多频超声波清洗机在叶类蔬菜清洗中的应用

杜彦生,许海宁，代春华,*，王新会，何荣海，马海乐

（1.江苏大学环境与安全工程学院,江苏 镇江212013;2.江苏大学食品与生物工程学院-食品物理加工研究院,江苏 镇江212013;3.江苏江大五棵松生物科技有限公司,江苏 镇江212009）

蔬菜富含人体所需的多种维生素、矿物质及膳食纤维，是平衡膳食的重要组成部分[1-2]。清洗是蔬菜加工的关键环节，对其品质至关重要[3]。蔬菜的清洗难度较大，尤其叶类蔬菜质地松软，比重轻且叶面积大，清洗过程中易造成碰伤，且褶皱部位难清洗干净。传统的蔬菜清洗设备主要是滚筒式、毛刷式、气浴式、水流式等，通过摩擦、水流、气泡等与物料相互间的耦合作用去除蔬菜表面的杂质。其中滚筒和毛刷清洗设备结构简单、清洗作用力强、清洗效果好，但清洗过程中物料受损严重。气浴和淹没射流清洗方式柔和，物料受损小，但清洗效果差，主要用于切制后的蔬菜清洗[4-7]。

目前，国内尚未有专门的叶类蔬菜清洗设备。近年来，超声波在食品加工中的应用越来越广泛，但其在蔬菜清洗方面的研究尚处于探索阶段[8]。超声清洗主要是利用其空化作用实现的，当超声波在液体介质中传播时，将存在于液体中的微小气泡激活，表现为泡核的形成、振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程。在空穴崩溃过程中，周围产生高温、高压及射流现象，引发底物发生一系列物化效应，达到清洗蔬菜的目的[9-11]。本研究将自行研制的超声清洗设备用于消费量较大的叶类蔬菜（生菜）的清洗，并与气泡式清洗方式对比，以期为叶类蔬菜超声波清洗技术的应用与推广提供理论依据和实际指导。

1 材料与方法

1.1 蔬菜原料

生菜购买于镇江市学府路农贸市场，为当天采摘的新鲜蔬菜。

1.2 试验设备

超声波蔬菜清洗机及气泡式蔬菜清洗机均由江苏大学自行研制。超声波蔬菜清洗设备适应于脱水蔬菜企业的多种模式超声波清洗。对于不同蔬菜，可采用不同频率和场强的超声波进行生产和研究。

1.2.1 设备组成

超声波蔬菜清洗机由清洗槽、超声波发生器、电气柜及超声波振盒组成，其结构简图如图1所示。

图1 超声波清洗机结构简图Fig.1 Structural diagram of ultrasonic cleaning machine

超声波蔬菜清洗设备为六频发散式超声波反应系统，由超声波发生器和超声波振盒两部分组成（图2），其中电气柜是机器的电源和控制系统，由可编程逻辑控制器（Programmable logic controller，PLC）、电气总成和触摸屏等组成，包括：超声波发生器、触摸屏和控制系统；超声波振盒由超声波换能器、振盒及与超声波电源相连的电缆组成。

图2 超声波控制装置与超声波振盒Fig.2 Ultrasonic control device and ultrasonic vibration box

1.2.2 设备的技术配置

系统设备配置如表1所示。

表1 超声波清洗机参数Table 1 Parameters of ultrasonic cleaning machine

1.2.3 各组成部件功能与操作设置

1.2.3.1 超声波发生器

产生超声波电信号，为换能器供给脉冲电能的电气装置。

1.2.3.2 触摸屏

与PLC通讯的人机界面。用于选择和运行/停止超声波系统的人机对话窗口，可设置超声波的工作模式（同时工作或顺序工作），设定超声波的工作时间和间隔时间。

1.2.3.3 控制系统

与超声波系统的通讯由电气控制箱完成。操作过程在触摸屏上实现。

1.2.3.4 换能器

将超声波发生器产生的超声波电能转换成高频机械振荡，通过超声波振盒将超声波能量传入洗菜水中，从而达到清洗蔬菜的目的。

1.2.3.5 超声波振盒

浸入蔬菜清洗机水中，向水中发射超声波能量。

1.2.3.6 超声波参数调节

打开超声波发生器开关进行超声电源初始数据设置。超声频率：超声波功能面板的显示窗直接显示该发生器提供的频率（出厂时已校核完毕），显示该超声波电源的频率“F0xx”；调整功率：当超声波运行时，按“减少功率”键或按“增加功率”键显示窗下部的输出指示条会发生变化，输出指示条每一格代表10%变化量；扫频功能的开启与关闭：当超声波运行时，按一下“扫频开关”键，扫频开始，这时可听到超声波声音有强弱周期变化，再按一下扫频关闭；超声波的暂停与开启：在超声波运行过程中，通过按“启动/停止”键启动和停止超声波工作。

1.3 试验方法

1.3.1 生菜的气泡式清洗工艺优化

目前，蔬菜行业没有定量评价蔬菜是否清洗干净的统一标准，清洗后肉眼观察蔬菜上无泥沙、腐殖质、毛发、虫卵、碎叶等杂质即为清洗干净，与之相反则认为未清洗干净[12]；清洗后出现断裂或孔洞的记为破损蔬菜，未断裂而仅有折痕的不记为破损蔬菜。

将一定质量的生菜放入气泡式蔬菜清洗机内，清洗一定时间后捞出并晾干表面水分，按照生菜表面清洁及破损情况将清洗后的生菜分别称重，按照以下公式计算生菜的洗净率和破损率[12-13]；以生菜的洗净率为主要参考指标，破损率为次要指标，考察清洗时间（5、10、20、30、40、50 s）及洗菜量（250、500、750、1 000、1 250 g）对生菜清洗效果的影响。

1.3.2 生菜的超声波清洗工艺优化

将一定质量的生菜放入超声波蔬菜清洗机内，清洗一定时间后捞出并晾干表面水分，按照生菜表面清洁情况及破损情况将清洗后的生菜分别称重，计算生菜的洗净率和破损率；并以生菜的洗净率和破损率为参考指标，考察超声频率（20、28、40、60、68、80 kHz）、清洗时间（10、20、30、40、50 s）、超声功率（300、600、900、1 200、1 500 W）及洗菜量（250、500、750、1 000、1 250、1 500 g）对生菜超声清洗效果的影响。

1.3.3 数据处理

所有试验均重复3次，结果取平均值，采用Excel软件进行数据整理及绘图。

2 结果与分析

2.1 生菜的气泡式清洗效果

2.1.1 清洗时间对生菜清洗效果的影响

利用气泡式蔬菜清洗机对500 g生菜进行清洗，清洗时间对生菜洗净率和破损率的影响如图3所示。

图3 清洗时间对生菜气泡式清洗效果的影响Fig.3 Influences of washing time on lettuces cleaning effects under air-bubble washing pattern

由图3可以看出，随着清洗时间的延长，生菜的洗净率和破损率均升高。其原因是清洗时间延长，生菜间的磨擦时间增加，且气泡与蔬菜的接触时间也随之增加，因此，洗净率和破损率均增大。利用Excel对生菜清洗效果进行多项式回归，洗净率（y）回归方程为y=9.791 2 lnx+63.427（x为清洗时间）；破损率（y′）回归方程为y′=6.39 lnx-8.733 8（x为清洗时间）；R2分别为0.983 3和0.989 7，回归方程显著。此外，由图3可以看出，生菜清洗时间为40 s时，洗净率达到100%，故在后续试验中采用40 s的洗菜时间。

2.1.2 洗菜量对生菜清洗效果的影响

在清洗时间40 s条件下，考察洗菜量对生菜洗净率和破损率的影响，结果见图4。

由图4可以看出，随着洗菜量增加，生菜的洗净率逐渐降低，而破损率增大。在清洗槽容量不变的情况下，洗菜量增加导致生菜间的磨擦增多，故破损率增大；另外，洗菜量增多使其接触水泡的机会减少，清洗效果下降。利用Excel对生菜清洗效果进行多项式回归，洗净率（y）回归方程为y=-0.000 01x2+0.005 8x+99.378（x为洗菜量）；破损率（y′）回归方程为y′=0.000 006x2-0.002 9x+13.224（x为洗菜量）；R2分别为0.985 8和0.991 4，回归方程显著。此外，由图4可以看出，生菜清洗时间40 s、洗菜量500 g时，洗净率达到100%，此时破损率为12.89%。

图4 洗菜量对生菜气泡式清洗效果的影响Fig.4 Influences of washing amounts on lettuces cleaning effects under air-bubble washing pattern

当空气被风机压入气流管路射入清洗槽中液体时引起液体流动，运动快的流层带动慢的流层，运动慢的流层阻止快的流层，不同速度流层间互相牵制产生层间摩擦力。同时，空气通过喷气管上喷气孔形成大量压力和大小不同的气泡，引起水和蔬菜一起涌动，从而实现蔬菜的清洗，但较大的摩擦力及剧烈的翻滚易造成蔬菜损伤[14-16]。

2.2 生菜的超声波清洗效果

2.2.1 超声清洗频率对生菜清洗效果的影响

在洗菜量250 g、功率900 W、清洗时间30 s条件下，超声频率对生菜清洗效果的影响如图5所示。由图5可以看出，随超声频率的增加，生菜的洗净率及破损率均增大。这是因为超声频率增大，空化频次增加，产生的声化学效应也增大[17-18]。利用Excel对生菜超声清洗效果进行多项式回归，洗净率（y）回归方程为y=3.436 5 lnx+82.571（x为超声频率）；破损率（y′）回归方程为y′=2.152 1 lnx-3.406 6（x为超声频率）；R2分别为0.983和0.981 6，回归方程显著。此外，由图5可知，在超声频率68 kHz时，生菜洗净率较高，继续增加至80 kHz，破损率增加明显，故在后续试验中采用68 kHz的超声清洗频率。已有的报道也表明，利用超声波清洗技术对一些精密工具、器皿及设备进行清洗时，通常采用的清洗频率在16～70 kHz范围内[19]。

图5 超声频率对生菜清洗效果的影响Fig.5 Influences of ultrasonic frequency on lettuces cleaning effects

2.2.2 超声清洗时间对生菜清洗效果的影响

在功率900 W、频率68 kHz条件下，对250 g生菜进行超声清洗，清洗时间对清洗效果的影响如图6所示。

图6 超声清洗时间对生菜清洗效果的影响Fig.6 Influences of ultrasonic time on lettuces cleaning effects

由图6可知，随清洗时间的延长，生菜的洗净率及破损率均增大。利用Excel对生菜超声清洗效果进行多项式回归，洗净率（y）回归方程为y=-0.024x2+2.022 6x+58.446（x为超声清洗时间）；破损率（y′）回归方程为y′=-0.002 5x2+0.405 4x-4.014（x为超声清洗时间）；R2分别为0.991 5和0.984 4，回归方程显著。此外，由图6可以看出，在频率为68 kHz、清洗时间40s时，洗净率达到100%，此时的破损率为8.93%。

2.2.3 超声清洗功率对生菜清洗效果的影响

在频率68 kHz、清洗时间40 s条件下，对250 g生菜进行超声清洗，超声功率对生菜清洗效果的影响如图7所示。

从理论上说，超声功率越大，由超声产生的压力越大，其清除污染物能力越强。但是当超声功率增大至一定程度时，反而不利于空化作用产生气泡[20-21]。由图7可以看出，超声功率增大，生菜的洗净率及破损率均增大。利用Excel对生菜超声清洗效果进行多项式回归，洗净率（y）回归方程为y=-0.024x2+2.022 6x+58.446（x为超声清洗功率）；破损率（y′）回归方程为y′=-0.002 5x2+0.405 4x-4.014（x为超声清洗功率）；R2分别为0.991 5和0.984 4，回归方程显著。此外，由图7可以看出，在频率68 kHz、清洗时间40 s、功率900 W时，生菜的洗净率达到100%，此时的破损率为5.49%。

图7 超声清洗功率对生菜清洗效果的影响Fig.7 Influences of ultrasonic powers on lettuces cleaning effects

2.2.4 洗菜量对超声清洗生菜效果的影响

在超声频率68 kHz、功率900 W、清洗40 s条件下，洗菜量对生菜清洗效果的影响见图8。

图8 洗菜量对生菜清洗效果的影响Fig.8 Influences of washing amounts on lettuces cleaning effects

由图8可知，随着洗菜量增加，生菜的洗净率逐渐降低，而破损率逐渐增大，变化趋势与气泡清洗效果相似。利用Excel对生菜清洗效果进行多项式回归，洗净率（y）回归方程为y=-0.000 008x2+0.007 2x+98.7（x为洗菜量）；破损率（y′）回归方程为y′=0.000 000 4x2+0.004 5x+6.77（x为洗菜量）；R2分别为0.993 2和0.981 1，回归方程显著。由图8可以看出，在洗菜量增加至750 g时，洗净率仍可达到100%，此时的破损率为9.98%。

3 结论

本研究以洗净率和破损率为参考指标，对气泡式及超声波清洗方式对生菜的清洗效果进行评价。结果表明，采用气泡式清洗方式，在清洗时间40 s，洗菜量500 g时清洗效果最佳，洗净率达到100%，此时破损率为12.89%；采用超声清洗方式时，在频率68 kHz，功率900 W，清洗时间40 s，洗菜量750 g时生菜洗净率为100%，破损率为9.62%。对比可知，超声清洗方式清洗的生菜量大于气泡清洗方式，且破损率降低3.27个百分点，因此，超声波清洗较气泡式清洗方式更具优势。另外，对于存在于菜茎褶皱中的泥土等污染物，超声波清洗效果明显好于气泡清洗。该研究为超声波在蔬菜清洗中的应用提供了理论及技术支持。