時(shí)間：2017-10-14 點(diǎn)擊： 次 來源：網(wǎng)絡(luò) 作者：佚名 - 小 + 大
| 引言隨著乳品工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的加工技術(shù)。超聲波加工技術(shù)就是其中的一種。聲學(xué)與化學(xué)相互交叉滲透的超聲波化學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品加工、化學(xué)、化工、醫(yī)藥和農(nóng)藥等諸多領(lǐng)域。本文就超聲化學(xué)的原理和其在乳品行業(yè)中應(yīng)用以及其對(duì)乳品質(zhì)量影響等諸多方面加以闡述。 1超聲波概述超聲波的頻率大于20kHz，能穿透氣體、液體和固體物質(zhì)，它是一種有彈性的機(jī)械振蕩，超出人的聽覺上限。超聲波分為2類，低強(qiáng)度超聲波（≤1W／cm2，0.1～0.2MHz）和高強(qiáng)度超聲波（10～1000W／cm2，≤0.1MHz）。 低強(qiáng)度超聲波可用于物質(zhì)特性的分析；高強(qiáng)度超聲波可根據(jù)具體需要，不同程度的改變物質(zhì)的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)。因此高強(qiáng)度的超聲波常用于加工產(chǎn)品的生產(chǎn)中。 超聲波的發(fā)生主要有3種方法：通過機(jī)械裝置產(chǎn)生諧振的方法，一般頻率較低（20～30MHz）：利用磁性材料的磁致伸縮現(xiàn)象的電―聲轉(zhuǎn)換器發(fā)出超聲波的方法，頻率在幾千赫茲到一百千赫：最后一種方法是利用壓電或電致伸縮效應(yīng)的材料，加上高頻壓電，使其電壓的正負(fù)和大小產(chǎn)生高頻伸縮，產(chǎn)生的頻率在100MHz到GHz量級(jí)。 超聲波與媒質(zhì)的相互作用可分為熱機(jī)制、機(jī)械（力學(xué)）機(jī)制和空化機(jī)制3種。 1.1熱機(jī)制超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，其振動(dòng)能量不斷被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷姑劫|(zhì)溫度升高，此種升溫方法與其它加熱方法相比達(dá)到同樣的效果，用10W聲功率處理50mL水，在絕熱狀態(tài)下，理論上2min后可使水溫升高5.7℃。 1.2機(jī)械（力學(xué)）機(jī)制超聲波的機(jī)械機(jī)制主要是輻射壓強(qiáng)和強(qiáng)聲壓強(qiáng)引起的。在力學(xué)效應(yīng)中主要有攪拌、分散、成霧、凝聚、沖擊破碎和疲勞損壞等作用。超聲波也是一種機(jī)械能量的傳播形式，波動(dòng)過程中的力量學(xué)，如原點(diǎn)位移、振動(dòng)速度、加速度及聲壓等參數(shù)可以表述超聲效應(yīng)。 1.3空化機(jī)制在液體中，當(dāng)聲波的功率相當(dāng)大，液體受到的負(fù)壓力足夠強(qiáng)時(shí)，媒質(zhì)分子間的平均距離就會(huì)增大并超過極限距離，從而將液體拉斷形成空穴，在空化泡或空化的空腔激烈收縮與崩潰的瞬間，泡內(nèi)可以產(chǎn)生局部的高壓，以及數(shù)千度的高溫，從而形成超聲空化現(xiàn)象?？栈F(xiàn)象包括氣泡的形成、成長(zhǎng)和崩潰過程。空化機(jī)制是超聲化學(xué)的主動(dòng)力，使粒子運(yùn)動(dòng)速度大大加快，破壞粒子的力的形成，從而使許多物理化學(xué)和化學(xué)過程急劇加速，對(duì)乳化、分散、萃取以及其他各種工藝過程有很大的作用。 2超聲波在乳品生產(chǎn)加工中的應(yīng)用2.1超聲波的滅菌超聲波滅菌技術(shù)主要是用于果蔬汁、飲料、酒料、牛奶、礦泉水、醬油等液體食品，這對(duì)延長(zhǎng)食品保質(zhì)期，保持食品安全性有重要的意義。檸檬汁采用巴斯德殺菌法由于其高溫將導(dǎo)致口味、香味變化，同時(shí)還會(huì)使得維生素及揮發(fā)性組分損失，此外，如熱還能加劇褐變反應(yīng)的進(jìn)行。上述反應(yīng)隨時(shí)間及溫度的增加而加大，因此一種新殺菌技術(shù)的產(chǎn)生將使檸檬汁工藝受益。此技術(shù)較之傳統(tǒng)高溫和熱滅菌工藝不需要加熱，因此不僅可以保持食品原有的風(fēng)味和維生素，且耗時(shí)短。若采用超聲－激光或超聲－磁化聯(lián)合殺菌，效果更佳，這種基于光、電、聲、磁綜合應(yīng)用的“冷殺菌工藝”受到國(guó)內(nèi)外食品行業(yè)極大的關(guān)注，必將成為21世紀(jì)食品工業(yè)研究和推廣的重要高新技術(shù)之一。 2.2超聲波的乳化和均質(zhì) 超聲波對(duì)脂肪球的影響能提高牛乳的貯藏性能及營(yíng)養(yǎng)性能。 3超聲波的分析和檢測(cè)低強(qiáng)度超聲波不僅用于提供食品的物化特性信息，還可用于檢測(cè)其組成情況，諸如不同食品原料的結(jié)構(gòu)和物理特性。與傳統(tǒng)分析技術(shù)相比，超聲波技術(shù)具有測(cè)定過程迅速，非破壞性精確，全部自動(dòng)化和可用于實(shí)驗(yàn)室或在線檢測(cè)等特點(diǎn)。工業(yè)化的有效使用主要包括：固體及液體食品的質(zhì)地、黏度及含量的檢測(cè)；蛋類、肉類、蔬菜瓜果類、乳制品及其它食品的檢測(cè)；加工中濃度、流量、溫度檢測(cè)及監(jiān)測(cè)；蛋殼及食品包裝的無損檢測(cè)。 超聲波檢測(cè)機(jī)理是通過超聲波脈沖信號(hào)經(jīng)過介質(zhì)的聲速或振幅衰減等參數(shù)來達(dá)到檢測(cè)目的。浙江大學(xué)葉興乾等通過乳液的超聲波頻幅分析，研制出乳品分析儀，可測(cè)定牛奶中的主要成分含量，從而鑒定品質(zhì)。 利用超聲波所特有的高頻率以及超聲波在酶質(zhì)中的傳播原理，對(duì)牛乳及其制品中脂肪測(cè)定的方法進(jìn)行改進(jìn)，此方法測(cè)定試樣品不需加熱，經(jīng)超聲波提取脂肪，減少醚提取液用量。方法相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.023％～0.122％，合并相對(duì)偏差為0.071％。此方法樣品處理簡(jiǎn)便快速。易于統(tǒng)一，適合大批量樣品分析。 4超聲波的清洗和除沫4.1清洗利用超聲波在洗滌液中傳播時(shí)邊產(chǎn)生氣泡邊消失的現(xiàn)象以及超聲波對(duì)洗滌劑產(chǎn)生的乳化作用，可應(yīng)用于果疏糧食加工中及乳制品加工中的清洗作用。其特點(diǎn)是省去機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，洗滌效果好、速度快、質(zhì)量高、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；清洗效果的好壞要選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)墓β?，頻率及清洗溫度，并且與清洗物品的安放及清洗溶液的選擇都有一定的關(guān)系。 目前，人們對(duì)超聲波在乳制品中的應(yīng)用研究主要集中于清洗工具方面。 散低溫冷藏牛乳中的細(xì)菌凝塊，該清洗系統(tǒng)能起到與通常的攪拌機(jī)同樣的效果。 HENSEN設(shè)計(jì)了用于清洗干酪槽的超聲波清洗器。 HOLSTRO則推出了另一種用在干酪加工中的超聲波清洗設(shè)備。 KIVELA則在溫度65～70℃下，采用強(qiáng)度為12kW的超聲波用于清洗干酪槽，效果非常明顯，而且能耗可降低25％。 4.2除沫乳制品加工中產(chǎn)生少量泡沫是正常的，但大量的泡沫會(huì)導(dǎo)致投料低，浪費(fèi)空間，被動(dòng)操作及染菌等問題，因此有效地除沫可大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)質(zhì)量。盡管化學(xué)消泡劑通常較機(jī)械物理方法有效、經(jīng)濟(jì)，但機(jī)械物理方法作為一種無污染的消泡手段依然受到關(guān)注。非化學(xué)方法主要包括加熱、離心、噴射式超聲振動(dòng)?？蛇x擇按轉(zhuǎn)機(jī)械物理消泡設(shè)備，從而避免化學(xué)消泡劑所造成的食品污染問題。 5微生物代謝雖然溫度、pH值、營(yíng)養(yǎng)源、氧、光等是控制微生物反應(yīng)的因子，但是聲波也是一種全新的控制方法，這就表明了超聲波是加速微生物代謝的合適方法。在較適中的超聲波作用下，可促進(jìn)酶和微生物的反應(yīng)體系。在固定化酶反應(yīng)體系中，常常因存在于載體內(nèi)和載體周圍的基質(zhì)向外部膜內(nèi)擴(kuò)散的阻力而反應(yīng)減慢，但通過超聲波輻射可促進(jìn)基質(zhì)擴(kuò)散。 5.1超聲波可鈍化乳制品中的微生物和酶5.1.1超聲波可鈍化細(xì)菌、大腸桿菌及致病菌MUNKACSI等人對(duì)牛乳進(jìn)行超聲波（8.4W／cm2，1min）―紫外線輻射（20s）處理后，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌總數(shù)和大腸菌群致死率分別為93.0％和97.5％，凝乳酶和凝結(jié)時(shí)間延遲10％￣25％，酶凝時(shí)間的延遲是蛋白質(zhì)變性造成的。雖然經(jīng)超聲波―紫外線處理可防止輻射牛乳中不良風(fēng)味的產(chǎn)生，但該牛乳中仍存在微蒸煮味。 超聲波對(duì)沙門氏菌的鈍化效果可以利用0.1％的蛋白胨溶液的薄膜和牛奶巧克力作出評(píng)價(jià)。研究表明，超聲波對(duì)蛋白胨溶液中的沙門氏菌的破壞作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其對(duì)巧克力中沙門氏菌的破壞。這是因?yàn)槌暡ㄔ谧饔糜谇煽肆r(shí)，巧克力的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)較特殊，空化作用受到限制。 ORDNOE研究了加熱（50.3￣56.7℃）―超聲波（20kHz，3.75W／mL）處理對(duì)磷酸緩沖溶液和UHT全脂乳中葡萄球菌存活的影響。處理后發(fā)現(xiàn)磷酸溶液液中其D值減少為63％，而牛乳中則為43％。這可能是牛乳對(duì)細(xì)菌裂變的保護(hù)作用所致。 GARCLA分別研究了超聲波對(duì)水、甘油、牛乳中枯草桿菌的影響，結(jié)果表明在70￣95℃的條件下，超聲波對(duì)水中孢子破壞作用較顯著，在這種情況下，D值減少99.9％。 根據(jù)RAHARINTSOA的研究，凝乳酶、胃蛋白酶和霉菌酶對(duì)超聲波（27kHz）有不同敏感。對(duì)凝乳酶來說，增加超聲波處理時(shí)間能降低其凝結(jié)活力。超聲波能降低上述酶分解蛋白質(zhì)的活力。超聲波對(duì)牛乳的黏度、凝結(jié)的影響試驗(yàn)表明：①超聲波處理后牛乳黏度下降，這是由于脂肪球的親水力增強(qiáng)所致；②超聲波能加速能加速凝塊硬化，增強(qiáng)最終硬度，超聲波處理牛乳的凝結(jié)時(shí)間與凝乳酶的凝結(jié)時(shí)間是一致的。 5.2超聲波在發(fā)酵乳制品―酸奶、干酪等生產(chǎn)中的應(yīng)用5.2.1超聲波在干酪生產(chǎn)中的應(yīng)用（1）超聲波在干酪成熟中的應(yīng)用。超聲波能改良酶觸反應(yīng)，機(jī)理如下：使酶從微生物細(xì)胞中游離而不破壞細(xì)胞，減少細(xì)胞周圍的邊界層，增加塊狀物質(zhì)在細(xì)胞的遷移激活酶。 超聲波處理能加速凝乳酶的抽提速率。采用20kHz，36W／cm2的超聲波處理能是抽提時(shí)間縮短97％，凝乳酶的活力上升53％。超聲波不能鈍化凝乳酶（可能與pH值有關(guān)）。干酪成熟過程中，肽酶水解苦味肽，降低苦味。 BOQUTEN等成功的應(yīng)用超聲波處理（5.57W／mL，30s）釋放lactococcuslastissubspcremoris中的安泰梅爾為改變酶的抗原性。 ?。?/span>2）超聲波均質(zhì)牛乳可提高干酪產(chǎn)值，改善干酪品質(zhì)。 SCHMIDT研究發(fā)現(xiàn)牛乳在60℃超聲波均質(zhì)處理后，脂肪球平均直徑降為1μm。牛乳在60℃超聲波處理后，脂肪球平均值徑將為1μm。資料顯示，低于45℃下經(jīng)超聲波處理，可維持脂肪粒的穩(wěn)定性，而不致破壞IgA，IgG和乳鐵蛋白。但是當(dāng)超聲波處理溫度高于55℃時(shí)，損失IgA55.1％，IgG損失57.6％。 超聲波處理可用于超低脂干酪的生產(chǎn)。有研究表明，超聲波應(yīng)用于牛乳均質(zhì)可提高干酪產(chǎn)量（至少5％），改善干酪水分的分布狀況，從而改善干酪的品質(zhì)。超聲波處理的牛乳脂肪球膜上有更多的結(jié)合位，這樣就能結(jié)合更多的酪蛋白和乳清蛋白。在通常的均質(zhì)乳中脂肪球的親水膜的特性未能很好的表現(xiàn)出來，結(jié)合性能就差。 Geffney設(shè)計(jì)了多種干酪的生產(chǎn)方案。酶凝塊能在預(yù)定的pH值條件迅速完成（1min）。雖然超聲波均質(zhì)與其他工藝比較，能耗較大，但該處理技術(shù)能增加干酪的產(chǎn)量，改善干酪的品質(zhì)。常規(guī)均質(zhì)通常存在干酪中的水分含量高，黏度低和彈性低等缺陷。 超聲波在酸奶生產(chǎn)中的應(yīng)用乳酸菌生產(chǎn)在酸奶中能分解乳糖。乳糖水解的乳制品（如酸奶）對(duì)具有乳糖不耐癥的人來說意義非常重大。超聲波處理能使β－半乳糖苷酶從德氏乳桿菌中釋放，乳糖轉(zhuǎn)化率可上升20％。 SAKAKIBARA成功地應(yīng)用超聲波處理工藝（200kHz）制造了酸奶。另有研究表明，50℃、pH值為6.5～7.0，200kHz的超聲波處理能使乳糖高度水解。 6其他方面超聲波還可根據(jù)其在流體中傳播速度的不同確定流體流速，從而測(cè)定流體流量；也可用于食品原料的改質(zhì)及加工工藝的改善；有報(bào)道指出可用超聲波對(duì)食品進(jìn)行快速解凍，超聲波能從空氣中沉降懸浮物的性質(zhì)對(duì)實(shí)際應(yīng)用也具有很大的意義。 7結(jié)束語我國(guó)的超聲波技術(shù)雖然起步較晚，但起點(diǎn)高、發(fā)展迅猛，但是實(shí)際應(yīng)用方面還不夠廣，大多數(shù)只停留在實(shí)驗(yàn)室階段。原因之一就是它比電能貴2～3倍，其次是在設(shè)計(jì)有效的聲波發(fā)生器方面做得不好，沒有工業(yè)規(guī)?；纳a(chǎn)也是超聲波不能進(jìn)一步推廣的障礙。 將超聲波應(yīng)用于乳品工業(yè)剛起步，是乳品加工領(lǐng)域的一個(gè)新的課題。目前，超聲波在乳品加工中的應(yīng)用研究主要集中在清洗工具上，各乳品廠能較合理的利用該清洗技術(shù)而不必耗費(fèi)大量的能源?，F(xiàn)在對(duì)超聲波的應(yīng)用研究仍局限于其鈍化微生物和酶，要將其作為加工貯藏技術(shù)，還需對(duì)乳制品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和安全性作進(jìn)一步的研究。現(xiàn)已證實(shí)，超聲波與其他加工工藝（紫外線、加熱、加壓等）聯(lián)合使用才能發(fā)揮顯著作用，因此，如何將超聲波與其它工藝優(yōu)化組合應(yīng)用于乳制品生產(chǎn)中是有待進(jìn)一步研究的課題。 超聲波應(yīng)用于乳品加工工藝改良，使酶從微生物中游離而不阻止細(xì)胞生長(zhǎng)，這可用于干酪成熟和發(fā)酵乳制品生產(chǎn)。 總之，隨著食品工業(yè)的不斷發(fā)展，超聲波換能器設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，超聲波技術(shù)的應(yīng)用前景必將更加廣闊?！?/span> |