超声波与物理场组合食品技术研究进展

2020-04-17徐大山胡爱军郑捷王若冰李杨

食品工业 2020年10期

徐大山，胡爱军*，郑捷, ，王若冰，李杨

1. 安徽铜陵技师学院（铜陵 244000）；2. 天津科技大学食品科学与工程学院（天津 300457）；3. 天津鸿腾水产科技发展有限公司（天津 301800）

超声波是一种弹性机械波，频率范围为2×104～2×109Hz。超声波在介质中传递形成介质粒子的机械运动并传播能量，可分为纵向波和横向波。在固体内，两者都可以传送，而在气体和液体内只能传送纵向波。从物理角度出发，其作用机制主要归结为热机制、机械机制与空化机制。利用超声波可强化传热，缩短干燥时间，加速过滤，促进并控制结晶速度与晶体大小，强化物质提取、解冻、切割、雾化喷涂，改性淀粉、纤维素等生物大分子物质，还能够改善食品质地，提高食品质量等。另外，超声波通过其传播参数变化，还可用于食品体系的无损检测与分析。但是超声波技术也存在一些亟需解决的问题，如超声波受物料黏度、温度、蒸汽压、液体表面张力、气体环境等因素限制，高强度、长时间的超声处理会使食品色、香、味、营养物质及质地等发生改变，影响产品的外观品质，降低食品的食用价值；超声波单独应用于食品杀菌存在杀菌不彻底等缺点[1]。

超声技术与其他技术组合能够有效克服其本身的一些缺陷，强化单元操作过程和加工过程，改善食品的品质，从而取得更好技术效果，在食品工业中具有广阔的应用潜力。因此，重点综述超声波分别与微波、超高压、真空、电场、红外、紫外技术形成的组合技术及其在食品领域中的应用进展，旨在为超声技术的应用提供技术指导。

1 超声-微波技术

1.1 超声-微波提取

超声-微波技术具有很强的传质传热作用，应用于功能性物质的提取。张国财等[2]利用超声波-微波提取富硒蛹虫草硒多糖，相比超声提取法和水提法分别提高4.47%和12.92%。Sun等[3]利用超声-微波提取旱莲木果实中的多糖，相比热水法提取等量的多糖所需要的时间由120 min减少至20 min。Lu等[4]用超声-微波提取莲子低聚糖，与热水提取、超声提取和微波提取相比，提取时间分别缩短91.8%，88.78%和13.56%。Xu等[5]采用超声-微波提取对羊肚菌多糖，在相同条件下，与超声提取和微波提取相比较，超声-微波的提取率最高。另外，微波-超声提取还具有保护提取物结构甚至增强其生物特性的作用。应瑞峰等[6]采用超声-微波提取青钱柳叶超微粉中多糖，结果发现多糖生物活性显著高于热水法提取的多糖；袁汝玲等[7]采用微波-超声从燕麦麸皮中提取燕麦麸油，与溶剂浸提相比，微波-超声提取的燕麦麸油具有更强氧化活性。

1.2 超声-微波改性

超声-微波改性的原理是利用微波辐射使极性分子高速运动造成大分子氢键断裂，同时辅以超声波机械振荡作用使反应体系加热均匀，从而加速基质中目标化合物吸附和解吸的过程，如利用超声-微波改性制备蛋白-糖复合可食膜，会使蛋白质与多糖分子之间产生氢键或共价键，改善其透气性、延展性等物理性能。隋思瑶等[8]利用超声-微波改性制备乳清蛋白-壳聚糖可食膜，与常规方法相比，透气率降低27.9%、透氧率降低48.1%，显著提高膜的阻隔性。Wang等[9]利用超声-微波改性制备大豆分离蛋白-二氧化钛膜，其机械性能得到改善。

1.3 超声-微波降解

超声-微波能够促进纤维素、半纤维素、木质素等大物质的降解，主要表现在2个方面：一是超声波的空化作用能加速植物细胞壁破裂，微波能够使原料中的水、纤维素、半纤维素、木质素等极性分子强烈吸收，产生大量热量，致使部分半纤维素、木质素等的化学键断裂；二是小相对分子质量的化学物质急剧挥发，产生压力，促使原料纤维形成无数微隙与孔洞，植物纤维比表面积显著增大[10]，超声-微波辅助酸、碱、酶等降解方法，能够大幅加速降解反应进行；李文杰等[11]利用微波-超声助硫酸降解玉米秸秆，在相同处理时间内比酸法水解还原糖得率提高6.6%；张莉莉等[12]采用超声-微波协同水解玉米皮渣获得还原糖，与酸水解相比，还原糖含量提高20.72%；寇晓亮等[13]采用超声辅助H2O2降解壳聚糖，超声30 min壳聚糖平均相对分子质量降低至1.23×105Da，处理180 min后降低至2.9×104；而毛江江等[14]采用超声波-微波联合H2O2降解壳聚糖，H2O2氧化10 min，超声-微波降解3 min处理，使其平均相对分子质量降低至3.52×103Da。超声-微波组合处理极大缩短反应时间并降低平均相对分子质量。

1.4 超声-微波陈化

在酒类工业中，缩短陈酿期、加速酒陈化过程是生产中一直追求的目标。超声波的空化作用会使得酒体处于短暂性的高温高压状态，增加酵母菌细胞破碎的速率和程度，酵母多糖浸出增加，加速酯类与乙醇、水的结合，使酒味变得醇厚柔和；微波则可以利用电磁场辐射，破坏酒中分子群之间的缔合，在短时间内使乙醇分子、水分子等分子群重新结合成稳定的缔合分子群，使得葡萄酒口感更加协调醇和，从而达到缩短陈酿期的目的。崔艳等[15]以带酒泥的赤霞珠葡萄原酒为原料，使用超声波和微波连续处理进行人工催陈后的多糖含量明显高于微波处理及对照组，总酚含量有所降低；香气成分中酯类物质含量增加，高级醇含量下降，呈现出生青、苦涩味降低，花香增强、果香减弱的趋势，香气更加平衡，酒体柔和圆润。

2 超声-高压技术

超声技术与高压技术相组合，具有明显的杀菌效果，更适用于热敏性物料的杀菌操作。同时超声-高压组合技术在酸、碱敏感性物质提取领域具有较大潜力，其使用水作为溶剂提取，能够避免酸、碱造成的糖苷键断裂或多糖分解。林春铭[16]以西瓜汁为研究对象，在100 kHz超声处理15 min，经压力150 MPa作用，西瓜汁中菌落总数下降约2.7个对数单位，对鲜榨西瓜汁的预杀菌效果有明显提高。郭晶等[17]使用超声-高压法提取金针菇黄酮，超声波功率300 W，超声时间6 min，高压温度115 ℃，高压处理40 min，黄酮提取率达到16.53%，而高压热水浸提在温度121 ℃、浸提时间60 min条件下提取率仅为12.7%[18]。另外，超声-高压均质组合还可用于制备稳定的Tween 80和乳清蛋白纳米乳液，所需的能量输入比单独超声和高压均质均低[19]。

3 超声-真空技术

超声波在真空环境中不能传播，因此超声与真空同时处理并无效果，但超声可用于食品物料的预处理过程中。超声波预处理组合真空技术能够缩短干燥时间，同时改善产品品质与复水率，可应用于酸奶、胡萝卜、香蕉片、苹果片等果蔬制品的干燥，其使用范围广，具有较好的应用效果。杨菊芳等[20]采用超声-真空冷冻干燥酸奶，显著提高物料在较低气流速度和低温下的水分扩散，干燥时间在同等条件下最短，比无超声作用的对照组平均缩短20.58 h。Chen等[21]采用超声-真空冷冻干燥大蒜，干燥时间比无超声作用的对照组减少40 min，得到的干燥大蒜切片的质地、色泽也优于对照组。林平等[22]采用超声波-真空冷冻干燥胡萝卜，40 kHz，250 W处理30 min得到的冻干胡萝卜的复水率在5.1以上，且感官性状较好；周頔等[23]采用超声波预处理苹果片后，其干制品VC保留量更高、颜色更加洁白、硬度变小、质地更加疏松。

4 超声-电场技术

静电场具有破膜、增强空化效果的作用，超声与电场共同作用，能够强化破坏植物细胞组织，从而增加提取率；杨日福等[24]采用超声-电场提取黄花菜总黄酮，静电场7 kV，超声电功率600 W提取40 min，黄花菜黄酮的提取得率达1.48%，比超声提取黄花菜黄酮[25]得率增加1.81倍。啤酒酵母悬浮液先经高压脉冲电场处理（场强25 kV/cm）再经超声处理（功率400 W）进行蛋白质和核酸提取，蛋白质和核酸提取率分别达到45.86%和53.75%，且蛋白质和核酸提取率均是脉冲电场单独作用时的1.5倍左右，是超声波单独作用时的2倍左右[26]。

5 超声-红外技术

超声波的空化效应能够使食品物料表面出现大量裂缝，提高渗透过程中的传质效率，促进水分扩散，增加物料的干燥速率，从而降低干燥温度、缩短干燥时间、降低能耗、改善产品品质。陈文敏等[27]采用超声-红外技术干燥红枣，将干燥时间由13.33 h缩短为9.55 h，干制品品质显著优于未超声处理，极显著优于传统热风干燥，其维生素C、总酚、总黄酮含量最高，糖酸比最高，色泽最优，能耗最少；张鹏飞等[28]研究桃片超声渗透-红外辐射干燥特性及干燥能耗，结果表明，超声可增加桃片渗透脱水速率和固形物渗入率，并且具有节约能耗、提高产品品质的效果。

6 超声-紫外技术

紫外技术被广泛应用于水体、空气的杀菌，超声场的加入能够强化其杀菌效果。一方面，超声空化产生的高剪切力与微射流能够损伤细菌的物理结构；另一方面，声场的加入还能防止紫外灯管表面结垢，提高杀菌效果。吴木生等[29]应用超声-紫外对饮用天然水杀菌，有很明显的杀菌效果，超声-紫外杀菌技术使用臭氧质量浓度0.10 mg/L时，杀菌效果优于单一0.30 mg/L臭氧杀菌效果，且溴酸盐质量浓度低于0.005 mg/L。超声组合低浓度臭氧的饮用水杀菌技术可替代单一的臭氧杀菌技术，既能达到杀菌效果，又可降低溴酸盐风险，确保产品品质。靳慧霞等[30]应用超声-紫外对大肠杆菌进行灭活，导致其细胞形态结构产生严重破坏。