超聲波在食品工業(yè)的應(yīng)用.ppt

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超聲波技術(shù)在食品工業(yè)中的最新應(yīng)用 1 低強(qiáng)度超聲波技術(shù)高強(qiáng)度超聲波技術(shù)超聲技術(shù)的分析測(cè)定原理低強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用高強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用超聲波技術(shù)在輕工業(yè)中的應(yīng)用 1 超聲波技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用依能量強(qiáng)度主要分為兩大類 低強(qiáng)度超聲波技術(shù)低強(qiáng)度超聲波由于能量低 當(dāng)超聲波通過體系時(shí)不會(huì)對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生物化破壞作用 通常應(yīng)用于食品分析檢測(cè)領(lǐng)域 提供食品組成 質(zhì)構(gòu)及流變學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù) 高強(qiáng)度超聲波技術(shù)高強(qiáng)度超聲波因?yàn)槟芰扛咦阋允菇橘|(zhì)發(fā)生物理裂解和加速某些化學(xué)反應(yīng) 用于促進(jìn)乳化 破解細(xì)胞壁和分散聚沉物等 最近 超聲波技術(shù)已應(yīng)用于食品起晶過程的控制 酶活力的鈍化 肉的嫩化 加速干燥 縮短過濾時(shí)間及促進(jìn)氧化反應(yīng)等領(lǐng)域 1 超聲技術(shù)的分析測(cè)定原理 大多數(shù)超聲設(shè)備為脈沖式或連續(xù)式 脈沖技術(shù)因易于操作 測(cè)量迅速 不干擾生產(chǎn)且容易自動(dòng)化而被廣泛使用 最簡(jiǎn)單且被廣泛使用的超聲波技術(shù)為脈沖技術(shù) 電子脈沖經(jīng)超聲波發(fā)送探頭轉(zhuǎn)變?yōu)槌暶}沖 傳播到測(cè)樣室的遠(yuǎn)距離端器壁 然后返回 接著超聲波發(fā)送探頭又作為超聲波接受器將脈沖復(fù)原為電子脈沖 脈沖信號(hào)顯示在計(jì)時(shí)器上 因?yàn)槌暡ㄖ挥胁糠直晃?部分被反射回 計(jì)時(shí)器將會(huì)顯示一系列強(qiáng)度不同的信號(hào) 聲速 衰減系數(shù) 聲音阻抗三超聲參數(shù)可由返回的信號(hào)進(jìn)行測(cè)定 通過測(cè)出介質(zhì)體系的超聲波參數(shù)便可以對(duì)食品體系的各種性質(zhì)進(jìn)行分析檢測(cè) 這就是超聲技術(shù)用于食品領(lǐng)域的分析檢測(cè)原理 1 1 聲速測(cè)定 當(dāng)一個(gè)平面波通過介質(zhì)時(shí) 超聲波性質(zhì)與介質(zhì)的物理性質(zhì)可用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式關(guān)聯(lián) 2 由于衰減系數(shù) C 和 基本上與f無關(guān) 動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)定的數(shù)值相差很小 上式簡(jiǎn)化為 c2 只要測(cè)出介質(zhì)的聲速 即可探知介質(zhì)的物理性質(zhì) 所以可通過檢測(cè)超聲波性質(zhì)的區(qū)別或變化來定性或定量監(jiān)測(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)甚至分子水平的變化 1 2 衰減測(cè)定 當(dāng)聲波通過介質(zhì)時(shí) 其振幅會(huì)出現(xiàn)減小 這種聲波衰減主要是由于傳遞過程中聲波能量發(fā)生吸收和散射 吸收的機(jī)理可能是聲能在過程中被轉(zhuǎn)化成了其它形式的能量 最終成為熱能 而散射則是當(dāng)聲波入射到一個(gè)介質(zhì)不連續(xù)處 如分散粒子的表面或其它兩相界面 時(shí) 它會(huì)被散射而偏移入射波方向 不同于吸收機(jī)理的是散射機(jī)理中超聲波的能量形式上并不發(fā)生改變 但由于被散射到其它方向以及相位發(fā)生了變化 所以接收器難以檢測(cè)到這些能量 1 通常超聲波在液態(tài)介質(zhì)中的吸收表現(xiàn)為三種基本形式 熱傳導(dǎo) 粘滯耗散和分子弛豫衰減系數(shù)a可以表述為 A A0exp ad A為聲波通過介質(zhì)后檢測(cè)到的振幅 A0為初始振幅 d為聲波通過的距離 衰減系數(shù)的測(cè)定與測(cè)量聲速的原理相同 只不過此時(shí)測(cè)量的參數(shù)不是時(shí)間而是示波器上相鄰回波的振幅及其變化 1 3 聲學(xué)阻抗測(cè)定 當(dāng)一超聲波入射到兩不同介質(zhì)所形成的界面時(shí) 波的一部分被吸收傳播 另一部分則被反射回 反射波的振幅 Ar 與入射波振幅 Ai 的比值記作反射系數(shù) R R Ar Ai Z1 Z2 Z1 Z2 其中Z表示聲學(xué)阻抗 Z c 當(dāng)介質(zhì)與其周圍環(huán)境的聲學(xué)阻抗性質(zhì)接近時(shí) 只有極少量的超聲波被反射回 相反 當(dāng)兩介質(zhì)的聲學(xué)阻抗差別大時(shí) 超聲波大部分被反射回 超聲顯影技術(shù)即建立在超聲波從聲學(xué)阻抗性質(zhì)不同介質(zhì)的內(nèi)部邊界反射回這一原理上的 聲速 衰減系數(shù) 聲學(xué)阻抗均為超聲波的基本物理參數(shù) 都依賴于介質(zhì)的結(jié)構(gòu) 組成等性質(zhì)表現(xiàn)出來 因此通過測(cè)量聲學(xué)阻抗可以獲取食品體系的一些物理性 1 低強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用 低強(qiáng)度超聲波技術(shù)應(yīng)用于食品領(lǐng)域的定性測(cè)量約始于上世紀(jì)40年代 這項(xiàng)技術(shù)一直到最近才得到研究人員的重視 這主要由如下三方面原因 a 食品工業(yè)界越來越重視形成一項(xiàng)分析檢測(cè)復(fù)雜食品體系新技術(shù) 包括監(jiān)控加工過程食品理化性質(zhì)的變化 而超聲波技術(shù)能夠滿足這些要求 b 超聲波儀器能實(shí)行全自動(dòng)操作 檢測(cè)快速 精度能滿足食品分析的要求 且低強(qiáng)度超聲波技術(shù)檢測(cè)時(shí)不破壞體系的物化性質(zhì)同時(shí)能不干擾生產(chǎn)并能實(shí)現(xiàn)在線操作 另外能應(yīng)用于光學(xué)非透明體系 這彌補(bǔ)了光學(xué)檢測(cè)儀的一些不足 c 微電子技術(shù)的快速發(fā)展降低了超聲波儀器設(shè)備的造價(jià) 超聲分析測(cè)量技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要基于可測(cè)量的超聲波的幾個(gè)主要特征參數(shù) 聲速 衰減系數(shù)和聲學(xué)阻抗 能反映食品體系物化特性參數(shù) 如組成 質(zhì)構(gòu)和流變學(xué)等物理性質(zhì) 1 1 測(cè)定介質(zhì)的厚度 超聲儀器設(shè)備能準(zhǔn)確測(cè)定介質(zhì)的厚度 將一超聲波發(fā)送探頭安放在待測(cè)介質(zhì)原料的一端 并使脈沖超聲波輸送到待測(cè)樣中 測(cè)出超聲波脈沖穿過待檢樣并返回到探頭的時(shí)間t 則只要測(cè)出超聲波在檢樣中的傳播速度c就能確定檢樣的厚度 d ct 2 目前此技術(shù)已用于糖果中巧克力涂層的厚度 肉的厚度 罐頭中液層厚度以及蛋殼的厚度的測(cè)定 1 2 探測(cè)食品中的雜質(zhì)異物 食品加工過程中經(jīng)常會(huì)被金屬屑 玻璃碎片及木屑等雜質(zhì)污染 這些雜質(zhì)的存在嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的品質(zhì) 必須予以檢出剔除 測(cè)定原理是將一超聲波脈沖被導(dǎo)入檢樣中時(shí)脈沖將從所遇到的所有介質(zhì)表面反射回來 由于雜質(zhì)和產(chǎn)品成分聲學(xué)阻抗存在明顯差異 表現(xiàn)出來的超聲波性質(zhì)也明顯不同 所以能將雜質(zhì)檢測(cè)出來 待檢樣中若存在玻璃等雜質(zhì)時(shí) 通過測(cè)定超聲波從該雜質(zhì)反射回來和從檢樣室遠(yuǎn)端器壁反射回的時(shí)間差異能檢測(cè)到該雜質(zhì) 另外通過移動(dòng)超聲波發(fā)生器至樣品周圍的各個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)可進(jìn)一步確定雜質(zhì)的大小和位置 1 3 食品組成的測(cè)定 食品品質(zhì)的高低一定程度上取決于食品的組成成分的搭配 超聲波技術(shù)在測(cè)定食品組成方面潛力巨大 超聲波技術(shù)測(cè)量食品組成的原理是各不同成分的超聲波性質(zhì)存在差異 如聲速 衰減系數(shù)和聲學(xué)阻抗 差別越大 越易鑒別食品的組成狀況 比如 20oC時(shí)蔗糖溶液的濃度每增加1 則超聲波在蔗糖溶液中的傳遞速度上升約4m s 1 由于測(cè)量一溶液中速度低至0 4m s 1超聲波時(shí)較為簡(jiǎn)單 利用超聲波技術(shù)可準(zhǔn)確測(cè)量到濃度低達(dá)0 1 的糖液濃度 目前這項(xiàng)技術(shù)已成功用于測(cè)量各種不同果汁及飲料中的糖濃度 1 4 流速的測(cè)定 在許多食品加工操作中 控制食品物料流速的大小顯得非常重要 科研人員已研制出一系列用來測(cè)量食品物料流經(jīng)一管子的流速 如Doppler流速計(jì) 超聲波流速計(jì)的測(cè)量范圍跨度很大 從每秒幾毫米到幾十米 這些超聲波流量計(jì)一般測(cè)定的是物料的平均流速 最近研制成功的更為精密的流量計(jì)可被用來定性測(cè)定流體流經(jīng)一管子的截面狀態(tài)參數(shù) 許多超聲波流速計(jì)被用來準(zhǔn)確測(cè)定流體中不同組分的流速而不是局限于測(cè)定單一流體的流速 1 1 流速計(jì) 5 乳狀液分層的檢測(cè) 超聲在食品工業(yè)另一日益廣泛的應(yīng)用是用來觀測(cè)乳狀液和懸浮液是否發(fā)生分層 一般情況下油的密度低于水的密度 這導(dǎo)致水包油液中的液滴向液面上浮起泡而分層 而油包水體系中的液滴會(huì)因沉淀而致使液體分層 起泡和沉淀的發(fā)生經(jīng)常影響到一些產(chǎn)品的貨架壽命 應(yīng)用超聲波技術(shù)測(cè)定聲波在體系中的傳播速度或衰減系數(shù)能給產(chǎn)品貨架壽命的確定提供重要參考數(shù)據(jù) 這一技術(shù)可完全自動(dòng)化且能在肉眼無法看到的時(shí)候檢測(cè)到 另外 此技術(shù)還被用于研究牛乳乳狀液 果汁 人造奶油 啤酒泡沫及色拉奶油的穩(wěn)定性 1 6 相轉(zhuǎn)變的監(jiān)測(cè) 許多食品在制造 貯存會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變 相轉(zhuǎn)變的發(fā)生主要是因?yàn)槭称分泻袝?huì)發(fā)生融解或結(jié)晶的成分 如糖分 油及水分 由于融解或結(jié)晶過程體系的超聲波性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化 因此能用超聲波技術(shù)對(duì)相轉(zhuǎn)變實(shí)行監(jiān)測(cè) 固體的超聲波速度明顯大于液體 所以當(dāng)樣品中的成分發(fā)生結(jié)晶時(shí) 超聲波速度會(huì)明顯增加 而融解時(shí)則明顯降低 實(shí)際應(yīng)用中常常通過測(cè)定波速來檢測(cè)蛋黃醬 人造奶油是否發(fā)生相轉(zhuǎn)變的發(fā)生 1 高強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用 高強(qiáng)度超聲波因能量高 能在介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)大壓力 剪切力和高溫 改變介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu) 促進(jìn)某些化學(xué)變化 食品工業(yè)中高強(qiáng)度超聲波技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛 早期應(yīng)用包括細(xì)胞的破解 液體脫氣 超聲清洗和分散聚沉物等 近年來高強(qiáng)度超聲不斷應(yīng)用于食品工業(yè)新領(lǐng)域 1 1 超聲殺菌 高強(qiáng)度超聲波因能產(chǎn)生高壓 強(qiáng)剪切力和高溫而用于殺滅微生物 目前超聲波殺菌技術(shù)已應(yīng)用于食品工業(yè) 超聲波殺菌與熱處理加氯處理等殺菌技術(shù)配合使用時(shí)更有效 1 2 超聲嫩化 延長(zhǎng)肉與超聲波的作用時(shí)間可使肉獲得明顯的嫩化效果 應(yīng)用超聲波對(duì)肉進(jìn)行處理可使肌纖維蛋白迅速釋放 肌纖維蛋白主要對(duì)肉制品中各組分起粘連作用 因而超聲波技術(shù)可改善肉制品持水性 嫩化度及凝聚能力等物理性質(zhì) 1 應(yīng)用超聲波技術(shù)的輕工業(yè)產(chǎn)品 超聲波洗衣機(jī)超聲波牙刷超聲波加濕器 1 超聲波洗衣機(jī)根據(jù)超聲波能量集中 在液體中能產(chǎn)生高溫和空化作用的原理 日本一家公司開發(fā)出一種新型超聲波洗衣機(jī) 洗衣時(shí) 洗衣機(jī)把超聲波和空氣流一起壓入水中 從而使衣物上的油脂或污垢脫離纖維 將衣服洗干凈 其主要優(yōu)點(diǎn)是不用洗滌劑 不損傷織物的纖維 而且比一般洗衣機(jī)工作得既快又干凈 1 1 超聲波洗衣機(jī) 超聲波牙刷這種牙刷一端連著塑料管 另一端接在水龍頭上 刷牙時(shí) 從牙刷毛中噴出一束細(xì)小的水柱 并產(chǎn)生氣泡和超聲波 與普通牙刷相比 其清潔效率高 且對(duì)牙齦有保健按摩作用 也不需要用牙膏 對(duì)齲齒和牙周病有很好的預(yù)防作用 1 1 超聲波加濕器