超声波技术在食品检测中的应用分析

食物是生活的必需品，也是人们时刻关注的内容，近年来频发的食品安全事件更使得社会各界对食品安全问题的关注越来越多。食品安全问题不仅涉及较多的内容，还会对社会产生较大的影响，因此，食品安全检测具有重要的意义。

随着科学技术的进步，超声波技术“无伤探测”的特点以及设备投资低、操作简单、适应性强等特性越来越引起食品检测和加工行业的注意。超声波是一种频率高于20Hz的声波，在传播过程中能够与媒介相互作用，并且引起超声波相位与幅度的变化，这种特性能够运用到食品检测工作中。本文对超声波技术在食品检测中的原理进行了详细的介绍，并列举了一些具体的食品检测案例，比如凝胶类、蛋类、肉禽类、乳制品等。

一、超声波技术检测食品的原理

利用超声波进行食品检测所采用的是频率较高但能量较低的超声波，并且一般采用脉冲式操作方法。这种超声波由于能量低的特点，在通过介质时不会改变物体的物理或化学性质，在食品检测尤其是对光学不透明物体进行检测时有着不错的效果。超声波最常见的检测参数是声速和振幅衰减，接下来对食品检测中的脉冲式超声波进行分析。

1.声速测定。根据平面波的一些性质，计算出食品的质量以及成分，最常见的是利用平面波穿过介质时的性质计算。即：

（κ/ω）?=ρ/E

上式中，κ是介质的复合波数，ω是角频率，E是介质的弹性模量，ρ是介质密度。

对于固态的介质，弹性模量的表达式为：

E=K+（4/3）G

上式中，K是体积弹性模量，G是刚性弹性模量。

对于液态的介质，由于其不具备刚性或者刚性很小，表达式为：

C?=K/ρ

超声波的检测技术原理可以用图1来表示，其中，A是脉冲信号发生器，B是时间计数器，C1是发送探头，C2是接收探头，D是样品。信号发生器会产生一个具有一定频率和振幅的脉冲电子波，当脉冲电子波传送到发送探头的时候，时间计数器开始记录时间，此刻为T1;脉冲电子波在发送探头被转化为相同频率的超声机械波，通过样品压缩传递后再转化为电子波，然后传送回时间计数器之后记录下停止的时间T2。因此，超声波通过样品的时间就是T=T2-T1，通过距离则可以根据已知声速的物质测量，这样就能够测量出声速。

2.衰减测定。超声波的特性在于经过介质时会被削弱，从而产生不同程度的衰减，原因在于声波在传输过程中能量的吸收与散射。吸收指的是声能在传播的过程中被转化为其他形式的能量，而散射则指的是在介质不连续处，声波偏移到其他方向。散射的能量形式不會发生改变，但由于方向的变化，这些能量仍然难以测量;吸收的能量转化形式大多表现为三种，即热传导、粘滞耗散和分子弛豫。

衰减系数a可以表示为：A=A0exp（-ad），其中，A是声波通过介质后产生的振幅，A0是初始振幅，d是声波所通过的距离。对衰减系数的测定方法与声速的测量原理大致相同，只是将时间测量改变为相邻回波的振幅及变化。

二、超声波技术在食品检测中的应用

从原理上来说，超声波技术能够检测物体的弹性模量与刚性模量、物体的复合剪切粘度、不同超声波性质的混合物体成分或介质层的厚度以及体系的温度等方面。根据其原理性质以及实验室当下的研究成果，超声波能够应用到食品检测的以下几个方面：

1.生物大分子溶液和凝胶体系。物体的弹性模量以及密度能够决定超声波的传播速度，因此超声波能够对蛋白质、糖类等大分子进行浓度、水化、化学反应、分子重排和聚集以及凝胶化信息等的检测，同时能够直接获取体系的刚性和压缩性结果。

2.蛋类。以蛋类为原料的糕点加工厂能够利用超声波对原材料进行检测，并控制加工物料的质量，原因在于超声波不但能够测定蛋清的厚度，还能利用蛋清和蛋黄不同的组织结构，对鸡蛋的组成成分进行定量，甚至还能够确定蛋壳的厚度以及破裂度。

3.巧克力和油脂。对于巧克力和油脂类产品来说，物质成分中的结晶或者熔融对物料的加工以及产品的质量都会产生不良的影响，而超声波则能够将这些转变现象很明显的表现出来。利用超声波能够对液态或者固态巧克力中的蔗糖或者晶体含量进行测量，还能对油脂中的固态成分含量进行测定，为这些产品的加工以及质量检测提供技术依靠。

4.充气类食品。对于各种体系中存在的气泡，超声波能对其产生比较敏感的反应。例如水果、啤酒泡沫、人造黄油、冰淇淋、馒头、烘烤的面包和饼干等，它们的物理以及感官性质很大程度上取决于所含的不可溶解的空气的量以及气泡的大小与分布状况。超声波可以观测到气泡与周围介质之间的显著差异，并测定体系内气体的体积分数与气泡的大小，因此能够用于对相关产业的产品质量以及性质进行检测。

5.乳制品类。乳制品的组成成分比较复杂，各成体系成分之间会相互作用，给加工过程带来极大的困难，此时超声波的作用就显现了出来，利用超声波能够快速有效地检测出乳制品中的介质体系、脂肪含量等。对于牛奶这类液体的检测，超声波只存在纵波。牛奶是很常见的乳制品，其主要组成成分是脂肪类的大分子，这种物质对超声波的衰减有很大的影响，再加上牛奶中含有大量的蛋白质和乳糖，能够大幅度衰减超声波的强度和速度，根据特定的计算定式可以建立一种比较精确的监测模型，从而确定牛奶中各成分的百分比，以此达到在线检测和流动检测的要求。

6.果蔬类。利用超声波能够检测果蔬类产品的保鲜度以及成熟度，但是果蔬类食品在成熟或者贮藏的过程中会出现内部结构、水分含量的变化，其中的糖分等成分也会发生变化，这些变化均会影响超声波的检测结果。并且由于果蔬组织内部存在气体，超声波检测的衰减会比较明显，进行结果分析时面对的数据也比较复杂，但是只要操作得当，还是可以运用该技术的。

7.肉禽类。对于肉禽类产品的组成、含水量、膘厚以及脂肪等，超声波检测工作已经进行了30年之久，利用脂肪以及肌肉的超声波速度区别以及两者界面处对声波的折射，能够对饲养中的禽畜进行脂肪含量以及品质的鉴定。

随着科学技术的不断进步，超声波技术越来越成熟，超声波换能器设计也越来越完善，在食品工业中的应用前景必然会越来越广泛，也会在我国的经济建设中发挥更大的作用。而脉冲式超声检测技术至今未能在食品行业得到广泛的应用，原因在于食品体系的复杂性使得测量结果的分析较为困难，仪器制造与工业应用也较为脱节。对于这些存在的问题，专业人员要在实验室持续进行研究，并对复杂的食品体系进行分析，仪器制造厂家也应与食品工业科研人员合作，从而完善专业仪器与设备的需求。综上所述，超声波检测技术在食品行业的应用，还需要更多的研究作为技术支持。

作者简介：凌旵（1990-），男，助理工程师，研究方向为食品快速检测。