超声波技术在食品检测中的应用分析

孙 涛

（泰安市食品药品检验检测研究院（泰安市纤维检验所），山东泰安 271000）

随着食品行业的飞速发展，食品行业之间的竞争愈发激烈。各大食品企业为占据更好的市场地位，越来越重视食品质量的提升、新食品的研发和生产成本的缩减。近年来，随着人们对食品质量的不断重视，食品安全问题也成为了人们广泛关注的热门话题。在此背景下，对食品安全检测工作极为重要，利用超声波技术快速了解和掌握食品的组分结构、特性等，可以为食品生产工作提供技术参考。基于此，本文主要对超声波技术展开研究，分析超声波技术在食品检测领域中的应用，旨在促进食品安全质量的提高。

1 超声波技术检测原理

从本质上来看，超声波技术是一种机械波，其需要借助媒介才能够传播，而在不同媒介中超声波表现出的声学特征也不尽相同，如衰减、声阻抗、声速及绝热压缩系数等。此外，这些参数也是构建超声波声学模型的基本参数，其中声速、声阻抗和衰减是超声波检测中使用较多的3类参数，其主要与食品结构、成分和物理状态有紧密的联系。按照传播频率，超声波技术分为低频率超声波和高频率超声波[1]。

低频率超声波具体是指频率在100～200 kHz，能量密度低于1 W/m2的超声波。低频率超声波不会改变物体的物化特性，因此主要用于无损检测领域。但是低频率超声波在食品检测过程中，食品介质内部组织和声学特性会对超声波传播产生影响，主要通过测定食品介质中超声波信号的振幅衰减和脉冲信号了解食品介质结构变化和物料性能等 参数。

高频率超声波具体是指频率在18～100 kHz，能量密度大于1 W/cm2的超声波。高频率超声波主要通过空化效应、机械机制和过热效应的共同作用，进一步加快待测食品的溶出，缩短食品体系达到平衡稳定的时间，高频率超声波技术在安全检测领域中有着广泛的应用[2]。与传统的超临界提取、微波提取和索氏提取技术相比，超声波技术成本较低，操作简便，在食品检测领域中应用广泛。

1.1 声速

通常情况下，超声波声速（C）会受到食品介质密度（ρ）和弹性模量（E）的影响，3者之间的关系式为：

食品介质弹性模量主要受到食品结构、密度、物理性质和组分的影响，因此在食品检测过程中，可以利用超声波技术反映食品表征信息。超声波声速计算公式为：

式中：d为超声波传播距离，m；t为传播时间，s。

1.2 衰减系数

食品介质结构、物理性质、组分和密度等都会影响超声波的传播，其进入食品介质后会出现吸收衰减和散射衰减，其中吸收衰减指超声波进入食品介质后，食品中液体黏性、分子松弛和热传导性会将超声波的能量转化为热量；散射衰减现象主要出现在混合材料中，如泡沫、悬浮液和乳浊液，当超声波进入非连续性食品介质后，部分超声波会出现改变方向的现象，进而导致入射超声波无法被完全检测。通常情况下，超声波衰减系数主要与食品化学性质有紧密的关系，如分子松弛性、浓度、微结构和黏度等[3]。

超声波衰减系数表示式为：

式中：A为超声波进入介质中的振幅，cm；A0为超声波初始振幅，cm；x为超声波传播距离，m；ɑ为衰减系数，dB/m。

1.3 声阻抗

超声波在进入食品介质后会出现传播和反射两种现象，而入射波（Ai）和反射波（Ar）的比率即超声波反射系数（R）：

式中：Z为声阻抗，Pa·s/m3；Z1、Z2为不同食品介质声阻抗，Pa·s/m3。

在食品介质中，超声波不会被单一的食品介质界面反射，而在两种不同的食品介质中，大部分超声波基本都会出现反射现象。超声波成像技术就是依靠超声波在不同食品介质中的反射现象，实现物品成像。声阻抗与衰减系数、声速相同，都是基础物理量，并且与食品的微结构和组分有紧密的联系。

2 超声波技术的优势

2.1 无损检测

在食品检测中，超声波技术可以在不破坏食品结构的情况下，快速检测食品的物化特性，并且超声波监测技术适用范围广、检测速度快，其在无损检测领域中有着极为广泛的应用。超声波技术不需要介入食品本身，不会破坏食品内部结构，并且能够快速获取食品检测报告。例如，将超声波技术应用于蔬菜检测中，可以在不破坏蔬菜内部结构的情况下，快速获取蔬菜糖分累计和水分散发 情况[4]。

2.2 结晶控制

超声波结晶控制是指利用超声波定向效应控制食品内部的结晶速度和过程，尤其是当食品处于临界核状态下，利用超声波技术能够进一步加快食品结晶核的形成，以此来减小食品结晶时受到的外界影响，提高食品结晶的均匀性和细致性。在冷冻肉、海鲜、冰激凌等食品存储和制作方面，超声波结晶控制有着广泛的应用。例如，利用结晶控制技术对虾、肉等食品进行冷冻，可以进一步降低食品存储时细胞液外流。

3 超声波技术在食品检测中的应用

3.1 在乳制品检测中的应用

通常情况下，水相密度大于油相密度，因此乳制品中油相液体会浮于水相液体上，进而形成乳液分离的现象，该现象并不能说明乳制品出现了变质问题。但是消费者在购买到该类物品时通常会误认为乳制品发生了变质，因此在乳制品制作过程中，需要严格检查乳制品油相含量和分布情况，降低乳制品出现变质的问题[5]。对于传统乳制品检测技术，其主要利用粒子散射作用观察食品介质中粒子的运行情况，并利用速冻技术固定乳制品中油相位置，以此来掌握乳制品的油相含量、运动规律和分布状态等。传统乳制品检测技术存在检测效率低、操作难度大、检测结果误差大等问题，无法满足现阶段食品检测的要求。而超声波检测技术易操作、检测效率高，可以快速检测乳制品的粒子分层和聚集情况。例如，在牛奶等不透光食品检测中，牛奶粒子分散体积相对较大，利用光学显微镜无法准确检测出牛奶粒子的分布情况。而超声波技术则可以根据牛奶的声速、密度、衰减特性等检测牛奶是否存在沉降、凝聚等问题，进而快速判断牛奶粒子分布情况[6]。

3.2 在水果、蔬菜检测中的应用

在水果蔬菜检测过程中，超声波技术可以通过构建声特性（如声阻抗、衰减系数和声速）与食品特性（如硬度、成熟度）关系曲线，进而判断食品的质量。在水果蔬菜检测过程中，水果蔬菜具有的空穴结构会影响其超声特性，当超声波进入空穴结构后会出现谐振效应，通过分析水果蔬菜共振频率和杨氏模量掌握水果蔬菜与成熟度之间的变化关系。当水果蔬菜中出现谐振效应时，超声波衰减系数会出现增大的情况，进行影响检测结果的准确性。此外，超声波在食品介质中的传播速度低于在空气中的传播速度，并且超声波无法穿透水果蔬菜，因此在水果蔬菜检测过程中主要利用回波检测方法了解水果蔬菜的气穴密集度、形状和大小[7]。

3.3 在饮料、酒类检测中的应用

近年来，饮品行业发展速度较快，而对于饮料和酒类产品的质量检测也成为了人们广泛关注的话题。饮料和酒类主要以液体形式存在，并且其中的溶剂以水为主，但是由于液体之间密度均存在一定差异，因此液体之间并不会完全相同。普通的饮料制品中不同液体之间的混合率为80%，液体之间在相互融合过程中会形成新密度液体。而超声波技术在不同密度液体中传播速度存在一定差异，凭借这一特点，可以利用超声波技术区分液体的种类。例如，雪碧、可乐等碳酸饮料，由于其溶解了CO2，其密度小于1 g/cm3；橙汁的密度通常为1.2 g/cm3； 酒精浓度为10°的啤酒，其密度通常在1.005～ 1.010 g/cm3。饮料过期后会产生杂质，其密度也会增大，因此检测人员可以利用这一原理和特性，快速检测食品的安全问题。此外，在饮料酒类检测过程中，超声波技术不会破坏饮品的性质和内部成分，可以保证检测结果的可靠性和真实性。

4 结语

综上所述，超声波技术凭借其精准性、快速性、非破坏性和成本低等优势，在食品检测领域中得到了极为广泛的应用。从长远发展角度来看，超声波技术有着广阔的发展空间，利用超声波技术能够提高食品检测结果的真实性和准确性，并且超声波技术具有成本低、操作简便的特点，与其他检测技术相比超声波检测速度较快，并且不会对人体产生危害，因此在今后的发展中需要加大该技术的研究 力度。