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(duì)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(dòng)的微氣泡流和氣泡破裂，使用過程會(huì)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(shí)，其振動(dòng)能量不斷被介質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，從而使介質(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(dòng)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(shí)，介質(zhì)分子間的平均距離超過極限距離時(shí)液體被拉斷形成空化泡或空化核同時(shí)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?？栈F(xiàn)象包括空化核的形成、成長(zhǎng)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(diǎn)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(dòng)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(huì)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(yíng)養(yǎng)損失。超聲波通過機(jī)械波動(dòng)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(shí)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(duì)肉糜干燥動(dòng)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(shí)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(dòng)，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(zhǎng)貯藏期會(huì)選擇降低水分活度以達(dá)到儲(chǔ)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(huì)改變食物本來的組分結(jié)構(gòu)以及營(yíng)養(yǎng)成分，并且高溫浸泡會(huì)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(shí)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(zhǎng)，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(duì)豬最長(zhǎng)肌冷凍速度和質(zhì)量的影響時(shí)，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(shí)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(gè)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(duì)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(huì)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(shí)，新形成的小冰晶會(huì)再次充當(dāng)晶核，促進(jìn)冰晶形成，并且在整個(gè)冷凍過程中，氣泡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)會(huì)加速傳熱傳質(zhì)過程，從而縮短凍結(jié)時(shí)間。

超聲波輔助冷凍結(jié)晶還會(huì)影響食品的品質(zhì)，研究超聲處理在整個(gè)冷凍過程對(duì)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(duì)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(shí)間。

冷凍產(chǎn)品的解凍過程極為緩慢，而且長(zhǎng)時(shí)間的解凍過程中，食物會(huì)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(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，主要?dú)w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(shí)間。

超聲波縮短解凍時(shí)間首先是由于其對(duì)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(huì)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(huì)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(shí)，自由基會(huì)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(duì)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(huì)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(zhǎng)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(dòng)能量與常規(guī)刀片運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)會(huì)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(fèi)。

對(duì)比超聲切割和傳統(tǒng)切割對(duì)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(jiǎn)介：

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