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超聲技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進展

文檔作者：吳菲菲1，2，3 巢玲1 李化強1，2，3,4 趙良忠1 徐永平3 等文檔來源： 1．邵陽學(xué)院食品與化學(xué)工程學(xué)院 2．湖南省果蔬清潔加工工程技術(shù)研究中心 3．大連理工大學(xué)生命科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院 4．大連賽姆生物工程技術(shù)有限公司博士后科研工作站		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年06月08日
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第8卷第7期食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報Vbl．8 NO．7
2017年7月Journal ofFood Salty and Quality Jul．，2017
超聲技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進展
吳菲菲1，2，3一，巢玲1一，李化強1，2，3,4*7趙良忠1一，徐永平3一，
龍艷珍1一，陳瓊1一，張早明1,2
(1．邵陽學(xué)院食品與化學(xué)工程學(xué)院，邵陽422000；2．湖南省果蔬清潔加工工程技術(shù)研究中心，邵陽422000
3．大連理工大學(xué)生命科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，大連1 16024；4．大連賽姆生物工程技術(shù)有限公司
博士后科研工作站，大連1 16620)
摘要：超聲波是頻率超過20 kHz的聲波，其聲場具有獨特的空化現(xiàn)象，可同時產(chǎn)生熱效應(yīng)和機械效應(yīng)，在
食品加工領(lǐng)域應(yīng)用具有處理效率高、可控性好、成本低等優(yōu)點，近年來在食品加工領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。本文從
超聲技術(shù)作用機制出發(fā)，綜述了國內(nèi)外有關(guān)超聲技術(shù)在食品加工業(yè)中的應(yīng)用和研究新進展，主要包括利用高
頻和低頻超聲對不同食品原料進行超聲提取、超聲降解、超聲輔助酶解、超聲干燥、超聲滅菌、超聲乳化和
超聲嫩化等方面，并對其可能的作用機制進行了分析歸納。超聲技術(shù)除具有傳統(tǒng)破碎、斷裂原料細胞作用之
外，超聲輔助酶解等生物物理結(jié)合加工方式也符合“十三五”食品科技創(chuàng)新專項規(guī)劃中發(fā)展現(xiàn)代食品綠色加工
與低碳制造技術(shù)的要求。本文為食品綠色制造和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：超聲技術(shù)；食品工業(yè)；空化效應(yīng)；機械效應(yīng)；熱效應(yīng)
Research progress of applications of ultrasonic technology in food industry
WU Fei．Feil’2’3’4，CHAO Lin91?，LI Hua—Qian91，2，3，鏟，ZHAO Liang—Zhon91?，XU Yong—Pin93?，
LONG Yan．Zhenl?，CHEN Qion91?，ZHANG Zao—Min91，2
(1．College ofFood and Chemistry Engineering，Shaoyang University，Shaoyang 422000，China；2．Hunan
Provincial Engineering and Technology Research Centerfor Fruit and Vegetable Clean Processing，Shaoyang
422000，China；3．School ofL如Science and Biotechnology，Dalian University of Technology，Dalian 1 1 6024，
China；4．PostdoctoralResearch Stations ofDalian SEMBio—Engineering Technology Co．，Ltd．，Dalian 116620，China)
ABSTRACT：Ultrasonic waves are sound waves over 20 kHz frequencies，which can produce a unique cavitation
phenomenon with thermal effects and mechanical effects simultaneously．In recent years，ultrasound technology was
widely used in food processing field and had attracted wide attention due to the advantages of high processing
efficiency，good controllability，low cost，etc．In this paper，the mechanism of ultrasonic technology was briefly
illustrated．The new research progress and applications of low frequency ultrasound and high frequency ultrasound in
food industry at home and abroad were reviewed．Many different food materials were processed by ultrasonic assisted
treatments，including extraction，degradation，enzymolysis，drying，sterilization，emulsification and tenderness，and
the possible mechanisms of action were analyzed and summarized．In addition to the role of traditional fragmentation
基金項目：國家科技部863計劃項目(2013AAl02805一03)，湖南省果蔬清潔加工工程技術(shù)研究中心項目(2015TP2022)，湖南省自科基金青年項
目(2017JJ3284)，湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(178241)和湖南省教育廳一般項目(17C1433)
Fund：Supported by the“863”Program of China(2013AAl02805—03)，the Program of Hunan Provincial Engineering and Technology Research
Center for Fruit and Vegetable Clean Processing(20 1 5TP2022)，Natural Science Foundation of Hunan Provincial(20 1 7JJ3284)，Outstanding
Youth Project(178241)and Hunan Provincial Education Department General Project(17C1433)
*iS訊作者：李化強，博士，講師，主要研究方向為食品科學(xué)技術(shù)與安全。E—mail：biohqff@163．com
+Corresponding author：LI Hua—Qiang，Ph．D，Lecturer,College of Food and Chemistry Engineering，Shaoyang University,Shaoyang 422000，
China．E—mail：biohqff@163．com
萬方數(shù)據(jù)
第7期吳菲菲，等：超聲技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進展2671
and breakage of raw material cells，bioph)rsical combination processing methods like ultrasonic assisted enzymatic
hydrolysis meet the requirement on the development modem food green processing and low—carbon manufacturing
technology in“the 1 3th Five-Year Plan”for food science and technology innovation special planning．This paper
provides a theoretical basis for green food manufacturing，industrial transformation and upgrading．
KEY WORDS：ultrasound technology；food industry；acoustic effect；mechanical effect；thermal effect
1 引言
超聲波是指超出人耳聽力范圍的機械波(頻率>20
kHz)，是一種機械振動在媒質(zhì)中的傳播過程【l】。主流觀點
認為超聲波可按頻率和能量分為2種類型：能量<1
W／cm2且頻率以MHz為單位(即低能高頻類型)；10 W／cm2
<能量><100>4300 K，壓力>108 Pa(如l圖1)。
3超聲技術(shù)在食品工業(yè)中應(yīng)用及其機制
3．1超聲提取
與傳統(tǒng)的提取方法(如煎煮法、浸漬法、滲漉法)相比，
超聲提取法具有提取時間短、目標成分浸出率高等優(yōu)點【1 21，
其在食品中的具體應(yīng)用詳見表11”。6]。從表1可見，相較
于傳統(tǒng)提取方法，超聲提取法提取川陳皮素、靈芝多糖、
辣椒素等活性物質(zhì)時，可明顯縮短提取時間至30％，且提
取率均有所提高。胡斌杰等[16]與李凡等[17】從同一原料靈芝
中提取多糖時，提取結(jié)果差異較大，分析原因可能是原料
的預(yù)處理方式和超聲作用方式不同，可見此2項是超聲提
取過程中的關(guān)鍵影響因素。
超聲在提取領(lǐng)域應(yīng)用的本質(zhì)是利用獨特的超聲空化
效應(yīng)，以及附帶的瞬時局部增壓、升溫作用，提高胞內(nèi)目
標活性成分的分子運動能力，提升擴散效率，實現(xiàn)提取目
的。細胞壁阻礙胞內(nèi)活性物質(zhì)溶出，空化效應(yīng)的瞬時高壓
和瞬時減壓，對細胞壁造成物理損傷，打開了胞內(nèi)物質(zhì)外
流的通道，因此提高了目標成分的提取率。
隱態(tài)空化。罵。罵。茸。罵。囂(：：，攀。
微泡形成擴大迅速接近臨抖接近臨界
瞬態(tài)空化。盟·騭。堅。罵。騭C：騭
性質(zhì)
徽泡彤成慢．不會破裂(I島頻超F(xiàn)
——’氣體方向●?·JK力h向
微泡形成快．會破裂．政變性能大(低頻超聲
圖1 超聲產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化效應(yīng)
Fig 1 Stable cavitation and transient cavitation induced by ultrasound wave
萬方數(shù)據(jù)
2672 食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報第8卷
3．2超聲降解
對于生物降解、物理降解來說，降解聚合物的速率取
決于分子結(jié)構(gòu)與分子大小。Gogate掣371提出，超聲波所產(chǎn)
生的自由基可促進溶解于水中的聚合物的降解。大量的實
驗表明，在食品加工過程中超聲波能加快食品的降解速度。
超聲功率的增加強化了其空化效應(yīng)，從而導(dǎo)致生物大分子
化學(xué)鍵斷裂或分子基團中分子間作用力的破壞，促進降解
效果‘38-401(見表2)。
表1 超聲提取和傳統(tǒng)提取法在食品原料中的應(yīng)用
Table 1 Applications of ultrasonic extraction method and traditional extraction methods in food raw materials
原料超聲條件降解效果可能的作用機制參考文獻
膠原蛋白
殼聚糖
姜黃素
>300W，>20rain
160W，31．5min
50kHz，100W
50／135 kHz，20W
近似強酸降解程度
透光率為96．37％
阿魏酸濃度為0．81 mg／L
香蘭素濃度為2．93 mg／L
空化效應(yīng)
空化和機械效應(yīng)
空化作用和機械振蕩作用
[38]
[39]
[40]
萬方數(shù)據(jù)
第7期吳菲菲，等：超聲技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進展2673
3．3超聲輔助酶解
大量實驗數(shù)據(jù)表明，超聲輔助酶解比單獨酶解的效
果好，提取率大大提高【23，4卜49l(jrL表3)。超聲輔助酶解的機
制主要是超聲波通過機械傳質(zhì)、加熱和空化影響酶反應(yīng)速
度。酶解反應(yīng)中，若增強分子運動性，可提升酶和底物接
觸幾率，提高酶促反應(yīng)速率，超聲技術(shù)顯著增強分子運動
能力，可提高酶促反應(yīng)的速率；另一方面，空化作用所產(chǎn)
空泡的比表面積大，使酶的活性中心更易接觸底物分子，
也可加速酶促反應(yīng)[50】。
3．4超聲干燥
干燥是食品工業(yè)中常用的一種高耗能技術(shù)，超聲具
有強化機械傳質(zhì)、傳熱作用，故具有耗能少、產(chǎn)品質(zhì)量高、
效果穩(wěn)定的特點，因此超聲干燥可成為節(jié)能型干燥技術(shù)，
但目前超聲干燥在食品原料中的應(yīng)用較少【5l，521(見表4)。超
聲干燥的原理是聲波能量導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)被周期性的瞬時高
壓和瞬時減壓所拉扯、擠壓，組織中所含水分附著力不足，
隨超聲作用脫除[3,53】。
3．5超聲滅菌
目前，食品工業(yè)中常用熱處理方法進行食品滅菌，但
高溫滅菌會引起食品風(fēng)味等變化。超聲滅菌是一種有效的
非熱處理的滅菌方法，不會改變食品的風(fēng)味、質(zhì)地、顏色、
味道和營養(yǎng)成分，且超聲有助于延長食品貨架期，尤其是
含熱敏感性營養(yǎng)、功能性食品【541。超聲滅菌在食品原料中
的應(yīng)用見表5【55-57]。超聲滅菌的原理是依靠空化效應(yīng)所產(chǎn)
生的附帶物理作用(如瞬時高壓、瞬時高溫等)，破壞微生物
的細胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致微生物喪失生理功能達到滅菌和延長食
品保鮮效果[56,58]。
3．6超聲乳化
超聲空化效應(yīng)使液體界面不穩(wěn)定性和流動性提高，
在乳化工藝中得到了良好的效果。乳化液較穩(wěn)定，液滴較
小，生產(chǎn)效率高，能耗小，是一種有效的乳化方法，也是
乳化行業(yè)關(guān)注熱點之一，但是目前在食品原料中的應(yīng)用較
少【59-611f見表6)。
3．7超聲嫩化
近年來，超聲被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域，但在嫩化
方面的應(yīng)用研究至今鮮有報道【62-661(見表7)。迄今為止，研
究人員對超聲嫩化肉質(zhì)的作用機制持不同觀點，一些研究
者認為超聲使肌肉纖維直徑減少，改變膠原蛋白的熱穩(wěn)定
性和性質(zhì)，促進肉類嫩化【67】；另一些研究者則認為可能是
超聲的熱效應(yīng)使蛋白質(zhì)變性從而使肉品嫩化[681。
表3超聲輔助酶解在食品原料中的應(yīng)用
Table 3 Application of ultrasonic assisted enzymolysis in food rawmaterials
表4超聲干燥在食品原料中的應(yīng)用
Table 4 Application of ultrasonic drying in food rawmaterials
萬方數(shù)據(jù)
2674 食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報第8卷
表5超聲滅菌在食品原料中的應(yīng)用
!壘!!!! 壘望墜!!!!!!!墜!!竺!!!!!!翌!!!!!!!!堡!!!!墜!旦!!!璺!!!竺!!!!!!!!
原料超聲條件滅菌率(％) 參考文獻
表6超聲乳化在食品原料中的應(yīng)用
Table 6 Application of ultrasonic emulsification in food raw materials
表7超聲嫩化在食品原料中的應(yīng)用
Table 7 Application of ultrasonic tenderness in food raw materials
4展望
本文介紹了超聲技術(shù)的原理及其在食品工業(yè)中的研
究及應(yīng)用情況，利用超聲技術(shù)輔助提取食品原料已有比較
成熟的技術(shù)方法，但在其他領(lǐng)域，超聲技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化尚處
于起步階段。目前研究存在許多不足之處，仍有待進一步
深入研究：(1)目前研究大多數(shù)集中在超聲輔助提取工藝優(yōu)
化方面，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響研究較少且機制尚不清
楚，特別是對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響鮮有報道；(2)對超聲波空
化效應(yīng)有一定的了解，但還需深入研究超聲對物質(zhì)降解、干
燥、滅菌、乳化和嫩化等具體的作用機制；(3)建立完善的超
聲輔助提取過程的動力學(xué)模型；(4)加強對超聲設(shè)備的研發(fā)。
綜上所述，雖然超聲技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用還未
成規(guī)模，仍處于起步階段，但超聲技術(shù)所具有的高效率、
低能耗、低排放等特性，符合食品行業(yè)“十三五”轉(zhuǎn)型升級
需求，具備進一步研發(fā)推廣的價值。
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(責(zé)任編輯：霍安琪)
吳菲菲，博士，講師，主要研究方向
為食品科學(xué)技術(shù)與安全。
E—mail：wufeifei0414@163．com
李化強，博士，講師，主要研究方向
為食品科學(xué)技術(shù)與安全。
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