超声波杀菌技术
取自 食品百科全书
超声波杀菌技术
一、超声波及其特性
声波是机械振动能量的一种传播形式。声波可在气体、液体和固体中传播。声波及其所带的能量的传递是基于介质粒子（原子、分子或弹性单元系统）相对于平衡位置的来回振动。声粒子振动时压缩和碰撞相邻粒子，由于弹性和运动惯性的关系，将形成压缩区（即粒子密度增加区）；当粒子反向振动时，又形成稀疏区（即粒子密度减小区）。介质的这种疏密相间，依次不断向外传递运动和能量的形式，就形成了由振动源向四面八方传播的声波。
必须指出的是，声波传播时，介质粒子并未向外传播，而只是相对于它的平衡位置作振动，向外传播的只是运动形式和能量。 振动频率在1.6×104Hz的声波称为超声波，它是不为人耳所听见的一种声波。
超声波具有下列性质：
1．超声波能够传递很强的能量
超声波的三大特性参数:声压、声强及特性阻抗，是反映超声波特性的主要物理量。
① 声压P﹙单位为Pa﹚:与声速c和振动频率ω成正比。声压可用来表示超声波的强度。即表示传播的振动能量强度。声压越大，表示超声波的强度越大，传递的能量也越强。超声波的作用主要是对超声场的障碍物施加交变的压力（声压）。
②声强I（单位为J/s•m2,或W/m2）:在垂直于超声波的传播方向上单位面积、单位时间内通过的声能量称为声强。为衡量超声振动能量的强弱常用声强这个物理量。
I＝E/St（E为能量，S为面积，t为时间）
当在液体或固体中传播超声波时，由于介质密度和振动频率都比空气中传播超声波时高许多倍，因此，同一振幅时，液体、固体中的超声波强度、声强比空气中的声波高千万倍。
③声特性阻抗Zc:Ρc的乘积称为介质的声特性阻抗Zc
Zc＝P×c
在相同的声压下，Zc与质点振动速度成正比。因此，Zc反映介质的声学性质，它是超声场中重要的物理量之一。
2．超声波通过不同介质时会在界面上发生波速突变
波都有反射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的特性阻抗，介质的特性阻抗值越大，超声波通过界面时能量的反射率越高。当超声波从液体或固体传入到空气或者相反从空气传入到液体或固体的情况下，反射率都接近100％。这表明若把超声波辐射到某一玻璃化学反应器内的液体中时，那么声波能量将在容器内表面全部被反射，不会投射到容器外边的空气中。
在超声技术中，往往要求超声波在两种声特性阻抗不同的介质间传播时，或者在同一介质中传播但用薄板之类的物件分开时，传播时的声能损耗为最小。
当超声辐射到薄板上时，部分能量被反射，部分能量透过它。当薄板的厚度δ与声波波长λ之比满足下列两种条件时，超声能的穿透性最好，即能量的损失最小：
（1）δ＝n•λ / 2（n＝1，2，3…），即薄板厚度是半波长的整数倍，可与超声波发生谐振。
（2）δ﹤λ，这时薄板厚度已经不影响超声波从一个介质传入另一介质。
上述条件可以保证最大限度地传递超声能量。
3．散射现象
当声波在弹性介质中传播遇上障碍时，将发生散射和绕射，一般说来，每一个障碍物，都成为二次声源，使散射声波向各个方向传播。
散射现象与声波频率有关，一般说来，频率增高，散射增强，但对散射现象影响最大的是障碍物（散射元）的尺寸，数量及它的声阻抗。
声波散射改变了声波部分能量的传播方向，构成了声的散射衰减。特别是在悬浮液介质中散射更强些。但对于频率为20～50kHz的超声波，其波长为7.5～3cm，则在一般情况下声散射现象将微不足道。
4．超声振动在介质中传播时，它的强度会随传播距离的增加而衰减
①第一个原因是影响超声波的几何因素所引起的波的反射、折射、绕射和散射。
②第二个原因是介质吸收其能量。这是因为三种介质（气体、液体和固体）的振动质点之间均存在内摩擦（粘滞性相互作用），其结果是把部分机械能转变为热能，介质获得一定的温升。
在以上因素的作用下，声波强度将随传播距离的增加而减弱。
5．波的叠加原理
声波在介质中传播时，介质的质点随波振动，倘若有二列或三列以上的声波同时传到空间某点时，则该点的质点振动是各列声波单独引起的振动之合成。质点的位移是各个声波在该点所引起的位移的矢量和，这就是波的叠加原理。
①振幅、频率、周期都不同的几个波在某一点叠加时，这点的振动将产生时而加强，时而减弱的现象，情况是很复杂的。
②由两个频率相同、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的声波叠加时，则会使空间某些质点的振动始终加强，而另一些质点的振动始终减弱或完全抵消，这种现象就称为波的干涉现象。这种产生干涉现象的波称为相干波，它们的波源称为相干波源。
③两个振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向彼此相向传播使叠加而成的波，称为驻波。它是波的干涉现象的特例。
二、杀菌原理
（一）热效应机制
超声波在介质中传播时往往会使介质的温度升高，超声波形成热的主要原因有：
1．超声振动能量在通过介质中不断地被介质吸收，部分振动能被转变为热能。
2．由于超声波的振动，使介质质点产生强烈的高频振荡，介质间相互摩擦而发热。
3．在不同组织的分界部分由于组织分层介质声阻抗不同，将产生反射，形成驻波引起分子间相对运动，产生摩擦而形成热，此时在与驻波引起分子间相对运动，产生摩擦而形成热。
（二）机械效应
当超声波在介质中传播时，将引起传播空间内介质质点的振动，使它们具有交变的速度、加速度、位移、声压、压力、张力、切应力（弹性的或粘滞的）、膨胀、压缩等。如果超声波对介质作用所引起的效应与上述一个或几个力学量有关，便可把产生效应的机理归纳为机械（力学）效应。
①由于介质质点在超声波作用下的振动加速度与振动频率的平方成正比，虽然振动质点的位移和速度不大，由于频率很高，故振动加速度却相当大，有时超过重力加速度的数万倍。如此大的加速度足以造成对介质极大的机械效应，甚至起到破坏介质的作用。
②当超声介质是不均匀的分层介质时，各层介质声阻抗不同将使传播的声波产生反射、形成驻波，驻波的波腹、波节造成压力、张力和加速度的变化。由于不同介质质点的质量不同，则压力变化引起的振动速度有差异，使得介质质点间的相对运动所造成的压力变化，是引起超声机械效应的另一原因。
③利用超声的机械效应进行加工处理（打孔、切割、表面强化、焊接、清洗、抛光以及去除不希望的薄膜和赃物等），也用于加速分散、均质、乳化、粉碎、杀菌及其它过程。
（三）空化效应
当超声波在液体中传播时，会产生一种特殊现象－空化。广义地说，超声空化是指激活气泡或空穴的各种动力学表现。也就是说，当超声波在液体中传播时，液体中的微小气泡（或空穴），在声场的作用下被激活，它表现为这些气泡（空化核）的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。空化泡收缩及崩溃瞬间，泡内可呈现5000℃以上的高温和几百到上千个大气压的高压，温度变化率高到109K/s，逐渐导致产生自由基及声致发光、次谐波、噪声等现象，并伴随有强大的冲击波（对均相液体介质）或时速达400km的射流（对非均相介质），会产生一系列物理、化学或生物效应。
（四）化学效应
超声波还引起化学作用，促进化学作用，尤其是氧化还原、聚合、电化学及其它过程。 例如在溶有氮的水中，经超声波处理后就产生硝酸。超声还有还原作用和影响金属的电离分解作用。
超声对高分子物质有分解作用，超声在有机体内能引起分子产生高振动速度，高速振动分子间产生摩擦力，此力能使聚合的高分子遭到破坏，起到解聚的作用。可使淀粉变为糊精，糖原还原。超声波能分裂葡萄糖、果糖、乳糖、麦芽糖、蔗糖及核酸等。超声有脱氨（NH3），分裂NH键的作用，还可破坏维生素C，时氧化酶、脱氢酶失去活力，提高转化酶的作用，影响蛋白酶及胰岛素作用的发挥。超声还能使丝状巨型分子解聚，蛋白质凝固，这是超声波杀菌、消毒的原因之一。超声还引起氢离子浓度的改变，引起生物组织pH发生变化。根据超声强度、作用时间、辐照方法的不同，被辐照组织会有不同程度的变酸或变碱现象。
（五）弥散效应
超声能量可以强化和加速渗透通过薄膜、筛网、过滤器、半透膜等的扩散过程，强化搅拌过程，会减薄固－液分界面有效厚度从而提高扩散速度。超声能使药物更易进入微生物体内。将消毒药物与超声合并使用，可提高细菌对药物的敏感性，增强药物的杀菌作用，这就是药物的透入疗法的原理。
（六）声流效应
发生在超声场中的宏观和微观稳定的液体涡流称为声流。在空化泡振荡时，在固体（或微粒）表面附近会形成这种特殊的声流；当超声射入不同声阻抗的介质截面上，动量发生变化，所产生的辐射压力也会引起声流。在声流的作用下，液体介质也会出现一些特殊的物理、化学和生物效应。例如会引起生物组织分子的移动或转动，当这种运动的幅度足够大时，会引起组织的损伤甚至撕裂。
（七）毛细效应
在转动介质的稀疏相内，液体的沸点降低，水分穿过孔隙和毛细孔的过程加剧，结果加快了低温下粉末状材料及多孔材料的干燥过程。这些效应促使液体或液态金属更快、更好地渗透到多孔材料和其它非均质材料中。在超声能量的作用下，能大大提高毛细管内液体上升的速度与水平。声致毛细效应在包含有多孔介质的声化学反应中可能具有至关重要的意义。
（八）触变效应
超声波的作用还会引起生物组织结合状态的改变，如引起粘滞性降低，造成血浆变稀，血球沉淀等。这种效应称为触变效应。当声强过高时，触变效应是不可逆变化，会使组织造成损伤。
三、超声波杀菌技术
（一）超声杀菌效果
超声杀菌的机理是基于超声生物、物理和化学效应。研究发现在含有空气或其它气体的液体中，在超声辐射下，主要由于空化的强烈机械作用能有效地破坏和杀死某些细菌与病毒或使其丧失毒性。
例如荧光细菌在超声作用下会受到破坏，大肠杆菌族细菌也有同样的结果。伤寒沙门氏菌可以用4.6MHz频率的超声来全部杀死。用960kHz的超声在水溶液和生理盐水中作用于百日咳菌，发现超声对这些微生物有显著的破坏作用。
在辐射各种细菌时发现，在细菌死亡的同时，发生了细菌的自溶，即形态结构也受到破坏，以至在超声作用以后不仅培养物中的菌落数目减少，而且在形态上保留原状的细菌也减少了。受过辐射的杀菌悬浮液的浑浊程度也减小，透明度提高，这是由于每个单个细胞组成胶体的分散程度的减小和细胞囊的溶解（这表现为溶液中含氮化合物的增加和细菌的减小）所致。
（二）影响杀菌效果的因素
1．声强
为了在液体介质中产生空化效应（这是杀菌的主动力），声强的必要条件是大于具体情况下的空化阈值。据研究，杀菌所用的声强最低也要大于1W/cm2。
声强增大，声空化效应增强，杀菌效果增强，但也使声散射衰减增大；同时，声强增大所引起的非线性附加声衰减亦随之增大，因而为取得同样的杀菌效果所付出的功率消耗增加。当声强超过某一界限时，空化泡在声波的膨胀相内可能增长过大，以至它在声波的压缩相内来不及发生崩溃，使空化效应反而减弱，杀菌效果会下降。可见，为获得满意的超声杀菌效果，没有必要无限制的追求提高声强，一般情况杀菌声强宜于取在1－61W/cm2的范围内。
2．频率
频率越高，越容易获得较大的声压和声强。另一方面，随着超声波在液体中传播，液体中微小核泡被激活，有振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程所表现的超声空化效应也越强，从而超声波对微生物细胞繁殖能力的破坏性也就越明显，宏观上表现出来的微生物灭菌效果就越好。
但频率升高，声波的传播衰减将增大。因此，一般说来，为了获得同样的杀菌效果，对于高频声波则需要付出较大的能力消耗。例如有报道，为了在水中获得空化，使用400kHz超声所消耗的功率，要比使用10kHz的超声高出10倍。由于这个原因，目前用于超声杀菌的超声频率多选择早20－50kHz。
3．杀菌时间
随着杀菌时间增加，杀菌效果大致成正比增加，但进一步增加杀菌时间，杀菌效果并没有明显增加，而趋于一个饱和值。对其它的声化学反应也如此。因此一般的杀菌时间都定在10min内。另外还有一个问题必须引起充分注意，随着杀菌时间的增加，介质的温升会加大，这对于某些热敏性的食品杀菌是不利的。
4．超声波形的影响
超声杀菌可取连续波和脉冲波两种波形。连续波工作时，声能在整个杀菌过程中不断连续作用。而脉冲是间断作用的，可防止介质的显著热效应，这对与热敏性食品的杀菌是有利的。有研究认为在进行超声杀菌时，利用混响声场要比行波声场有效得多，在同样的超声能量输入条件下，可达到高得多的杀菌效果。当使用脉冲超声波时，为使稳定的混响场得以建立，以期获得高的杀菌效率，应使脉冲宽度有足够的宽余（一般取10ms左右）；在保证稳定的混响场声场得以建立的情况下，所获得的杀菌效率等效于连续波辐射。
四、超声波杀菌设备
超声波杀菌设备只宜用于液态食品的杀菌，其基本形式有三种：液动式超声发生器，清洗槽式超声发生系统和变幅杆式超声发生系统。超声波杀菌设备形式多种多样。在此不多做介绍。
五、超声波在食品工业上的具体应用
1.超声波解冻
大块冻结食品在空气、水中解冻很慢，增加加工成本，浪费时间。
Shore等人(1986)发现，超声波在冻结肉制品中比在末冻结组织中衰减程度大，也就是说，已冻结的区域对超声波的吸收比未冻结的区域要高出几十倍，而且这种衰减随着温度显著增加，在起始冷冻点达到最大值。即，超声波大部分能量将被食品中处于冻结临界区域的组织吸收。
Miles等发现，500kHz 0.5W每平方厘米，10～15cm厚的冷冻牛肉，猪肉在1.5～2.5h内即可完全解冻。
超声波解冻后局部最高温度与超声波的加载方向、超声波的频率和超声强度有关。
2.干燥、除沫
超声波在液体表面形成超声喷雾（可用来除沫），并使液体产生空化，大大增加了液体的蒸发面积。具有干燥速度快、温度低，最低含水率低且具有物料不被破坏等优点而适用于食品、药品及生化制品的热敏性物质的干燥。
超声波干燥常用频率为16～50kHz，声强大于150dB。Boucher 超声波干燥蔗糖，迅速使水分降至1.2％，继续处理16min，可除去所有水分。
一般的喷雾干燥只能用与粘度比较低的物料，而超声波干燥可用于粘度较高的物料。
3.分离、提取
超声波能够增大溶剂向原料细胞的渗透量并强化传质，因此它可以明显地加速植物体和种子中有机成分的提取过程。功率超声波还能破坏细胞壁，释放细胞内的物质。
功率超声用于过滤系统，可以防止过滤阻塞，使过滤速度提高几倍至几百倍，原因：
1.超声辐照会使过细的颗粒发生凝聚，从而使过滤速度加快；
2.超声辐照向系统提供足够的振动能量，使部分粒子保持悬浮，为溶剂的分离提供较多的自由通道。在食品加工中应用超声可以使膜分离的效率提高若干倍。
甜菜提蔗糖，19.3kW超声波，提取时间缩短一半，产量提供10％；400kHz超声波处理酱油，1～2min可使酱油澄清，1年内可保持稳定；葡萄酒常规方法澄清要4～10天，超声波1～2小时。
4.乳化、均质
超声波产生的空化气泡在崩溃时会产生冲击波合射流作用，使细胞壁破裂，从而剪切生物大分子或液体中的分散物质，达到乳化均质效果。
对水剂胡萝卜素进行超声波乳化，粒径可以达到1.2um。超声波处理牛乳使脂肪球的大小显著降低，在75.5℃，20KHz的超声波处理102.3s，能使脂肪球由2.79～3.05um降到0.57～0.95um。产生更加良好的分子分布态，形成均质牛奶，避免乳油化，提高消化率。
5.辅助结晶
超声波能影响溶液成核及冰晶生长，改善溶液的结晶过程，其空化效应还能有效地阻止晶体在冷却表面上的积聚，从而确保连续高效的换热。因此，超声波能用于需要控制结晶过程的场合。
超声波加速结晶效应在酒类催陈中得到应用，据报道，超声波能使重酒石酸钾盐的沉淀时间由4～10天减少到1.5～2小时。 对于草莓等质软的水果，冷冻后口味边差。其原因：在冻结过程中形成的冰晶量少个大，使大量细胞破裂。超声波，导致“热点效应”，形成改温度下最小晶体的晶胞及晶核，加快冰核的形成，使冰核数增多，冰晶最终的尺寸减小，对细胞的破坏作用减少。而且，由于冰晶分布更加均匀，加速了传热过程，使冻结时间大大缩短。
6.杀菌
超声波对传播媒介的相互作用使其蕴藏着巨大的能量，这种能量能在短时间内足以起到杀灭和破坏微生物的作用： 利用频率大于20kHz的超声波处理对液态食品的杀菌是有效的，当累积灭菌时间达4min时。所处理的酱油样品的微生物总数指标达到了合格标准。
在一定压力下，将超声波与加热处理相结合的处理比单独使用超声波处理需要时间短，效果更好，国外特此法称为MTS法，但对处理时间、压力、温度、声频或声强的具体参数需大量时间进行试验而确定，在这方面的研究目前尚很缺乏，有待进一步研究，且对超声波杀茵的具体原理也应深究。
7.超声波检测
根据声波在流动媒质中的传播速度与静止媒质中的不同而制成的，从测量超声波在顺流方向与逆流方向的传播速度差值,即可确定媒质的流速。
在生产麦芽汁等产品时，将超声波探头安装在生产管道的外侧，就可以测定管内介质的浓度和温度，且精度优于千分之二。
通过对乳液或肉质的超声频谱分析，可以鉴别牛奶中水分含量和肉质结构。超声波还可以测定混合体系中各组分的含量。
油脂中固态组分含量、方便面中油脂的含量；尤其是能够检测活体畜禽如猪、羊等肉的质地、脂肪含量和脂肪厚度等。提高原料的质量具有重要意义。
超声波能迅速定量化检测充气食品中气泡大小和气体含量。在卑酒、冰棋淋、面包、饼干等生产中应用较多。
8.生物学、生物化学效应
研究表明，超声波能够在不破坏细胞壁的情况下促进细胞生长，这一特性已被用于提高食品的产量。
例如，用低功率超声波活化液体营养介质，能够促进藻类细胞的生长，将蛋白质的产量提高三倍。超声波对鱼卵的孵化过程也有明显影响。每天用频率为1MIh的超声波辐照鱼卵三次，每次35分钟，会使泥锹的孵化时间从72小时减少到60小时。不仅如此，超声辐照还能提高鱼卵的孵化率以及已孵化出的小鱼的成活率。
此外，还能促进种子发芽。
以强度为0.7w每平方厘米的超声波对浸在水中的莲花种子进行10分钟的辐照，能将其发芽率提高30％。
适当的超声波处理，可以增强或减弱某些酶的活性、激活固定化酶、加速细胞新陈代谢等。
如，生产低乳糖酸奶，超声波可激活β-半乳糖酶，使乳糖水解。用7MHz超声波处理固定于多孔聚苯乙烯上的α-淀粉酶，可使其活力提高2.5倍。用低功率超声波处理液体营养液可增加其中藻类细胞的生长速度。
