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超声技术在食品工业中的应用研究进展

文档作者：吴菲菲1，2，3 巢玲1 李化强1，2，3,4 赵良忠1 徐永平3 等文档来源： 1．邵阳学院食品与化学工程学院 2．湖南省果蔬清洁加工工程技术研究中心 3．大连理工大学生命科学与生物技术学院 4．大连赛姆生物工程技术有限公司博士后科研工作站		点击数：	更新时间： 2025年06月08日
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第8卷第7期食品安全质量检测学报Vbl．8 NO．7
2017年7月Journal ofFood Salty and Quality Jul．，2017
超声技术在食品工业中的应用研究进展
吴菲菲1，2，3一，巢玲1一，李化强1，2，3,4*7赵良忠1一，徐永平3一，
龙艳珍1一，陈琼1一，张早明1,2
(1．邵阳学院食品与化学工程学院，邵阳422000；2．湖南省果蔬清洁加工工程技术研究中心，邵阳422000
3．大连理工大学生命科学与生物技术学院，大连1 16024；4．大连赛姆生物工程技术有限公司
博士后科研工作站，大连1 16620)
摘要：超声波是频率超过20 kHz的声波，其声场具有独特的空化现象，可同时产生热效应和机械效应，在
食品加工领域应用具有处理效率高、可控性好、成本低等优点，近年来在食品加工领域被广泛关注。本文从
超声技术作用机制出发，综述了国内外有关超声技术在食品加工业中的应用和研究新进展，主要包括利用高
频和低频超声对不同食品原料进行超声提取、超声降解、超声辅助酶解、超声干燥、超声灭菌、超声乳化和
超声嫩化等方面，并对其可能的作用机制进行了分析归纳。超声技术除具有传统破碎、断裂原料细胞作用之
外，超声辅助酶解等生物物理结合加工方式也符合“十三五”食品科技创新专项规划中发展现代食品绿色加工
与低碳制造技术的要求。本文为食品绿色制造和产业转型升级提供了理论依据。
关键词：超声技术；食品工业；空化效应；机械效应；热效应
Research progress of applications of ultrasonic technology in food industry
WU Fei．Feil’2’3’4，CHAO Lin91⋯，LI Hua—Qian91，2，3，铲，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
基金项目：国家科技部863计划项目(2013AAl02805一03)，湖南省果蔬清洁加工工程技术研究中心项目(2015TP2022)，湖南省自科基金青年项
目(2017JJ3284)，湖南省教育厅优秀青年项目(178241)和湖南省教育厅一般项目(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讯作者：李化强，博士，讲师，主要研究方向为食品科学技术与安全。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
万方数据
第7期吴菲菲，等：超声技术在食品工业中的应用研究进展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
超声波是指超出人耳听力范围的机械波(频率>20
kHz)，是一种机械振动在媒质中的传播过程【l】。主流观点
认为超声波可按频率和能量分为2种类型：能量<1
W／cm2且频率以MHz为单位(即低能高频类型)；10 W／cm2
<能量><100>4300 K，压力>108 Pa(如l图1)。
3超声技术在食品工业中应用及其机制
3．1超声提取
与传统的提取方法(如煎煮法、浸渍法、渗漉法)相比，
超声提取法具有提取时间短、目标成分浸出率高等优点【1 21，
其在食品中的具体应用详见表11”。6]。从表1可见，相较
于传统提取方法，超声提取法提取川陈皮素、灵芝多糖、
辣椒素等活性物质时，可明显缩短提取时间至30％，且提
取率均有所提高。胡斌杰等[16]与李凡等[17】从同一原料灵芝
中提取多糖时，提取结果差异较大，分析原因可能是原料
的预处理方式和超声作用方式不同，可见此2项是超声提
取过程中的关键影响因素。
超声在提取领域应用的本质是利用独特的超声空化
效应，以及附带的瞬时局部增压、升温作用，提高胞内目
标活性成分的分子运动能力，提升扩散效率，实现提取目
的。细胞壁阻碍胞内活性物质溶出，空化效应的瞬时高压
和瞬时减压，对细胞壁造成物理损伤，打开了胞内物质外
流的通道，因此提高了目标成分的提取率。
隐态空化。骂。骂。茸。骂。嚣(：：，攀。
微泡形成扩大迅速接近临抖接近临界
瞬态空化。盟·骘。坚。骂。骘C：骘
性质
徽泡彤成慢．不会破裂(I岛频超F
——’气体方向●⋯·JK力h向
微泡形成快．会破裂．政变性能大(低频超声
图1 超声产生的稳态空化与瞬态空化效应
Fig 1 Stable cavitation and transient cavitation induced by ultrasound wave
万方数据
2672 食品安全质量检测学报第8卷
3．2超声降解
对于生物降解、物理降解来说，降解聚合物的速率取
决于分子结构与分子大小。Gogate掣371提出，超声波所产
生的自由基可促进溶解于水中的聚合物的降解。大量的实
验表明，在食品加工过程中超声波能加快食品的降解速度。
超声功率的增加强化了其空化效应，从而导致生物大分子
化学键断裂或分子基团中分子间作用力的破坏，促进降解
效果‘38-401(见表2)。
表1 超声提取和传统提取法在食品原料中的应用
Table 1 Applications of ultrasonic extraction method and traditional extraction methods in food raw materials
原料超声条件降解效果可能的作用机制参考文献
胶原蛋白
壳聚糖
姜黄素
>300W，>20rain
160W，31．5min
50kHz，100W
50／135 kHz，20W
近似强酸降解程度
透光率为96．37％
阿魏酸浓度为0．81 mg／L
香兰素浓度为2．93 mg／L
空化效应
空化和机械效应
空化作用和机械振荡作用
[38]
[39]
[40]
万方数据
第7期吴菲菲，等：超声技术在食品工业中的应用研究进展2673
3．3超声辅助酶解
大量实验数据表明，超声辅助酶解比单独酶解的效
果好，提取率大大提高【23，4卜49l(jrL表3)。超声辅助酶解的机
制主要是超声波通过机械传质、加热和空化影响酶反应速
度。酶解反应中，若增强分子运动性，可提升酶和底物接
触几率，提高酶促反应速率，超声技术显著增强分子运动
能力，可提高酶促反应的速率；另一方面，空化作用所产
空泡的比表面积大，使酶的活性中心更易接触底物分子，
也可加速酶促反应[50】。
3．4超声干燥
干燥是食品工业中常用的一种高耗能技术，超声具
有强化机械传质、传热作用，故具有耗能少、产品质量高、
效果稳定的特点，因此超声干燥可成为节能型干燥技术，
但目前超声干燥在食品原料中的应用较少【5l，521(见表4)。超
声干燥的原理是声波能量导致组织结构被周期性的瞬时高
压和瞬时减压所拉扯、挤压，组织中所含水分附着力不足，
随超声作用脱除[3,53】。
3．5超声灭菌
目前，食品工业中常用热处理方法进行食品灭菌，但
高温灭菌会引起食品风味等变化。超声灭菌是一种有效的
非热处理的灭菌方法，不会改变食品的风味、质地、颜色、
味道和营养成分，且超声有助于延长食品货架期，尤其是
含热敏感性营养、功能性食品【541。超声灭菌在食品原料中
的应用见表5【55-57]。超声灭菌的原理是依靠空化效应所产
生的附带物理作用(如瞬时高压、瞬时高温等)，破坏微生物
的细胞结构，导致微生物丧失生理功能达到灭菌和延长食
品保鲜效果[56,58]。
3．6超声乳化
超声空化效应使液体界面不稳定性和流动性提高，
在乳化工艺中得到了良好的效果。乳化液较稳定，液滴较
小，生产效率高，能耗小，是一种有效的乳化方法，也是
乳化行业关注热点之一，但是目前在食品原料中的应用较
少【59-611f见表6)。
3．7超声嫩化
近年来，超声被广泛应用于食品工业领域，但在嫩化
方面的应用研究至今鲜有报道【62-661(见表7)。迄今为止，研
究人员对超声嫩化肉质的作用机制持不同观点，一些研究
者认为超声使肌肉纤维直径减少，改变胶原蛋白的热稳定
性和性质，促进肉类嫩化【67】；另一些研究者则认为可能是
超声的热效应使蛋白质变性从而使肉品嫩化[681。
表3超声辅助酶解在食品原料中的应用
Table 3 Application of ultrasonic assisted enzymolysis in food rawmaterials
表4超声干燥在食品原料中的应用
Table 4 Application of ultrasonic drying in food rawmaterials
万方数据
2674 食品安全质量检测学报第8卷
表5超声灭菌在食品原料中的应用
!垒!!!! 垒望坠!!!!!!!坠!!竺!!!!!!翌!!!!!!!!堡!!!!坠!旦!!!璺!!!竺!!!!!!!!
原料超声条件灭菌率(％) 参考文献
表6超声乳化在食品原料中的应用
Table 6 Application of ultrasonic emulsification in food raw materials
表7超声嫩化在食品原料中的应用
Table 7 Application of ultrasonic tenderness in food raw materials
4展望
本文介绍了超声技术的原理及其在食品工业中的研
究及应用情况，利用超声技术辅助提取食品原料已有比较
成熟的技术方法，但在其他领域，超声技术的产业化尚处
于起步阶段。目前研究存在许多不足之处，仍有待进一步
深入研究：(1)目前研究大多数集中在超声辅助提取工艺优
化方面，对物质结构和功能的影响研究较少且机制尚不清
楚，特别是对物质微观结构的影响鲜有报道；(2)对超声波空
化效应有一定的了解，但还需深入研究超声对物质降解、干
燥、灭菌、乳化和嫩化等具体的作用机制；(3)建立完善的超
声辅助提取过程的动力学模型；(4)加强对超声设备的研发。
综上所述，虽然超声技术在食品加工中的应用还未
成规模，仍处于起步阶段，但超声技术所具有的高效率、
低能耗、低排放等特性，符合食品行业“十三五”转型升级
需求，具备进一步研发推广的价值。
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(责任编辑：霍安琪)
吴菲菲，博士，讲师，主要研究方向
为食品科学技术与安全。
E—mail：wufeifei0414@163．com
李化强，博士，讲师，主要研究方向
为食品科学技术与安全。
E—mail：biohqff@163．corn </能量>

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