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超声波是一种频率在20 kHz 及以上的声波，超声在食品工业中的应用可根据所使用的声功率（W）、声强度（W/m2）、声能量密度（W/ m3）或根据应用情况的不同分为两种类型：高频低强度非破坏性超声和低频高强度功率超声。

高频低强度超声的频率一般>1 MHz，强度<1 W/cm2，其对食品特性具有最小的物理或化学影响，可提供有关食品的物理化学特性、结构和成分的信息；低频高强度功率超声频率一般为20~100 kHz，强度为10~1000 W/cm2，其能够产生快速移动的微气泡流和气泡破裂，使用过程会产生机械、化学或者物理影响，而被广泛应用于食品、农业和化学工程技术中。

超声波作用于介质的机制有三种形式。（1）热效应：超声波在介质中传播时，其振动能量不断被介质吸收转变为热量，从而使介质温度升高。（2）力学效应：超声波辐射压强和强声压强引起介质搅拌、分散、成雾、凝聚和冲击破碎等作用。超声波动过程中的力学参数可以表述超声力学效应。（3）空化效应：液体在超声波作用下受到足够强的负压力时，介质分子间的平均距离超过极限距离时液体被拉断形成空化泡或空化核同时激剧收缩，崩溃的瞬间产生局部的高温和高压，形成超声空化现象。空化现象包括空化核的形成、成长和崩溃过程。

1、在食品干燥和复水中的应用

超声波可以减小水分转移阻力，促进食品干燥。超声波干燥的特点是不必升温就可以将水从固体中除去，因此可以用于热敏物质的干燥。研究表明，超声空化作用产生的冲击波、微射流和微扰动是强化超声波干燥的主要机理，空化气泡迅速膨胀闭合产生强大的冲击波，引起水分子湍流扩散；靠近固体表面会产生微射流，造成水分子与固体表面分子之间的结合键断裂，固体表面活化，有利于除去与物料结合紧密的水分。

利用超声波干燥技术可以降低水分活度，改善产品颜色并减少营养损失。超声波通过机械波动和空化效应能在固体材料中建立微通道，以利于水分传输，并能增强传质过程。传质的增加能够减少食品干燥时间，从一定程度上减少食品与空气的接触，抑制食品的氧化。如比较不同干燥技术对肉糜干燥动力学和颜色的影响，结果表明超声辅助真空干燥的肉糜收缩率最低，并能保持肉糜样品的颜色特性。

水分的去除是通过超声波“海绵效应”实现的，海绵效应增加了水从食品内部到表面的扩散。超声波在空气与产物界面处产生振动，导致发生空气湍流，以去除表面的水分。在超声波干燥技术的应用下，热干燥过程中的能量强化能确保食品良好的干燥效果，在温度较低的条件下完成干燥工作。

食品为了延长贮藏期会选择降低水分活度以达到储存条件，但是这些食品在再加工或使用前需要进一步水合或再水合，例如谷物豆类。再水合的过程非常缓慢，升高浸泡水的温度是强化水化过程的常用手段。但是，高温会改变食物本来的组分结构以及营养成分，并且高温浸泡会增加额外的用水量和能量。超声波技术的应用能够较好解决上述问题。

超声波的海绵效应导致组织和细胞的收缩和膨胀，从而导致流体泵送或惯性通量。另一方面，超声波传播引发的声空化导致细胞破裂或基质破裂，从而导致微空腔和微通道的形成。在研究超声辅助小米及其淀粉的水合作用中发现，小米及其淀粉的水合过程的增强是两种效应共同作用的结果，而且超声极大提高小米淀粉的水合作用，并且随着超声振幅和处理时间的增加，水结合能力显著增加。

2、在食品冷冻和解冻中的应用

超声波由于其有加速传质、传热的作用，因而可以作为食品冻结过程的辅助手段。在冷冻过程中，超声波应用于相变阶段，以诱导成核并促进随后的冰晶生长，从而提高冷冻效率，并影响结晶过程的自发和随机性。

研究超声辅助浸泡冷冻对猪最长肌冷冻速度和质量的影响时，发现超声处理的样品比无超声处理的样品的总冻结时间缩短，并且在显微镜下观察下的冰晶分布最均匀。表明这种变化是由于超声波通过辅助诱导成核和加速传热传质速度来强化冷冻过程。

超声波诱导成核主要包括有两个方面的作用，在初生成核过程中，由于超声波的压缩和拉伸，产生了大量气泡，这些气泡对小冰晶的形成起到了核的作用。在二次成核的过程中，瞬态空化气泡的崩塌会导致微射流、冲击波的产生，局部的高温高压能够破坏冰晶的结构。同时，新形成的小冰晶会再次充当晶核，促进冰晶形成，并且在整个冷冻过程中，气泡的稳态运动会加速传热传质过程，从而缩短冻结时间。

超声波辅助冷冻结晶还会影响食品的品质，研究超声处理在整个冷冻过程对冷冻面团的质量影响，发现超声波能够降低二硫键对面团的破坏作用，改善了面团的加工质量，减少了面团的冷冻时间。

冷冻产品的解冻过程极为缓慢，而且长时间的解冻过程中，食物会受到微生物、化学或物理变化的影响。超声辅助解冻具有均匀性和节省时间的优点，主要归因于超声波在冻结与融化边界附近快速衰减，声能向热能转化，从而改善传热，缩短解冻时间。

超声波缩短解冻时间首先是由于其对传热的影响增强，其次是由于剧烈的振荡所造成的空化气泡崩塌，导致冰晶分解成更小的尺寸，由此提高解冻效率；另外，超声诱导的微蒸汽能增强传热和传质，从而降低冰/液界面处传热和传质的阻力。使用超声波辅助解冻鲤鱼发现适当的超声波功率可以加速解冻过程，并且维持其肌肉品质和良好的感官性质，而过度的超声波则会破坏鱼肉的组织结构。

3、在食品杀菌和保鲜中的应用

超声波灭活微生物的机理与声空化效应相关。瞬态空化气泡坍塌产生的冲击波会剪切和破坏细胞壁与膜结构，导致微生物细胞的成分被机械冲击波破坏。同时，自由基会发生反应并破坏微生物的 DNA。此外，在空化过程中形成的过氧化氢（H2O2）具有杀菌和抑菌作用。

在研究超声波对大肠杆菌的灭活机理中发现，超声处理后细菌的细胞膜被破坏，导致蛋白质和DNA 泄露，并且由超声波产生的自由基会导致细胞内能量代谢衰减，最终导致微生物灭活。

利用超声波空化效应在液体中产生的瞬间高温及温度变化、瞬间高压及压力变化，能使液体中某些细菌致死、病毒失活，从而延长蔬菜等食品的保鲜期。此外，超声技术在果蔬采后清洗、杀菌、减少农药残留、品质调控等方面也具有良好的应用前景。

4、在食品切割中的应用

超声波切割或超声波辅助切割是一种利用超声振动能量与常规刀片运动叠加来提高切割质量的操作。在超声切割操作中，切割刀在超声频率下的往复振动大大减少了刀片与产品之间的摩擦，使切割直线、干净，产品的尺寸、形状和密度均匀。

超声切割食品具有平整的切割面，能够减少食品损耗，不易变形，能够处理易碎和具有一定粘性的食品，还有助于改善卫生。在研究超声波辅助切割不同成分的奶酪品种中发现，刀具的振动会降低切割力和切割功率，从而减少切割过程中的产品变形，提高切割质量，还能减少切割组件的污垢，降低产品磨损量，减少产品浪费。

对比超声切割和传统切割对切割脆性、易于产生碎屑面包和带奶油易粘刀面包的影响，结果表明超声切割可以解决传统切割面包过程中出现易产生碎屑和粘刀的问题。

参考资料：

[1]马空军,金思,潘言亮.超声波技术在食品研究开发中的应用现状与展望[J].食品工业,2016,37(09):207-211.

[2]梁诗洋,张鹰,曾晓房等.超声波技术在食品加工中的应用进展[J].食品工业科技,2023,44(04):462-471.

[3]冯业坤,马金满.超声波技术在食品研究开发中的应用现状与展望[J].食品安全导刊,2021(09):169+171.

作者简介：

小泥沙，食品科技工作者，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品及功能性食品的开发与研究。