试论超声波杀菌在制糖工艺中的应用

徐传

广西建工集团第一安装工程有限公司 广西南宁市 530200

摘要：超声波技术自身所具有的特点有很多，诸如操作便捷、容易维护、绿色和自动化水平高等优点，这项技术也在因此受到多方人员的关注。目前，把超声波技术应用到制糖工业中是人们重点关注的内容之一，在提升制糖效益方面取得了巨大的进展。笔者结合多年工作经验，深入分析超声波杀菌在制糖工艺中的应用，希望可以给相关专业人员提供借鉴与参考，推动我国制糖工艺的可持续发展。

关键词：超声波；杀菌；制糖工艺

前言

在制糖现代化工艺中，由于甘蔗自身以及环境本身都存在着一定的微生物，导致压榨出来的蔗汁也含有许多的微生物，其中有的微生物对蔗糖的转化起到了积极作用，比如，肠膜串珠菌的存在。稀糖液的环境容易出现肠膜串珠菌，且肠膜串珠菌在中性和弱酸性中繁殖会非常迅速。肠膜串珠菌不但可以将蔗糖内的葡萄糖转变成葡聚糖，葡聚糖胶体会在蔗汁箱和设备的角落内形成团状白色珠状，通常被称为“蔗饭”，且它会加大煮练的难度。而且肠膜串珠菌能够将蔗糖里的果糖变为有机酸，可以将0.05%的葡聚糖变为0.07%的有机酸。有机酸能够溶在水中，所以在进行澄清时，灰量要根据蔗汁内的有机酸含量的多少进行添加，同时，灰量越多含钙量就会越高。与化学方法转换蔗糖相比，微生物要高出20-40倍，转换的效率非常高效。所以，减少蔗汁内的微生物会使蔗糖的转换率变低，在制糖生产实践中通过提升压榨率，给煮练提供品质好的蔗汁可以提升煮练的回收率。

1超声波的工作原理

在超声波制糖过程中，超声波是通过部分排列整齐的纵波组成的，由液体介质来向其周围传播。当声能达到需要时，液相分子之间的吸引力会在疏松的半周期期间内被打破，构成一个寿命时间为0.1us的空化核。它能在爆炸时产生大约4000K和100MPa的局部高温和高压环境，并以大约110米/秒的速度产生一次强烈冲击的微射流，且被称为超声空化。通过微射流将在界面的地方产生一种强烈的机械搅拌效应，这种效应可能会打破层流边界的局限性，进而加强界面中的化学的反应和转移过程。

制糖的过程主要是利用超声波所具有的机械效益以及化学效益。机械效益会使非均相反应出增大界面，且反应出界面更新，涡流效应引起的传质和传热过程加强。化学效益与空化泡中的热解、化学键断裂、自由基生成及相关反应有关。通常来说，在这个过程中两者都起到了作用。

超声阻垢和超声提升石灰消和度与超声杀菌灯都是超声波在制糖工业中的具体应用。以下是其在制糖工业中应用的具体表述。

2超声波杀菌在制糖工艺中的应用

2.1超声波杀菌原理

使用超声波进行杀菌，其主要依赖于超声波在工作的过程中会产生一种超声空化的效果，空化会发出微射流，微射流会在界面之间形成强烈的机械搅拌效果，微生物在搅拌的作用下，其表面以及结构都会受到损伤，内溶物将会泄露，进而能够导致微生物死亡。在传统的糖生产工艺中，工厂环境和甘蔗本身都会含有很多的微生物，其蔗糖的转换主要是由肠膜串珠菌来完成的，它所转换的效率是化学转换的十倍以上。不仅如此，其他微生物制造的酸性物质会使转换速度加快，但会使煮练和澄清的难度变大，还会造成堵塞的现象，降低了制糖工艺的效率。

因此，为了最大限度地减少蔗糖转换的损失，要适当的对微生物进行损害以及抑制，特别是进行压榨时的灭菌，这能够给制糖公司带来不错的收益。传统灭菌主要是在压榨时期进行，使用的方式有:高压蒸汽灭菌和石灰以及二氧化氯。随着技术的成熟，超声波杀菌技术被广泛的用于食品行业，可作为饮料、牛奶或调味品和冷冻食品的保鲜手段。通过对大量实践数据进行分析得出，利用实验能够探明超声波在制糖工艺中的杀菌效果。用糖厂的混合汁作为原料，主要工具有恒温箱、干净的工作台以及超声波净化仪，通过菌落的总数来制定方法。首先需要制备所需要的菌体培养基，消除皿器中的细菌，采取样品，并将稀释后的糖倒入平板内，以及空白对照等一系列流程之后，能够得出样品能够超声波进行辐射的时间单因素的实验；只针对超声波功率的实验；以及只针对超声波温度的实验，具体结果如下：①当超声波辐射时间变长时，其杀菌的效果也会更加明显，但20分钟会接近一下饱和的状态。②功率是700W的超声波能够消灭90%的细菌，且解决饱和状态。③微生物对温度比较敏感，但在实验过程中，超声波的温度消灭细菌的效果并不明显。由上可以得出，使用超声波消灭细菌最佳时间是30分钟，且功率最好在700W上下，其温度最好是36℃，这样能够使细菌的死亡率在94%左右。

综上可以看出，使用超声波进行杀菌在制糖工艺中有着很大的潜力。以往的传统制糖工艺中，灭菌的效果比较差，导致蔗糖转换的效果不好，但使用超声波灭菌能够很好的解决这个问题，且使制糖企业的经济收益比较好。

2.2超声波杀菌在制糖工艺中的影响因素

使用超声波进行杀菌，其效果主要由超声波的强度；进行照射时间的长短；微生物的种类和数量；超声波的频率等因素决定，其中它的强度、频率和温度是最为重要的。

(1)强度

一般而言，超声波的强度就是单位面积的声功率。通常，如若声功率超过0.4W时，溶液就可能会发生空化。此外，当空化效果比较强的时候，将会给机械的表面带来一定的伤害，且会产生饱和现象，在这种情况下，就算增大其功率，其灭菌效果也不理想，严重影响制糖的效率和质量。所以，在超声波制糖过程中，要控制好超声波的强度，否则会起到相反的效果，不仅不会提升制糖的效率，还会影响制糖效果。

(2)频率

在制糖生产工艺中，利用超声波灭菌时，超声波的频率也是一项非常重要的指标。经大量的实验验证，超声波的频率和超声空化密切相关。当频率较低时，比较容易产生空化现象，但是噪音会比较大；而频率高时的噪音比较小，但杀菌效果不佳。因此，利用超声波杀菌作用制糖时，必须控制好超声波的频率，有效提升制糖生产效率。

(3)温度

在制糖生产工艺中，利用超声波灭菌时，温度是影响灭菌率的重要因素，要控制温度处于合适的范围内。合适的温度能够加强超生空化，且还可以减少杀菌的时间。但需要注意一定要将温度保持在合适的范围，温度过高会产生一定的蒸汽压力，进而会影响到空化的作用。

2.3超声波杀菌结果

通过大量的实践经验和数据表明，超声波的辐射时间越长，杀菌的效果也会越好，制糖生产效率也就更好。一般情况下，如若超声波的辐射时间达到20分钟以上，超声波的杀菌效果能够达到87.52%。但如果在这个基础上持续进行照射，超声波的杀菌效果就会没那么明显，会逐渐达到一个饱和状态。研究发现5分钟和10分钟时的杀菌效果比较差，且致死率还不到80%，因此排除这两个时间段，在确定响应面优化的实验过程中，将超声波的时间设为最低15分钟，最高30分钟。此外，超声波功率在200瓦~ 300瓦范围内时，致死率小于50%，变化也不会很大。但加大超声波的功率，杀菌效果就会越来越好，致死率会超过50%。当超声波的功率为700w时，致死率可达88.27 %。确定响应面优化的实验使用的是400w-700w的超声波。

结语

综上所述，灭菌功能只是超声波的一部分，使用超声波进行除垢以及防垢的效果也很明显。超声波空化所产生的机械和化学效应被广泛用于糖的生产过程中，但目前还要继续研究。然而，当前的问题是要提升超声波的速度和效率；以及使用超声波灭菌的效率，以防止在产生过程中产生不好的物质。我相信，随着超声波技术的逐渐成熟，在制糖工艺方面的应用将会越来越好。

参考文献

[1]王心磊. 超声杀菌技术对大肠杆菌O157:H7及其生物膜的杀菌机制研究[D].江苏大学,2020.

[2]楚文靖,叶双双,张付龙,王贤,尚传仙.超声处理对蓝莓汁杀菌效果和品质的影响[J].食品与发酵工业,2020,46(13):203-208.

[3]迟玉杰,闫露露,赵英,马艳秋.蛋清液中大肠杆菌超声协同热处理杀菌动力学研究[J].农业机械学报,2020,51(01):313-321.

作者简介：徐传（1970-），男，中级职称，本科学历，专业制糖工程，从事糖厂工艺和设计工作。