Research Progress on the Application of Ultrasound in Food Processing
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摘要: 在食品加工过程中，传统的加工方式已不能满足人们对食品质量的高需求。超声波技术是一种非热处理技术，可以减少传统加工给食品带来的损害，增强食品的营养价值与加工特性。本文主要讨论了超声波在干燥、冷冻、提取、过滤和乳化等加工操作中所产生的效应与作用，超声波产生的空化、机械、化学和生物效应能够通过复杂的关联对加工操作产生影响，例如能够提高传质传热效率、减少加工时间、降低加工试剂用量、增加产量、提高食品安全性、保留食品营养等。通过对文献的梳理与比较，超声波技术被证明在食品加工中非常具有应用价值，但是不适当的超声条件处理也会给食品品质带来负面影响。在未来的工作研究中，不仅需要建立超声波在食品加工中的动力学模型，还需在工业水平上的应用进行深入挖掘，以克服超声能源消耗大的短板。Abstract: In the process of food processing, traditional processing methods can no longer meet people's high demand for food quality. Ultrasonic technology is a non-heat treatment technology that can reduce the damage caused by conventional food processing to enhance food's nutritional value and processing characteristics. This paper mainly discusses the effects and functions of ultrasonic waves in processing operations such as drying, freezing, extraction, filtration and emulsification. The cavitation, mechanical, chemical and biological effects of ultrasonic waves can affect processing operations through complex correlations. For example, it can improve mass transfer and heat transfer efficiency, reduce processing time, reduce the dosage of processing reagents, increase yield, enhance food safety, and preserve food nutrition. By combing and comparing the literature, ultrasonic technology has been of great application value in food processing operations, but inappropriate ultrasonic conditions can also negatively affect food quality. In future work and research, it is necessary to establish the dynamic model of ultrasonic in food processing and dig deep into the application at the industrial level to overcome the shortcomings of ultrasonic energy consumption.
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Keywords:
- ultrasonication /
- food processing /
- processing unit /
- food quality
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食品加工是将原材料转化为可食用、功能性和文化上可接受食品的必要过程，是食品价值链中生产和消费之间的重要环节[1]。食品加工过程包含很多不同的操作以达到需求目的，例如干燥、蒸煮、乳化、腌制、切割等。在传统食品加工过程中，往往需要依赖热量的消耗（即加热食品加工），杀灭微生物，来延长食品的保质期。但这些热处理会导致食品营养成分的损失，对食品口感产生负面影响甚至衍生出有害物质[2]。与此同时，非热处理因其提供了更短的处理时间和更低的温度条件，减少损坏食物中热敏营养成分的机率，保持食物原有质地，且不会因高温而在食物中形成任何有毒化合物[3]，在食品加工过程中更有优势。
超声波是被广泛应用于食品加工操作过程中的一种非热处理加工技术，其在食品的加工和保存、产品质量地提高、缩短操作时间、低温下微生物存活率地降低等方面具有一定优势[4]。据文献报道，超声波最开始应用于降解生物聚合物，后来也逐渐应用在增强化学反应、降解污染物和灭活微生物等方面[5]。目前，超声波的应用几乎涵盖了所有食品工业操作，从分类、分级、到生产、加工和储存，如萃取、冷冻、乳化、脱气、干燥、均质等。通过对文献的梳理，以往对食品超声波技术的应用研究多集中于在提取生物活性化合物，而对超声波在食品加工操作过程中的应用研究比较少。因此，本文基于超声波技术的基本原理上，综述了超声波技术在干燥、切割、过滤、提取、冷冻结晶等不同食品加工操作中产生的效应与作用，梳理应用超声波技术处理前后食品的优劣变化。最后指出当前超声波技术的不足，并对前景进行了展望，以期超声波技术在食品加工中的应用提升到新的高度。
1. 超声波技术
超声波是一种机械波，频率超过人类听觉的极限，即频率在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）或声能量密度（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（频率>1 MHz，强度<1 W/cm2）以及低频高强度功率超声（20~100 kHz，10~1000 W/cm2）[6]。其中，高频低强度超声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[7]，而功率超声因为能够产生快速移动的微气泡流和气泡破裂，使用过程或产品产生机械、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[8]。与超声频率相关的物理和化学现象包括搅拌、振动、压力、激波、剪切力、微喷射、压缩和稀疏、声流、空化和自由基的形成[9]。
在超声波系统中，超声波换能器将电能转换成振动能，使周围的介质振动，然后超声波将能量传递给其他相邻的粒子，产生空化、振动、破碎、混合等综合效应[10]。图1为超声空化现象的原理图。超声空化的物理过程是超声波在液体介质中发生周期性的交替拉伸和压缩。由于连续的压缩-稀薄的循环，空化气泡能随着声波频率的变化而变化，这种现象产生的超声气泡是稳定气泡。但是当气泡到达临界尺寸，并在高声压下变得不稳定而破裂和剧烈坍塌，产生高温（5000 K）和高压（50 MPa），这一过程伴随着强烈的冲击波和微射流[11]，这种则为瞬态空化形成的瞬态气泡。超声空化作用通常伴随着机械效应、热效应、化学效应和生物效应等等。
超声波的机械效应不论超声强度的大小均会产生，但是超声波的频率和强度决定了机械作用的强弱。当超声在介质传播时由反射而形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而聚集在波节处，在介质中形成周期性的堆积[12]。超声波所造成的机械作用可促进食品液体的乳化、凝胶的液化、固体的分散和细胞的破裂等。热效应是由于超声波在传播过程中，其能量被介质吸收而导致温度局部升高的一种现象。同时，由于振动超声波会使介质间相互摩擦而产生热能。所以，超声波的热效应来源于空化作用产生的热量和介质吸收声能后转化的热量。温度波动会破坏食品中细菌的结构和功能组合。另外，超声瞬态空化会在空气泡周围瞬时产生高剪切力和湍流，极端条件下会导致氢自由基和羟基自由基的产生，因此超声的化学效应会促使或者引发新的反应机制[4]。Mckenzie等[13]认为超声波能够导致聚合物链均裂或溶剂小分子分解，从而促进反应性自由基的产生，还描述了通过可逆（自由基）失活方法的控制体系。
2. 超声波在食品加工中的应用
2.1 在食品干燥中的应用
当与食品工业中的各种加工操作结合使用时，超声波可以影响操作过程中食品的特性（表1）。干燥技术能够去除水分，从而抑制微生物生长，还可以减少产品的总重量，缩短包装空间，从而最大限度地降低包装和运输成本，所以常用于保存各种容易因水分过多而腐败变质的食品[40]。传统的干燥技术，如日光干燥会对食品产生负面影响，如收缩、色泽不良和维生素氧化等。有研究者表明，利用超声波应用可以降低水分活度，改善产品颜色并减少营养损失[41]。超声波通过独特的机械波动和空化效应能在固体材料中创建微通道，使水分传输更加容易，增强传质过程[42]。传质的增加能够减少食品干燥时间，从一定程度上减少了食品与空气的接触，抑制食品的氧化[43]。Aksoy等[44]比较了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。此外，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[45]。Oladejo等[14]在对黄木薯的干燥动力学的研究中发现超声波对木薯组织的空化效应削弱了细胞结构，并在结构中创建了一个微观路径，导致热空气干燥过程中的传质速率增加，导致有效水分扩散增加。Wu等[15]在对超声波对菠萝蜜干燥特性的研究中也同样认为由于超声波的压缩和膨胀导致的“海绵效应”以及空化效应导致的湍流和微射流的形成，导致菠萝蜜切片内部水分扩散速率的提高，促进了水分的流失。
表 1 超声波在加工操作中的应用Table 1. Application of ultrasound in unit operation操作 超声作用 对象 超声波处理参数 结果 文献 干燥 微通道的形成以及湍流和微射流的形成，导致传质速率增加 黄木薯 频率：20 kHz；功率：600 W；温度：30℃；时间：10 min 干燥时间减少；水分扩散率增加 [14] 空化和机械效应加速了传热传质以及样品内部的水扩散 菠萝蜜切片 频率：20 kHz；功率：80 W 提高内部温度和干燥速率；在相应时间内降低含水率；有助于形成多孔均匀的微观结构 [15] 水合 空化剪切力破坏细胞并形成微腔，传质增强；有利于孔隙内较高的水渗透和结合力 小米及其淀粉 频率：20 kHz；振幅范围：30%~70%；时间：10~30 min；粒水比1:3 减少补液时间；水结合能力增强 [16] 空化崩塌形成空腔，减少了滞后阶段；机械应力导致从而形成微通道 安第斯羽扇豆颗粒 频率：25 kHz；功率密度：41 W/L；温度：25±1 ℃；粒水比=1:25 水合时间减少；含水量增加 [17] 提取 细胞破裂，孔隙率增加，传质增加；细胞内物质容易与溶剂发生相互作用，有利于提取 西瓜籽蛋白 固液比=1:50 w/v；频率：25 kHz；功率：90 W；温度：30±2 ℃；占空比：75% 提高提取效率；缩短提取时间；对溶剂要求低 [18] 空化泡破裂，破坏细胞壁结构，增加了细胞物质的产量，提高了枸杞多糖的提取率 枸杞多糖 固液比=1:38 g/mL；频率：25 kHz；功率：185 W；温度：73 ℃；时间：80 min 增加了细胞物质的产量；提高了枸杞多糖的提取率；缩短提取时间 [19] 切割 振动带动切割刀，减少刀片与产品间的摩擦 苹果切片 频率：20 kHz；恒定速度：40 mm/s；振幅：0%、30%、40%和50% 降低氧化；表面外观损伤较小；储存过程中质量更好 [20] 超切割减少摩擦；减少表面撕裂；提高了表面质量 奶酪 频率：20 kHz；恒定速度：40 mm/s；振幅：30%、40%和50% 降低奶酪脂质过氧化；切割表面光滑；感官评分较高 [21] 过滤 浓度极化最小化；空化产生湍流，防止形成滤饼层；增加扩散 乳清 频率：20 kHz；功率：123/134 W；时间：15 min；温度：60 ℃；占空比：80% 增加膜通量；过滤时间缩短 [22] 膜表面附近的空化气泡产生的湍流限制了周围滤饼层的形成；剧烈的空化效应提高膜分离的效率；极高功率下会产生抑制效应 乳清 双频率：22+44 kHz ；功率：300 W；时间：25 min；温度：60 ℃ 增加膜通量与结晶回收率；膜表面减少约32%的污垢 [23] 冷冻 诱导大冰晶形成核并破碎成小冰晶，增加小冰晶的比例；均匀传热； 面团 频率：20 kHz；开关时间：5 s；功率密度：20、40、60、80、100 W/L 减少面筋网络结构的破坏，提高冷冻面团的质量；缩短冷冻时间；
晶体尺寸小[24] 空化气泡和微射流促进小冰晶的形成 鲤鱼蛋白质 频率：30 kHz；功率：0和175 W；
时间：9 min；开关循环：30 s对结构的损伤少；抑制凝胶流动性；抑制氧化 [25] 解冻 解冻/冷冻组织的边界成为吸收超声波能量的主要场所；会加速质量和传热速度 冷冻鲤鱼 频率：30 kHz；功率： 0、100、300和
500 W；温度：20±0.5 ℃减少解冻时间；减少质量损失；保持颜色；减少产品脱水 [26] 空化作用有助于传热和冰晶的溶解；湍流可以提高传热效率 冷冻白牦牛肉 频率：20 kHz；功率： 200、400和
600 W；温度：25±1 ℃缩短解冻时间；减少解冻损失 [27] 乳化 超声波减小乳液颗粒直径；将巯基暴露于水溶液中 猪肉肌原纤维蛋白 频率：20 kHz；功率：240 W；功率密度：12.38 W/cm2；
温度：<20 ℃；时间：6 min提高乳液稳定性；降低乳液粘度系数 [28] 微流和湍流的空化和剪切力破坏了肌纤维完整性和蛋白质解离 鸡肌纤维蛋白 频率：20 kHz；功率：450 W；功率密度：30 W/cm2；时间：0、3和6 min 提高鸡肌纤维蛋白的乳化性能，提高稳定乳剂的流变学性能和贮存能力 [29] 发泡 增加溶解度并减小颗粒尺寸；表面张力降低，表面电荷减少；在界面有高吸附动力学 蚕豆分离蛋白 频率：20 kHz；振幅：72.67%；时间：17.29 min 增强发泡能力；蛋白分子在空气-水界面的扩散和吸附速度较快 [30] 振动导致悬浮液破裂形成小气泡；变性蛋白质基质凝胶膜包裹气泡，防止溶解 乳清蛋白 频率：20 kHz；功率：400 W；振幅：20、40；或60%；时间：5、15、25 min 提高发泡能力；增强泡沫稳定性 [31] 凝胶 空化效应促进蛋白质构象的转化，有利于氢键的形成和其他疏水基相互作用，加快高温下的凝胶化 鲷鱼鱼糜 频率：25 kHz；功率：500 W；
时间：30 min促进蛋白结构的转化；改善鱼糜凝胶的凝胶强度、质地性能和WHC [32] 空化与机械效应产生的高温高压等作用使得有序结构的稳定性降低，氢键被破坏，二级结构改变，盐溶性蛋白结构展开 鲢鱼鱼糜 频率：40 kHz；功率：360 W；
温度：10±3 ℃超声处理10 min，鱼糜凝胶强度显著提高，束缚水的能力增强，凝胶网络结构更致密；但随处理时间增长，凝胶劣化 [33] 灭菌 空化过程中发生的物理和化学机制导致微生物细胞膜变薄 红葡萄汁 频率：20 kHz；振幅：50%、70%；时间：5 min、10 min 缩短处理时间；超声波处理导致微生物数量显著减少 [34] 由于空化和细胞膜表面细胞结构的一些变化增加了微生物的敏感性 小麦苗汁 频率：40 kHz；功率：450 W；振幅：70%；时间：20 min、40 min；温度：30、45和60 ℃ 温度要求低；微生物细胞的下降效率更高；增加其他生物活性化合物的
保留量[35] 腌制 机械效应或冲击波导致传质改善；导致钠盐的扩散 鸡胸肉 频率：25、45和130 kHz；功率：4.7、5.5和7.2 W；温度：2.5±0.5 ℃；时间：1、3或6 h 缩短腌制时间；增加钠盐吸收；减少钠盐用量 [36] 靠近肉的微小空化气泡内爆，在表面方向产生微射流，通过干扰边界层来增强传质 兔肉 频率：40 kHz；功率：110 W
温度：4 ℃；时间：0、15、30、45、60、90和120 min缩短浸泡时间、提高肉的
硬度和失水率[37] 风味 空化与热效应通过在传播的液体介质中产生巨大的压力、剪切应力、动态搅拌和温度梯度来改变蛋白质性质，使水解物分散，加速氨基和羧基的分子运动 鸡肝蛋白 功率：200 W；时间：12 min 增加鸡肝蛋白水解物美拉德产物的着色程度和风味前体物的含量，促进水解物与木糖的交联 [38] 物理和机械作用在酶反应系统中产生剧烈搅拌、压力和剪切应力；促进分子间作用，聚合物的交联作用 甘薯蛋白 频率：53 kHz；功率密度：40 W/L；
时间：3 h促进酶水解，增加美拉德反应进程；产生的美拉德反应产物的肽结构、抗氧化活性、香气和感官特性有显著影响（P<0.05） [39] 2.2 在食品复水中的应用
食品为了延长其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[46]。再水合的过程非常耗费时间，因此有些人使用较高的浸泡温度来强化水化过程。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[47]。超声波技术的应用能够缓解以上的问题。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。另外，Miano等[48]认为这两种效应不是同时发生的，这取决于谷物颗粒中的玻璃质胚乳密度，密度越高避免空化形成微通道的概率越高。Yadav等[16]研究的超声辅助小米及其淀粉的水合作用中，认为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，而且发现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。相似的结果在Miano等[17]利用超声波辅助羽扇豆颗粒的水合过程也能得到，超声波的处理不仅能够提高羽扇豆颗粒的水合作用，还缩短了45%的水合时间。
2.3 在食品提取中的应用
提取技术在食品工业中可用于从食品基质中有效分离各种脂质、色素、多酚、多糖等生物活性化合物。与传统的提取方法相比，超声辅助提取工艺简单，能够缩短处理时间、减少溶剂用量，且提取温度低，得率高，纯度高[49]。超声提取的主要机理是空化效应与机械效应的混合效应。超声系统输出使介质振动，从而使超声波能量传递给溶液中的固体。超声气泡的瞬态空化释放出高能量，传质得到增强，同时固体表面破裂，溶液更容易渗透进入固体内部，增加了提取溶剂与固体的接触面积，提高提取效率[50]。Sanwal等[51]讨论超声辅助提取变量对沙棘籽油的提取效率和质量的影响时，在提取温度为50 ℃、液固比为10:1、超声功率700 W和提取时间为8.28 min的最优条件下提取沙棘油，得到产油率为6.4 g·hg−1、抗氧化活性为4.1 μg·mL−1。超声处理最大效率地保留了沙棘籽油的生物活性成分。Gadalka等[18]在利用超声波辅助提取西瓜籽蛋白过程中，认为超声波诱导空化力，使溶剂更大地渗透到细胞材料，并增强传质，并改善细胞内容物释放到介质中。利用超声辅助提取法的提取率为87%，溶剂使用量减少了20%，超声提取时间从常规的120 min缩短到9 min，这表明超声通过空化作用正强化了萃取过程，从而产生湍流和细胞破坏。Song等[19]在提取枸杞多糖也同样发现，超声提取比传统热水提取时间要缩短47%，提取得率也提高83.3%。在Gazeran等[52]提取藏红花的藏红花素时，因超声空化效应破坏植物细胞，最终提取物中藏红花素的含量比溶剂浸提法提取的含量高17.84%，同时提取时间从原来的5 h缩短到10 min。
2.4 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[53]。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。超声切割食品的好处体现在具有平整的切割面，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[54]。Yildiz等[20]探索超声波切割苹果的方法，并研究切割后苹果的品质变化，发现当超声切割刀振幅从30%增加到50%时，质量属性有所改善，超声切割的苹果都表现出相对致密和光滑的表面形态，细胞损伤较少。Arnold等[21]研究不同成分的奶酪品种在切割过程中对超声波激励的反应，发现刀具的振动会导致切割力和切割功的降低，进而导致切割过程中产品变形的减少，从而提高切割质量，减少切割组件的污垢，降低产品磨损量，从而减少产品浪费。陈健[55]开发了一款面包超声波切割装置，研究了超声波面包切割参数对面包切割效果的影响。实验对比超声切割和传统切割方式对切割脆性、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痛点。
2.5 在食品过滤中的应用
过滤技术是用来从液体中分离出固体的有效技术。超声波有效解决过滤过程中膜表面上方的滤液或滤饼过滤器造成的污染或者浓度极化的问题[56]。超声产生的振动能使颗粒保持悬浮并继续移动，使过滤器表面保持干净，并促进溶剂进入孔隙。它还创造了一个无摩擦的表面，使液体或更小的颗粒更容易通过，从而改善了流动性，减少了加工时间。另一优点是延长了过滤器的使用寿命，过滤器表面出现的持续气穴可防止堵塞或结垢[57]。Prabhuzantye 等[22]利用超声波来增加乳清的膜通量，除了增强的通量外，使用超声波的总间歇时间也从传统方法（即不使用超声波）的3 h缩短到2.5 h左右。说明超声波的应用使浓度极化最小化，并且空化能够在膜表面附近产生湍流，这有助于防止膜上形成滤饼层。Khaire等[23]首次使用双频超声强化膜超滤，加强乳清的膜通量，进而提高了从乳清中回收乳糖的回收率。功率120 W超声喇叭的使用使乳清的渗透回收率从83.3%增加到88.5%，乳糖结晶回收率从86.3%增加到88.9%；但功率为300 W的双频超声渗透回收率为96%，乳糖结晶回收率94.3%。回收率的提高可归因于污垢阻力的降低，从而实现更好的膜清洗，并减少因颗粒沉积在膜表面附近而导致的渗透通量随时间的减少。在最优条件下测定污垢阻力和污垢程度，结果表明双频超声的使用减少了膜的结垢程度（32%）。
2.6 在食品冷冻/结晶中的应用
冷冻和结晶过程是相互关联的，结晶决定了冷冻过程的效率和冷冻产品的质量，因为二者都以初始成核过程和随后的结晶为特征[58]。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[59]。Zhang等[60]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180 W超声处理的样品比无超声处理的样品的总冻结时间缩短了12.6%，并且在显微镜下观察下的冰晶分布最均匀，冰晶半径从13.17 μm减少至5.02 μm。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[61]。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[62]。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能影响到食品的品质。Li等[24]研究了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，还减少了面团的冷冻时间。Sun等[25]使用超声波冷冻技术对鲤鱼冷冻速度和品质进行探究，发现超声波冷冻可以减少鲤鱼在长期冷冻储存过程中蛋白质氧化和肌原纤维凝胶的质量损失。与非超声处理的鲤鱼蛋白凝胶相比，超声处理的蛋白凝胶具有更好的弹性、粘性、凝胶持水性和凝胶强度；此外，经过SEM图像分析，超声处理的蛋白凝胶具有更小更细的孔隙。这都说明了超声促进细小冰晶的形成，不仅提高了冷冻效率，还改善了冷冻鲤鱼蛋白的凝胶特性。Tian等[61]开发了一种能够产生正交超声的新型超声辅助冷冻系统，探讨其对速冻马铃薯品质的影响。利用微观结构分析和主成分分析马铃薯冷冻前后的质量变化，结果发现正交超声使马铃薯具有最细小的孔隙和最丰满的组织，不仅提高冷冻率和缩短总冷冻时间，还减少样品滴漏损失以及提高样品硬度。
2.7 在食品解冻中的应用
冷冻产品的解冻过程极为缓慢，而且在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[63]。此外，超声波减少解冻时间不仅是由于其对传热的影响增强，而且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，由此提高解冻率[64]；另一种原因可能是超声诱导的微蒸汽增强传热和传质，从而降低冰/液界面处传热和传质现象的阻力[65]。Sun等[26]使用超声波辅助解冻鲤鱼发现适当的超声波功率（300 W）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。当然，过度的超声波也会破坏了鱼肉的组织结构。Zhang等[66]利用相似的方法对鸡胸肉的解冻速率和蛋白质结构展开研究，得到同样在超声功率为300 W时能得到最优解冻品质的鸡胸肉，并且对蛋白质结构的影响有所降低。Guo等[27]评估超声辅助解冻对白耗牛肉肉质的影响，发现超声波解冻处理使解冻时间缩短30.95%~64.28%，并且在处理功率为400 W时，解冻损失和蒸煮都相对较少。
2.8 在食品乳化中的应用
乳液包含两种互不相溶液体的系统，存在于很多常见的食物中，例如牛奶、黄油、冰淇凌和沙拉酱等。超声波乳化产生的乳液更加稳定，液滴的尺寸更小，粒径分布窄，还降低了乳化剂的用量，并诱导乳化剂快速移动，在界面上快速吸附[67]。这是因为超声波乳化过程中，超声波能够使油滴变形和破碎，从而减少了悬浮油滴的尺寸。超声波能够在连续相中形成分散的大液滴，然后介质中持续的物理剪切和声空化作用可以逐渐击穿大液滴[68]。在超声功率与明胶浓度的影响研究中，认为超声过程降低了生物聚合物溶液的电位、界面张力和粘度，从而得到稳定的乳液，液滴尺寸更小，而且更高的超声功率可以改变聚合物网络[69]。在Zhou等[28]的研究中，超声处理使猪肉脂肪颗粒粒径减小，乳化液滴分布均匀，提高了所有乳液的乳化活性、乳化稳定性和流出指数，同时降低了乳液的粘度系数，并导致蛋白质疏水基团和脂肪颗粒之间的结合增加。在Li等[29]研究的高强度超声对鸡肌纤维蛋白乳化性能的影响，认为超声探头伴随着微流和湍流的空化作用和剪切力破坏了肌纤维完整性和导致蛋白质解离，所以经超声处理后的鸡肌纤维蛋白能提高乳液的活性指数和稳定指数。
2.9 在食品发泡中的应用
在空气/水界面形成泡沫的过程是蛋白质分子的运输、渗透和重组的过程。这些过程受表面疏水性、蛋白质取向、变性程度（均质化增加）以及蛋白质大小和结构的影响[70]。因此，超声能够在加工过程中参与以上过程，从而影响蛋白质的发泡性能。超声处理会让蛋白质具有更多暴露的疏水结构域，降低了蛋清的粘度和表面张力，减少蛋白质尺寸[71]，增加去折叠表面疏水性，增加了界面作用的促进作用，使蛋白质更容易吸附在气液界面上，并通过疏水或静电相互作用进行分子组装[72]。Martínez-Velasco等[30]利用高强度超声处理蚕豆蛋白时，发现超声处理的蛋白发泡能力（258.3%）显著高于未经超声处理的发泡能力（145.8%）。其原因是声空化和微流发生了快速的分子运动，导致蛋白质链展开，暴露出更多疏水基团，使表面张力降低，在空气-水界面表现出显著更高的吸附动力学。另外，超声波的应用通常改善了乳清蛋白泡沫的溢出和排水性能。Tan等[31]使用60%的振幅和25 min的超声时间对乳清蛋白悬浮液进行处理，对比未经处理的乳清蛋白，超声处理可显著产生稳定泡沫，其溢出率更高，排水量也相对较低，表明泡沫稳定性更高。
2.10 在食品凝胶中的应用
在对富含蛋白质的乳品、豆类以及水产的加工上，良好的凝胶性能使蛋白质具有更适合加工的质构特性。而且蛋白凝胶的三维网络结构，既能做水的载体，也可做糖、风味成分及其他配合物的载体。一些学者认为超声处理能够改善凝胶性能是因为超声空化气泡剧烈破裂，伴随着极端的物理效应产生的高温高压和机械效应产生的剪切力和冲击波，从而改善蛋白质的溶解度并促进蛋白质构象的展开，改变了蛋白质的二级结构，促进蛋白质之间的相互作用和交联[73]。蛋白质之间的相互作用增强，有利于凝胶的三维网状结构更加规则，便于水分或其他物质锁住在结构中，增强凝胶持水性和稳定性[74]。He等[32]的研究表明，与传统水浴加热相比，超声辅助水浴加热处理的鲷鱼鱼糜在相同盐浓度下的凝胶特性得到明显改善，凝胶强度和持水性都得到不同程度地提高，鱼糜凝胶的围观结构更加均匀致密。主要是因为超声波地使用促进了蛋白质构象从α-螺旋向地转化，便于氢键的形成和其他疏水基相互作用。但是在双超声处理下，鱼糜凝胶的硬度较低，认为是长时间超声导致蛋白质过度延伸，严重损害蛋白质的结构。相似的结果也在姜昕等[33]的研究中得出，鲢鱼鱼糜样品被超声波处理10 min时，凝胶强度和水的束缚能力都得到增强，网络结构更为致密。同样地，经皮尔逊相关性分析，凝胶特性的改善与蛋白二级结构的改变有关，ɑ-螺旋含量下降，β-折叠、β-转角和无规则卷曲的含量相对上升，使蛋白之间的相互作用增强。但随着超声处理时间的增长，鱼糜凝胶的紧实程度降低，凝胶结构对水的束缚能力下降，使得部分不易流动水变为自由水，凝胶特性劣化。
2.11 在食品杀菌中的应用
一般的高热处理杀菌技术会致使食品本身的品质和风味产生变化，因此为了最大限度地减少损失，超声波也被用于微生物的灭活。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。在探讨超声波对大肠杆菌的灭活机理，Lin等[75]说明了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。Margean等[34]利用高功率超声代替传统热处理方法来提高红葡萄果汁中微生物的失活率，结果表明与巴氏杀菌法相比，高功率超声处理能在不影响所研究的生物活性化合物和葡萄汁样品理化参数的情况下，引起微生物计数的显著下降。而且振幅为70%的超声处理比振幅50%的超声处理微生物计数下降更多。采用小麦苗汁为对象，Ahmed等[35]在探究不同超声处理条件对其生物活性物质、微生物、营养和理化性质的影响中，得到积极的结果。但是也有相关研究表明，超声处理会在一定条件下刺激微生物的生长。Carrillo-Lopez等[76]研究了高强度超声处理对牛肉微生物的变化影响时，发现高强度超声处理显著地增加了嗜温菌的数量，使其从对照组的7.32 lg CFU/mL分别增加到超声浴系统的7.7 lg CFU/mL和探针系统的7.64 lg CFU/mL。Lariss等[77]用超声浴在不同时间对意大利腊肠进行超声，发现腊肠经9 min超声处理后乳酸菌增多，随后经过120 d的储存，发现细菌总数显著高于对照组（P<0.05），猜测微生物生长与超声暴露时间有关。在某一特定条件下，超声波可能只部分破坏了微生物结构，杀菌效果有限；或者微生物内通道可能被激活，超声波进一步促进营养物质向为微生物的运输，进而促进了微生物的生长[78]。
2.12 在食品腌制中的应用
腌制指的是一种干燥或液体的形式的混合材料，应用于未煮熟的食物，通过渗透梯度的方式扩散到肉基质中，以丰富风味和质地特性，提高肉制品的货架期。超声波的应用可以克服传统腌制方法效率低、保存速度慢等缺点。因为超声波的声空化作用可以改变肉组织的物理化学特性，通过收缩和膨胀改变肉组织的加工和固化。超声处理过程中的气体被排出，因此肌肉组织被破坏，导致肌肉束之间形成更大的间隙，这有利于盐水分散到肉组织中。同时，肌肉组织内部的负压降低了腌料进入肉块的阻力，因此超声波处理能显著增强腌料渗透性[79]。在Inguglia等[36]的研究中，虽然超声波处理无法代替盐的作用，但也没有对鸡胸肉的腌制造成负面影响，甚至还在此基础上加快了钠盐的扩散，缩短了腌制时间，1 h就能达到原本需要16 h的腌制效果。在另一研究中，超声波在兔肉腌制、缩短浸泡时间、提高肉的硬度和失水率方面都有正面影响。同样在固定的条件下对比超声处理与传统处理的兔肉腌制结果，超声波压缩了腌制时间是其最大的优势[37]。
2.13 在食品风味中的应用
超声波的应用对食品加工风味也有一定的影响，主要是超声物理和机械效应的综合作用致使蛋白质和脂肪的结构变化，从而导致食品风味的变化。针对肉类食品来说，蛋白质和脂质氧化是最终肉制品整体风味形成的主要原因，因为它们可以产生大量的味活性氨基酸、小肽、脂肪酸和香味。美拉德反应被认为是最重要的化学反应之一，它影响食品的质量特性。Yu等[80]针对超声辅助美拉德反应做出了全面的阐述，表明超声波能够作为促进蛋白糖基化的有效手段，并且对美拉德反应的中间阶段和最后阶段起着重要的促进作用。Chen等[38]研究了超声预处理对鸡肝蛋白及其水解物的美拉德反应程度和美拉德产物的影响，超声预处理增加了美拉德反应后鸡肝蛋白水解物的褐色着色程度和风味前体物的含量，降低了鸡肝蛋白水解物的粒径，并促进蛋白水解物与木糖之间的交联作用。在超声处理下，鸡肝蛋白水解物美拉德产物的挥发性化合物增加，苦味和涩味特征降低，表现出更强的焦糖状和甜味特征。在另一相似研究中，Habinshuti等[39]研究超声波辅助酶解和不同单糖对甘薯蛋白水解产物的美拉德反应产物的肽结构和风味特性的影响。通过pH、褐变强度和荧光光谱的显示，说明超声处理能够增强美拉德反应的进程，同时增加了ORAC值、鲜味、甜味和酸味特征，并且降低了所有美拉德反应产物的苦味。但是，超声处理也能带来不好的风味。Sfakiankis等[81]比较了超声处理与压力处理牛奶制成的酸奶风味，结果超声处理牛奶导致酸奶中酮、醛、碳氢化合物和二甲硫的浓度增加，产生异味（金属味、焦味、橡胶味等）。Munir[82]比较超声、微波和高压处理牛奶对切达干酪的风味影响，结果发现仅超声处理后制成的干酪中具有焦味和金属味等异味，分析发现醛、碳氢化合物以及一些对照组不存在的挥发性物质的增多。
3. 展望
超声波技术在食品行业已经被用于改善不同的工艺，并且已经成为了一个非常有前景的前沿技术。绿色环保的超声技术的应用，能有效缩短整个食品加工操作的时间，提高生产效率，降低生产成本。但超声技术在食品工业中的应用还存在着不足。超声对食品分子结构的影响机制以及超声动力学模型需要进一步的深挖。多数的研究都是基于简单的超声波反应器设计，因此超声波在处理复杂系统时的作用非常有限，需要开发更为复杂的控制系统和有效的控制方法。如果将传统技术和创新技术相结合，将超声波与其它有利于改善加工工艺的操作或技术协同作用，有望能克服超声波技术的短板，将有效作用放到最大效益。此外，超声的商业化和产业化需要大量的能源，保证超声的连续能源供应也应是未来研究的重点。相信在不远的未来，超声波技术能随着科研人员的持续研究，克服目前的短板，在食品加工单元操作中发挥更大效用。
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表 1 超声波在加工操作中的应用
Table 1 Application of ultrasound in unit operation
操作 超声作用 对象 超声波处理参数 结果 文献 干燥 微通道的形成以及湍流和微射流的形成，导致传质速率增加 黄木薯 频率：20 kHz；功率：600 W；温度：30℃；时间：10 min 干燥时间减少；水分扩散率增加 [14] 空化和机械效应加速了传热传质以及样品内部的水扩散 菠萝蜜切片 频率：20 kHz；功率：80 W 提高内部温度和干燥速率；在相应时间内降低含水率；有助于形成多孔均匀的微观结构 [15] 水合 空化剪切力破坏细胞并形成微腔，传质增强；有利于孔隙内较高的水渗透和结合力 小米及其淀粉 频率：20 kHz；振幅范围：30%~70%；时间：10~30 min；粒水比1:3 减少补液时间；水结合能力增强 [16] 空化崩塌形成空腔，减少了滞后阶段；机械应力导致从而形成微通道 安第斯羽扇豆颗粒 频率：25 kHz；功率密度：41 W/L；温度：25±1 ℃；粒水比=1:25 水合时间减少；含水量增加 [17] 提取 细胞破裂，孔隙率增加，传质增加；细胞内物质容易与溶剂发生相互作用，有利于提取 西瓜籽蛋白 固液比=1:50 w/v；频率：25 kHz；功率：90 W；温度：30±2 ℃；占空比：75% 提高提取效率；缩短提取时间；对溶剂要求低 [18] 空化泡破裂，破坏细胞壁结构，增加了细胞物质的产量，提高了枸杞多糖的提取率 枸杞多糖 固液比=1:38 g/mL；频率：25 kHz；功率：185 W；温度：73 ℃；时间：80 min 增加了细胞物质的产量；提高了枸杞多糖的提取率；缩短提取时间 [19] 切割 振动带动切割刀，减少刀片与产品间的摩擦 苹果切片 频率：20 kHz；恒定速度：40 mm/s；振幅：0%、30%、40%和50% 降低氧化；表面外观损伤较小；储存过程中质量更好 [20] 超切割减少摩擦；减少表面撕裂；提高了表面质量 奶酪 频率：20 kHz；恒定速度：40 mm/s；振幅：30%、40%和50% 降低奶酪脂质过氧化；切割表面光滑；感官评分较高 [21] 过滤 浓度极化最小化；空化产生湍流，防止形成滤饼层；增加扩散 乳清 频率：20 kHz；功率：123/134 W；时间：15 min；温度：60 ℃；占空比：80% 增加膜通量；过滤时间缩短 [22] 膜表面附近的空化气泡产生的湍流限制了周围滤饼层的形成；剧烈的空化效应提高膜分离的效率；极高功率下会产生抑制效应 乳清 双频率：22+44 kHz ；功率：300 W；时间：25 min；温度：60 ℃ 增加膜通量与结晶回收率；膜表面减少约32%的污垢 [23] 冷冻 诱导大冰晶形成核并破碎成小冰晶，增加小冰晶的比例；均匀传热； 面团 频率：20 kHz；开关时间：5 s；功率密度：20、40、60、80、100 W/L 减少面筋网络结构的破坏，提高冷冻面团的质量；缩短冷冻时间；
晶体尺寸小[24] 空化气泡和微射流促进小冰晶的形成 鲤鱼蛋白质 频率：30 kHz；功率：0和175 W；
时间：9 min；开关循环：30 s对结构的损伤少；抑制凝胶流动性；抑制氧化 [25] 解冻 解冻/冷冻组织的边界成为吸收超声波能量的主要场所；会加速质量和传热速度 冷冻鲤鱼 频率：30 kHz；功率： 0、100、300和
500 W；温度：20±0.5 ℃减少解冻时间；减少质量损失；保持颜色；减少产品脱水 [26] 空化作用有助于传热和冰晶的溶解；湍流可以提高传热效率 冷冻白牦牛肉 频率：20 kHz；功率： 200、400和
600 W；温度：25±1 ℃缩短解冻时间；减少解冻损失 [27] 乳化 超声波减小乳液颗粒直径；将巯基暴露于水溶液中 猪肉肌原纤维蛋白 频率：20 kHz；功率：240 W；功率密度：12.38 W/cm2；
温度：<20 ℃；时间：6 min提高乳液稳定性；降低乳液粘度系数 [28] 微流和湍流的空化和剪切力破坏了肌纤维完整性和蛋白质解离 鸡肌纤维蛋白 频率：20 kHz；功率：450 W；功率密度：30 W/cm2；时间：0、3和6 min 提高鸡肌纤维蛋白的乳化性能，提高稳定乳剂的流变学性能和贮存能力 [29] 发泡 增加溶解度并减小颗粒尺寸；表面张力降低，表面电荷减少；在界面有高吸附动力学 蚕豆分离蛋白 频率：20 kHz；振幅：72.67%；时间：17.29 min 增强发泡能力；蛋白分子在空气-水界面的扩散和吸附速度较快 [30] 振动导致悬浮液破裂形成小气泡；变性蛋白质基质凝胶膜包裹气泡，防止溶解 乳清蛋白 频率：20 kHz；功率：400 W；振幅：20、40；或60%；时间：5、15、25 min 提高发泡能力；增强泡沫稳定性 [31] 凝胶 空化效应促进蛋白质构象的转化，有利于氢键的形成和其他疏水基相互作用，加快高温下的凝胶化 鲷鱼鱼糜 频率：25 kHz；功率：500 W；
时间：30 min促进蛋白结构的转化；改善鱼糜凝胶的凝胶强度、质地性能和WHC [32] 空化与机械效应产生的高温高压等作用使得有序结构的稳定性降低，氢键被破坏，二级结构改变，盐溶性蛋白结构展开 鲢鱼鱼糜 频率：40 kHz；功率：360 W；
温度：10±3 ℃超声处理10 min，鱼糜凝胶强度显著提高，束缚水的能力增强，凝胶网络结构更致密；但随处理时间增长，凝胶劣化 [33] 灭菌 空化过程中发生的物理和化学机制导致微生物细胞膜变薄 红葡萄汁 频率：20 kHz；振幅：50%、70%；时间：5 min、10 min 缩短处理时间；超声波处理导致微生物数量显著减少 [34] 由于空化和细胞膜表面细胞结构的一些变化增加了微生物的敏感性 小麦苗汁 频率：40 kHz；功率：450 W；振幅：70%；时间：20 min、40 min；温度：30、45和60 ℃ 温度要求低；微生物细胞的下降效率更高；增加其他生物活性化合物的
保留量[35] 腌制 机械效应或冲击波导致传质改善；导致钠盐的扩散 鸡胸肉 频率：25、45和130 kHz；功率：4.7、5.5和7.2 W；温度：2.5±0.5 ℃；时间：1、3或6 h 缩短腌制时间；增加钠盐吸收；减少钠盐用量 [36] 靠近肉的微小空化气泡内爆，在表面方向产生微射流，通过干扰边界层来增强传质 兔肉 频率：40 kHz；功率：110 W
温度：4 ℃；时间：0、15、30、45、60、90和120 min缩短浸泡时间、提高肉的
硬度和失水率[37] 风味 空化与热效应通过在传播的液体介质中产生巨大的压力、剪切应力、动态搅拌和温度梯度来改变蛋白质性质，使水解物分散，加速氨基和羧基的分子运动 鸡肝蛋白 功率：200 W；时间：12 min 增加鸡肝蛋白水解物美拉德产物的着色程度和风味前体物的含量，促进水解物与木糖的交联 [38] 物理和机械作用在酶反应系统中产生剧烈搅拌、压力和剪切应力；促进分子间作用，聚合物的交联作用 甘薯蛋白 频率：53 kHz；功率密度：40 W/L；
时间：3 h促进酶水解，增加美拉德反应进程；产生的美拉德反应产物的肽结构、抗氧化活性、香气和感官特性有显著影响（P<0.05） [39] 
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