性，它只适用于液态食品的杀菌，可以说它的应用范围限制了它的广泛普及和应用。现在，一些超声波设备已经被应用于食品工业，其基本形式有三种：液动式超声发生器，清洗槽式超声发生系统和变幅杆式超声发生系统，证明，不久的将来，超声波杀菌技术极有可能在食品杀菌中广泛应用。