超音波殺菌

超音波是一種有效的輔助滅菌方法，已經成功用於廢水處理、飲用水消毒等領域，在液體食品滅菌中的套用也有較多的研究，如啤酒、橙汁、醬油等。

基本介紹

• 中文名：超音波殺菌
• 外文名： ultrasonic sterilization technique 
• 套用：廢水處理、液體食品等
• 原理：超音波引起的空化作用

原理

超音波是指頻率大於20kHz 的聲波，其頻率高、波長短，除了具有方向性好、功率大、穿透力強等特點之外，還能引起空化作用和一系列的特殊效應，如機械效應、熱效應、化學效應等。

一般認為，超音波具有的殺菌效力主要由其產生的空化作用所引起的。超音波處理過程中，當高強度的超音波在液體介質中傳播時，產生縱波，從而產生交替壓縮和膨脹的區域，這些壓力改變的區域易引起空穴現象，並在介質中形成微小氣泡核。微小氣泡核在絕熱收縮及崩潰的瞬間，其內部呈現5000℃以上的高溫及50000kPa 的壓力，從而使液體中某些細菌致死，病毒失活，甚至使體積較小的一些微生物的細胞壁破壞，但是作用的範圍有限。

優點

速度快，設備較成熟易操作，對人體無傷害，對物品無損傷。

缺點

消毒不徹底，影響因素較多，一般只適用於液體或浸泡在液體裡的物體，且處理量不能太大，對於超音波在食品非熱殺菌的套用研究還不夠系統和全面，對於對具體的食品成分以及最終導致的潛在安全性問題研究還不足。

微生物

李斯特單胞菌

沙門氏菌

大腸桿菌

枯草芽孢桿菌

其他微生物 如嗜熱脂肪芽孢桿菌、釀酒酵母等。

影響效果因素

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於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於1W/cm。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。為獲得滿意的超聲殺菌效果，一般情況殺菌聲強宜於取在1－61W/cm的範圍內。

2．頻率

頻率越高，越容易獲得較大的聲壓和聲強。另一方面，隨著超音波在液體中傳播，液體中微小核泡被激活，有振盪、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，從而超音波對微生物細胞繁殖能力的破壞性也就越明顯，巨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，對於高頻聲波則需要付出較大的能力消耗。用於超聲殺菌的超聲頻率多選擇早20－50kHz。

3．殺菌時間

殺菌效果與殺菌時間大致成正比增加，但進一步增加殺菌時間，殺菌效果並沒有明顯增加，而趨於一個飽和值。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。另外隨著殺菌時間的增加，介質的溫升會加大，這對於某些熱敏性的食品殺菌是不利的。

4．超音波形的影響

超聲殺菌可取連續波和脈衝波兩種波形。連續波工作時，聲能在整個殺菌過程中不斷連續作用。而脈衝是間斷作用的，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。當使用脈衝超音波時，為了建立穩定的混響場，以期獲得高的殺菌效率，應使脈衝寬度有足夠的寬餘（一般取10ms左右）；這種情況下所獲得的殺菌效率等效於連續波輻射。

食品工業套用

超音波滅菌適合於果蔬汁飲料、酒類、牛奶、礦泉水、醬油等液體食品。超音波殺菌較之傳統高溫加熱殺菌工藝，超聲作用既不改變食品的色、香、味，也不會破壞食品組分。而其超聲空化能提高細菌的凝聚作用，使細菌毒力喪失或死亡，從而達到殺菌的目的。

果蔬汁飲料

用超音波殺菌技術可以減少茶多酚的褐變，提高綠茶飲料的品質。

牛乳

超音波殺菌用於原料乳保鮮，殺菌率達87%，營養物質無任何破壞，且在15℃條件下保鮮45h，仍有優良的感官性能。

醬油

用超音波對醬油進行殺菌，速度快，無外來添加物，對人體無害，對物品無損傷。

技術研究進展

1. 超音波單獨滅菌

超音波滅菌主要用於廢水處理、飲用水消毒以及食品行業，國內外很多學者對此進行了相關研究。

2. 超音波與其它技術協同滅菌

超音波協同臭氧

1975 年，Gary 等進行了超聲協同臭氧處理水的滅菌研究，結果表明臭氧在超聲的協同作用下，有更好的殺菌效果。

超音波協同納米二氧化鈦

相關學者對納米二氧化鈦與超音波協同滅菌的效果進行了實驗研究，得出：納米二氧化鈦催化劑與超音波具有明顯的協同殺菌作用，pH 值升高對超音波殺菌效果有輕微影響，其殺菌效果比納米二氧化鈦催化紫外光殺菌效果好。納米二氧化鈦催化超聲處理不僅具有良好的殺菌作用，並且對光滑表面有一定的潔淨作用，可對污染器材進行超聲清洗的同時起到殺菌作用。

超音波協同微波

吳雅紅等進行了超音波協同微波技術對綠茶湯進行處理的試驗，並與高溫滅菌的茶湯進行比較。結果表明綠茶湯在室溫放置5 天后會明顯的發生褐變，茶湯的透明性大為降低。經高溫滅菌處理的茶湯，可以保證茶湯的食用安全，茶湯顏色穩定，有較好的透明性，不會褐變。而經微波和超音波滅菌的茶湯飲用安全性能夠得到保證，各菌種生長極少，茶湯顏色穩定，透明性好，也不褐變。

超音波協同熱處理滅菌

相同溫度下，經超音波和熱處理協同作用(即熱超音波)的滅菌效果比單獨使用熱處理滅菌的效果更好。

超音波協同雷射滅菌

採用超聲協同雷射滅菌，滅菌效果明顯提高。用於殺菌的超音波均採用縱波，而雷射是一種電磁波，波動過程表現為橫波，聲光合用，則會產生一些新的聲光特性：原來方向性極強的雷射穿過超聲場時，受到聲波的干擾，強化了雷射的反射、折射和散射，尤其是超聲空化更加劇了上述作用，並引起了雷射的強烈發散，大大擴大了雷射的作用範圍，使整個生化反應器內部充滿了聲、光效應。同時，雷射作用加速和加劇了空化氣泡的破滅和爆炸程度，形成兩種能量的迭加，產生更高的能量，從而大大提高殺菌率。

設備

超音波殺菌設備宜用於液態食品的殺菌，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。