食物是生活的必需品，也是人們時(shí)刻關(guān)注的內(nèi)容，近年來(lái)頻發(fā)的食品安全事件更使得社會(huì)各界對(duì)食品安全問(wèn)題的關(guān)注越來(lái)越多。食品安全問(wèn)題不僅涉及較多的內(nèi)容，還會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此，食品安全檢測(cè)具有重要的意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，超聲波技術(shù)“無(wú)傷探測(cè)”的特點(diǎn)以及設(shè)備投資低、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等特性越來(lái)越引起食品檢測(cè)和加工行業(yè)的注意。超聲波是一種頻率高于20Hz的聲波，在傳播過(guò)程中能夠與媒介相互作用，并且引起超聲波相位與幅度的變化，這種特性能夠運(yùn)用到食品檢測(cè)工作中。本文對(duì)超聲波技術(shù)在食品檢測(cè)中的原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并列舉了一些具體的食品檢測(cè)案例，比如凝膠類、蛋類、肉禽類、乳制品等。

一、超聲波技術(shù)檢測(cè)食品的原理

利用超聲波進(jìn)行食品檢測(cè)所采用的是頻率較高但能量較低的超聲波，并且一般采用脈沖式操作方法。這種超聲波由于能量低的特點(diǎn)，在通過(guò)介質(zhì)時(shí)不會(huì)改變物體的物理或化學(xué)性質(zhì)，在食品檢測(cè)尤其是對(duì)光學(xué)不透明物體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)有著不錯(cuò)的效果。超聲波最常見(jiàn)的檢測(cè)參數(shù)是聲速和振幅衰減，接下來(lái)對(duì)食品檢測(cè)中的脈沖式超聲波進(jìn)行分析。

1.聲速測(cè)定。根據(jù)平面波的一些性質(zhì)，計(jì)算出食品的質(zhì)量以及成分，最常見(jiàn)的是利用平面波穿過(guò)介質(zhì)時(shí)的性質(zhì)計(jì)算。即：

（κ/ω）?=ρ/E

上式中，κ是介質(zhì)的復(fù)合波數(shù)，ω是角頻率，E是介質(zhì)的彈性模量，ρ是介質(zhì)密度。

對(duì)于固態(tài)的介質(zhì)，彈性模量的表達(dá)式為：

E=K+（4/3）G

上式中，K是體積彈性模量，G是剛性彈性模量。

對(duì)于液態(tài)的介質(zhì)，由于其不具備剛性或者剛性很小，表達(dá)式為：

C?=K/ρ

超聲波的檢測(cè)技術(shù)原理可以用圖1來(lái)表示，其中，A是脈沖信號(hào)發(fā)生器，B是時(shí)間計(jì)數(shù)器，C1是發(fā)送探頭，C2是接收探頭，D是樣品。信號(hào)發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有一定頻率和振幅的脈沖電子波，當(dāng)脈沖電子波傳送到發(fā)送探頭的時(shí)候，時(shí)間計(jì)數(shù)器開(kāi)始記錄時(shí)間，此刻為T(mén)1;脈沖電子波在發(fā)送探頭被轉(zhuǎn)化為相同頻率的超聲機(jī)械波，通過(guò)樣品壓縮傳遞后再轉(zhuǎn)化為電子波，然后傳送回時(shí)間計(jì)數(shù)器之后記錄下停止的時(shí)間T2。因此，超聲波通過(guò)樣品的時(shí)間就是T=T2-T1，通過(guò)距離則可以根據(jù)已知聲速的物質(zhì)測(cè)量，這樣就能夠測(cè)量出聲速。

2.衰減測(cè)定。超聲波的特性在于經(jīng)過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)被削弱，從而產(chǎn)生不同程度的衰減，原因在于聲波在傳輸過(guò)程中能量的吸收與散射。吸收指的是聲能在傳播的過(guò)程中被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，而散射則指的是在介質(zhì)不連續(xù)處，聲波偏移到其他方向。散射的能量形式不會(huì)發(fā)生改變，但由于方向的變化，這些能量仍然難以測(cè)量;吸收的能量轉(zhuǎn)化形式大多表現(xiàn)為三種，即熱傳導(dǎo)、粘滯耗散和分子弛豫。

衰減系數(shù)a可以表示為：A=A0exp（-ad），其中，A是聲波通過(guò)介質(zhì)后產(chǎn)生的振幅，A0是初始振幅，d是聲波所通過(guò)的距離。對(duì)衰減系數(shù)的測(cè)定方法與聲速的測(cè)量原理大致相同，只是將時(shí)間測(cè)量改變?yōu)橄噜徎夭ǖ恼穹白兓?/p>

二、超聲波技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

從原理上來(lái)說(shuō)，超聲波技術(shù)能夠檢測(cè)物體的彈性模量與剛性模量、物體的復(fù)合剪切粘度、不同超聲波性質(zhì)的混合物體成分或介質(zhì)層的厚度以及體系的溫度等方面。根據(jù)其原理性質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)室當(dāng)下的研究成果，超聲波能夠應(yīng)用到食品檢測(cè)的以下幾個(gè)方面：

1.生物大分子溶液和凝膠體系。物體的彈性模量以及密度能夠決定超聲波的傳播速度，因此超聲波能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)、糖類等大分子進(jìn)行濃度、水化、化學(xué)反應(yīng)、分子重排和聚集以及凝膠化信息等的檢測(cè)，同時(shí)能夠直接獲取體系的剛性和壓縮性結(jié)果。

2.蛋類。以蛋類為原料的糕點(diǎn)加工廠能夠利用超聲波對(duì)原材料進(jìn)行檢測(cè)，并控制加工物料的質(zhì)量，原因在于超聲波不但能夠測(cè)定蛋清的厚度，還能利用蛋清和蛋黃不同的組織結(jié)構(gòu)，對(duì)雞蛋的組成成分進(jìn)行定量，甚至還能夠確定蛋殼的厚度以及破裂度。

3.巧克力和油脂。對(duì)于巧克力和油脂類產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，物質(zhì)成分中的結(jié)晶或者熔融對(duì)物料的加工以及產(chǎn)品的質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生不良的影響，而超聲波則能夠?qū)⑦@些轉(zhuǎn)變現(xiàn)象很明顯的表現(xiàn)出來(lái)。利用超聲波能夠?qū)σ簯B(tài)或者固態(tài)巧克力中的蔗糖或者晶體含量進(jìn)行測(cè)量，還能對(duì)油脂中的固態(tài)成分含量進(jìn)行測(cè)定，為這些產(chǎn)品的加工以及質(zhì)量檢測(cè)提供技術(shù)依靠。

4.充氣類食品。對(duì)于各種體系中存在的氣泡，超聲波能對(duì)其產(chǎn)生比較敏感的反應(yīng)。例如水果、啤酒泡沫、人造黃油、冰淇淋、饅頭、烘烤的面包和餅干等，它們的物理以及感官性質(zhì)很大程度上取決于所含的不可溶解的空氣的量以及氣泡的大小與分布狀況。超聲波可以觀測(cè)到氣泡與周圍介質(zhì)之間的顯著差異，并測(cè)定體系內(nèi)氣體的體積分?jǐn)?shù)與氣泡的大小，因此能夠用于對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量以及性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

5.乳制品類。乳制品的組成成分比較復(fù)雜，各成體系成分之間會(huì)相互作用，給加工過(guò)程帶來(lái)極大的困難，此時(shí)超聲波的作用就顯現(xiàn)了出來(lái)，利用超聲波能夠快速有效地檢測(cè)出乳制品中的介質(zhì)體系、脂肪含量等。對(duì)于牛奶這類液體的檢測(cè)，超聲波只存在縱波。牛奶是很常見(jiàn)的乳制品，其主要組成成分是脂肪類的大分子，這種物質(zhì)對(duì)超聲波的衰減有很大的影響，再加上牛奶中含有大量的蛋白質(zhì)和乳糖，能夠大幅度衰減超聲波的強(qiáng)度和速度，根據(jù)特定的計(jì)算定式可以建立一種比較精確的監(jiān)測(cè)模型，從而確定牛奶中各成分的百分比，以此達(dá)到在線檢測(cè)和流動(dòng)檢測(cè)的要求。

6.果蔬類。利用超聲波能夠檢測(cè)果蔬類產(chǎn)品的保鮮度以及成熟度，但是果蔬類食品在成熟或者貯藏的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、水分含量的變化，其中的糖分等成分也會(huì)發(fā)生變化，這些變化均會(huì)影響超聲波的檢測(cè)結(jié)果。并且由于果蔬組織內(nèi)部存在氣體，超聲波檢測(cè)的衰減會(huì)比較明顯，進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)面對(duì)的數(shù)據(jù)也比較復(fù)雜，但是只要操作得當(dāng)，還是可以運(yùn)用該技術(shù)的。

7.肉禽類。對(duì)于肉禽類產(chǎn)品的組成、含水量、膘厚以及脂肪等，超聲波檢測(cè)工作已經(jīng)進(jìn)行了30年之久，利用脂肪以及肌肉的超聲波速度區(qū)別以及兩者界面處對(duì)聲波的折射，能夠?qū)︼曫B(yǎng)中的禽畜進(jìn)行脂肪含量以及品質(zhì)的鑒定。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲波技術(shù)越來(lái)越成熟，超聲波換能器設(shè)計(jì)也越來(lái)越完善，在食品工業(yè)中的應(yīng)用前景必然會(huì)越來(lái)越廣泛，也會(huì)在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。而脈沖式超聲檢測(cè)技術(shù)至今未能在食品行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，原因在于食品體系的復(fù)雜性使得測(cè)量結(jié)果的分析較為困難，儀器制造與工業(yè)應(yīng)用也較為脫節(jié)。對(duì)于這些存在的問(wèn)題，專業(yè)人員要在實(shí)驗(yàn)室持續(xù)進(jìn)行研究，并對(duì)復(fù)雜的食品體系進(jìn)行分析，儀器制造廠家也應(yīng)與食品工業(yè)科研人員合作，從而完善專業(yè)儀器與設(shè)備的需求。綜上所述，超聲波檢測(cè)技術(shù)在食品行業(yè)的應(yīng)用，還需要更多的研究作為技術(shù)支持。

作者簡(jiǎn)介：凌旵（1990-），男，助理工程師，研究方向?yàn)槭称房焖贆z測(cè)。