低能超聲波檢測技術在乳制品工業中的應用研究進展

李 偉，徐 斐，曹 慧，于勁松

（上海理工大學 食品質量與安全研究所，上海 200093)

低能超聲波檢測技術在乳制品工業中的應用研究進展

李 偉，徐 斐*，曹 慧，于勁松

（上海理工大學 食品質量與安全研究所，上海 200093)

低能超聲波檢測技術能無損測定多種食品的品質，如肉、魚和乳制品等。在闡述低能超聲波（LIU）檢測技術原理的基礎上，概括介紹了該檢測技術在乳制品（牛奶和奶酪）成分的測定、質構特性（黏度和彈性等）的測定以及異物和添加劑檢出等方面的應用研究進展。

低能超聲波，乳制品工業，檢測

超聲波技術分為高能超聲波（HIU）技術和低能超聲波（LIU）技術。HIU技術主要使用能量密度超過1W/cm2、頻率介于18～100kHz的超聲波實現乳化、均質、提取、結晶、脫水、低溫殺菌、激活酶或失活酶等功能[1]，而LIU是能量低于1W/cm2而頻率高于100kHz的超聲波，主要用于產品生產過程控制和質量檢測[2]。該技術作為檢測技術，在食品工業中的應用是近30年來才發展起來的，因其測量儀器設計簡單、成本低、操作方便、測量速度快，能夠實現在線的實時監控和對食品品質的無損快速檢測等優勢，正成為目前國內外研究活躍的領域。在乳制品工業中，LIU檢測技術在國外很早就開展了相關的研究，而國內近幾年才開始研究。在這些研究中，研究的主要對象是牛奶和乳酪。以牛奶為研究對象的研究中，Litowitz T等[3]、A.S.Dukhin等[4]、孫選等[5]進行了牛奶的營養成分（脂肪、蛋白質、非脂乳固體（SNF））的測定，A.S.Dukhin等[4]、C.A.Miles等[6]還對牛奶成分測定的影響因素（溫度、時間、均質程度、頻率）進行了詳細的研究；另外，L.Elvira等[7]、Harriet Gestrelius等[8]進行了牛奶污染微生物的檢測，S mohanan等[9]進行了牛奶中化學添加劑的檢測研究。以乳酪為研究對象的研究中，J.Telis-Romero等[10]使用LIU測定乳酪中脂肪和水的含量，J. Benedito等[11-12]、Byoung-Kwan Cho等[13]則研究了乳酪物理性質的測定，Ali Bulent Koc等[14]、Chyung Ay等[15]利用LIU檢測技術來判斷乳酪的切割時間，P.Pallav等[16]、Vincent Leemans等[17]使用超聲波檢測技術來檢測乳酪中的異物及裂縫。

1 低能超聲波檢測技術的檢測原理

超聲波從本質上講就是機械波，它的傳播需要媒介，對于不同的媒介表現出不同的聲學特征，如聲速、衰減和聲阻抗，絕熱壓縮系數，這些參數是研究超聲波在物質中傳播分布，建立起超聲波與物質相互作用的聲學模型所必需的基本參數。聲速、衰減和聲阻抗是超聲測量中使用較多的三個參數，這些參數與食品的成分、結構以及物理狀態是相關的。

1.1 聲速

1.2 衰減系數

衰減系數是用超聲波通過介質后其在振幅上的減小衡量的，引起衰減的主要原因是介質的吸收和散射。吸收衰減是由于將儲存在超聲波中的能量轉變為熱量的物理機制，如液體的黏性、熱傳導性、分子松弛現象。散射衰減主要發生在混雜的材料中，如乳濁液、懸浮液、泡沫中，當超聲波入射于一個非連續性的介質時會使部分波散射而改變方向，而不同于入射波的方向，導致不能檢測到這部分波。超聲波的衰減系數可以提供食品的物理化學性質方面的信息，如濃度、黏度、分子松弛性和微結構。

衰減系數：A=A0e-αx

其中：A0是超聲波的開始振幅，A是穿過介質后的振幅，x為傳播的距離，α表示衰減系數。

1.3 聲阻抗

當超聲波入射進兩種不同的材料時，部分被反射，部分傳播，反射波（Ar）與入射波（Ai）的比率就是反射系數（R）。

其中Z是聲阻抗，Z1和Z2是兩種不同材料的聲阻抗，超聲波幾乎不會被單一材料的界面所反射，而對于有不同聲阻抗的兩種材料來說，超聲波的大部分會被反射，超聲成像技術就是依靠超聲波在不同材料的界面反射來實現的。

同聲速與衰減系數一樣，聲阻抗也是一個基礎物理量，其主要與材料的組分和微結構相關。

2 乳制品成分的測定

液體乳制品主要是各種奶類，其成分相當復雜，是一個油水型分散體系，其中分散有脂肪球（0.1～10μm）、乳白蛋白和乳球蛋白（15～50nm）、酪蛋白酸鈣-磷酸鈣復合體膠粒（30～800nm）、乳糖等小分子（<1nm）。超聲波的參數會隨著奶制品的組分變化而變化，選擇對組分變化更敏感的參數，將實現組分的精確測定。

Litowitz T等[3]通過牛奶超聲研究建立了一個在兩個溫度條件下的聲速模型，基于此模型，通過測量超聲波在牛奶中的聲速，可直接獲知牛奶脂肪和非脂乳固體（SNF）的含量，整個過程只需要90s。同時，重復性實驗的測定結果表明，牛奶脂肪的標準差是±0.02%，SNF是±0.04%。孫選等[5，18]從理論上推導并驗證了適合于牛奶這種多元液體的聲速模型和衰減模型，系統地分析了影響牛奶超聲測量的溫度問題，為了減小溫度對超聲測量的影響，提出溫度動態測量法，并通過系統分析選用了偏最小二乘線性回歸算法建立了聲速和衰減系數聯合建模的35℃+40℃的局部溫度校正模型方法，脂肪濃度的預測均方根誤差（RMSEP）為0.059%，模型相關系數達0.996；蛋白質濃度預測均方根誤差（RMSEP）為0.106%，模型相關系數達0.991。從以上研究中可以發現，研究結果都是在兩種溫度條件下以聲速或衰減或者這兩者結合而建立的經驗模型來預測液態奶中的營養成分的含量，準確度都較高，說明使用超聲方法能夠準確測定奶類制品中成分的含量。

當然，牛奶成分的超聲測定最重要的是在超聲參數和牛奶成分含量之間建立起一個很適合的經驗模型。然而，研究表明，影響這個模型的參數的因素以及建立模型的方法都需要大量的實驗來驗證。A.S. Dukhin等[4]、彭丹等[19]研究發現，溫度是超聲測定奶類成分的關鍵影響因素，聲速對溫度敏感而衰減受溫度影響相對較小。A.S.Dukhin等[4]也研究了頻率對超聲參數的影響，其測定了1～100MHz下脫脂牛奶、低脂牛奶、奶油等近十種乳制品的衰減系數，并將衰減分為熱衰減（Thermal attenuation）和內在衰減（intrinsic attenuation），熱衰減是由于介質中粒子尺寸的影響，內在衰減是由于介質本身，粒子尺寸的影響會使脂肪含量的測定復雜化，為了減小這種影響，發現在高頻率（40MHz以上）內在衰減占主導優勢，在40MHz以上頻率范圍中乳制品的脂肪含量和該頻率下的衰減系數呈很好的線性關系，且不同品牌的相同脂肪含量乳制品的衰減有很好的重合性，可以用來測定乳制品中脂肪的含量。從超聲檢測的原理可知，衰減的主要原因是液體中的粒子使超聲波發生了散射衰減和吸收衰減，所以粒子的尺寸會影響衰減系數，而粒子的尺寸則與均質程度有關。C.A.Miles等[13]研究全脂牛奶、半脂牛奶以及脫脂牛奶和奶油的均質程度與衰減的關系，發現均質程度越高，使粒子尺寸越小，衰減系數則越大，這是由于在脂肪球中的熱傳導導致熱量損耗從而使衰減系數增加。

固體乳制品的成分測定也是一個研究熱點。Telis-Romero等[10]研究發現超聲波聲速與乳酪中的水含量存在相關性，通過研究提出了一個半經驗模型，乳酪和乳酪混合物的脂肪含量的R2=0.984/0.996，均方根誤差RMSE=4.6/1.1，水含量的R2=0.964/0.995，均方根誤差RMSE=6.5/0.7，用于在3～29℃范圍內的6個溫度下乳酪的脂肪和水的測定，取得了很好的結果。該研究發現超聲波的聲速不僅受組分的影響，還受乳酪結構的影響，對于不同廠家生產的相同含量的乳酪，其聲速也是不同的，所以該模型有一定的局限性。J.Benedito等[11-12]也發現超聲波的聲速隨著乳酪中水分的丟失而增加，聲速與水分的線性相關性達到了86%。由于水分是乳酪成熟的標準，故可以利用超聲聲速與水分的相關性判斷乳酪的成熟程度情況。

3 乳制品質構特性的測定

乳制品的質構特性包含了兩個方面的內容，一個是質地的物理性質，包括楊氏模量、剪切應力、黏度等；一個是質地的感官性質，包括口感、硬度、咀嚼性、膠黏性、黏附性等。而超聲波的參數則與食品的這些質構特性相關，故可以用超聲波的參數表征乳制品的質構特性，從而判斷乳制品的品質。

Byoung-Kwan Cho等[13]采用多線性神經網絡分析法，研究分析了超聲波衰減和聲速與乳酪物理性質（破壞應變，破壞應力，楊氏模量，韌性）的關系，其R2分別為0.836，0.947，0.625，0.956。J.Benedito等[11-12]著重研究了超聲波聲速與奶酪的質構特性（形變模量、硬度、壓縮系數、穿刺系數）之間的關系，其與形變模量的R2=0.88，與穿刺斜率的R2=0.94。

這些研究說明超聲參數與某些質構特性有較高的相關性，應用參數與質構特性的相關性可以判斷乳制品的狀態。由于微生物產生會引起牛奶彈性和粘性的改變，這樣超聲波的參數也會隨之變化，L.Elvira等[7]、Harriet Gestrelius等[8]研究對比無菌牛奶和接種菌的牛奶的振幅和通過時間的差別，進而判斷牛奶中微生物情況。由于不同微生物所引起的物理化學變化不同，對超聲參數的影響也是不同的，所以不同污染微生物的機制以及它們對牛奶粒子的分布影響都需要更詳細的研究，這個研究說明通過超聲波可檢測紙盒包裝內的牛奶（不用打開包裝）的微生物情況，而且這種無損檢測技術能夠比現在常用的pH或酸性測定更早更快地檢測出乳制品中的微生物污染情況。

由于乳酪的切割時間由黏度決定，而Ali Bulent Koc等[14]、Chyung Ay等[15]發現，超聲波衰減與乳酪凝結過程中的乳酪的黏度是緊密聯系的，前者在實驗室環境中發現，通過超聲波設備測定衰減值判定凝結開始時間和黏度計測定判定的凝結開始時間相差不多，其相關系數為0.88，理論上認為凝結切割時間應4倍于凝結開始時間，作者然后在牛奶工廠進行了實驗驗證，后者也研究發現超聲波的衰減與乳酪黏度之間沒有顯著性差異（95%置信水平），說明這種技術可以在工業上用來判斷乳酪的切割時間。

4 乳制品中異物及添加劑的檢出

異物（如金屬、玻璃等）常常在生產過程中污染食品，而LIU技術能有效檢測出這些物質。假如該樣品含有異物時，由于異物有比乳制品更大的聲阻抗，當超聲波在樣品中傳播時，會被碰到的任何表面反射，這樣異物就可以輕易被檢測出來，并且通過移動超聲換能器的位置，就能確定異物的尺寸和位置。P. Pallav等[16]采用了空氣耦合式超聲波技術檢測奶酪中所含的玻璃、木塊等異物，通過結合分析測定的振幅和通過時間形成內部圖像，進而判斷奶酪中的異物位置和大小。Vincent Leemans等[17]測定超聲波通過乳酪的時間檢測乳酪中的裂縫和異物，其在實驗中能正確檢出90%乳酪中的裂縫和異物，而且不受溫度的影響。這項無損技術在乳制品工業（特別是罐頭類）的異物檢測方面將有很大的潛力，尤其是超聲成像技術的發展，還能判斷出異物的位置和大小。

有些學者還研究了LIU檢測技術對液態奶中化學物質的檢測。S mohanan等[9]研究用超聲法檢測商業牛奶中的化學添加劑，其進行了在不同溫度下對比純牛奶和添加化學添加劑（Na2CO3、NaHCO3、HCHO）的純牛奶在聲阻抗、絕熱壓縮系數、聲速這三個參數的變化來判別牛奶是否有化學添加劑。但此研究相對簡單，只是比較了超聲參數的變化，在實際應用中由于牛奶的復雜性，影響因素非常多。

5 其他方面

有很多學者研究發現超聲波檢測技術可以檢測乳濁液中粒子的大小分布，牛奶也屬于乳濁液，同樣可以測出其中脂肪粒和蛋白質膠粒的大小。A.S. Dukhin[4]研究發現，可以利用超聲波的衰減計算牛奶和奶油中的脂肪粒的大小分布。

Raffaella Saggin等[20]利用空氣耦合式超聲波技術測定了乳酪的厚度，其與卡尺測定的結果的R2達到0.99，標準差為0.003mm，并且相比于卡尺測定，在半軟固體狀的乳制品上則更加準確。

6 結論與展望

LIU檢測技術在乳制品工業中成分的測定、質構特性的測定、異物檢出等方面都有很大的潛力，目前的相關研究基本都是在實驗條件下進行的，其設備對樣品溫度等條件的適應性，數學模型的適用范圍（如不同種類的牛奶，不同工廠生產的乳酪等）都有一定的局限性，不能滿足實際工業中的要求。因此，在樣品可能出現的溫度范圍內進行數據測定，擴大實驗樣品的種類以及尋找更為準確的建模方法都可以提高超聲檢測設備的適用范圍和檢測精度?？傊?，隨著該項技術的發展，這種非侵入式的、對樣品無破壞、快速的檢測技術必將代替傳統方法在乳制品工業中廣泛應用。

[1]Chemat F，Huma Z，Khan M K.Applications of ultrasound in food technology：Processing，preservation and extraction[J]. Ultrasonics Sonochemistry，2010，12：1-23.

[2]Mulet A，Benedito J，Gola’s Y，et al.Noninvasive ultrasonic measurentment in the food industry[J].Food Revives International，2002，18（2-3）：123-133.

[3]Litowitz T.Ultrasonic testing of butter-fat and solids-not-fat in milk and milk products[C].Conv Proc Milk Ind Found，1963：4-11.

[4]Dukhin A S，Goetz P J，Travers B.Use of ultrasound for characterizing dairy prodducts[J].Journal of Dairy Sci，2005，88：1320-1334.

[5]孫選.牛奶質量超聲檢測基礎理論及實驗研究[D].天津：天津大學，2007.

[6]Miles C A，Shore D，Langley K R.Attenuation of ultrasound in milks and creams[J].Ultrasonics，1990，28：394-400.

[7]Elvira L，Sampedro L，Matesanz J，et al.Non-invasive and non-destructive ultrasonic technique for the detection of microbial contaminationinpackedUHTmilk[J].FoodResearchInternational，2005，38：631-638.

[8]Gestrelius H.Ultrasonic Doppler：a possible method for noninvasive sterility control[J].Food Control，1994，5（2）：103-105.

[9]mohanan S，Thomas P G，Iype L.A new ultrasonic method to detect chemical additives in branded milk[J].Pramana，2002，59（3）：525-529.

[10]Telis-Romero J，Váquiro H A，Bon J，et al.Ultrasonic assessment of fresh cheese composition[J].Journal of Food Engineering，2011，103：137-146.

[11]Benedito J，Carce J A，Clemente A，et al.Cheese maturity assessment using ultrasonics[J].Journal of Dairy Science，2000，2（83）：248-254.

[12]Benedito J，Carcel J A，Sanjuan N，et al.Use of ultrasound to assess Cheddar cheese characteristics[J].Ultrasonics，2000，38：727-730.

[13]Cho B，Irudayaraj J，Bhardwaj M C，et al.Rapid measurement of physical properties of Cheddar cheese using a non-contact ultrasound technique[J].Transactions of the ASAE，2001，44（6）：1759-1762.

[14]Koc A B，Ozer B.Nondestructive monitoring of renetted whole milk during cheese manufacturing[J].Food Research International，2008，41：745-750.

[15]Ay C，Gunasekaran S.Ultrasonic attenuation measurements for estimating milk coagulation time[J].Transactions of the ASAE， 1994，37（3）：857-862.

[16]Pallav P，Hutchins D A，Gan T H.Air-coupled ultrasonic evaluation of food materials[J].Ultrasonics，2009，49：244-253.

[17]Leemans V，Destain M F.Ultrasonic internal defect detection in cheese[J].Journal of Food Engineering，2009，90：333-340.

[18]孫選，徐可欣，艾長勝，等.牛乳主要成分濃度超聲快速檢測技術[J].食品科學，2006，27（3）：191-194.

[19]彭丹，徐可欣，尹新，等.牛奶中主要成分超聲特性及溫度影響的研究[J].食品科學，2007，28（6）：66-70.

[20]Saggin R，Coupland J N.Non-contact ultrasonic measurements in food materials[J].Food Research International，2001，34（10）：865-870.

Development of low-intensity ultrasonics detecting technology in the dairy industry

LI Wei，XU Fei*，CAO Hui，YU Jin-song（
Institute of Food Quality and Safety，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Ultrasound has been used to non-destructively assess the quality of many foods such as meat，fish and dairy products.The basic detecting principle of low-intensity ultrasonics（LIU）technology was described，then the application of LIU to detect the composition，texture characteristics（viscosity and elasticity and so on），foreign bodies and additive in the dairy products were briefly reviewed.

LIU；dairy industry；detection

TS252.7

A

1002-0306（2012）09-0467-04

2011－08－19 *通訊聯系人

李偉（1986-），男，碩士研究生，研究方向：食品快速檢測。