超音波均質

超音波均質是利用超音波在液體中的空化作用及其他物理作用來達到均質效果的。物理作用指的是超音波可在液體中形成有效的攪動與流動破壞介質的結構、粉碎液體中的顆粒，主要是液體間碰撞、微相流和衝擊波導致顆粒表面形態變化。

空化作用是指在超音波作用下，液體在強度較弱的地方產生空穴即小氣泡，小氣泡隨超聲脈動，在一個聲周期內，空穴會塌陷。超聲空化還會產生強烈的機械作用，在固體界面附近產生快速射流或聲沖流，在液體中產生強大的衝擊波。

基本介紹

• 中文名：超音波均質
• 外文名：Ultrasonic Homogenization
• 特點：一定時間內達到理想的分散效果
• 套用領域：主要用於食品領域
• 所屬工藝：均質
• 作用機理：物理作用

超音波介紹

超音波是指聲波頻率大於20kHz的機械彈性波，波速一般為1500m/s，波長一般為0.01～10cm。超音波是一種機械振動在媒質中的傳播過程，具有聚束、定向、反射和透射等特性，它在媒質中主要產生2種形式的振動即橫波和縱波，前者只能在固體中產生，而後者可在固、液、氣體中產生。

超音波與媒質的相互作用機制分為三種：熱機制、機械（力學）機制、空化機制。

熱效應（周莉，2009）指超音波在媒質中傳播的過程中，其振動能量不斷被媒質吸收，並轉變為熱能，使自身溫度升高。聲能的吸收引起媒質中整體的加熱、邊界外的局部加熱、空化形成激波時導致波前處的局部加熱等。超音波強度愈大，熱作用愈強。

機械作用（周莉，2009）指超音波是一種機械振動能量的傳播形式，會在液體中形成有效的流動與攪動，導致介質結構的破壞，液體中的顆粒被粉碎，達到普通低頻機械攪動所達不到的效果。超音波的機械作用常被用於擊碎、凝集、切割等方面。

空化作用是指當超音波作用在介質中時，其強度超過了某一空氣閥值時，則會產生空化現象。

均質原理

空化作用是超音波在介質中傳播時，液體中分子的平均距離隨著分子的振動而變化，當其超過保持液體作用的臨界分子間距時，即形成空化現象。超音波空化作用分2種形式，穩態空化（頻率200~500kHz，聲強<10W/cm）和瞬態空化（頻率20 ~100kHz，聲強>10W/cm）。穩態空化在較低聲強作用下即可發生，氣泡在負壓半周期內緩慢膨脹，在正壓半周期內緩慢收縮但不致破裂，氣泡做周期性的、非線形的振盪運動。穩態空化氣泡壽命相對較長，空化程度較為緩和，對介質微環境的影響較小；瞬態空化絕熱收縮至膨脹瞬間，泡內可產生高溫高壓，破壞細胞結構或破碎細胞，使酶失活。瞬態空化程度劇烈，使介質形成多個局部極端的物理化學環境，對介質微環境有較大影響。瞬態空化正是以這種特殊的能量形式加速了某些化學反應，又為某些反應啟動了新的通道。

由超音波發生器所發出的高頻振盪訊號，通過換能器轉換成高頻機械振動而傳播到介質中，超音波在溶液中疏密相間地向前輻射，當聲波的壓強達到一定的大氣壓時，產生數以萬計的微小氣泡，這些氣泡在超音波縱向傳播的負壓區形成、生長，而在正壓區迅速閉合。這種現象稱為超聲“空化作用”。空化作用可用於促進化學反應，粉碎液內懸浮物，製造乳劑，殺滅細菌，或清洗機件等。超音波均質就是利用超音波在液體中的空化作用達到物料均勻分散的效果。超音波的均質效果不僅與功率密度有關，而且與超聲頻率及超聲處理的時間有關。在適當的超聲頻率下，在一定的時間內可以用最小的功率密度達到理想的分散效果。

在食品領域的套用

超音波均質技術主要套用於乳品。

自然狀態的牛奶，其脂肪球直徑大小不均勻，變動於1～10μm 之間，一般為2～5μm[1]，這些脂肪球由於上浮力而浮在牛奶表面形成一層奶油層，使牛奶產生分層現象。這些脂肪球的存在大大影響了牛奶和奶製品的外觀和口感。如果將牛奶均質，其脂肪球直徑可控制在2μm 左右，這時牛奶脂肪的表面積增大，上浮力下降，從而避免分層，達到均一化的效果。均質的獨特效果從外觀、口感等方面都使產品的質量更上一層樓，因而均質處理是牛奶製品前處理工藝中非常重要的一環。

原料乳經均質後乳品的外觀、口感、營養成分等品質會有很大的改善，故均質處理是乳製品前處理工藝中極其重要的環節（馬勇等，2006）。超音波因空化及其他物理作用，對物料具有均質的效果。已有許多研究報導了超音波對牛乳的均質效果。馬勇等人（2006）利用超音波細胞粉碎機對0.5 kg牛奶進行超聲處理。結果表明，牛奶溫度40 ℃下超聲均質10 min的均質效果最好。朱海清（2002）研究了超音波對牛奶的均質效果。在頻率為40 k Hz、功率密度為0.8 W/ cm2條件下超聲均質1 min，脂肪球平均粒徑為0.584 µm，94 %的脂肪球粒徑小於1 µm，均質效果最為理想。Schmidt（1985）研究了超音波對牛奶的均質效果。在60 ℃、20±1 k Hz的實驗室條件下對4 m L低脂牛奶進行均質，處理後脂肪平均粒徑小於1 µm。Villamiel等（2000）套用高強度超音波對牛奶脂肪的影響進行研究。超聲處理後，脂肪球粒度減小81.5 %。Wu等（2000）研究了超音波對原料奶脂肪球的均質作用。研究發現：與傳統均質相比，高振幅超音波對牛奶有更好的均質效果。Ertugay和Sengul等（2004）研究了超音波對牛奶的均質效果。結果為在450 W超聲條件下超聲10 min，脂肪球直徑大小為0.725 µm；在180 W條件下10 min與傳統均質效果相類似。研究表明與傳統方法相比，超音波對牛奶有更好的均質效果，且隨著均質時間和超聲功率的增加，均質效果也相應的增加。Dhar等（1996）研究了超音波對人奶的作用。發現超音波與加熱相結合可以達到均質和巴氏殺菌的雙重效果。Martinez等（1992）對來自42位母親的人奶進行超音波均質，對Ig A和Ig G抗體、乳鐵蛋白和人乳中細菌含量的影響進行了測試。結果表明，低溫超音波均質牛奶可以減少脂肪損失，且不破壞球蛋白Ig A、Ig G和乳鐵蛋白。

發酵乳製品因其豐富的營養價值和良好風味，被更多人所接受。優酪乳不僅能提供大量的鈣、磷、鎂、維生素A、核黃素，而且能夠提供大量對人體有益的微生態益生菌。在過去的30年來，優酪乳產業增長迅速。為了保持快的增長速度，應在優酪乳加工技術、包裝、口感、質地等方面有所創新。現已有研究表明，經超聲作用的牛奶，可以增加優酪乳的粘度，在一定程度上改善乳品的品質。如產酸穩定，更易控制；在香氣、外觀形態、色澤、滋味等指標中，超聲均質優酪乳在香氣及外觀形態等方面表現最好；可以提高乳糖轉化率，對乳糖不耐症的人群來說意義非凡；發酵時間減少；增加優酪乳持水力和黏度，減少脫水收縮作用等。

此外，對果汁、果醬、蛋黃醬、番茄醬及色拉油等被加工物料施以適當強度的超音波，可使液體中的分散相均質，達到乳化的效果。