時間：2017-10-14 點擊： 次 來源：網絡 作者：佚名 - 小 + 大
| 引言隨著乳品工業的發展，出現了一些新的加工技術。超聲波加工技術就是其中的一種。聲學與化學相互交叉滲透的超聲波化學技術廣泛應用于食品加工、化學、化工、醫藥和農藥等諸多領域。本文就超聲化學的原理和其在乳品行業中應用以及其對乳品質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，它是一種有彈性的機械振蕩，超出人的聽覺上限。超聲波分為2類，低強度超聲波（≤1W／cm2，0.1～0.2MHz）和高強度超聲波（10～1000W／cm2，≤0.1MHz）。 低強度超聲波可用于物質特性的分析；高強度超聲波可根據具體需要，不同程度的改變物質的物理化學結構。因此高強度的超聲波常用于加工產品的生產中。 超聲波的發生主要有3種方法：通過機械裝置產生諧振的方法，一般頻率較低（20～30MHz）：利用磁性材料的磁致伸縮現象的電―聲轉換器發出超聲波的方法，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的材料，加上高頻壓電，使其電壓的正負和大小產生高頻伸縮，產生的頻率在100MHz到GHz量級。 超聲波與媒質的相互作用可分為熱機制、機械（力學）機制和空化機制3種。 1.1熱機制超聲波在媒質中傳播時，其振動能量不斷被媒質吸收轉變為熱量而使媒質溫度升高，此種升溫方法與其它加熱方法相比達到同樣的效果，用10W聲功率處理50mL水，在絕熱狀態下，理論上2min后可使水溫升高5.7℃。 1.2機械（力學）機制超聲波的機械機制主要是輻射壓強和強聲壓強引起的。在力學效應中主要有攪拌、分散、成霧、凝聚、沖擊破碎和疲勞損壞等作用。超聲波也是一種機械能量的傳播形式，波動過程中的力量學，如原點位移、振動速度、加速度及聲壓等參數可以表述超聲效應。 1.3空化機制在液體中，當聲波的功率相當大，液體受到的負壓力足夠強時，媒質分子間的平均距離就會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，泡內可以產生局部的高壓，以及數千度的高溫，從而形成超聲空化現象。空化現象包括氣泡的形成、成長和崩潰過程。空化機制是超聲化學的主動力，使粒子運動速度大大加快，破壞粒子的力的形成，從而使許多物理化學和化學過程急劇加速，對乳化、分散、萃取以及其他各種工藝過程有很大的作用。 2超聲波在乳品生產加工中的應用2.1超聲波的滅菌超聲波滅菌技術主要是用于果蔬汁、飲料、酒料、牛奶、礦泉水、醬油等液體食品，這對延長食品保質期，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致口味、香味變化，同時還會使得維生素及揮發性組分損失，此外，如熱還能加劇褐變反應的進行。上述反應隨時間及溫度的增加而加大，因此一種新殺菌技術的產生將使檸檬汁工藝受益。此技術較之傳統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味和維生素，且耗時短。若采用超聲－激光或超聲－磁化聯合殺菌，效果更佳，這種基于光、電、聲、磁綜合應用的“冷殺菌工藝”受到國內外食品行業極大的關注，必將成為21世紀食品工業研究和推廣的重要高新技術之一。 2.2超聲波的乳化和均質 超聲波對脂肪球的影響能提高牛乳的貯藏性能及營養性能。 3超聲波的分析和檢測低強度超聲波不僅用于提供食品的物化特性信息，還可用于檢測其組成情況，諸如不同食品原料的結構和物理特性。與傳統分析技術相比，超聲波技術具有測定過程迅速，非破壞性精確，全部自動化和可用于實驗室或在線檢測等特點。工業化的有效使用主要包括：固體及液體食品的質地、黏度及含量的檢測；蛋類、肉類、蔬菜瓜果類、乳制品及其它食品的檢測；加工中濃度、流量、溫度檢測及監測；蛋殼及食品包裝的無損檢測。 超聲波檢測機理是通過超聲波脈沖信號經過介質的聲速或振幅衰減等參數來達到檢測目的。浙江大學葉興乾等通過乳液的超聲波頻幅分析，研制出乳品分析儀，可測定牛奶中的主要成分含量，從而鑒定品質。 利用超聲波所特有的高頻率以及超聲波在酶質中的傳播原理，對牛乳及其制品中脂肪測定的方法進行改進，此方法測定試樣品不需加熱，經超聲波提取脂肪，減少醚提取液用量。方法相對標準偏差0.023％～0.122％，合并相對偏差為0.071％。此方法樣品處理簡便快速。易于統一，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邊產生氣泡邊消失的現象以及超聲波對洗滌劑產生的乳化作用，可應用于果疏糧食加工中及乳制品加工中的清洗作用。其特點是省去機械運動部件，洗滌效果好、速度快、質量高、操作簡單、易于實現自動化；清洗效果的好壞要選擇一個適當的功率，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系。 目前，人們對超聲波在乳制品中的應用研究主要集中于清洗工具方面。 散低溫冷藏牛乳中的細菌凝塊，該清洗系統能起到與通常的攪拌機同樣的效果。 HENSEN設計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備。 KIVELA則在溫度65～70℃下，采用強度為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生少量泡沫是正常的，但大量的泡沫會導致投料低，浪費空間，被動操作及染菌等問題，因此有效地除沫可大大降低生產成本，提高生產質量。盡管化學消泡劑通常較機械物理方法有效、經濟，但機械物理方法作為一種無污染的消泡手段依然受到關注。非化學方法主要包括加熱、離心、噴射式超聲振動。可選擇按轉機械物理消泡設備，從而避免化學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、營養源、氧、光等是控制微生物反應的因子，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，可促進酶和微生物的反應體系。在固定化酶反應體系中，常常因存在于載體內和載體周圍的基質向外部膜內擴散的阻力而反應減慢，但通過超聲波輻射可促進基質擴散。 5.1超聲波可鈍化乳制品中的微生物和酶5.1.1超聲波可鈍化細菌、大腸桿菌及致病菌MUNKACSI等人對牛乳進行超聲波（8.4W／cm2，1min）―紫外線輻射（20s）處理后，發現細菌總數和大腸菌群致死率分別為93.0％和97.5％，凝乳酶和凝結時間延遲10％￣25％，酶凝時間的延遲是蛋白質變性造成的。雖然經超聲波―紫外線處理可防止輻射牛乳中不良風味的產生，但該牛乳中仍存在微蒸煮味。 超聲波對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價。研究表明，超聲波對蛋白胨溶液中的沙門氏菌的破壞作用遠遠高于其對巧克力中沙門氏菌的破壞。這是因為超聲波在作用于巧克力時，巧克力的物理化學結構較特殊，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。處理后發現磷酸溶液液中其D值減少為63％，而牛乳中則為43％。這可能是牛乳對細菌裂變的保護作用所致。 GARCLA分別研究了超聲波對水、甘油、牛乳中枯草桿菌的影響，結果表明在70￣95℃的條件下，超聲波對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RAHARINTSOA的研究，凝乳酶、胃蛋白酶和霉菌酶對超聲波（27kHz）有不同敏感。對凝乳酶來說，增加超聲波處理時間能降低其凝結活力。超聲波能降低上述酶分解蛋白質的活力。超聲波對牛乳的黏度、凝結的影響試驗表明：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所致；②超聲波能加速能加速凝塊硬化，增強最終硬度，超聲波處理牛乳的凝結時間與凝乳酶的凝結時間是一致的。 5.2超聲波在發酵乳制品―酸奶、干酪等生產中的應用5.2.1超聲波在干酪生產中的應用（1）超聲波在干酪成熟中的應用。超聲波能改良酶觸反應，機理如下：使酶從微生物細胞中游離而不破壞細胞，減少細胞周圍的邊界層，增加塊狀物質在細胞的遷移激活酶。 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）。干酪成熟過程中，肽酶水解苦味肽，降低苦味。 BOQUTEN等成功的應用超聲波處理（5.57W／mL，30s）釋放lactococcuslastissubspcremoris中的安泰梅爾為改變酶的抗原性。 （2）超聲波均質牛乳可提高干酪產值，改善干酪品質。 SCHMIDT研究發現牛乳在60℃超聲波均質處理后，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℃下經超聲波處理，可維持脂肪粒的穩定性，而不致破壞IgA，IgG和乳鐵蛋白。但是當超聲波處理溫度高于55℃時，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。有研究表明，超聲波應用于牛乳均質可提高干酪產量（至少5％），改善干酪水分的分布狀況，從而改善干酪的品質。超聲波處理的牛乳脂肪球膜上有更多的結合位，這樣就能結合更多的酪蛋白和乳清蛋白。在通常的均質乳中脂肪球的親水膜的特性未能很好的表現出來，結合性能就差。 Geffney設計了多種干酪的生產方案。酶凝塊能在預定的pH值條件迅速完成（1min）。雖然超聲波均質與其他工藝比較，能耗較大，但該處理技術能增加干酪的產量，改善干酪的品質。常規均質通常存在干酪中的水分含量高，黏度低和彈性低等缺陷。 超聲波在酸奶生產中的應用乳酸菌生產在酸奶中能分解乳糖。乳糖水解的乳制品（如酸奶）對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，乳糖轉化率可上升20％。 SAKAKIBARA成功地應用超聲波處理工藝（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其在流體中傳播速度的不同確定流體流速，從而測定流體流量；也可用于食品原料的改質及加工工藝的改善；有報道指出可用超聲波對食品進行快速解凍，超聲波能從空氣中沉降懸浮物的性質對實際應用也具有很大的意義。 7結束語我國的超聲波技術雖然起步較晚，但起點高、發展迅猛，但是實際應用方面還不夠廣，大多數只停留在實驗室階段。原因之一就是它比電能貴2～3倍，其次是在設計有效的聲波發生器方面做得不好，沒有工業規模化的生產也是超聲波不能進一步推廣的障礙。 將超聲波應用于乳品工業剛起步，是乳品加工領域的一個新的課題。目前，超聲波在乳品加工中的應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而不必耗費大量的能源。現在對超聲波的應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，還需對乳制品的營養價值和安全性作進一步的研究。現已證實，超聲波與其他加工工藝（紫外線、加熱、加壓等）聯合使用才能發揮顯著作用，因此，如何將超聲波與其它工藝優化組合應用于乳制品生產中是有待進一步研究的課題。 超聲波應用于乳品加工工藝改良，使酶從微生物中游離而不阻止細胞生長，這可用于干酪成熟和發酵乳制品生產。 總之，隨著食品工業的不斷發展，超聲波換能器設計的不斷進步，超聲波技術的應用前景必將更加廣闊。 |
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