多頻超聲波清洗機在葉類蔬菜清洗中的應用

杜彥生,許海寧，代春華,*，王新會，何榮海，馬海樂

（1.江蘇大學環境與安全工程學院,江蘇 鎮江212013;2.江蘇大學食品與生物工程學院-食品物理加工研究院,江蘇 鎮江212013;3.江蘇江大五棵松生物科技有限公司,江蘇 鎮江212009）

蔬菜富含人體所需的多種維生素、礦物質及膳食纖維，是平衡膳食的重要組成部分[1-2]。清洗是蔬菜加工的關鍵環節，對其品質至關重要[3]。蔬菜的清洗難度較大，尤其葉類蔬菜質地松軟，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。傳統的蔬菜清洗設備主要是滾筒式、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。其中滾筒和毛刷清洗設備結構簡單、清洗作用力強、清洗效果好，但清洗過程中物料受損嚴重。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，國內尚未有專門的葉類蔬菜清洗設備。近年來，超聲波在食品加工中的應用越來越廣泛，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的，當超聲波在液體介質中傳播時，將存在于液體中的微小氣泡激活，表現為泡核的形成、振蕩、生長、收縮乃至崩潰等一系列動力學過程。在空穴崩潰過程中，周圍產生高溫、高壓及射流現象，引發底物發生一系列物化效應，達到清洗蔬菜的目的[9-11]。本研究將自行研制的超聲清洗設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的應用與推廣提供理論依據和實際指導。

1 材料與方法

1.1 蔬菜原料

生菜購買于鎮江市學府路農貿市場，為當天采摘的新鮮蔬菜。

1.2 試驗設備

超聲波蔬菜清洗機及氣泡式蔬菜清洗機均由江蘇大學自行研制。超聲波蔬菜清洗設備適應于脫水蔬菜企業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行生產和研究。

1.2.1 設備組成

超聲波蔬菜清洗機由清洗槽、超聲波發生器、電氣柜及超聲波振盒組成，其結構簡圖如圖1所示。

圖1 超聲波清洗機結構簡圖Fig.1 Structural diagram of ultrasonic cleaning machine

超聲波蔬菜清洗設備為六頻發散式超聲波反應系統，由超聲波發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，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：超聲波發生器、觸摸屏和控制系統；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 設備的技術配置

系統設備配置如表1所示。

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

1.2.3 各組成部件功能與操作設置

1.2.3.1 超聲波發生器

產生超聲波電信號，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/停止超聲波系統的人機對話窗口，可設置超聲波的工作模式（同時工作或順序工作），設定超聲波的工作時間和間隔時間。

1.2.3.3 控制系統

與超聲波系統的通訊由電氣控制箱完成。操作過程在觸摸屏上實現。

1.2.3.4 換能器

將超聲波發生器產生的超聲波電能轉換成高頻機械振蕩，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，向水中發射超聲波能量。

1.2.3.6 超聲波參數調節

打開超聲波發生器開關進行超聲電源初始數據設置。超聲頻率：超聲波功能面板的顯示窗直接顯示該發生器提供的頻率（出廠時已校核完畢），顯示該超聲波電源的頻率“F0xx”；調整功率：當超聲波運行時，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閉：當超聲波運行時，按一下“掃頻開關”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化

目前，蔬菜行業沒有定量評價蔬菜是否清洗干凈的統一標準，清洗后肉眼觀察蔬菜上無泥沙、腐殖質、毛發、蟲卵、碎葉等雜質即為清洗干凈，與之相反則認為未清洗干凈[12]；清洗后出現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。

將一定質量的生菜放入氣泡式蔬菜清洗機內，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，破損率為次要指標，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化

將一定質量的生菜放入超聲波蔬菜清洗機內，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，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 數據處理

所有試驗均重復3次，結果取平均值，采用Excel軟件進行數據整理及繪圖。

2 結果與分析

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，生菜間的磨擦時間增加，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，洗凈率達到100%，故在后續試驗中采用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

當空氣被風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，產生的聲化學效應也增大[17-18]。利用Excel對生菜超聲清洗效果進行多項式回歸，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，繼續增加至80 kHz，破損率增加明顯，故在后續試驗中采用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對一些精密工具、器皿及設備進行清洗時，通常采用的清洗頻率在16～70 kHz范圍內[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，由超聲產生的壓力越大，其清除污染物能力越強。但是當超聲功率增大至一定程度時，反而不利于空化作用產生氣泡[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，洗凈率仍可達到100%，此時的破損率為9.98%。

3 結論

本研究以洗凈率和破損率為參考指標，對氣泡式及超聲波清洗方式對生菜的清洗效果進行評價。結果表明，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用提供了理論及技術支持。