前言
长期以来广大科研工作者都知道超声在表征本体状态的液体状食品时具有独特的优势，无需样品制备及样品破坏。它可用于在线过程控制，这使得超声技术更为引人注目。然而，除了可能用于监控酒精含量的一种工艺应用以外，超声技术大部分仍用于科研领域。我们认为此时促进超声技术在食品工业中的应用适逢其时，为此，我们在这篇应用文章中对大多数基本的问题予以解答。
我们可以从超声测量结果中得到食品的哪些信息？
表征过程、超声衰减或声速的*佳参数是什么？
为什么在通过非均相体系时超声会衰减？
在食品中超声衰减和声速的可能范围是什么？
超声衰减和声速测量所需要的精度是什么？
需要的频率范围是什么？
所有的这些问题是通过试验数据来说明问题，而不是复杂的数学分析。我们也提供几种超声谱应用用以表征真正的食品，这些应用包括：
用声速表征水中酒精含量，而不是超声衰减；
用超声衰减表征乳制品中脂肪含量；
表征无稀释的牛奶原液中脂肪液滴粒度分布；
表征无稀释或融化的黄油中水滴；
用声速表征当牛奶变质时的化学反应；
水中橙油乳剂的稳定性；
乳剂对剪切力的灵敏度。
本文中所有试验数据均使用Dispersion Technology Inc.（美国DT公司）的DT-1200超声与电超声分析仪测量。
本文第二部分介绍了电超声技术在食品中的应用。
介绍
在一种连续的液相体系中通过的超声会与液相体系反应并随之改变超声的性质，如强度和相位。超声强度的衰退通常称作超声衰减。超声的相位与超声通过一定液相体系传播的速度相关。这两种超声性质（衰减和声速）的变化量取决于液相体系的性质。如果我们测量超声性质的变化量，我们能够得到一些关于液相体系的性质的信息。
这是一种旧观念，对于非均相液相体系在上个世纪超声技术发展的历史回顾可以参看已出版的专著【1】。这些超声技术的发展使得我们具有对通过非均相液相体系的超声传播机理比较完整的理解。这能够让我们构建利用超声表征多种真正非均相液相体系的仪器。目前全球数百家科研机构、企业等在使用这项新技术表征陶瓷、颜料、乳胶、乳剂及微乳剂、水泥、粘土、各种氧化物、摩擦材料、化妆品、纳米材料等。本文将为您介绍这项技术如何在食品测量中应用。
我们首先描述超声测量的一般原理，然后针对几种乳制品的测量数据进行分析。
超声测量
有两种大多数都接受的方法用以测量液相体系的超声性质变化量：干涉法和透过法。我们已在专著【1】中讲述了这两种方法的一般原理和不同点。通常广泛接受透过法更适合于测量超声衰减。这里我们将展示这种方法用于声速测量时也与干涉法一样适用。因此在本文我们将主要讨论透过法。
图1说明了透过法的主要原理。压电陶瓷超声发生器产生一定频率和强度的超声脉冲，并传播到样品中。由于与样品的相互作用超声脉冲强度衰退。压电陶瓷接收了这种微弱的脉冲信号并将它转为电脉冲信号，并将电脉冲信号送至电子元器件与初始脉冲信号作对比。这表明通过样品传播的超声脉冲强度是一种原始数据。
另外我们能够测量脉冲传播的时间和相位。
图1透过法超声谱图解
用户可能会感兴趣的在此提到超声与光学测量的类似之处。在光学方法中我们测量某一角度的散射能量（见图1）。原理上超声也可作同样的测量。然而，通过透过能量的测量更具有优势，可以避免多重散射造成不必要的影响。很清楚向前传播的脉冲不受多重散射的影响，它的衰减仅仅由于单一的散射。这种超声测量的特性长期以来为人所知【2】。它完全消除了多重散射问题。这是测量高浓度体系时超声技术相对于光学技术的优势。
我们可以从超声测量结果中得到食品的哪些信息？
根据分散体系模型的等级，超声衰减原始数据可以通过几个步骤予以解释。步是纯粹的现象学方法，它不需要研究体系的假设或模型。这一步骤包括体系的声学或流变学参数的计算。声学参数是衰减和声速。在图1和图2中给出了原始数据（输出强度和传播时间）和声学参数的关系。
根据图2中的公式也可以计算流变学参数。必须考虑到纵向粘弹性，因为压力是正常的、而不是切向的，所以它不同于传统的剪切粘弹性。超声方法在高频率下测量，这导致测量结果要远高于通常的流变学数据。然而，与传统的剪切力粘弹性参数一样，这些流变学参数可以用于研究过程的经验性校正。
图2声学谱原始数据的说明
下一步转换需要真实分散体系的模型化处理。如果对特定的分散体系进行足够的模型化，声学性质能够转换为颗粒粒度分布，或转换为在结构化的分散体系中束缚颗粒在一起的具体力学性质。例如，因为我们能够将牛奶模型化为蛋白、糖等水溶液中脂肪液滴的集合体，因而可以计算脂肪液滴在牛奶中的粒度分布。我们甚至能够在黄油中进行牛奶脂肪中水滴粒度的类似计算。
这些计算需要声学在非均相体系传播的理论。我们*近的专著【1】对这一理论做了一般性回顾，足够用于直至50%（体积浓度）、可能的结构性或包括几种分散相的高浓度体系。在专著中第六章证明了这一观点。
表征过程、超声衰减或声速的*佳参数是什么？
正如我们在上面提到的，有两种可测量的声学参数：衰减和声速。这个问题导致哪一个能够在给定的食品中更好地表征特定的影响。在一般的科研文献中这个问题有两个答案。例如，在食品超声表征领域非常著名的科学家J.McClements强调声速的重要性【3】。相反地，我们美国DT公司研究团队更重视衰减。很明显这个问题应予以特别的考虑。
图3水相对于几种简单的化合物浓度的声速
我们做了几个简单的测试以回答这个问题。首先我们测量了水改变几种简单化合物浓度后的声速，可以得到声速对于化合物组成非常敏感。简单的盐溶液中浓度每变化1 M/L则声速改变大约100 m/s。随后我们将展示测量声速精确到大约1 cm/s是可能的。这意味着我们可以利用声速能够监测化合物成分变化精确到0.0001 M/L。
声速对于温度也非常敏感。对于水来说，温度每变化1摄氏度则声速变化2.4 m/s。
图4几种1 M/L电解质溶液的衰减谱，DT1200
相应地衰减对化合物成分不太敏感。图4展示了浓度为1 M/L的相似化合物添加剂水溶液的衰减谱，从图中可以看到甚至在这一非常高的浓度时衰减仅对相当带电离子有明显改变。这种影响在低浓度时不明显，这可以期待在食品应用中体现。图5展示了甚至对于2:2价盐类声学衰减仅仅在0.14 M/L变化0.1 dB/cm/MHz。一般地可以推断化合物浓度变化对衰减的影响在小于0.1 M/L时可以忽略不及。
图5硫酸铜水溶液的衰减谱
为什么在通过非均相体系时超声会衰减？
有一个普遍的公式可以描述任何能量在非均相体系中的传播：
衰减 = 散射 + 吸收
根据韦伯斯特字典：
散射：在几个方向分开并行进；在不规律的分散物质中反射和折射；
吸收：吸收了并且没有反射
将这些概念应用到超声中，我们可以说超声在非均相体系中传播时被散射和吸收。散射是由传播途径中的颗粒造成的简单地改变传播方向。吸收是由于超声与介质中颗粒的相互作用将超声能量转化为热量。
液体介质的超声吸收通常称作固有衰减，是由于分子水平的一系列相互作用。图4和5显示的衰减就是不同化合物组分水溶液的固有衰减。首先由Stokes于1845年发现了固有衰减与液体粘度之间有直接的关系【5】。被低密度反差颗粒吸收的超声通常称作热衰减，这是Isakovich在60多年前提出的【6】。热衰减取决于颗粒粒径，详细理论请查看专著【1】。
这得出了颗粒粒径以及在多数情况下热膨胀可以通过测量的衰减谱计算得到，我们将通过以下牛奶和黄油为例说明。
图7几种乳制品的超声衰减
图8低脂肪含量牛奶的精确测试
在食品中超声衰减和声速的可能范围是什么？
对于几乎所有食品，声速在1000 – 2000 m/s范围内。水基食品的声速接近1500 m/s，这是室温下水中的声速。衰减在非常宽的动力学范围变化，这就是为什么将它表示为Log标尺、也就是dB。
水是*小衰减的液体，它的衰减以dB/cm/MHz为单位表示，频率在0.2 - 100 MHz衰减线性增加。
图7展示了不同脂肪含量的乳制品测量得到的一系列衰减曲线。
图9通过理论拟合的衰减谱计算得到牛奶中脂肪液滴的粒度分布
超声衰减和声速测量所需要的精度是什么？
声学测量精度直接取决于处于研究中的体系表征的其他参数的精度。例如，实际上不可能维持样品和仪器的温度一致到小于0.01摄氏度的变化量。我们知道温度变化1摄氏度导致水的声速变化2.4 m/s。根据这一关系，0.01摄氏度的变化量相对应于声速变化量约1 cm/s，大约绝对声速的10-5。因为不可控的温度变化会使声速测量误差加大，所以单纯的声速测量高精度变得无意义。
对于表征大颗粒含量的超声测量我们已经做到了这一分辨率【1，第八章】。这说明为了在100,000个100 nm的颗粒背景下分辨一个1 μm的颗粒，则衰减的测量精度要达到0.01 dB/cm/MHz。
图8展示了超声衰减具有用于食品测量精度的可能性。
图10通过理论拟合的衰减谱计算得到黄油中水滴的粒度分布
需要的频率范围是什么？
使用的频率范围越大，可以越多地得到体系的信息。例如，我们可以通过声学衰减测量得到颗粒粒度分布。在频率范围1 – 100 MHz测量可以表征小至5 nm的粒径，可以查看庚烷中水微乳剂的结果【1，188页】。
牛奶和黄油中颗粒粒度分布
牛奶是可以证实超声技术表征颗粒粒度分布能力的一种样品。它是已知脂肪含量的水包油乳剂。除了脂肪液滴之外，水中还包含一定控制量的蛋白和糖。通常认为这种溶液是一种复杂分散体系。然而，这可以将蛋白和糖对超声的影响归结为液体的固有衰减。图8展示了在水与无脂肪牛奶之间的超声衰减是一定可重复测量差值。
图9展示了由图7中牛奶整体的衰减计算脂肪液滴粒度分布结果。图中右侧第二张图显示了固有衰减（无脂肪牛奶）和热衰减（脂肪液滴）对于总体测量衰减的贡献。热衰减可使用以下牛奶脂肪的热学性质计算：热导 = 4、Cp = 1.3、热膨胀 = 6.2。
图10展示了由图7中测量的衰减计算得到黄油中水滴的粒度分布。第二张图显示了固有和热贡献的理论衰减值。此例中固有衰减很高，因为它是依照纯脂肪、而不是水。这一计算使用与整体牛奶实例中相同的脂肪热动力学特性。
图10通过理论拟合的衰减谱计算得到黄油中水滴的粒度分布
需要的频率范围是什么？
使用的频率范围越大，可以越多地得到体系的信息。例如，我们可以通过声学衰减测量得到颗粒粒度分布。在频率范围1 – 100 MHz测量可以表征小至5 nm的粒径，可以查看庚烷中水微乳剂的结果【1，188页】。
牛奶和黄油中颗粒粒度分布
牛奶是可以证实超声技术表征颗粒粒度分布能力的一种样品。它是已知脂肪含量的水包油乳剂。除了脂肪液滴之外，水中还包含一定控制量的蛋白和糖。通常认为这种溶液是一种复杂分散体系。然而，这可以将蛋白和糖对超声的影响归结为液体的固有衰减。图8展示了在水与无脂肪牛奶之间的超声衰减是一定可重复测量差值。
图9展示了由图7中牛奶整体的衰减计算脂肪液滴粒度分布结果。图中右侧第二张图显示了固有衰减（无脂肪牛奶）和热衰减（脂肪液滴）对于总体测量衰减的贡献。热衰减可使用以下牛奶脂肪的热学性质计算：热导 = 4、Cp = 1.3、热膨胀 = 6.2。
图10展示了由图7中测量的衰减计算得到黄油中水滴的粒度分布。第二张图显示了固有和热贡献的理论衰减值。此例中固有衰减很高，因为它是依照纯脂肪、而不是水。这一计算使用与整体牛奶实例中相同的脂肪热动力学特性。
图11水包油乳制品衰减
衰减测量确定脂肪含量
脂肪含量对于乳制品是非常重要的质量控制参数。超声衰减测量方法可以不用特殊处理样品即可表征这类样品。图7展示了几种乳制品的衰减谱。很明显增加脂肪含量则衰减增加。图11显示这对于水包油乳制品更为明显。
图12一定频率下水包油乳制品衰减与脂肪含量关系图
这可以很方便地在一定频率范围表征所有测量产品的脂肪含量并得到衰减与脂肪重量比。图12展示了44 MHz频率时的相互关系。可以看出衰减和脂肪含量之间实际上有一定的线性相关性。这可以用作确定这一参数的一种简单和直接的方式。
因为由不同品牌的同类乳制品衰减谱实际是一样的，因此我们可以期待这一步骤具有高重现性。图13显示了两种不同50%-50%牛奶的衰减谱。
用声速表征当牛奶变质时的化学反应
牛奶变质很明显与复杂的生物化学反应相关。这意味着当牛奶变质时声速必须及时变化，因为如同我们上面所述，声速对体系的化学组成敏感。预期的声速变化很小，监控这些变化需要稳定的温度。在目前的实验中维持温度稳定在0.05℃以内，并且测量精度为0.001℃。
图14展示了声速测量结果，这是相位测量。数据获取非常快，每个测量周期位1分钟。
如同期望的一样，可以看到实际上曲线随时间偏移到更短的时间。
有意思的是衰减实际上并没有变化。图14中第二张图说明了26℃时两个选好的频率下衰减。可以看到衰减在几乎12小时内始终保持在精确的范围内。这说明脂肪液滴的粒径在变质的阶段仍保持一致。
图13不同品牌50%-50%牛奶的衰减
图14两个不同温度时牛奶的声速与时间关系
水中橙油乳剂的稳定性
牛奶的例子并不意味着当稳定性改变时食品乳剂的衰减总是一直恒定。图15显示了不稳定的水中橙油乳剂随时间变化的衰减。可以看到在18个小时的试验过程中衰减在连续地变化，有两种衰减的影响同时出现。首先，试验过程中总的衰减减小；这个减小量反映了橙油的乳化，以及随之产生的在声波通道内的油相重量比减少。其次，除了这个明显的乳化效应，衰减谱的形状也改变，液滴粒径由于聚集而演变的反应。图16展示了中值液滴粒径及标准偏差的时间相关性，如同由图15展示的这些衰减谱计算得到的一样。可以看到在初期的6个小时后中值粒径从400 nm到700 nm、增大了近一倍。有意思的是在这时间内，液滴粒度分布的宽度变窄了，这暗示小液滴在快速地聚合成大液滴。
图15不稳定的10%（重量比）水中橙油乳剂衰减谱
图16橙油液滴平均粒径和标准偏差的时间变化
乳剂对剪切力的灵敏度
通常乳剂的稳定性不仅仅依靠表面活性剂的含量，而且依靠任意施加的剪切力。通过对乳剂施加剪切力，我们可以得到两种相对应的影响：小液滴聚合成更大的液滴，较大的液滴分裂成更小的液滴。哪一个影响控制着过程大多数情况下还不清楚，声学谱提供了一种有效的途径回答这个问题。
图17连续剪切下19%（重量比）水包油乳剂的衰减
为了解决有关剪切力的影响问题，19%（重量比）水包阴离子油乳剂的衰减谱持续地测量，与此同时用蠕动泵连续循环泵乳剂20小时。图17中*上面两条曲线显示的是这个长期试验的开始和结束的衰减谱。图18展示了仅仅两个设定频率（4 MHz和100 MHz）的衰减与时间的关系，其中左侧图描述了试验中渐变的时间相关性。
图18剪切效应引起19%（重量比）水包油乳剂的液滴粒径和衰减的变化
然而更重要的是我们可以看到随剪切相关变化有两个十分不同的特征时间常数。在首先的200分钟4 MHz时衰减变化相当快速，然后就保持或多或少的常量。相对应的，100 MHz时20小时试验周期内的衰减呈指数变化，并且明显地*终也未能到达一个稳定的值。我们认为低频衰减变化量反映了大液滴分裂成小液滴，而高频衰减变化量反映了小液滴聚合成大液滴。图18右侧图显示了试验开始和结束阶段液滴粒度分布。
结论
1. 声谱产生试验数据用以表征声学（声速和衰减）以及高频扩展粘弹性质。
2. 声学衰减频率谱是较好的表征分散相和相组成的渠道，特别地是当适当的体系模型构建完成时它可用于计算颗粒（液滴）粒度分布。
3. 衰减对温度不敏感。
4. 声速能够较好地用于表征化学组成或分子水平产生的化学反应。
5. 声速对温度非常敏感。
6. 在1 – 100 MHz频率范围，食品的超声衰减从0.01 dB/cm/MHz到20 dB/cm/MHz变化，它与频率非常相关。
7. 食品的声速从1000到2000 m/s变化，它对频率不敏感。
8. 衰减测量需要精确到0.01 dB/cm/MHz。
9. 声速测量需要温度稳定在0.1 ℃时精确到1 cm/s。
10. 单一频率时声衰减用于表征乳制品的脂肪含量。
11. 声衰减产生不同牛奶中脂肪液滴粒度分布的信息。
12. 声衰减产生无融化和稀释的黄油中水滴粒径的信息。
13. 声速是牛奶中生物化学反应的一种指示方法。
14. 声衰减使得监控不稳定食物乳剂中液滴粒度分布变化成为可能。
15. 声衰减使得监控剪切条件下食物乳剂中液滴粒度分布变化成为可能。
参考文献
1. Dukhin, A.S. and Goetz, P.J. “Ultrasound for characterizing colloids. Particle sizing, Zeta potential, Rheology”. Elsevier, 2002
2. Morse, P.M. and Uno Ingard, K., “Theoretical Acoustics”, 1968 McGraw-Hill, NY, 1968, Princeton University Press, NJ, 925 p., (1986)
3. McClements, D.J. “Ultrasonic Characterization of Emulsions and Suspensions”, Adv. Colloid Int. .Sci., 37, 33-72 (1991)
4. Rayleigh, J.W. “The Theory of Sound”, Vol.2, Macmillan and Co., NY, second edition 1896, first edition (1878).
5. Stokes, “On a difficulty in the Theory of Sound”, Phil.Mag., Nov. (1848)
6. Isakovich, M.A. Zh. Experimental and Theoretical Physics, 18, 907 (1948)
