一、超聲波及其特性

聲波是機械振動能量的一種傳播形式。聲波可在氣體、液體和固體中傳播。聲波及其所帶的能量的傳遞是基于介質粒子（原子、分子或彈性單元系統）相對于平衡位置的來回振動。聲粒子振動時壓縮和碰撞相鄰粒子，由于彈性和運動慣性的關系，將形成壓縮區（即粒子密度增加區）；當粒子反向振動時，又形成稀疏區（即粒子密度減小區）。介質的這種疏密相間，依次不斷向外傳遞運動和能量的形式，就形成了由振動源向四面八方傳播的聲波。

必須指出的是，聲波傳播時，介質粒子并未向外傳播，而只是相對于它的平衡位置作振動，向外傳播的只是運動形式和能量。我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”，它是不為人耳所聽見的一種聲波。

超聲波具有下列性質：

1．超聲波能夠傳遞很強的能量

超聲波的三大特性參數:聲壓、聲強及特性阻抗，是反映超聲波特性的主要物理量。

① 聲壓P﹙單位為Pa﹚:與聲速c和振動頻率ω成正比。聲壓可用來表示超聲波的強度。即表示傳播的振動能量強度。聲壓越大，表示超聲波的強度越大，傳遞的能量也越強。超聲波的作用主要是對超聲場的障礙物施加交變的壓力（聲壓）。

②聲強I（單位為J/s?m²,或W/m²）:在垂直于超聲波的傳播方向上單位面積、單位時間內通過的聲能量稱為聲強。為衡量超聲振動能量的強弱常用聲強這個物理量。

I＝E/St（E為能量，S為面積，t為時間）

當在液體或固體中傳播超聲波時，由于介質密度和振動頻率都比空氣中傳播超聲波時高許多倍，因此，同一振幅時，液體、固體中的超聲波強度、聲強比空氣中的聲波高千萬倍。

③聲特性阻抗Zc:Ρc的乘積稱為介質的聲特性阻抗Zc

Zc＝P×c

在相同的聲壓下，Zc與質點振動速度成正比。因此，Zc反映介質的聲學性質，它是超聲場中重要的物理量之一。

2．超聲波通過不同介質時會在界面上發生波速突變

波都有反射和折射現象。能量反射的大小，決定于兩種介質的特性阻抗，介質的特性阻抗值越大，超聲波通過界面時能量的反射率越高。當超聲波從液體或固體傳入到空氣或者相反從空氣傳入到液體或固體的情況下，反射率都接近100％。這表明若把超聲波輻射到某一玻璃化學反應器內的液體中時，那么聲波能量將在容器內表面全部被反射，不會投射到容器外邊的空氣中。

在超聲技術中，往往要求超聲波在兩種聲特性阻抗不同的介質間傳播時，或者在同一介質中傳播但用薄板之類的物件分開時，傳播時的聲能損耗為最小。

當超聲輻射到薄板上時，部分能量被反射，部分能量透過它。當薄板的厚度δ與聲波波長λ之比滿足下列兩種條件時，超聲能的穿透性最好，即能量的損失最?。?/span>

（1）δ＝n?λ / 2（n＝1，2，3…），即薄板厚度是半波長的整數倍，可與超聲波發生諧振。

（2）δ﹤λ，這時薄板厚度已經不影響超聲波從一個介質傳入另一介質。

上述條件可以保證最大限度地傳遞超聲能量。

3．散射現象

當聲波在彈性介質中傳播遇上障礙時，將發生散射和繞射，一般說來，每一個障礙物，都成為二次聲源，使散射聲波向各個方向傳播。

散射現象與聲波頻率有關，一般說來，頻率增高，散射增強，但對散射現象影響最大的是障礙物（散射元）的尺寸，數量及它的聲阻抗。

聲波散射改變了聲波部分能量的傳播方向，構成了聲的散射衰減。特別是在懸浮液介質中散射更強些。但對于頻率為20～50kHz的超聲波，其波長為7.5～3cm，則在一般情況下聲散射現象將微不足道。

4．超聲振動在介質中傳播時，它的強度會隨傳播距離的增加而衰減

①第一個原因是影響超聲波的幾何因素所引起的波的反射、折射、繞射和散射。

②第二個原因是介質吸收其能量。這是因為三種介質（氣體、液體和固體）的振動質點之間均存在內摩擦（粘滯性相互作用），其結果是把部分機械能轉變為熱能，介質獲得一定的溫升。

在以上因素的作用下，聲波強度將隨傳播距離的增加而減弱。

5．波的疊加原理

聲波在介質中傳播時，介質的質點隨波振動，倘若有二列或三列以上的聲波同時傳到空間某點時，則該點的質點振動是各列聲波單獨引起的振動之合成。質點的位移是各個聲波在該點所引起的位移的矢量和，這就是波的疊加原理。

①振幅、頻率、周期都不同的幾個波在某一點疊加時，這點的振動將產生時而加強，時而減弱的現象，情況是很復雜的。

②由兩個頻率相同、振動方向相同，相位相同或相位差恒定的聲波疊加時，則會使空間某些質點的振動始終加強，而另一些質點的振動始終減弱或完全抵消，這種現象就稱為波的干涉現象。這種產生干涉現象的波稱為相干波，它們的波源稱為相干波源。

③兩個振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向彼此相向傳播使疊加而成的波，稱為駐波。它是波的干涉現象的特例。

二、殺菌原理

（一）熱效應機制

超聲波在介質中傳播時往往會使介質的溫度升高，超聲波形成熱的主要原因有：

1．超聲振動能量在通過介質中不斷地被介質吸收，部分振動能被轉變為熱能。

2．由于超聲波的振動，使介質質點產生強烈的高頻振蕩，介質間相互摩擦而發熱。

3．在不同組織的分界部分由于組織分層介質聲阻抗不同，將產生反射，形成駐波引起分子間相對運動，產生摩擦而形成熱，此時在與駐波引起分子間相對運動，產生摩擦而形成熱。

（二）機械效應

當超聲波在介質中傳播時，將引起傳播空間內介質質點的振動，使它們具有交變的速度、加速度、位移、聲壓、壓力、張力、切應力（彈性的或粘滯的）、膨脹、壓縮等。如果超聲波對介質作用所引起的效應與上述一個或幾個力學量有關，便可把產生效應的機理歸納為機械（力學）效應。

①由于介質質點在超聲波作用下的振動加速度與振動頻率的平方成正比，雖然振動質點的位移和速度不大，由于頻率很高，故振動加速度卻相當大，有時超過重力加速度的數萬倍。如此大的加速度足以造成對介質極大的機械效應，甚至起到破壞介質的作用。

②當超聲介質是不均勻的分層介質時，各層介質聲阻抗不同將使傳播的聲波產生反射、形成駐波，駐波的波腹、波節造成壓力、張力和加速度的變化。由于不同介質質點的質量不同，則壓力變化引起的振動速度有差異，使得介質質點間的相對運動所造成的壓力變化，是引起超聲機械效應的另一原因。

③利用超聲的機械效應進行加工處理（打孔、切割、表面強化、焊接、清洗、拋光以及去除不希望的薄膜和贓物等），也用于加速分散、均質、乳化、粉碎、殺菌及其它過程。

（三）空化效應

當超聲波在液體中傳播時，會產生一種特殊現象－空化。廣義地說，超聲空化是指激活氣泡或空穴的各種動力學表現。也就是說，當超聲波在液體中傳播時，液體中的微小氣泡（或空穴），在聲場的作用下被激活，它表現為這些氣泡（空化核）的振蕩、生長、收縮及崩潰等一系列動力學過程?？栈菔湛s及崩潰瞬間，泡內可呈現5000℃以上的高溫和幾百到上千個大氣壓的高壓，溫度變化率高到109K/s，逐漸導致產生自由基及聲致發光、次諧波、噪聲等現象，并伴隨有強大的沖擊波（對均相液體介質）或時速達400km的射流（對非均相介質），會產生一系列物理、化學或生物效應。

（四）化學效應

超聲波還引起化學作用，促進化學作用，尤其是氧化還原、聚合、電化學及其它過程。例如在溶有氮的水中，經超聲波處理后就產生硝酸。超聲還有還原作用和影響金屬的電離分解作用。

超聲對高分子物質有分解作用，超聲在有機體內能引起分子產生高振動速度，高速振動分子間產生摩擦力，此力能使聚合的高分子遭到破壞，起到解聚的作用?？墒沟矸圩優楹?，糖原還原。超聲波能分裂葡萄糖、果糖、乳糖、麥芽糖、蔗糖及核酸等。超聲有脫氨（NH3），分裂NH鍵的作用，還可破壞維生素C，時氧化酶、脫氫酶失去活力，提高轉化酶的作用，影響蛋白酶及胰島素作用的發揮。超聲還能使絲狀巨型分子解聚，蛋白質凝固，這是超聲波殺菌、消毒的原因之一。超聲還引起氫離子濃度的改變，引起生物組織pH發生變化。根據超聲強度、作用時間、輻照方法的不同，被輻照組織會有不同程度的變酸或變堿現象。

（五）彌散效應

超聲能量可以強化和加速滲透通過薄膜、篩網、過濾器、半透膜等的擴散過程，強化攪拌過程，會減薄固－液分界面有效厚度從而提高擴散速度。超聲能使藥物更易進入微生物體內。將消毒藥物與超聲合并使用，可提高細菌對藥物的敏感性，增強藥物的殺菌作用，這就是藥物的透入療法的原理。

（六）聲流效應

發生在超聲場中的宏觀和微觀穩定的液體渦流稱為聲流。在空化泡振蕩時，在固體（或微粒）表面附近會形成這種特殊的聲流；當超聲射入不同聲阻抗的介質截面上，動量發生變化，所產生的輻射壓力也會引起聲流。在聲流的作用下，液體介質也會出現一些特殊的物理、化學和生物效應。例如會引起生物組織分子的移動或轉動，當這種運動的幅度足夠大時，會引起組織的損傷甚至撕裂。

（七）毛細效應

在轉動介質的稀疏相內，液體的沸點降低，水分穿過孔隙和毛細孔的過程加劇，結果加快了低溫下粉末狀材料及多孔材料的干燥過程。這些效應促使液體或液態金屬更快、更好地滲透到多孔材料和其它非均質材料中。在超聲能量的作用下，能大大提高毛細管內液體上升的速度與水平。聲致毛細效應在包含有多孔介質的聲化學反應中可能具有至關重要的意義。

（八）觸變效應

超聲波的作用還會引起生物組織結合狀態的改變，如引起粘滯性降低，造成血漿變稀，血球沉淀等。這種效應稱為觸變效應。當聲強過高時，觸變效應是不可逆變化，會使組織造成損傷。

三、超聲波殺菌技術

（一）超聲殺菌效果

超聲殺菌的機理是基于超聲生物、物理和化學效應。研究發現在含有空氣或其它氣體的液體中，在超聲輻射下，主要由于空化的強烈機械作用能有效地破壞和殺死某些細菌與病毒或使其喪失毒性。

例如熒光細菌在超聲作用下會受到破壞，大腸桿菌族細菌也有同樣的結果。傷寒沙門氏菌可以用4.6MHz頻率的超聲來全部殺死。用960kHz的超聲在水溶液和生理鹽水中作用于百日咳菌，發現超聲對這些微生物有顯著的破壞作用。

在輻射各種細菌時發現，在細菌死亡的同時，發生了細菌的自溶，即形態結構也受到破壞，以至在超聲作用以后不僅培養物中的菌落數目減少，而且在形態上保留原狀的細菌也減少了。受過輻射的殺菌懸浮液的渾濁程度也減小，透明度提高，這是由于每個單個細胞組成膠體的分散程度的減小和細胞囊的溶解（這表現為溶液中含氮化合物的增加和細菌的減?。┧?。

（二）影響殺菌效果的因素

1．聲強

為了在液體介質中產生空化效應（這是殺菌的主動力），聲強的必要條件是大于具體情況下的空化閾值。據研究，殺菌所用的聲強最低也要大于1W/cm²。

聲強增大，聲空化效應增強，殺菌效果增強，但也使聲散射衰減增大；同時，聲強增大所引起的非線性附加聲衰減亦隨之增大，因而為取得同樣的殺菌效果所付出的功率消耗增加。當聲強超過某一界限時，空化泡在聲波的膨脹相內可能增長過大，以至它在聲波的壓縮相內來不及發生崩潰，使空化效應反而減弱，殺菌效果會下降?？梢?，為獲得滿意的超聲殺菌效果，沒有必要無限制的追求提高聲強，一般情況殺菌聲強宜于取在1－61W/cm²的范圍內。

2．頻率

頻率越高，越容易獲得較大的聲壓和聲強。另一方面，隨著超聲波在液體中傳播，液體中微小核泡被激活，有振蕩、生長、收縮及崩潰等一系列動力學過程所表現的超聲空化效應也越強，從而超聲波對微生物細胞繁殖能力的破壞性也就越明顯，宏觀上表現出來的微生物滅菌效果就越好。

但頻率升高，聲波的傳播衰減將增大。因此，一般說來，為了獲得同樣的殺菌效果，對于高頻聲波則需要付出較大的能力消耗。例如有報道，為了在水中獲得空化，使用400kHz超聲所消耗的功率，要比使用10kHz的超聲高出10倍。由于這個原因，目前用于超聲殺菌的超聲頻率多選擇早20－50kHz。

3．殺菌時間

隨著殺菌時間增加，殺菌效果大致成正比增加，但進一步增加殺菌時間，殺菌效果并沒有明顯增加，而趨于一個飽和值。對其它的聲化學反應也如此。因此一般的殺菌時間都定在10min內。另外還有一個問題必須引起充分注意，隨著殺菌時間的增加，介質的溫升會加大，這對于某些熱敏性的食品殺菌是不利的。

4．超聲波形的影響

超聲殺菌可取連續波和脈沖波兩種波形。連續波工作時，聲能在整個殺菌過程中不斷連續作用。而脈沖是間斷作用的，可防止介質的顯著熱效應，這對與熱敏性食品的殺菌是有利的。有研究認為在進行超聲殺菌時，利用混響聲場要比行波聲場有效得多，在同樣的超聲能量輸入條件下，可達到高得多的殺菌效果。當使用脈沖超聲波時，為使穩定的混響場得以建立，以期獲得高的殺菌效率，應使脈沖寬度有足夠的寬余（一般取10ms左右）；在保證穩定的混響場聲場得以建立的情況下，所獲得的殺菌效率等效于連續波輻射。

四、超聲波殺菌設備

超聲波殺菌設備只宜用于液態食品的殺菌，其基本形式有三種：液動式超聲發生器，清洗槽式超聲發生系統和變幅桿式超聲發生系統。超聲波殺菌設備形式多種多樣。在此不多做介紹。

五、超聲波在食品工業上的具體應用

1.超聲波解凍

大塊凍結食品在空氣、水中解凍很慢，增加加工成本，浪費時間。

Shore等人(1986)發現，超聲波在凍結肉制品中比在末凍結組織中衰減程度大，也就是說，已凍結的區域對超聲波的吸收比未凍結的區域要高出幾十倍，而且這種衰減隨著溫度顯著增加，在起始冷凍點達到最大值。即，超聲波大部分能量將被食品中處于凍結臨界區域的組織吸收。

Miles等發現，500kHz 0.5W每平方厘米，10～15cm厚的冷凍牛肉，豬肉在1.5～2.5h內即可完全解凍。

超聲波解凍后局部最高溫度與超聲波的加載方向、超聲波的頻率和超聲強度有關。

2.干燥、除沫

超聲波在液體表面形成超聲噴霧（可用來除沫），并使液體產生空化，大大增加了液體的蒸發面積。具有干燥速度快、溫度低，最低含水率低且具有物料不被破壞等優點而適用于食品、藥品及生化制品的熱敏性物質的干燥。

超聲波干燥常用頻率為16～50kHz，聲強大于150dB。Boucher 超聲波干燥蔗糖，迅速使水分降至1.2％，繼續處理16min，可除去所有水分。

一般的噴霧干燥只能用與粘度比較低的物料，而超聲波干燥可用于粘度較高的物料。

3.分離、提取

超聲波能夠增大溶劑向原料細胞的滲透量并強化傳質，因此它可以明顯地加速植物體和種子中有機成分的提取過程。功率超聲波還能破壞細胞壁，釋放細胞內的物質。

功率超聲用于過濾系統，可以防止過濾阻塞，使過濾速度提高幾倍至幾百倍，原因：

1.超聲輻照會使過細的顆粒發生凝聚，從而使過濾速度加快；

2.超聲輻照向系統提供足夠的振動能量，使部分粒子保持懸浮，為溶劑的分離提供較多的自由通道。在食品加工中應用超聲可以使膜分離的效率提高若干倍。

甜菜提蔗糖，19.3kW超聲波，提取時間縮短一半，產量提供10％；400kHz超聲波處理醬油，1～2min可使醬油澄清，1年內可保持穩定；葡萄酒常規方法澄清要4～10天，超聲波1～2小時。

4.乳化、均質

超聲波產生的空化氣泡在崩潰時會產生沖擊波合射流作用，使細胞壁破裂，從而剪切生物大分子或液體中的分散物質，達到乳化均質效果。

對水劑胡蘿卜素進行超聲波乳化，粒徑可以達到1.2um。超聲波處理牛乳使脂肪球的大小顯著降低，在75.5℃，20KHz的超聲波處理102.3s，能使脂肪球由2.79～3.05um降到0.57～0.95um。產生更加良好的分子分布態，形成均質牛奶，避免乳油化，提高消化率。

5.輔助結晶

超聲波能影響溶液成核及冰晶生長，改善溶液的結晶過程，其空化效應還能有效地阻止晶體在冷卻表面上的積聚，從而確保連續高效的換熱。因此，超聲波能用于需要控制結晶過程的場合。

超聲波加速結晶效應在酒類催陳中得到應用，據報道，超聲波能使重酒石酸鉀鹽的沉淀時間由4～10天減少到1.5～2小時。對于草莓等質軟的水果，冷凍后口味邊差。其原因：在凍結過程中形成的冰晶量少個大，使大量細胞破裂。超聲波，導致“熱點效應”，形成改溫度下最小晶體的晶胞及晶核，加快冰核的形成，使冰核數增多，冰晶最終的尺寸減小，對細胞的破壞作用減少。而且，由于冰晶分布更加均勻，加速了傳熱過程，使凍結時間大大縮短。

6.殺菌

超聲波對傳播媒介的相互作用使其蘊藏著巨大的能量，這種能量能在短時間內足以起到殺滅和破壞微生物的作用：利用頻率大于20kHz的超聲波處理對液態食品的殺菌是有效的，當累積滅菌時間達4min時。所處理的醬油樣品的微生物總數指標達到了合格標準。

在一定壓力下，將超聲波與加熱處理相結合的處理比單獨使用超聲波處理需要時間短，效果更好，國外特此法稱為MTS法，但對處理時間、壓力、溫度、聲頻或聲強的具體參數需大量時間進行試驗而確定，在這方面的研究目前尚很缺乏，有待進一步研究，且對超聲波殺茵的具體原理也應深究。

7.超聲波檢測

根據聲波在流動媒質中的傳播速度與靜止媒質中的不同而制成的，從測量超聲波在順流方向與逆流方向的傳播速度差值,即可確定媒質的流速。

在生產麥芽汁等產品時，將超聲波探頭安裝在生產管道的外側，就可以測定管內介質的濃度和溫度，且精度優于千分之二。

通過對乳液或肉質的超聲頻譜分析，可以鑒別牛奶中水分含量和肉質結構。超聲波還可以測定混合體系中各組分的含量。

油脂中固態組分含量、方便面中油脂的含量；尤其是能夠檢測活體畜禽如豬、羊等肉的質地、脂肪含量和脂肪厚度等。提高原料的質量具有重要意義。

超聲波能迅速定量化檢測充氣食品中氣泡大小和氣體含量。在卑酒、冰棋淋、面包、餅干等生產中應用較多。

8.生物學、生物化學效應

研究表明，超聲波能夠在不破壞細胞壁的情況下促進細胞生長，這一特性已被用于提高食品的產量。

例如，用低功率超聲波活化液體營養介質，能夠促進藻類細胞的生長，將蛋白質的產量提高三倍。超聲波對魚卵的孵化過程也有明顯影響。每天用頻率為1MIh的超聲波輻照魚卵三次，每次35分鐘，會使泥鍬的孵化時間從72小時減少到60小時。不僅如此，超聲輻照還能提高魚卵的孵化率以及已孵化出的小魚的成活率。

此外，還能促進種子發芽。

以強度為0.7w每平方厘米的超聲波對浸在水中的蓮花種子進行10分鐘的輻照，能將其發芽率提高30％。

適當的超聲波處理，可以增強或減弱某些酶的活性、激活固定化酶、加速細胞新陳代謝等。

如，生產低乳糖酸奶，超聲波可激活β-半乳糖酶，使乳糖水解。用7MHz超聲波處理固定于多孔聚苯乙烯上的α-淀粉酶，可使其活力提高2.5倍。用低功率超聲波處理液體營養液可增加其中藻類細胞的生長速度。