超聲波技術(shù)在食品檢測中的應用分析

食物是生活的必需品，也是人們時刻關(guān)注的內(nèi)容，近年來頻發(fā)的食品安全事件更使得社會各界對食品安全問題的關(guān)注越來越多。食品安全問題不僅涉及較多的內(nèi)容，還會對社會產(chǎn)生較大的影響，因此，食品安全檢測具有重要的意義。

隨著科學技術(shù)的進步，超聲波技術(shù)“無傷探測”的特點以及設(shè)備投資低、操作簡單、適應性強等特性越來越引起食品檢測和加工行業(yè)的注意。超聲波是一種頻率高于20Hz的聲波，在傳播過程中能夠與媒介相互作用，并且引起超聲波相位與幅度的變化，這種特性能夠運用到食品檢測工作中。本文對超聲波技術(shù)在食品檢測中的原理進行了詳細的介紹，并列舉了一些具體的食品檢測案例，比如凝膠類、蛋類、肉禽類、乳制品等。

一、超聲波技術(shù)檢測食品的原理

利用超聲波進行食品檢測所采用的是頻率較高但能量較低的超聲波，并且一般采用脈沖式操作方法。這種超聲波由于能量低的特點，在通過介質(zhì)時不會改變物體的物理或化學性質(zhì)，在食品檢測尤其是對光學不透明物體進行檢測時有著不錯的效果。超聲波最常見的檢測參數(shù)是聲速和振幅衰減，接下來對食品檢測中的脈沖式超聲波進行分析。

1.聲速測定。根據(jù)平面波的一些性質(zhì)，計算出食品的質(zhì)量以及成分，最常見的是利用平面波穿過介質(zhì)時的性質(zhì)計算。即：

（κ/ω）?=ρ/E

上式中，κ是介質(zhì)的復合波數(shù)，ω是角頻率，E是介質(zhì)的彈性模量，ρ是介質(zhì)密度。

對于固態(tài)的介質(zhì)，彈性模量的表達式為：

E=K+（4/3）G

上式中，K是體積彈性模量，G是剛性彈性模量。

對于液態(tài)的介質(zhì)，由于其不具備剛性或者剛性很小，表達式為：

C?=K/ρ

超聲波的檢測技術(shù)原理可以用圖1來表示，其中，A是脈沖信號發(fā)生器，B是時間計數(shù)器，C1是發(fā)送探頭，C2是接收探頭，D是樣品。信號發(fā)生器會產(chǎn)生一個具有一定頻率和振幅的脈沖電子波，當脈沖電子波傳送到發(fā)送探頭的時候，時間計數(shù)器開始記錄時間，此刻為T1;脈沖電子波在發(fā)送探頭被轉(zhuǎn)化為相同頻率的超聲機械波，通過樣品壓縮傳遞后再轉(zhuǎn)化為電子波，然后傳送回時間計數(shù)器之后記錄下停止的時間T2。因此，超聲波通過樣品的時間就是T=T2-T1，通過距離則可以根據(jù)已知聲速的物質(zhì)測量，這樣就能夠測量出聲速。

2.衰減測定。超聲波的特性在于經(jīng)過介質(zhì)時會被削弱，從而產(chǎn)生不同程度的衰減，原因在于聲波在傳輸過程中能量的吸收與散射。吸收指的是聲能在傳播的過程中被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，而散射則指的是在介質(zhì)不連續(xù)處，聲波偏移到其他方向。散射的能量形式不會發(fā)生改變，但由于方向的變化，這些能量仍然難以測量;吸收的能量轉(zhuǎn)化形式大多表現(xiàn)為三種，即熱傳導、粘滯耗散和分子弛豫。

衰減系數(shù)a可以表示為：A=A0exp（-ad），其中，A是聲波通過介質(zhì)后產(chǎn)生的振幅，A0是初始振幅，d是聲波所通過的距離。對衰減系數(shù)的測定方法與聲速的測量原理大致相同，只是將時間測量改變?yōu)橄噜徎夭ǖ恼穹白兓?/p>

二、超聲波技術(shù)在食品檢測中的應用

從原理上來說，超聲波技術(shù)能夠檢測物體的彈性模量與剛性模量、物體的復合剪切粘度、不同超聲波性質(zhì)的混合物體成分或介質(zhì)層的厚度以及體系的溫度等方面。根據(jù)其原理性質(zhì)以及實驗室當下的研究成果，超聲波能夠應用到食品檢測的以下幾個方面：

1.生物大分子溶液和凝膠體系。物體的彈性模量以及密度能夠決定超聲波的傳播速度，因此超聲波能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)、糖類等大分子進行濃度、水化、化學反應、分子重排和聚集以及凝膠化信息等的檢測，同時能夠直接獲取體系的剛性和壓縮性結(jié)果。

2.蛋類。以蛋類為原料的糕點加工廠能夠利用超聲波對原材料進行檢測，并控制加工物料的質(zhì)量，原因在于超聲波不但能夠測定蛋清的厚度，還能利用蛋清和蛋黃不同的組織結(jié)構(gòu)，對雞蛋的組成成分進行定量，甚至還能夠確定蛋殼的厚度以及破裂度。

3.巧克力和油脂。對于巧克力和油脂類產(chǎn)品來說，物質(zhì)成分中的結(jié)晶或者熔融對物料的加工以及產(chǎn)品的質(zhì)量都會產(chǎn)生不良的影響，而超聲波則能夠?qū)⑦@些轉(zhuǎn)變現(xiàn)象很明顯的表現(xiàn)出來。利用超聲波能夠?qū)σ簯B(tài)或者固態(tài)巧克力中的蔗糖或者晶體含量進行測量，還能對油脂中的固態(tài)成分含量進行測定，為這些產(chǎn)品的加工以及質(zhì)量檢測提供技術(shù)依靠。

4.充氣類食品。對于各種體系中存在的氣泡，超聲波能對其產(chǎn)生比較敏感的反應。例如水果、啤酒泡沫、人造黃油、冰淇淋、饅頭、烘烤的面包和餅干等，它們的物理以及感官性質(zhì)很大程度上取決于所含的不可溶解的空氣的量以及氣泡的大小與分布狀況。超聲波可以觀測到氣泡與周圍介質(zhì)之間的顯著差異，并測定體系內(nèi)氣體的體積分數(shù)與氣泡的大小，因此能夠用于對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量以及性質(zhì)進行檢測。

5.乳制品類。乳制品的組成成分比較復雜，各成體系成分之間會相互作用，給加工過程帶來極大的困難，此時超聲波的作用就顯現(xiàn)了出來，利用超聲波能夠快速有效地檢測出乳制品中的介質(zhì)體系、脂肪含量等。對于牛奶這類液體的檢測，超聲波只存在縱波。牛奶是很常見的乳制品，其主要組成成分是脂肪類的大分子，這種物質(zhì)對超聲波的衰減有很大的影響，再加上牛奶中含有大量的蛋白質(zhì)和乳糖，能夠大幅度衰減超聲波的強度和速度，根據(jù)特定的計算定式可以建立一種比較精確的監(jiān)測模型，從而確定牛奶中各成分的百分比，以此達到在線檢測和流動檢測的要求。

6.果蔬類。利用超聲波能夠檢測果蔬類產(chǎn)品的保鮮度以及成熟度，但是果蔬類食品在成熟或者貯藏的過程中會出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、水分含量的變化，其中的糖分等成分也會發(fā)生變化，這些變化均會影響超聲波的檢測結(jié)果。并且由于果蔬組織內(nèi)部存在氣體，超聲波檢測的衰減會比較明顯，進行結(jié)果分析時面對的數(shù)據(jù)也比較復雜，但是只要操作得當，還是可以運用該技術(shù)的。

7.肉禽類。對于肉禽類產(chǎn)品的組成、含水量、膘厚以及脂肪等，超聲波檢測工作已經(jīng)進行了30年之久，利用脂肪以及肌肉的超聲波速度區(qū)別以及兩者界面處對聲波的折射，能夠?qū)︼曫B(yǎng)中的禽畜進行脂肪含量以及品質(zhì)的鑒定。

隨著科學技術(shù)的不斷進步，超聲波技術(shù)越來越成熟，超聲波換能器設(shè)計也越來越完善，在食品工業(yè)中的應用前景必然會越來越廣泛，也會在我國的經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。而脈沖式超聲檢測技術(shù)至今未能在食品行業(yè)得到廣泛的應用，原因在于食品體系的復雜性使得測量結(jié)果的分析較為困難，儀器制造與工業(yè)應用也較為脫節(jié)。對于這些存在的問題，專業(yè)人員要在實驗室持續(xù)進行研究，并對復雜的食品體系進行分析，儀器制造廠家也應與食品工業(yè)科研人員合作，從而完善專業(yè)儀器與設(shè)備的需求。綜上所述，超聲波檢測技術(shù)在食品行業(yè)的應用，還需要更多的研究作為技術(shù)支持。

作者簡介：凌旵（1990-），男，助理工程師，研究方向為食品快速檢測。