科普实话说｜硬核科普之听不见的声音与食品加工

      超声波在我们日常生活中并不陌生，眼镜店里会用超声波来洗眼镜，医院里面会用B超来观察人体内的器官和组织，手术过程中也可能会用到超声波手术刀。

      近年来，超声波技术也被越来越多的运用到各类食品加工过程中，用以提高加工品质和效率。那么，超声波到底是什么，它的魔力又是什么？

1.超声波的定义和分类

      超声波是一种波长极短的声波。因为声波是一种机械波，在介质中传播会产生机械振动，所以超声波也称为波长极短的机械波。超声波中的“超”字体现在声波的频率上，人耳能听到的声波频率在20Hz-20kHz之间，所以，超声波指的是频率在20kHz以上的声波，是人耳朵听不见的声波。同时，低于20Hz的声波我们称作次声波，人的耳朵也是无法识别。

      这里，我们人类所能识别的声波频率范围和动物有一定甚至较大的区别，比如，狗能识别的声波频率在15Hz-50kHz之间，猫能识别的声波频率在60Hz-65kHz之间，蝙蝠和海豚均可听到频率在100kHz以上的声波，所以，我们这里谈到的超声波在动物们的耳朵里，可能也仅仅是普通的声波。

      答案显然是“否”。

      根据超声波的频率，将超声波分为三个频段，其中20kHz-100kHz叫做低频超声波，100kHz-1MHz叫做中频超声波，1MHz及以上的超声波叫做高频超声波。

      不同频段的超声波特点有所差异，其中，低频和中频超声波在液体中传播会形成明显的空化效应，就是液体中气泡的剧烈生长、破裂及伴随着的一系列物理化学效应，高频超声波在液体中则能形成微流体。同时，根据空化效应的特点，低频超声波在液体中能形成比较剧烈的机械搅拌，产生强烈的剪切力，而中频超声波在液体中一般会产生比较多的自由基，进而形成一系列声化学的反应。

      根据上述的分类，我们大致可以知道，超声波的频率越低，产生的机械能量是越明显的，所以，我们又将低频超声波称为功率超声波，将高频超声波又称之为检测超声波。像洗眼镜用的超声波，因为需要剧烈的液体流动来带走眼镜上的污渍，就是典型的功率超声波，而医院用的B超，在人体中传播没有任何不适的感觉，就是典型的高频检测超声波。食品加工的操作包括杀菌、干燥、乳化、冷冻、过滤等，都需要输入能量来帮助我们完成操作，所以，在食品加工中一般常用的超声波就是功率超声波。
      读到这里，大家可能会有一个疑问，既然超声波是人耳朵听不见的声波，为什么功率超声波在实际应用过程中（如超声波洗眼镜）会发出非常刺耳的滋滋声音？这个声音是液体中超声空化气泡发出的声音，并非超声波本身的声音。确切的说，这个“滋滋声”叫空化噪声（cavitation noise），频谱成分比较复杂，通常包括次谐波、谐波、超谐波、宽频带噪声，这源于空化气泡本身的各种复杂胀缩振动和破裂。我们人耳通常听到的是那些宽频带噪声。

      食品加工的单元操作种类非常繁多，功率超声波能够应用到的加工领域也很广泛，根据功率超声波在加工过程中产生的效果，我们可以人为的将超声波应用分为取代传统食品加工技术和辅助传统食品加工技术，取代传统食品加工技术指的是单独的超声处理即可以完成食品的加工单元操作，辅助传统食品加工技术指的是超声波可以作为一种辅助手段和传统的加工技术一起来完成目标单元操作。

      当超声波作为取代传统加工技术来应用时，超声波可直接取代或潜在取代传统的切割技术、杀菌技术、乳化技术、脱气技术、肉的嫩化技术等，同时，当超声波作为辅助手段，可以和传统的固液萃取、热风干燥、膜过滤、腌渍、发酵、冷冻、解冻、酒的氧化陈酿等技术相结合，用于改善食品加工过程，提高加工的品质和效率。

      当我们了解到功率超声波可以用于这么多的食品加工过程，我们不禁要问，为什么超声波可用于不同的食品加工？

      超声波食品加工的原理主要有两个方面：

      一是基于功率超声波的机械效应，又称为海绵效应。

      二是基于功率超声波在液体介质中传播产生的空化效应。

      除了超声机械效应，超声空化效应对食品加工过程的影响更为深远。超声空化效应是指超声波在液体介质中传播时，当超声波能量足够高，存在于液体中的微小气泡在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的现象，也就是超声场下液体中的微小气泡不断变化的过程。其实，空化效应在日常生活中也非常常见，除了超声波在液体中能产生空化效应，轮船船桨快速运动、雨滴落在湖面上、瀑布下落等过程均可以产生空化效应。
      那么，超声波的空化效应到底有什么样神奇的魔力呢？首先，瞬时空化气泡的快速破裂可在局部产生瞬时的高温和高压，根据空化气泡受力过程的分析和计算，空化气泡破裂产生的温度可高达2000K，压力可超过1000MPa，能量非常惊人。这里，大家可能会担心空化气泡内高温高压环境的安全性，是否会产生爆炸，其实这个担心是多余的，空化气泡存在的时间在几十个微秒内，气泡破裂时的尺寸大小是微米级，这种微观范围内的瞬时高温高压会迅速释放到环境中，带来的宏观效应为超声液体的温度不断上升。因此，在超声食品加工过程中，为了避免超声过热效应，一般会控制加工体系的温度。

      伴随着空化气泡破裂形成的高温和高压，气泡内的气体分子也会发生断裂，形成一系列的自由基。以含有氧气和水蒸气的空化气泡为例，水分子会分解成氢离子和氢氧根离子，氧气分子会分解成氧原子，进而形过超氧化氢自由基和过氧化氢。自由基的形成可导致液体内的物质发生一些潜在的氧化反应。

      除此之外，伴随着空化气泡的破裂，液体内还会产生声微流、声喷注和冲击波等强声效应，肉眼观察到的就是液体内气泡的快速运动和流体的剧烈搅拌。在某些极端环境下，声波的能量甚至能够转变为光能，空化气泡出现发光的现象，又称作声致发光。

基于上述原因，超声波可以用于很多食品加工过程中，助力舌尖上的美味、营养和安全。
致谢：

      特别感谢中科院声学研究所吴鹏飞博士对本文部分内容的有益探讨。
作者简介

      陶阳：

      南京农业大学食品科技学院副教授，硕士生导师，Ultrasonics Sonochemistry编委，从事超声波食品加工和加工过程仿真优化的研究。

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