王丹麗,馬曉彬,王文駿,鄒明明,丁 甜,劉東紅,2,*
(1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院,浙江 杭州 310058;2.浙江大學馥莉食品研究院,浙江 杭州 310058)
高頻超聲波及其在食品工業(yè)中的降解改性研究進展
王丹麗1,馬曉彬1,王文駿1,鄒明明1,丁 甜1,劉東紅1,2,*
(1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院,浙江 杭州 310058;2.浙江大學馥莉食品研究院,浙江 杭州 310058)
超聲波根據(jù)頻率的不同可以分為低頻超聲波和高頻超聲波兩類。高頻超聲波相比于低頻超聲波,其空化效應(yīng)有所不同。高頻超聲波能產(chǎn)生大量活性自由基,有獨特的降解改性效果,在食品工業(yè)中有很大的應(yīng)用潛力。但目前對于這一方面的應(yīng)用研究還沒有系統(tǒng)的總結(jié)。本文簡要綜述了超聲波的作用原理,并擴充了高頻超聲波在分子降解改性領(lǐng)域中的應(yīng)用。由高頻超聲波的作用機理出發(fā),綜述了目前國內(nèi)外食品領(lǐng)域中高頻超聲波降解改性不同物質(zhì)的研究進展及其優(yōu)勢。高頻超聲波技術(shù)不僅能對分子產(chǎn)生降解效果,對分子中的一些基團及其性質(zhì)也有一定改性效果。同時,將高頻超聲波對多聚物分子降解改性機理方面的研究進行了歸納整理,以期為高頻超聲波在大分子物質(zhì)降解改性方面的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
高頻超聲波;降解;改性;空化效應(yīng);自由基
超聲波是指超出人耳聽力范圍的機械波(頻率>20 kHz),其中又將頻率較高的一類(頻率>100 kHz)稱為高頻超聲波(圖1)。目前超聲波設(shè)備的頻率一般在20 kHz~10 MHz的范圍內(nèi)[1-3]。作為一種先進的食品加工技術(shù),超聲波有著作用溫和、針對性強的特點,大量應(yīng)用于食品及其他領(lǐng)域,具有很大發(fā)展前景。根據(jù)超聲波的頻率、功率不同,又可將超聲波分為兩類:高功率低頻超聲波和低功率高頻超聲波。其中高功率低頻超聲波(頻率在20~100 kHz之間)也被稱作功率超聲波,在食品加工中有著廣泛應(yīng)用,如促進乳化、破壞細胞、滅菌滅酶、軟化肉類和物質(zhì)改性等[4-5]。低功率高頻超聲波(其頻率主要集中于100 kHz~10 MHz)不僅在醫(yī)學診斷中應(yīng)用較多,并且已廣泛應(yīng)用于食品理化性質(zhì)的分析檢測,如硬度、成熟度、糖分、酸度等[6]。
圖1 超聲波頻率分布圖Fig. 1 Ultrasound frequency range
表1 高頻超聲波在食品加工中的應(yīng)用情況Table 1 Application of high frequency ultrasound in food processing
高頻超聲波有著不同于低頻超聲波的化學效應(yīng)和物理效應(yīng),能產(chǎn)生大量的活性自由基,由此對多聚物產(chǎn)生降解改性作用。將超聲波作用于在水溶液中的氧化反應(yīng)時,高頻超聲波比低頻超聲波更加節(jié)能[13]。在一定條件下隨著頻率的上升,實際超聲功率和輸入功率之比增大,即轉(zhuǎn)換效率提高,高頻超聲波能達到更高的聲化學效率[14-15]。
目前,超聲波頻率對多聚物降解效果的影響還沒有一個定論。另外,高頻降解的速率也不單單受頻率的影響,還受分子結(jié)構(gòu)、溶解體系等因素的影響。因此研究高頻超聲波的降解機理是一個十分有意義的工作。本文綜述了高頻超聲波對食品中一些物質(zhì)的降解作用的研究情況,并將其機理方面的研究進行了歸納分析。
超聲波對液態(tài)系統(tǒng)的影響源于其空化效應(yīng),其機理如下:超聲波在液體介質(zhì)中傳播時存在一個正負壓強的交變周期,對介質(zhì)分子產(chǎn)生交替的壓縮和拉伸作用[16]。當聲波能量足夠大時,液體介質(zhì)發(fā)生斷裂,產(chǎn)生空穴、形成微泡,微泡進一步膨脹成為空化氣泡。隨著超聲波的傳播,有些氣泡會重新溶解于液體介質(zhì)中,有些則隨著超聲波的變化而逐漸長大,達到臨界半徑后發(fā)生潰陷、破裂??栈瘹馀葸@種一系列的現(xiàn)象就稱為空化效應(yīng)[17]。有研究認為超聲空化作用是依賴于預(yù)先存在于介質(zhì)中的核而形成的[18-19]。在空化氣泡運動和破裂過程中,釋放出大量能量,從而導(dǎo)致局部溫度和壓力的升高(每個氣體微泡中心的溫度可高達4 300 K,壓力可達到1 000 個大氣壓),產(chǎn)生強大的機械沖擊和大量活性自由基,還伴隨著熒光的產(chǎn)生[20]。
許多研究證實,在某些條件下,水分子被分裂形成H·和·OH。在其他物質(zhì)存在的情況下,還會形成另外一些活性基團,如·OOH、O·和H2O2等[21-23]。產(chǎn)生的自由基會進行重組或者與氣泡內(nèi)腔內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)反應(yīng),或者進入溶液中作為氧化劑和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生氧化、改性等作用[24]。這對化合物的熱解反應(yīng)、超臨界水氧化以及自由基氧化反應(yīng)都有促進作用。而空化氣泡在振蕩或破裂時形成的高速微射流會對溶液產(chǎn)生剪切力,造成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。這種以超聲波促進的化學反應(yīng)都稱為聲化學反應(yīng)。
圖2 超聲波產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化效應(yīng)[27]Fig. 2 Stable cavitation and transient cavitation induced by ultrasound[27]
超聲波頻率對空化氣泡的性質(zhì)和運動情況都有很大影響,氣泡半徑隨頻率的增加而減小[25-26]。Sun Dawen等[27]根據(jù)超聲波頻率的不同提出了穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化兩個概念。指出在幾十千赫茲的低頻率時產(chǎn)生的空化現(xiàn)象屬于瞬態(tài)空化。該過程中空化氣泡擴大迅速,在達到臨界尺寸后破裂,釋放大量能量,局部產(chǎn)生瞬時高溫高壓和微射流,對介質(zhì)產(chǎn)生機械影響。穩(wěn)態(tài)空化則存在于高頻的聲波中。該過程中空化氣泡隨超聲波的傳播不斷被壓縮和拉伸,體積慢慢增大,但不會達到臨界尺寸,空化氣泡不會破裂,因此穩(wěn)態(tài)空化更加溫和(圖2)。在空化氣泡不斷振蕩的過程中,液體介質(zhì)中形成渦流,同時能量在空化氣泡表面聚集。其對介質(zhì)產(chǎn)生化學性影響而非機械性影響,主要通過·OH、H2O2的形成來實現(xiàn)。由于這些作用,超聲波處理對物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)都有所影響,能對一些多聚物分子產(chǎn)生降解改性效果。
在低頻(如20 kHz)超聲波作用過程中主要是強烈的物理效應(yīng)起作用,而在高頻超聲波作用時,雖然物理效應(yīng)仍存在,但化學效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位,此時介質(zhì)中活躍的氣泡數(shù)目較高,瞬態(tài)空化較少,穩(wěn)態(tài)空化成為聲化學效應(yīng)的主要形成因素。已有研究表明,在其他條件相同的情況下,高頻率的超聲波能產(chǎn)生更多的·OH和H2O2[28-29],由此產(chǎn)生空化效應(yīng)會對分子的理化特性和結(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生較大影響。
聚合物的分子大小和結(jié)構(gòu)是決定熱、機械和生物降解的重要因素。通常分子的體積越大,降解程度普遍越低,降解速率也越低。在水溶液中由于超聲波產(chǎn)生的自由基更有助于水溶性多聚物的降解[30]。不同于化學降解或熱分解作用,超聲波處理對物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的改變是一個非隨機的過程。裂解通常發(fā)生在分子的中心。且當相對分子質(zhì)量低于一定值時,物質(zhì)無法通過超聲波降解。這一特性也可以用來縮小相對分子質(zhì)量的分布[31]。
2.1 高頻超聲波對多糖的影響
高頻超聲波處理對多糖大分子也有許多應(yīng)用,尤其在降解改性方面。過去多糖降解大多采用相對傳統(tǒng)的方法,如化學改性、酶改性等。但化學改性比較費時費力,并且消耗大量有機試劑,產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)物;酶法相對來講比較復(fù)雜,而且成本高,工業(yè)應(yīng)用限制性大。而利用高頻超聲波,不但在降解改性方面有著更快速、溫和、環(huán)保等特點[32],還能對物料的流變學特性產(chǎn)生一定的影響。
Zuo等[33]對超聲波處理(211 kHz)之后的糯米淀粉糊的糊化特性進行了研究,利用快速黏度分析儀對其糊化特性進行了測量分析。超聲波處理之后的淀粉糊和未經(jīng)超聲波處理的淀粉糊相比,其黏度顯著降低。粒度測量和掃描電子顯微鏡的結(jié)果也說明超聲處理之后的淀粉顆粒粒徑變得更小、更均勻。Park等[34]利用400 kHz的超聲波來處理浸泡了不同時間的糙米,并從中提取出淀粉,研究超聲波處理對糙米品質(zhì)及其淀粉性質(zhì)的影響。其結(jié)果表明超聲波處理后的糙米口感質(zhì)量更好,更接近精米,但又保留了比精米更多的營養(yǎng)成分。同時,超聲波處理提高了糙米淀粉的溶解度以及結(jié)合水的能力。經(jīng)超聲波處理之后的淀粉,糊化特性也有所改變,變得更容易糊化,且黏度更大。這是由于超聲波處理降解了淀粉分子,使其顆粒變小,從而分子變得更加混亂、表面積更大、更容易與水結(jié)合。
Czechowska-Biskup等[35]用360 kHz超聲波處理殼聚糖溶液對其進行降解改性,并模仿人體消化系統(tǒng)的pH值變化來研究殼聚糖與脂肪結(jié)合的能力。實驗結(jié)果表明,高頻超聲波處理能有效降低殼聚糖的分子質(zhì)量,同時會產(chǎn)生氧化副作用,增加了殼聚糖分子中羰基基團的含量。隨著殼聚糖分子質(zhì)量的降低,結(jié)合的脂肪含量也隨之增加??梢姡哳l超聲波處理還可以對一些大分子物質(zhì)的功能特性產(chǎn)生影響。
2.2 高頻超聲波對蛋白質(zhì)的影響
經(jīng)過高頻超聲波處理,蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象會產(chǎn)生改變,其親水端被暴露在水中,親水性增強,從而導(dǎo)致溶解度提高。Jambrak等[36]研究了超聲波對乳清蛋白的溶解性和起泡特性的影響,發(fā)現(xiàn)500 kHz的超聲波處理使乳清分離蛋白的溶解度明顯提高,但對乳清蛋白的起泡特性和起泡穩(wěn)定性沒有很大影響。Matouqa等[37]的研究結(jié)果也表明高頻超聲波(2.4 MHz)處理能明顯提高酸奶乳清和干酪乳清中乳清蛋白的溶解率。蛋白濃度越低,其溶解率提高效果越明顯,在酸奶乳清中溶解率最高可增加至2 倍,干酪乳清中最高可增加至3 倍。
高頻超聲波對蛋白質(zhì)的影響作用可以應(yīng)用于一些有特定功能的酶蛋白,改變其功能特性。有研究認為高頻超聲中所產(chǎn)生的高活性自由基是導(dǎo)致酶失活的重要因素[38]。高活性自由基與蛋白質(zhì)中的半胱氨酸殘基反應(yīng),導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子間形成二硫鍵,從而產(chǎn)生聚集體,使酶變性。由此,可以利用高頻超聲波對食品中一些產(chǎn)生不良影響的酶進行滅活或者對一些有益酶進行改性。Basto等[39]研究了20、150、500 kHz的超聲波處理對漆酶穩(wěn)定性和酶活性的影響。研究證明超聲波能縮短漆酶的半衰期,其中150 kHz處理下的漆酶半衰期最短,最不穩(wěn)定。Basto等[39]在體系中引入聚乙烯醇作為酶的保護劑,減少了超聲過程中漆酶的失活,從而使超聲波輔助酶解的底物降解率較之于純酶解和純超聲降解都有很大提高,其中150 kHz條件下的酶解效果最好。因此可以根據(jù)具體情況,采用不同的參數(shù)或引入一些添加劑來達到理想的酶的滅活或活化效果。
2.3 高頻超聲波對食品工業(yè)中其他物質(zhì)的影響
運用高頻超聲波的這一性質(zhì)還可以對食品工業(yè)廢水或者包裝中的一些殘留的有害物質(zhì)進行降解。雙酚A作為一種非生物降解的抗氧化劑,常被用于食品包裝領(lǐng)域,添加至塑料包裝中或者金屬容器的內(nèi)壁涂層中。雙酚A的遷移以及在廢水中的殘留都可能會對人體或環(huán)境產(chǎn)生危害。Nikfar等[40]將超聲波和H2O2相結(jié)合,用于去除水溶液中的雙酚A。使用130 kHz的高頻超聲波和H2O2聯(lián)合處理可以使雙酚A的降解率達98%以上,而單獨使用超聲波處理或H2O2處理的去除程度均不超過50%。由此,可以推斷,高頻超聲波作為一種輔助技術(shù)可以有效加速一些反應(yīng)的進程。
高頻超聲波作用所產(chǎn)生的大量活性自由基可以和易氧化的食品成分反應(yīng),在一定程度上可增強某些食品成分的功能特性。例如一些酚類化合物,可以通過這一聲化學效應(yīng)被羥基化[41-42]。矢車菊素-3-葡萄糖苷在經(jīng)過高頻超聲波(358 kHz)處理之后,其抗氧化活性有所下降[43]。另有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過986 kHz超聲波處理之后,紅樹莓醬的總酚含量增加了10%左右,而經(jīng)過20 kHz和490 kHz超聲波處理后,樹莓醬的總抗氧化活性、總酚含量和總單體花色苷含量均發(fā)生了變化[44]。然而,高頻超聲波產(chǎn)生的活性自由基究竟能增強哪一類食品組分的抗氧化性或者其他功能特性,還有待進一步探索。
雖然高頻超聲波與低頻超聲波相比,作用效果更加溫和,但近年來許多研究表明高頻超聲波產(chǎn)生的強烈的自由基效應(yīng)在大分子降解改性上有著明顯優(yōu)勢[45-46]。超聲波對于特定某種物質(zhì)的降解作用總是存在一個最適的頻率。Mostafa等[47]研究了不同頻率(0.75、1.00、1.25、1.75、2.00 MHz)的超聲波對不同鏈長的聚苯乙烯苯溶液的降解作用。當超聲波頻率低于1 MHz時,降解效果逐漸增強,當頻率大于1 MHz時,降解效果逐漸減弱,表明其降解的最適頻率為1 MHz,在這一頻率,超聲波的機械效應(yīng)和自由基效應(yīng)的降解效果達到最佳。但Mostafa等[47]并沒有對其中的自由基效應(yīng)或者機械效應(yīng)進行進一步的深入研究。
不同的超聲波頻率會對超聲的氧化進程有所影響,H2O2在高頻率時的產(chǎn)量往往比低頻率時多。在較高的超聲波頻率下,空化氣泡的體積較小,破裂時釋放的能量少,破裂時間短,生成的自由基離開氣泡后才發(fā)生一系列反應(yīng);而在較低的頻率下,自由基停留在氣泡中的時間相對較長,在高溫的環(huán)境下遵循燃燒化學的反應(yīng)路徑,形成O2,從而抑制了H2O2的生成和氧化進程。此外,體系中的氣體也會對H2O2的產(chǎn)量產(chǎn)生影響,并且在不同頻率下影響不同。O2的存在增加了高頻條件下H2O2的產(chǎn)量但減少了低頻條件下H2O2的產(chǎn)量。高頻超聲波作用時分子氧會和氫原子形成·OOH(公式(1)),降低H·和·OH重組的概率,因此·OH的含量相對提高;而在低頻條件下,氣泡存在時間相對較長,生成的·OH又與·OOH反應(yīng),形成了水和氧氣(公式(2)),從而減少了H2O2的產(chǎn)量[48]??梢娮杂苫?yīng)除了頻率這一影響因素,還受其他許多因素影響。
不同的溶劑對超聲降解的機理和效果也有不同影響。Tran等[49]研究了一種簡單經(jīng)濟的方法來量化的超聲波產(chǎn)生的機械效應(yīng),發(fā)現(xiàn)在頻率達到100 kHz之后,隨著超聲波頻率的提高,機械效應(yīng)逐漸減弱。同時對苯溶液和水溶液中的降解機理進行了研究分析。在有機溶劑中自由基無法形成,超聲波對大分子的降解作用主要源于機械效應(yīng)。同時較高的蒸汽壓使得溶液中形成的氣泡難以壓縮,降低了氣泡塌陷的效率,從而影響聚合物的降解。在水溶液中,自由基效應(yīng)能夠形成,產(chǎn)生的自由基會攻擊聚合物,并且水的蒸汽壓比苯的蒸汽壓小,氣泡塌陷更強,因此在水溶液中聚合物的降解速率更高。
超聲降解的主要作用原理是空化產(chǎn)生的機械效應(yīng)和自由基效應(yīng)。研究人員主要通過添加自由基清除劑來研究高頻超聲波的自由基效應(yīng)對多聚物降解的貢獻。Lastre-Acosta等[50]研究了不同磺胺嘧啶水溶液pH值、初始濃度、超聲波的頻率和功率對磺胺嘧啶降解的影響,并通過自由基抑制劑的加入研究其降解機理。結(jié)果表明高頻超聲波對磺胺嘧啶有明顯的降解效果,且在580 kHz頻率下,較高的超聲波功率比和微酸性(pH 5.5)條件的去除效率和去除速率更高。加入自由基抑制劑(叔丁醇)能明顯減緩磺胺嘧啶的降解。Czechowska-Biskup等[51]分別在添加以及未添加自由基清除劑的溶劑中,對殼聚糖和淀粉在360 kHz頻率超聲波處理條件下的降解情況進行了研究。加入自由基清除劑后的體系的平均相對分子質(zhì)量降解速率減小,產(chǎn)物相對分子質(zhì)量增大,分子鏈斷裂減少。Koda等[52]對超聲降解甲基纖維素、普魯蘭糖、葡聚糖和環(huán)氧乙烷這4 種水溶性聚合物的降解機理進行了探討,得出了相似的結(jié)論。利用20 kHz和500 kHz兩種不同頻率的超聲波對水溶液中的這4 種聚合物進行處理,闡明了超聲波頻率和自由基清除劑對水溶液中的水溶性聚合物降解的影響。經(jīng)過500 kHz超聲波處理,4 種聚合物的相對分子質(zhì)量均降低到5 000以下,遠優(yōu)于20 kHz的超聲波處理。而在添加了自由基清除劑之后,500 kHz的降解效果大大降低,甚至低于20 kHz時的降解效果。
上述研究結(jié)果證明,高頻超聲波所產(chǎn)生的降解作用是由多種效應(yīng)形成的。高頻超聲波能使大分子物質(zhì)分子質(zhì)量有很大程度降低,排除自由基效應(yīng)之后,高頻超聲波的降解效果減弱了很大一部分。隨著超聲進程的繼續(xù),大分子物質(zhì)的分子質(zhì)量降低越不明顯。在沒有自由基作用時,只有鏈長較長的分子易被超聲的機械力打斷,在鏈長低于某一極限值時,降解作用便不再繼續(xù)。即高頻超聲波對分子的降解作用主要源于其自由基效應(yīng),活性自由基與分子上的基團相互作用,引發(fā)一連串的反應(yīng),與超聲的其他效應(yīng)協(xié)同作用,改變分子結(jié)構(gòu),產(chǎn)生如分子質(zhì)量降低、活性改變等作用。
綜上所述,高頻超聲波對多聚物的物理化學性質(zhì)都有極大的影響。將高頻超聲波應(yīng)用于食品行業(yè)中,可以對食品中的一些物質(zhì),如多糖、蛋白質(zhì)等進行物理或化學改性,改變其結(jié)構(gòu)特性或物理化學性質(zhì),從而改進或開發(fā)更多的功能。尤其是在水溶液中的一些存在易氧化基團的物質(zhì),更容易被降解改性。本文就高頻超聲波對不同類型食品中的常見物質(zhì)的降解作用與降解機理進行了綜述,然而現(xiàn)今的研究在這一方面還有許多仍待發(fā)展的地方,仍有以下可以繼續(xù)研究的方向:1)深入研究高頻超聲波對多聚物的降解改性機理,明確自由基效應(yīng)和機械效應(yīng)的構(gòu)效關(guān)系。高頻超聲波的自由基效應(yīng)強于低頻超聲,在對大分子物質(zhì)的降解改性過程中,自由基效應(yīng)和機械效應(yīng)的作用機理尚未深入研究。2)高頻超聲波技術(shù)可以作為一種輔助手段,與其他降解改性方法聯(lián)用來提高降解改性的效率。3)如果在使用高頻超聲波降解時加入輔助化學試劑,反應(yīng)完成之后的副產(chǎn)物需要進行進一步研究,是否會對產(chǎn)物安全性、功能性產(chǎn)生影響,是否會對環(huán)境產(chǎn)生污染、是否易于分離處理等。4)高頻超聲波降解食品大分子組分形成的新型產(chǎn)品,需進一步研究其構(gòu)效關(guān)系并詳細評估其經(jīng)濟效益。5)高頻超聲波用于去除食品中的有害殘留物,處理加工廢水。
[1] CHEMAT F, HUMA Z, KHAN M K. Applications of ultrasound in food technology: processing, preservation and extraction[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2011, 18(4): 813-835. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2010.11.023.
[2] HUANG C, MIAO M, JIANG B, et al. Polysaccharides modification through green technology: role of ultrasonication towards improving physicochemical properties of (1-3)(1-6)-α-D-glucans[J]. Food Hydrocolloids, 2015, 50: 166-173. DOI:10.1016/ j.foodhyd.2015.04.016.
[3] PINGRET D, FABIANO-TIXIER A S, CHEMAT F. Degradation during application of ultrasound in food processing: a review[J]. Food Control, 2013, 31(2): 593-606. DOI:10.1016/j.foodcont.2012.11.039.
[4] MCCLEMENTS D J. Advances in the application of ultrasound in food analysis and processing[J]. Trends in Food Science and Technology, 1995, 6(9): 293-299. DOI:10.1016/S0924-2244(00)89139-6.
[5] KRASULYA O, BOGUSH V, TRISHINA V, et al. Impact of acoustic cavitation on food emulsions[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2015, 30: 98-102. DOI:10.1016/j.ultsonch.2015.11.013.
[6] DEMIRD?VEN A, BAYSAL T. The use of ultrasound and combined technologies in food preservation[J]. Food Reviews International, 2008, 25(1): 1-11. DOI:10.1080/87559120802306157.
[7] CHOI Y J, MCCARTHY K L, MCCARTHY M J. Tomographic techniques for measuring fluid flow properties[J]. Journal of Food Science, 2002, 67(7): 2718-2724. DOI:10.1111/j.1365-2621.2002. tb08804.x.
[8] BRAUNSTEIN D, PAGE J H, STRYBULEVYCH A, et al. Assessment of breadmaking performance of wheat flour dough by means of frequency dependent ultrasound[C]//International Symposium on Ultrasound in the Control of Industrial Processes, England: IOP Publishing, 2012, 42(1): 012040. DOI:10.1088/1757-899X/42/1/012040.
[9] LAMBERTI N, ARDIA L, ALBANESE D, et al. An ultrasound technique for monitoring the alcoholic wine fermentation[J]. Ultrasonics, 2009, 49(1): 94-97. DOI:10.1016/j.ultras.2008.06.003.
[10] SIKES A L, MAWSON R, STARK J, et al. Quality properties of preand post-rigor beef muscle after interventions with high frequency ultrasound[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2014, 21(6): 2138-2143. DOI:10.1016/j.ultsonch.2014.03.008.
[11] LEONG T, JULIANO P, JOHANSSON L, et al. Temperature effects on the ultrasonic separation of fat from natural whole milk[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2014, 21(6): 2092-2098. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2014.02.003.
[12] CAMARA V C, LAUX D. Moisture content in honey determination with a shear ultrasonic reflectometer[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 96(1): 93-96. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2009.06.049.
[13] ASEEV D G, BATOEVA A A. Using high-frequency ultrasound (1.7 MHz) for oxidative processes in aqueous media[J]. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2015, 89(9): 1585-1589. DOI:10.1134/ S0036024415090046.
[14] ROCHEBROCHARD S D L, SUPTIL J, BLAIS J F, et al. Sonochemical efficiency dependence on liquid height and frequency in an improved sonochemical reactor[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2012, 19(2): 280-285. DOI:10.1016/j.ultsonch.2011.07.009.
[15] ASAKURA Y, NISHIDA T, MATSUOKA T, et al. Effects of ultrasonic frequency and liquid height on sonochemical efficiency of large-scale sonochemical reactors[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2008, 15(3): 244-250. DOI:10.1016/j.ultsonch.2007.03.012.
[16] SORIA A C, VILLAMIEL M. Effect of ultrasound on the technological properties and bioactivity of food: a review[J]. Trends in Food Science & Technology, 2010, 21(7): 323-331. DOI:10.1016/j.tifs.2010.04.003. [17] WIJNGAARDEN L. Mechanics of collapsing cavitation bubbles[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016, 29: 524-527. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2015.04.006.
[18] MEROUANI S, HAMDAOUI O, REZGUI Y, et al. Sensitivity of free radicals production in acoustically driven bubble to the ultrasonic frequency and nature of dissolved gases[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2015, 22: 41-50. DOI:10.1016/j.ultsonch.2014.07.011.
[19] BECKETT M A, HUA I. Impact of ultrasonic frequency on aqueous sonoluminescence and sonochemistry[J]. Journal of Physical Chemistry A, 2001, 105(15): 3796-3802. DOI:10.1021/jp003226x.
[20] POKHREL N, VABBINA P K, PALA N. Sonochemistry: science and engineering[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016, 29: 104-128. DOI:10.1016/j.ultsonch.2015.07.023.
[21] PRADHAN A A, GOGATE P R. Degradation of p-nitrophenol using acoustic cavitation and Fenton chemistry[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 173(Suppl 1/3): 517-522. DOI:10.1016/ j.jhazmat.2009.08.115.
[22] BAGAL M V, GOGATE P R. Wastewater treatment using hybrid treatment schemes based on cavitation and Fenton chemistry: a review[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, 21(1): 1-14. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2013.07.009.
[23] PANG Y L, ABDULLAH A Z, BHATIA S. Review on sonochemical methods in the presence of catalysts and chemical additives for treatment of organic pollutants in wastewater[J]. Desalination, 2011, 277(Suppl 1/3): 1-14. DOI:10.1016/j.desal.2011.04.049.
[24] ADEWUYI Y G. Sonochemistry: environmental science and engineering applications[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(22): 4681-4715. DOI:10.1021/ie010096l.
[25] KIM E, CUI M, JANG M, et al. Investigation of sonochemical activities at a frequency of 334kHz: the effect of geometric parameters of sonoreactor[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2014, 21(4): 1504-1511. DOI:10.1016/j.ultsonch.2014.01.003.
[26] MEROUANI S, HAMDAOUI O. The size of active bubbles for the production of hydrogen in sonochemical reaction field[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016, 32: 320-327. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2016.03.026.
[27] SUN D W. Emerging technologies for food processing[M]. London: Elsevier, 2005: 603-626. DOI:10.1016/B978-012676757-5/50025-6.
[28] MILNE L, STEWART I, BREMNER D H. Comparison of hydroxyl radical formation in aqueous solutions at different ultrasound frequencies and powers using the salicylic acid dosimeter[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, 20(3): 984-989. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2012.10.020.
[29] DALODIERE E, VIROT M, MOISY P, et al. Effect of ultrasonic frequency on H2O2sonochemical formation rate in aqueous nitric acid solutions in the presence of oxygen[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016, 29: 198-204. DOI:10.1016/j.ultsonch.2015.09.014.
[30] GOGATE P R, PRAJAPAT A L. Depolymerization using sonochemical reactors: a critical review[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2015, 27: 480-494. DOI:10.1016/j.ultsonch.2015.06.019.
[31] ANTTI G, PENTTI P, HANNA K. Ultrasonic degradation of aqueous carboxymethylcellulose: effect of viscosity, molecular mass, and concentration[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2008, 15(4): 644-648. DOI:10.1016/j.ultsonch.2007.09.005.
[32] YAN J K, WANG Y Y, MA H L, et al. Ultrasonic effects on the degradation kinetics, preliminary characterization and antioxidant activities of polysaccharides from Phellinus linteus mycelia[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016, 29: 251-257. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2015.10.005.
[33] ZUO J Y, KNOERZER K, MAWSON R, et al. The pasting properties of sonicated waxy rice starch suspensions[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2009, 16(4): 462-468. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2009.01.002.
[34] PARK D J, HAN J A. Quality controlling of brown rice by ultrasound treatment and its effect on isolated starch[J]. Carbohydrate Polymers, 2016, 137: 30-38. DOI:10.1016/j.carbpol.2015.10.045.
[35] CZECHOWSKA-BISKUP R, ROKITA B, ULA?SKI P, et al. Radiation-induced and sonochemical degradation of chitosan as a way to increase its fat-binding capacity[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, 2005, 236(8): 383-390. DOI:10.1016/ j.nimb.2005.04.002.
[36] JAMBRAK A R, MASON T J, LELAS V, et al. Effect of ultrasound treatment on solubility and foaming properties of whey protein suspensions[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 86(2): 281-287. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2007.10.004.
[37] MATOUQA M, SUSUMUB N, ANBER Z A, et al. The impact of high frequency ultrasound waves on diluted whey proteins resulted from dairy processing[J]. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, 2014, 5(1): 940-947.
[38] TEREFE N S, BUCKOW R, VERSTEEG C. Quality-related enzymes in plant-based products: effects of novel food-processing technologies part 3: ultrasonic processing[J]. Critical Reviews in Food Science & Nutrition, 2015, 55(2): 147-158. DOI:10.1080/10408398.2011.58613.
[39] BASTO C, SILVA C J, GüBITZ G, et al. Stability and decolourization ability of Trametes villosa laccase in liquid ultrasonic fields[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2007, 14(3): 355-362. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2006.07.005.
[40] NIKFAR E, DEHGHANI M H, MAHVI A H, et al. Removal of Bisphenol A from aqueous solutions using ultrasonic waves and hydrogen peroxide[J]. Journal of Molecular Liquids, 2016, 213: 332-338. DOI:10.1016/j.molliq.2015.08.053.
[41] CHEMAT F, GRONDIN I, SING A S C, et al. Deterioration of edible oils during food processing by ultrasound[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2004, 11(1): 13-15. DOI:10.1016/S1350-4177(03)00127-5.
[42] WAN J, MAWSON R, ASHOKKUMAR M, et al. Emerging processing technologies for functional foods[J]. Australian Journal of Dairy Technology, 2005, 60(2): 167-169.
[43] ASHOKKUMAR M, SUNARTIO D, KENTISH S, et al. Modification of food ingredients by ultrasound to improve functionality: a preliminary study on a model system[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2008, 9(2): 155-160. DOI:10.1016/ j.ifset.2007.05.005.
[44] GOLMOHAMADI A, M?LLER G, POWERS J, et al. Effect of ultrasound frequency on antioxidant activity, total phenolic and anthocyanin content of red raspberry puree[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, 20(5): 1316-1323. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2013.01.020.
[45] MASON T J, COBLEY A J, GRAVES J E, et al. New evidence for the inverse dependence of mechanical and chemical effects on the frequency of ultrasound[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2011, 18(1): 226-230. DOI:10.1016/j.ultsonch.2010.05.008.
[46] KODA S, KIMURA T, KONDO T, et al. A standard method to calibrate sonochemical efficiency of an individual reaction system[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2003, 10(3): 149-156. DOI:10.1016/ S1350-4177(03)00084-1.
[47] MOSTAFA M A K. Degradation of addition polymers by ultrasonic waves. VI. Effect of frequency[J]. Journal of Polymer Science, 1958, 33(126): 311-321. DOI:10.1002/pol.1958.1203312630.
[48] PETRIER C, JEUNET A, LUCHE J L, et al. Unexpected frequency effects on the rate of oxidative processes induced by ultrasound[J]. Journal of the American Chemical Society, 1992, 114(8): 3148-3150. DOI:10.1021/ja00034a077.
[49] TRAN K V B, KIMURA T, KONDO T, et al. Quantification of frequency dependence of mechanical effects induced by ultrasound[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2014, 21(2): 716-721. DOI:10.1016/ j.ultsonch.2013.08.018.
[50] LASTRE-ACOSTA A M, CRUZ-GONZáLEZ G, NUEVAS-PAZ L, et al. Ultrasonic degradation of sulfadiazine in aqueous solutions[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(2): 918-925. DOI:10.1007/s11356-014-2766-2.
[51] CZECHOWSKA-BISKUP R, ROKITA B, LOTFY S, et al. Degradation of chitosan and starch by 360 kHz ultrasound[J]. Carbohydrate Polymers, 2005, 60(2): 175-184. DOI:10.1016/ j.carbpol.2004.12.001.
[52] KODA S, TAGUCHI K, FUTAMURA K. Effects of frequency and a radical scavenger on ultrasonic degradation of water-soluble polymers[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2011, 18(1): 276-281. DOI:10.1016/j.ultsonch.2010.06.007.
Progress in High Frequency Ultrasound and Its Application for Degradation and Modification in Food Industry
WANG Danli1, MA Xiaobin1, WANG Wenjun1, ZOU Mingming1, DING Tian1, LIU Donghong1,2,*
(1. School of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Fuli Institute of Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)
Ultrasound can be divided into low frequency ultrasound and high frequency ultrasound. High frequency ultrasound, which is different from low frequency ultrasound in terms of cavitation efficiency, can produce a large amount of free radicals, and it has a good efficiency in degradation and modification and great application potential in the food industry. However, there are rarely systematic summaries of its application in this area. This article briefly illustrates the mechanism of action of ultrasound, and reviews the application of high frequency ultrasound in molecular degradation and modification. High frequency ultrasound can not only degrade macromolecules, but also can modify some of their groups and properties. Herein we also summarize the mechanism of the degradation and modification of polymer molecules in order to provide a theoretical basis for the application of high frequency ultrasound for degradation and modification of polymers.
high frequency ultrasound; degradation; modification; cavitation; free radicals
10.7506/spkx1002-6630-201621047
TS201.1
A
1002-6630(2016)21-0279-06
王丹麗, 馬曉彬, 王文駿, 等. 高頻超聲波及其在食品工業(yè)中的降解改性研究進展[J]. 食品科學, 2016, 37(21): 279-284.
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201621047. http://www.spkx.net.cn
WANG Danli, MA Xiaobin, WANG Wenjun, et al. Progress in high frequency ultrasound and its application for degradation and modification in food industry[J]. Food Science, 2016, 37(21): 279-284. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201621047. http://www.spkx.net.cn
2016-02-29
國家自然科學基金面上項目(31371872)
王丹麗(1993—),女,博士研究生,研究方向為超聲多糖改性。E-mail:wangdl418@163.com
*通信作者:劉東紅(1968—),女,教授,博士,研究方向為食品加工與工程。E-mail:dhliu@zju.edu.cn