[科普中国]-超声波杀菌-

原理

超声波是指频率大于20kHz 的声波，其频率高、波长短，除了具有方向性好、功率大、穿透力强等特点之外，还能引起空化作用和一系列的特殊效应，如机械效应、热效应、化学效应等。

一般认为，超声波具有的杀菌效力主要由其产生的空化作用所引起的。超声波处理过程中，当高强度的超声波在液体介质中传播时，产生纵波，从而产生交替压缩和膨胀的区域，这些压力改变的区域易引起空穴现象，并在介质中形成微小气泡核。微小气泡核在绝热收缩及崩溃的瞬间，其内部呈现5000℃以上的高温及50000kPa 的压力，从而使液体中某些细菌致死，病毒失活，甚至使体积较小的一些微生物的细胞壁破坏，但是作用的范围有限1。

优点速度快，设备较成熟易操作，对人体无伤害，对物品无损伤。

缺点消毒不彻底，影响因素较多，一般只适用于液体或浸泡在液体里的物体，且处理量不能太大，目前对于超声波在食品非热杀菌的应用研究还不够系统和全面，对于对具体的食品成分以及最终导致的潜在安全性问题研究还不足。

主要针对的微生物李斯特单胞菌

沙门氏菌

大肠杆菌

枯草芽孢杆菌

其他微生物如嗜热脂肪芽孢杆菌、酿酒酵母等。

影响杀菌效果的因素1. 声强

为了在液体介质中产生空化效应（这是杀菌的主动力），声强的必要条件是大于具体情况下的空化阈值。据研究，杀菌所用的声强最低也要大于1W/cm2。声强增大，声空化效应增强，杀菌效果增强，但也使声散射衰减增大；同时，声强增大所引起的非线性附加声衰减亦随之增大，因而为取得同样的杀菌效果所付出的功率消耗增加。为获得满意的超声杀菌效果，一般情况杀菌声强宜于取在1－61W/cm2的范围内。

2．频率

频率越高，越容易获得较大的声压和声强。另一方面，随着超声波在液体中传播，液体中微小核泡被激活，有振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程所表现的超声空化效应也越强，从而超声波对微生物细胞繁殖能力的破坏性也就越明显，宏观上表现出来的微生物灭菌效果就越好，但频率升高，声波的传播衰减将增大。因此，一般说来，为了获得同样的杀菌效果，对于高频声波则需要付出较大的能力消耗。目前用于超声杀菌的超声频率多选择早20－50kHz。

3．杀菌时间

杀菌效果与杀菌时间大致成正比增加，但进一步增加杀菌时间，杀菌效果并没有明显增加，而趋于一个饱和值。对其它的声化学反应也如此。因此一般的杀菌时间都定在10min内。另外随着杀菌时间的增加，介质的温升会加大，这对于某些热敏性的食品杀菌是不利的。

4．超声波形的影响

超声杀菌可取连续波和脉冲波两种波形。连续波工作时，声能在整个杀菌过程中不断连续作用。而脉冲是间断作用的，可防止介质的显著热效应，这对与热敏性食品的杀菌是有利的。当使用脉冲超声波时，为了建立稳定的混响场，以期获得高的杀菌效率，应使脉冲宽度有足够的宽余（一般取10ms左右）；这种情况下所获得的杀菌效率等效于连续波辐射。

在食品工业的应用超声波灭菌适合于果蔬汁饮料、酒类、牛奶、矿泉水、酱油等液体食品。超声波杀菌较之传统高温加热杀菌工艺，超声作用既不改变食品的色、香、味，也不会破坏食品组分。而其超声空化能提高细菌的凝聚作用，使细菌毒力丧失或死亡，从而达到杀菌的目的。

果蔬汁饮料

用超声波杀菌技术可以减少茶多酚的褐变，提高绿茶饮料的品质。

牛乳

超声波杀菌用于原料乳保鲜，杀菌率达87%，营养物质无任何破坏，且在15℃条件下保鲜45h，仍有优良的感官性能。

酱油

用超声波对酱油进行杀菌，速度快，无外来添加物，对人体无害，对物品无损伤。

超声波杀菌技术的研究进展1. 超声波单独灭菌

目前，超声波灭菌主要用于废水处理、饮用水消毒以及食品行业，国内外很多学者对此进行了相关研究。

2. 超声波与其它技术协同灭菌

超声波协同臭氧

1975 年，Gary 等2进行了超声协同臭氧处理水的灭菌研究，结果表明臭氧在超声的协同作用下，有更好的杀菌效果。

超声波协同纳米二氧化钛

相关学者对纳米二氧化钛与超声波协同灭菌的效果进行了实验研究，得出：纳米二氧化钛催化剂与超声波具有明显的协同杀菌作用，pH 值升高对超声波杀菌效果有轻微影响，其杀菌效果比纳米二氧化钛催化紫外光杀菌效果好。纳米二氧化钛催化超声处理不仅具有良好的杀菌作用，并且对光滑表面有一定的洁净作用，可对污染器材进行超声清洗的同时起到杀菌作用3。

超声波协同微波

吴雅红等4进行了超声波协同微波技术对绿茶汤进行处理的试验，并与高温灭菌的茶汤进行比较。结果表明绿茶汤在室温放置5 天后会明显的发生褐变，茶汤的透明性大为降低。经高温灭菌处理的茶汤，可以保证茶汤的食用安全，茶汤颜色稳定，有较好的透明性，不会褐变。而经微波和超声波灭菌的茶汤饮用安全性能够得到保证，各菌种生长极少，茶汤颜色稳定，透明性好，也不褐变。

超声波协同热处理灭菌

相同温度下，经超声波和热处理协同作用(即热超声波)的灭菌效果比单独使用热处理灭菌的效果更好5。

超声波协同激光灭菌

采用超声协同激光灭菌，灭菌效果明显提高6。用于杀菌的超声波均采用纵波，而激光是一种电磁波，波动过程表现为横波，声光合用，则会产生一些新的声光特性：原来方向性极强的激光穿过超声场时，受到声波的干扰，强化了激光的反射、折射和散射，尤其是超声空化更加剧了上述作用，并引起了激光的强烈发散，大大扩大了激光的作用范围，使整个生化反应器内部充满了声、光效应。同时，激光作用加速和加剧了空化气泡的破灭和爆炸程度，形成两种能量的迭加，产生更高的能量，从而大大提高杀菌率。