多頻超聲波清洗機在葉類蔬菜清洗中的應(yīng)用

杜彥生,許海寧，代春華,*，王新會，何榮海，馬海樂

（1.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院-食品物理加工研究院,江蘇 鎮(zhèn)江212013;3.江蘇江大五棵松生物科技有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江212009）

蔬菜富含人體所需的多種維生素、礦物質(zhì)及膳食纖維，是平衡膳食的重要組成部分[1-2]。清洗是蔬菜加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對其品質(zhì)至關(guān)重要[3]。蔬菜的清洗難度較大，尤其葉類蔬菜質(zhì)地松軟，比重輕且葉面積大，清洗過程中易造成碰傷，且褶皺部位難清洗干凈。傳統(tǒng)的蔬菜清洗設(shè)備主要是滾筒式、毛刷式、氣浴式、水流式等，通過摩擦、水流、氣泡等與物料相互間的耦合作用去除蔬菜表面的雜質(zhì)。其中滾筒和毛刷清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、清洗作用力強、清洗效果好，但清洗過程中物料受損嚴(yán)重。氣浴和淹沒射流清洗方式柔和，物料受損小，但清洗效果差，主要用于切制后的蔬菜清洗[4-7]。

目前，國內(nèi)尚未有專門的葉類蔬菜清洗設(shè)備。近年來，超聲波在食品加工中的應(yīng)用越來越廣泛，但其在蔬菜清洗方面的研究尚處于探索階段[8]。超聲清洗主要是利用其空化作用實現(xiàn)的，當(dāng)超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，將存在于液體中的微小氣泡激活，表現(xiàn)為泡核的形成、振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學(xué)過程。在空穴崩潰過程中，周圍產(chǎn)生高溫、高壓及射流現(xiàn)象，引發(fā)底物發(fā)生一系列物化效應(yīng)，達(dá)到清洗蔬菜的目的[9-11]。本研究將自行研制的超聲清洗設(shè)備用于消費量較大的葉類蔬菜（生菜）的清洗，并與氣泡式清洗方式對比，以期為葉類蔬菜超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供理論依據(jù)和實際指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 蔬菜原料

生菜購買于鎮(zhèn)江市學(xué)府路農(nóng)貿(mào)市場，為當(dāng)天采摘的新鮮蔬菜。

1.2 試驗設(shè)備

超聲波蔬菜清洗機及氣泡式蔬菜清洗機均由江蘇大學(xué)自行研制。超聲波蔬菜清洗設(shè)備適應(yīng)于脫水蔬菜企業(yè)的多種模式超聲波清洗。對于不同蔬菜，可采用不同頻率和場強的超聲波進(jìn)行生產(chǎn)和研究。

1.2.1 設(shè)備組成

超聲波蔬菜清洗機由清洗槽、超聲波發(fā)生器、電氣柜及超聲波振盒組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 超聲波清洗機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of ultrasonic cleaning machine

超聲波蔬菜清洗設(shè)備為六頻發(fā)散式超聲波反應(yīng)系統(tǒng)，由超聲波發(fā)生器和超聲波振盒兩部分組成（圖2），其中電氣柜是機器的電源和控制系統(tǒng)，由可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）、電氣總成和觸摸屏等組成，包括：超聲波發(fā)生器、觸摸屏和控制系統(tǒng)；超聲波振盒由超聲波換能器、振盒及與超聲波電源相連的電纜組成。

圖2 超聲波控制裝置與超聲波振盒Fig.2 Ultrasonic control device and ultrasonic vibration box

1.2.2 設(shè)備的技術(shù)配置

系統(tǒng)設(shè)備配置如表1所示。

表1 超聲波清洗機參數(shù)Table 1 Parameters of ultrasonic cleaning machine

1.2.3 各組成部件功能與操作設(shè)置

1.2.3.1 超聲波發(fā)生器

產(chǎn)生超聲波電信號，為換能器供給脈沖電能的電氣裝置。

1.2.3.2 觸摸屏

與PLC通訊的人機界面。用于選擇和運行/停止超聲波系統(tǒng)的人機對話窗口，可設(shè)置超聲波的工作模式（同時工作或順序工作），設(shè)定超聲波的工作時間和間隔時間。

1.2.3.3 控制系統(tǒng)

與超聲波系統(tǒng)的通訊由電氣控制箱完成。操作過程在觸摸屏上實現(xiàn)。

1.2.3.4 換能器

將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波電能轉(zhuǎn)換成高頻機械振蕩，通過超聲波振盒將超聲波能量傳入洗菜水中，從而達(dá)到清洗蔬菜的目的。

1.2.3.5 超聲波振盒

浸入蔬菜清洗機水中，向水中發(fā)射超聲波能量。

1.2.3.6 超聲波參數(shù)調(diào)節(jié)

打開超聲波發(fā)生器開關(guān)進(jìn)行超聲電源初始數(shù)據(jù)設(shè)置。超聲頻率：超聲波功能面板的顯示窗直接顯示該發(fā)生器提供的頻率（出廠時已校核完畢），顯示該超聲波電源的頻率“F0xx”；調(diào)整功率：當(dāng)超聲波運行時，按“減少功率”鍵或按“增加功率”鍵顯示窗下部的輸出指示條會發(fā)生變化，輸出指示條每一格代表10%變化量；掃頻功能的開啟與關(guān)閉：當(dāng)超聲波運行時，按一下“掃頻開關(guān)”鍵，掃頻開始，這時可聽到超聲波聲音有強弱周期變化，再按一下掃頻關(guān)閉；超聲波的暫停與開啟：在超聲波運行過程中，通過按“啟動/停止”鍵啟動和停止超聲波工作。

1.3 試驗方法

1.3.1 生菜的氣泡式清洗工藝優(yōu)化

目前，蔬菜行業(yè)沒有定量評價蔬菜是否清洗干凈的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，清洗后肉眼觀察蔬菜上無泥沙、腐殖質(zhì)、毛發(fā)、蟲卵、碎葉等雜質(zhì)即為清洗干凈，與之相反則認(rèn)為未清洗干凈[12]；清洗后出現(xiàn)斷裂或孔洞的記為破損蔬菜，未斷裂而僅有折痕的不記為破損蔬菜。

將一定質(zhì)量的生菜放入氣泡式蔬菜清洗機內(nèi)，清洗一定時間后撈出并晾干表面水分，按照生菜表面清潔及破損情況將清洗后的生菜分別稱重，按照以下公式計算生菜的洗凈率和破損率[12-13]；以生菜的洗凈率為主要參考指標(biāo)，破損率為次要指標(biāo)，考察清洗時間（5、10、20、30、40、50 s）及洗菜量（250、500、750、1 000、1 250 g）對生菜清洗效果的影響。

1.3.2 生菜的超聲波清洗工藝優(yōu)化

將一定質(zhì)量的生菜放入超聲波蔬菜清洗機內(nèi)，清洗一定時間后撈出并晾干表面水分，按照生菜表面清潔情況及破損情況將清洗后的生菜分別稱重，計算生菜的洗凈率和破損率；并以生菜的洗凈率和破損率為參考指標(biāo)，考察超聲頻率（20、28、40、60、68、80 kHz）、清洗時間（10、20、30、40、50 s）、超聲功率（300、600、900、1 200、1 500 W）及洗菜量（250、500、750、1 000、1 250、1 500 g）對生菜超聲清洗效果的影響。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生菜的氣泡式清洗效果

2.1.1 清洗時間對生菜清洗效果的影響

利用氣泡式蔬菜清洗機對500 g生菜進(jìn)行清洗，清洗時間對生菜洗凈率和破損率的影響如圖3所示。

圖3 清洗時間對生菜氣泡式清洗效果的影響Fig.3 Influences of washing time on lettuces cleaning effects under air-bubble washing pattern

由圖3可以看出，隨著清洗時間的延長，生菜的洗凈率和破損率均升高。其原因是清洗時間延長，生菜間的磨擦?xí)r間增加，且氣泡與蔬菜的接觸時間也隨之增加，因此，洗凈率和破損率均增大。利用Excel對生菜清洗效果進(jìn)行多項式回歸，洗凈率（y）回歸方程為y=9.791 2 lnx+63.427（x為清洗時間）；破損率（y′）回歸方程為y′=6.39 lnx-8.733 8（x為清洗時間）；R2分別為0.983 3和0.989 7，回歸方程顯著。此外，由圖3可以看出，生菜清洗時間為40 s時，洗凈率達(dá)到100%，故在后續(xù)試驗中采用40 s的洗菜時間。

2.1.2 洗菜量對生菜清洗效果的影響

在清洗時間40 s條件下，考察洗菜量對生菜洗凈率和破損率的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，隨著洗菜量增加，生菜的洗凈率逐漸降低，而破損率增大。在清洗槽容量不變的情況下，洗菜量增加導(dǎo)致生菜間的磨擦增多，故破損率增大；另外，洗菜量增多使其接觸水泡的機會減少，清洗效果下降。利用Excel對生菜清洗效果進(jìn)行多項式回歸，洗凈率（y）回歸方程為y=-0.000 01x2+0.005 8x+99.378（x為洗菜量）；破損率（y′）回歸方程為y′=0.000 006x2-0.002 9x+13.224（x為洗菜量）；R2分別為0.985 8和0.991 4，回歸方程顯著。此外，由圖4可以看出，生菜清洗時間40 s、洗菜量500 g時，洗凈率達(dá)到100%，此時破損率為12.89%。

圖4 洗菜量對生菜氣泡式清洗效果的影響Fig.4 Influences of washing amounts on lettuces cleaning effects under air-bubble washing pattern

當(dāng)空氣被風(fēng)機壓入氣流管路射入清洗槽中液體時引起液體流動，運動快的流層帶動慢的流層，運動慢的流層阻止快的流層，不同速度流層間互相牽制產(chǎn)生層間摩擦力。同時，空氣通過噴氣管上噴氣孔形成大量壓力和大小不同的氣泡，引起水和蔬菜一起涌動，從而實現(xiàn)蔬菜的清洗，但較大的摩擦力及劇烈的翻滾易造成蔬菜損傷[14-16]。

2.2 生菜的超聲波清洗效果

2.2.1 超聲清洗頻率對生菜清洗效果的影響

在洗菜量250 g、功率900 W、清洗時間30 s條件下，超聲頻率對生菜清洗效果的影響如圖5所示。由圖5可以看出，隨超聲頻率的增加，生菜的洗凈率及破損率均增大。這是因為超聲頻率增大，空化頻次增加，產(chǎn)生的聲化學(xué)效應(yīng)也增大[17-18]。利用Excel對生菜超聲清洗效果進(jìn)行多項式回歸，洗凈率（y）回歸方程為y=3.436 5 lnx+82.571（x為超聲頻率）；破損率（y′）回歸方程為y′=2.152 1 lnx-3.406 6（x為超聲頻率）；R2分別為0.983和0.981 6，回歸方程顯著。此外，由圖5可知，在超聲頻率68 kHz時，生菜洗凈率較高，繼續(xù)增加至80 kHz，破損率增加明顯，故在后續(xù)試驗中采用68 kHz的超聲清洗頻率。已有的報道也表明，利用超聲波清洗技術(shù)對一些精密工具、器皿及設(shè)備進(jìn)行清洗時，通常采用的清洗頻率在16～70 kHz范圍內(nèi)[19]。

圖5 超聲頻率對生菜清洗效果的影響Fig.5 Influences of ultrasonic frequency on lettuces cleaning effects

2.2.2 超聲清洗時間對生菜清洗效果的影響

在功率900 W、頻率68 kHz條件下，對250 g生菜進(jìn)行超聲清洗，清洗時間對清洗效果的影響如圖6所示。

圖6 超聲清洗時間對生菜清洗效果的影響Fig.6 Influences of ultrasonic time on lettuces cleaning effects

由圖6可知，隨清洗時間的延長，生菜的洗凈率及破損率均增大。利用Excel對生菜超聲清洗效果進(jìn)行多項式回歸，洗凈率（y）回歸方程為y=-0.024x2+2.022 6x+58.446（x為超聲清洗時間）；破損率（y′）回歸方程為y′=-0.002 5x2+0.405 4x-4.014（x為超聲清洗時間）；R2分別為0.991 5和0.984 4，回歸方程顯著。此外，由圖6可以看出，在頻率為68 kHz、清洗時間40s時，洗凈率達(dá)到100%，此時的破損率為8.93%。

2.2.3 超聲清洗功率對生菜清洗效果的影響

在頻率68 kHz、清洗時間40 s條件下，對250 g生菜進(jìn)行超聲清洗，超聲功率對生菜清洗效果的影響如圖7所示。

從理論上說，超聲功率越大，由超聲產(chǎn)生的壓力越大，其清除污染物能力越強。但是當(dāng)超聲功率增大至一定程度時，反而不利于空化作用產(chǎn)生氣泡[20-21]。由圖7可以看出，超聲功率增大，生菜的洗凈率及破損率均增大。利用Excel對生菜超聲清洗效果進(jìn)行多項式回歸，洗凈率（y）回歸方程為y=-0.024x2+2.022 6x+58.446（x為超聲清洗功率）；破損率（y′）回歸方程為y′=-0.002 5x2+0.405 4x-4.014（x為超聲清洗功率）；R2分別為0.991 5和0.984 4，回歸方程顯著。此外，由圖7可以看出，在頻率68 kHz、清洗時間40 s、功率900 W時，生菜的洗凈率達(dá)到100%，此時的破損率為5.49%。

圖7 超聲清洗功率對生菜清洗效果的影響Fig.7 Influences of ultrasonic powers on lettuces cleaning effects

2.2.4 洗菜量對超聲清洗生菜效果的影響

在超聲頻率68 kHz、功率900 W、清洗40 s條件下，洗菜量對生菜清洗效果的影響見圖8。

圖8 洗菜量對生菜清洗效果的影響Fig.8 Influences of washing amounts on lettuces cleaning effects

由圖8可知，隨著洗菜量增加，生菜的洗凈率逐漸降低，而破損率逐漸增大，變化趨勢與氣泡清洗效果相似。利用Excel對生菜清洗效果進(jìn)行多項式回歸，洗凈率（y）回歸方程為y=-0.000 008x2+0.007 2x+98.7（x為洗菜量）；破損率（y′）回歸方程為y′=0.000 000 4x2+0.004 5x+6.77（x為洗菜量）；R2分別為0.993 2和0.981 1，回歸方程顯著。由圖8可以看出，在洗菜量增加至750 g時，洗凈率仍可達(dá)到100%，此時的破損率為9.98%。

3 結(jié)論

本研究以洗凈率和破損率為參考指標(biāo)，對氣泡式及超聲波清洗方式對生菜的清洗效果進(jìn)行評價。結(jié)果表明，采用氣泡式清洗方式，在清洗時間40 s，洗菜量500 g時清洗效果最佳，洗凈率達(dá)到100%，此時破損率為12.89%；采用超聲清洗方式時，在頻率68 kHz，功率900 W，清洗時間40 s，洗菜量750 g時生菜洗凈率為100%，破損率為9.62%。對比可知，超聲清洗方式清洗的生菜量大于氣泡清洗方式，且破損率降低3.27個百分點，因此，超聲波清洗較氣泡式清洗方式更具優(yōu)勢。另外，對于存在于菜莖褶皺中的泥土等污染物，超聲波清洗效果明顯好于氣泡清洗。該研究為超聲波在蔬菜清洗中的應(yīng)用提供了理論及技術(shù)支持。