超聲波是一種頻率在20 kHz 及以上的聲波，超聲在食品工業(yè)中的應(yīng)用可根據(jù)所使用的聲功率（W）、聲強(qiáng)度（W/m2）、聲能量密度（W/ m3）或根據(jù)應(yīng)用情況的不同分為兩種類型：高頻低強(qiáng)度非破壞性超聲和低頻高強(qiáng)度功率超聲。

高頻低強(qiáng)度超聲的頻率一般>1 MHz，強(qiáng)度<1 W/cm2，其對食品特性具有最小的物理或化學(xué)影響，可提供有關(guān)食品的物理化學(xué)特性、結(jié)構(gòu)和成分的信息；低頻高強(qiáng)度功率超聲頻率一般為20~100 kHz，強(qiáng)度為10~1000 W/cm2，其能夠產(chǎn)生快速移動的微氣泡流和氣泡破裂，使用過程會產(chǎn)生機(jī)械、化學(xué)或者物理影響，而被廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)和化學(xué)工程技術(shù)中。

超聲波作用于介質(zhì)的機(jī)制有三種形式。（1）熱效應(yīng)：超聲波在介質(zhì)中傳播時，其振動能量不斷被介質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚瑥亩菇橘|(zhì)溫度升高。（2）力學(xué)效應(yīng)：超聲波輻射壓強(qiáng)和強(qiáng)聲壓強(qiáng)引起介質(zhì)攪拌、分散、成霧、凝聚和沖擊破碎等作用。超聲波動過程中的力學(xué)參數(shù)可以表述超聲力學(xué)效應(yīng)。（3）空化效應(yīng)：液體在超聲波作用下受到足夠強(qiáng)的負(fù)壓力時，介質(zhì)分子間的平均距離超過極限距離時液體被拉斷形成空化泡或空化核同時激劇收縮，崩潰的瞬間產(chǎn)生局部的高溫和高壓，形成超聲空化現(xiàn)象。空化現(xiàn)象包括空化核的形成、成長和崩潰過程。

1、在食品干燥和復(fù)水中的應(yīng)用

超聲波可以減小水分轉(zhuǎn)移阻力，促進(jìn)食品干燥。超聲波干燥的特點是不必升溫就可以將水從固體中除去，因此可以用于熱敏物質(zhì)的干燥。研究表明，超聲空化作用產(chǎn)生的沖擊波、微射流和微擾動是強(qiáng)化超聲波干燥的主要機(jī)理，空化氣泡迅速膨脹閉合產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，引起水分子湍流擴(kuò)散；靠近固體表面會產(chǎn)生微射流，造成水分子與固體表面分子之間的結(jié)合鍵斷裂，固體表面活化，有利于除去與物料結(jié)合緊密的水分。

利用超聲波干燥技術(shù)可以降低水分活度，改善產(chǎn)品顏色并減少營養(yǎng)損失。超聲波通過機(jī)械波動和空化效應(yīng)能在固體材料中建立微通道，以利于水分傳輸，并能增強(qiáng)傳質(zhì)過程。傳質(zhì)的增加能夠減少食品干燥時間，從一定程度上減少食品與空氣的接觸，抑制食品的氧化。如比較不同干燥技術(shù)對肉糜干燥動力學(xué)和顏色的影響，結(jié)果表明超聲輔助真空干燥的肉糜收縮率最低，并能保持肉糜樣品的顏色特性。

水分的去除是通過超聲波“海綿效應(yīng)”實現(xiàn)的，海綿效應(yīng)增加了水從食品內(nèi)部到表面的擴(kuò)散。超聲波在空氣與產(chǎn)物界面處產(chǎn)生振動，導(dǎo)致發(fā)生空氣湍流，以去除表面的水分。在超聲波干燥技術(shù)的應(yīng)用下，熱干燥過程中的能量強(qiáng)化能確保食品良好的干燥效果，在溫度較低的條件下完成干燥工作。

食品為了延長貯藏期會選擇降低水分活度以達(dá)到儲存條件，但是這些食品在再加工或使用前需要進(jìn)一步水合或再水合，例如谷物豆類。再水合的過程非常緩慢，升高浸泡水的溫度是強(qiáng)化水化過程的常用手段。但是，高溫會改變食物本來的組分結(jié)構(gòu)以及營養(yǎng)成分，并且高溫浸泡會增加額外的用水量和能量。超聲波技術(shù)的應(yīng)用能夠較好解決上述問題。

超聲波的海綿效應(yīng)導(dǎo)致組織和細(xì)胞的收縮和膨脹，從而導(dǎo)致流體泵送或慣性通量。另一方面，超聲波傳播引發(fā)的聲空化導(dǎo)致細(xì)胞破裂或基質(zhì)破裂，從而導(dǎo)致微空腔和微通道的形成。在研究超聲輔助小米及其淀粉的水合作用中發(fā)現(xiàn)，小米及其淀粉的水合過程的增強(qiáng)是兩種效應(yīng)共同作用的結(jié)果，而且超聲極大提高小米淀粉的水合作用，并且隨著超聲振幅和處理時間的增加，水結(jié)合能力顯著增加。

2、在食品冷凍和解凍中的應(yīng)用

超聲波由于其有加速傳質(zhì)、傳熱的作用，因而可以作為食品凍結(jié)過程的輔助手段。在冷凍過程中，超聲波應(yīng)用于相變階段，以誘導(dǎo)成核并促進(jìn)隨后的冰晶生長，從而提高冷凍效率，并影響結(jié)晶過程的自發(fā)和隨機(jī)性。

研究超聲輔助浸泡冷凍對豬最長肌冷凍速度和質(zhì)量的影響時，發(fā)現(xiàn)超聲處理的樣品比無超聲處理的樣品的總凍結(jié)時間縮短，并且在顯微鏡下觀察下的冰晶分布最均勻。表明這種變化是由于超聲波通過輔助誘導(dǎo)成核和加速傳熱傳質(zhì)速度來強(qiáng)化冷凍過程。

超聲波誘導(dǎo)成核主要包括有兩個方面的作用，在初生成核過程中，由于超聲波的壓縮和拉伸，產(chǎn)生了大量氣泡，這些氣泡對小冰晶的形成起到了核的作用。在二次成核的過程中，瞬態(tài)空化氣泡的崩塌會導(dǎo)致微射流、沖擊波的產(chǎn)生，局部的高溫高壓能夠破壞冰晶的結(jié)構(gòu)。同時，新形成的小冰晶會再次充當(dāng)晶核，促進(jìn)冰晶形成，并且在整個冷凍過程中，氣泡的穩(wěn)態(tài)運動會加速傳熱傳質(zhì)過程，從而縮短凍結(jié)時間。

超聲波輔助冷凍結(jié)晶還會影響食品的品質(zhì)，研究超聲處理在整個冷凍過程對冷凍面團(tuán)的質(zhì)量影響，發(fā)現(xiàn)超聲波能夠降低二硫鍵對面團(tuán)的破壞作用，改善了面團(tuán)的加工質(zhì)量，減少了面團(tuán)的冷凍時間。

冷凍產(chǎn)品的解凍過程極為緩慢，而且長時間的解凍過程中，食物會受到微生物、化學(xué)或物理變化的影響。超聲輔助解凍具有均勻性和節(jié)省時間的優(yōu)點，主要歸因于超聲波在凍結(jié)與融化邊界附近快速衰減，聲能向熱能轉(zhuǎn)化，從而改善傳熱，縮短解凍時間。

超聲波縮短解凍時間首先是由于其對傳熱的影響增強(qiáng)，其次是由于劇烈的振蕩所造成的空化氣泡崩塌，導(dǎo)致冰晶分解成更小的尺寸，由此提高解凍效率；另外，超聲誘導(dǎo)的微蒸汽能增強(qiáng)傳熱和傳質(zhì)，從而降低冰/液界面處傳熱和傳質(zhì)的阻力。使用超聲波輔助解凍鯉魚發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)某暡üβ士梢约铀俳鈨鲞^程，并且維持其肌肉品質(zhì)和良好的感官性質(zhì)，而過度的超聲波則會破壞魚肉的組織結(jié)構(gòu)。

3、在食品殺菌和保鮮中的應(yīng)用

超聲波滅活微生物的機(jī)理與聲空化效應(yīng)相關(guān)。瞬態(tài)空化氣泡坍塌產(chǎn)生的沖擊波會剪切和破壞細(xì)胞壁與膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致微生物細(xì)胞的成分被機(jī)械沖擊波破壞。同時，自由基會發(fā)生反應(yīng)并破壞微生物的 DNA。此外，在空化過程中形成的過氧化氫（H2O2）具有殺菌和抑菌作用。

在研究超聲波對大腸桿菌的滅活機(jī)理中發(fā)現(xiàn)，超聲處理后細(xì)菌的細(xì)胞膜被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)和DNA 泄露，并且由超聲波產(chǎn)生的自由基會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)能量代謝衰減，最終導(dǎo)致微生物滅活。

利用超聲波空化效應(yīng)在液體中產(chǎn)生的瞬間高溫及溫度變化、瞬間高壓及壓力變化，能使液體中某些細(xì)菌致死、病毒失活，從而延長蔬菜等食品的保鮮期。此外，超聲技術(shù)在果蔬采后清洗、殺菌、減少農(nóng)藥殘留、品質(zhì)調(diào)控等方面也具有良好的應(yīng)用前景。

4、在食品切割中的應(yīng)用

超聲波切割或超聲波輔助切割是一種利用超聲振動能量與常規(guī)刀片運動疊加來提高切割質(zhì)量的操作。在超聲切割操作中，切割刀在超聲頻率下的往復(fù)振動大大減少了刀片與產(chǎn)品之間的摩擦，使切割直線、干凈，產(chǎn)品的尺寸、形狀和密度均勻。

超聲切割食品具有平整的切割面，能夠減少食品損耗，不易變形，能夠處理易碎和具有一定粘性的食品，還有助于改善衛(wèi)生。在研究超聲波輔助切割不同成分的奶酪品種中發(fā)現(xiàn)，刀具的振動會降低切割力和切割功率，從而減少切割過程中的產(chǎn)品變形，提高切割質(zhì)量，還能減少切割組件的污垢，降低產(chǎn)品磨損量，減少產(chǎn)品浪費。

對比超聲切割和傳統(tǒng)切割對切割脆性、易于產(chǎn)生碎屑面包和帶奶油易粘刀面包的影響，結(jié)果表明超聲切割可以解決傳統(tǒng)切割面包過程中出現(xiàn)易產(chǎn)生碎屑和粘刀的問題。

參考資料：

[1]馬空軍,金思,潘言亮.超聲波技術(shù)在食品研究開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].食品工業(yè),2016,37(09):207-211.

[2]梁詩洋,張鷹,曾曉房等.超聲波技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技,2023,44(04):462-471.

[3]馮業(yè)坤,馬金滿.超聲波技術(shù)在食品研究開發(fā)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].食品安全導(dǎo)刊,2021(09):169+171.

作者簡介：

小泥沙，食品科技工作者，現(xiàn)就職于國內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品及功能性食品的開發(fā)與研究。