不同频率超声空化提取花生油的研究

背景介绍

近年来超声技术主要通过空化现象在食品物理加工中得到广泛应用。超声波提取油脂是一种典型的物理加工技术。尽管提取率有所提高，但同时也促进了油脂的氧化。因此，必须在超声场中深入研究油脂氧化的空化机理，即对油脂提取过程中超声空化场进行监测和分析，并在此基础上建立油脂氧化有关的物理场与空化之间的协同关系。

本研究拟研究超声频率对油脂提取率和氧化稳定性的影响，获得不同超声场下空化气泡的振荡行为。通过频率分析和数值计算解释超声空化的机理，从而为化学和物理方面有效控制空化氧化提供理论基础。

实验方法

粉碎100g去红衣的花生种子，以固液比1/6 g/ml与正己烷混合后取600 ml超声处理（图1）。超声发生器产生超声电信号，平板超声换能器（谐振频率为20、28、40和60 kHz）接受电脉冲，在反应器转化为高频机械振荡，并对其超声空化场实时监测。超声提取30 min，反应温度控制在30℃，随后将不同功率的提取溶液3000 rpm离心10 min，取上清液旋蒸去除正己烷得到萃取花生油。混合花生粉末和正己烷，在室温下静置60 min，离心旋蒸提取花生油作为空白对照。最后，检测制备的花生油其过氧化值、酸价、茴香胺值等值，并分析了超声空化气泡的分布与振荡。

图1 花生油提取及超声波场监测示意图

结果与分析

超声波可大大提高在给定时间内花生油的提取率，这主要与超声波产生的空化和机械效应有关。超声波能有效地破坏细胞壁物质，加速溶液分子运动，使有效成分快速游离到溶液中。当超声频率低于40 kHz时，提取率随频率增加而增加（p<0.05），高于40 kHz时则下降（p<0.05）（见图2）。这与共振频率fr变化一致，空化强度随超声频率接近而增大，当空化强度大于fr时，空化强度减小。与提取率相比，最大电压幅值有相似的变化趋势。

空化效应在超声提取花生油的过程中起着重要的作用。采用PVDF传感器对花生油提取过程中的超声空化场进行实时监测，分别在0 min、15 min、30 min、45 min和60 min时记录电压波形，发现电压幅值出现在470~560 μs之间（图3）。在电压波形的一个周期期间，对于20 kHz和28 kHz的超声频率，头波的振幅相对较低，空化时间较长，空化速度较慢。超声频率为40 kHz和60 kHz时，头波的幅值更大，波形的电压幅值在超声空化场中立即到达，空化发生更快，效果更明显。在频率为40 kHz的超声空化场中，空化作用最快，空化强度最强，从而影响萃取率。

经过分析制备的花生油的过氧化值（PV）、酸价、酸值、茴香胺值（AV）和Totox值（TV）发现：过氧化值（PV）、酸价、酸值、茴香胺值（AV）和Totox值（TV）随着超声频率的增加，开始不断增大（20-40 kHz），随后减小（40-60 kHz）。这主要是基于空化和机械效应，当超声频率低于共振频率（40 kHz）时，空化强度随频率的增加而增强，瞬时高温高压可能会导致花生油更快氧化；而当频率超过40 kHz后，空化强度随频率的增加而减弱，氧化程度降低。

空化效应是指超声场中空化气泡所产生的各种活动，如振动、扩大、溃灭等。超声瞬间空化释放高压，形成冲击波，通过增强分子碰撞增强化学反应性。空化效应还具有高温高压和高梯度流动的特点，从而强化了传质过程。

通过MATLAB软件的仿真模型分析溶液中空化气泡在不同超声场中的振荡行为，研究发现达到最大气泡半径的时间越长，振荡周期越长，空化强度越弱。在20 kHz和28 kHz的超声场中，空化泡的振荡周期较长，空化作用较慢；随着频率的不断增加，声波膨胀阶段的时间变短，空化核没有时间达到发挥空化效应的尺寸。高频超声场的能量消耗很快，即相同的空化效应会消耗更多的能量。鉴于上述原因，超声频率为60 kHz时最大气泡半径最小，空化强度最弱。相比之下，超声频率为40 kHz的空化强度最强。

图2 不同超声频率下花生油的提取率及最大电压幅值

图3 花生油提取过程中不同超声空化场的电压波形

结论

本研究利用超声波技术，对花生油提取过程中的不同超声空化场进行了实时监测。比较了花生油提取率和氧化稳定性，计算了空化泡的振荡行为，研究了超声空化对花生油氧化的机理。电压幅值越高，达到最大波形幅值的时间越短，空化效应越强。通过对不同频率超声场下的空化效应进行数值计算，发现空化效应与提取率、花生油的氧化特性以及空化气泡的振荡密切相关。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.12.034

供稿人：

李甜