《Ultrasonics Sonochemistry》：Emerging applications of non-thermal ultrasound technology in functional beverages processing, a comprehensive review
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非热超声处理（US）作为一种有前景的过程强化技术，正被用于生产功能性饮料（FB），因为传统的热处理和依赖添加剂的保存方法往往会损害FB中热敏性营养素、感官特征和清洁标签吸引力。然而，关于US在FB基质加工和保存中的应用证据仍然有限且分散，缺乏清晰、可重复的过程
非热超声处理（US）作为一种有前景的过程强化技术，正被用于生产功能性饮料（FB），因为传统的热处理和依赖添加剂的保存方法往往会损害FB中热敏性营养素、感官特征和清洁标签吸引力。然而，关于US在FB基质加工和保存中的应用证据仍然有限且分散，缺乏清晰、可重复的过程优化和商业化转化指南。本综述批判性地总结了非热US在FB关键单元操作中的最新研究，包括提取、发酵、保存和理化结构调控，并考察了空化驱动机制如何影响营养、功能、感官和稳定性结果。通过结构化文献综述，研究按加工功能和饮料基质特性进行归类，以识别一致性趋势和基质依赖性变化（包括偶发的效应逆转）。总体而言，US经常增强传质和分散性，提高所选生物活性化合物的回收率和保留率，支持质构和物理稳定性（如减少沉降或乳析），并有助于微生物和酶控制，特别是在整合入多障碍策略时（如US与温和加热、清洁标签抗菌剂或其他非热技术联合）。然而，更广泛的转化仍受限于所传递声能和温度曲线报告的不一致、对配方因素（如黏度、总可溶性固形物、颗粒物和蛋白质-多糖相互作用）的强烈依赖性，以及缺乏中试规模或连续流验证及技术经济评估的支持。至关重要的是，FB健康相关声明的证据支持薄弱，因为生物可及性和生物利用度测试、体内动物研究和人体临床证据仍然很大程度上缺失。综上，本综述提供了一个基于功能的框架以及实际研究优先事项，以实现可重复的优化、可规模化加工，以及对US加工FB品质和功能性的更可靠声明。
4. 超声技术在功能性饮料加工中的应用
功能性饮料是复杂的多组分体系，其质量、稳定性和功能性受到提取、发酵、均质、乳化和保存等多种加工操作的强烈影响。传统加工技术存在提取效率低、加工时间长、发酵性能不稳定、热敏化合物降解以及感官属性不良变化等关键局限性。由于FB具有高营养密度、复杂天然组成和功能性成分的固有敏感性，这些挑战更加突出，因此需要既能提高加工效率又能保持营养价值和感官完整性的先进加工方法。
超声技术因其能够整合到多个加工阶段而成为一种特别通用的平台技术，包括提取、发酵强化、均质、脱气、细胞破碎和裂解、乳化、结晶控制、消泡、微生物和酶灭活以及设备清洁和消毒。在FB体系中，这些能力可实现生物活性化合物回收率和稳定性的提高、复杂配方的分散性和物理化学稳定性改善、发酵动力学调节、溶解气体和泡沫形成减少、微生物控制改善，以及在不依赖剧烈热或化学处理的情况下全面保持营养和感官质量。
4.1 超声辅助提取
提取是从天然基质中分离目标物质的基本食品加工操作。传统提取方法存在加工时间长、溶剂消耗高、热敏性营养素潜在降解和提取率相对较低等问题。超声辅助提取（UAE）利用高频超声波产生声空化效应，形成局部高能热点、冲击波、微射流和自由基，破坏植物细胞壁，侵蚀基质表面并诱导基质膨胀，从而促进溶剂渗透和细胞内物质释放。UAE显著提高提取效率和产率，同时大幅减少加工时间、溶剂消耗、能量输入和废物产生。然而，UAE的效率取决于多个参数，包括超声频率、强度、持续时间、溶剂类型、固液比和温度。
现有研究一致表明，UAE可增强酚类、黄酮类、色素、有机酸、蛋白质和其他功能性成分的提取。然而，基质组成是决定UAE性能的首要因素。果皮是研究最广泛的基质，UAE持续改善抗氧化化合物的回收。花类基质具有相对脆弱的细胞结构，通常需要较温和的提取条件。种子基质对超声诱导的结构破坏表现出更强的依赖性。叶片材料成分复杂，优化需同时考虑酚类、色素和维生素的回收。藻类和蓝藻基质因含有蛋白质、色素、脂质和复杂多糖，提取挑战更大。将UAE与天然低共熔溶剂（NADES）结合用于功能性饮料开发是一项新兴策略，具有同时解决可持续性、提取效率和清洁标签配方要求的潜力。海洋基质则因其富含多糖的刚性细胞壁，在常规条件下限制溶剂可及性，UAE预处理可改善后续发酵过程中的底物可用性。此外，UAE与微波辅助提取结合并随后进行微胶囊化，可提高热不稳定化合物的稳定性。
成功将UAE提取物转化为FB不仅仅取决于提取率，最终饮料性能由提取物组成、添加量、饮料基质、储存条件和消费者接受度的综合效应决定。目前存在的局限性包括：不同研究间缺乏标准化报告（标称功率与实际传递能量的差异）、定量方法不一致、储存验证期短以及中试规模验证缺乏。未来研究应优先标准化声能传递的报告，评估工业相关条件下的连续流处理系统，并建立协调统一的分析方案。
4.2 超声辅助发酵
发酵是微生物代谢与食品功能之间的动态界面。传统发酵方法常受加工时间长、产品质量变异性高、热敏性营养素潜在损失和能耗较高等限制。超声辅助发酵可显著缩短加工时间，促进微生物增殖，并促进细胞内化合物的释放，从而增强最终饮料的功能和感官属性。超声对发酵的影响高度依赖于参数，低强度或间歇式超声可刺激微生物生长和代谢活性，而过高的功率水平或长时间暴露可能导致细胞损伤或酶失活。
4.2.1 处理时机决定微生物刺激和发酵性能
研究表明，接种后超声处理可使小米益生菌饮料发酵时间从约9小时缩短至3.4小时，实现近2.6倍的减少，而接种前处理产生的加速效应相对较小。然而，最大化发酵动力学的处理并不一定同时优化饮料结构。持水能力和黏度根据处理时机和超声强度的不同而存在显著差异，反映蛋白质展开、淀粉糊化和分子相互作用的差异。
在银杏仁汁发酵研究中，温和超声产生约50–400nm的瞬时膜穿孔，不造成不可逆细胞损伤，从而促进营养转运同时保持微生物活力。低强度有利于微生物代谢和底物利用，而高强度产生更大的解毒效率。这些研究表明，超声辅助发酵中的微生物刺激仅发生在最佳声学窗口内。
4.2.2 基质和微生物依赖性响应
水果类FB通常表现出最明显的植物化学组成改善，因其丰富的酚类化合物、有机酸和可溶性碳水化合物为微生物生物转化提供现成底物。谷物和豆类基质中，改善主要由大分子的结构修饰主导。坚果类基质的改善归因于空化诱导的悬浮颗粒均质化和基质稳定。乳酸菌（LAB）菌株间因膜组成、应激适应机制和代谢能力的差异而存在显著不同的响应。混合微生物培养通常比单一培养产生更大的代谢物组成和香气发展变化。
4.2.3 超声修饰微生物代谢而非仅加速发酵
超声的其主要作用是调节微生物代谢而非仅促进微生物生长或缩短发酵时间。空化瞬时增加膜通透性，改变细胞内代谢通量和生化途径。超声通过选择性调节微生物代谢，可同时降低涩味儿茶素浓度和增加胞外多糖产量。宏基因组分析表明，超声改变了微生物群落结构，富集了Komagataeibacter saccharivorans，并上调了糖酵解、蔗糖代谢和苯甲酸降解途径。适当的声学窗口是实现微生物刺激与细胞保存之间平衡的关键。
4.2.4 功能改善涉及重要的理化和感官权衡
超声辅助发酵的益处很少不伴随权衡而实现。发酵动力学与饮料结构之间存在常见权衡，最大化微生物活性不一定使消费者接受所需的结构特性最大化。在鹰嘴豆基FB发酵中，超声改善了蛋白质可提取性和营养品质，但增加的酸度和强化风味降低了总体消费者接受度。益生菌存活与产品功能之间存在重要权衡。尽管消化前总酚含量和抗氧化活性较低，超声显著增加了消化后若干酚类化合物的生物可及性。抗氧化反应中也观察到权衡现象，不同抗氧化测定法间的改善并非总是成比例。
4.2.5 超越常规抗氧化测定的健康功能新兴证据
模拟胃肠消化研究表明，超声辅助发酵可显著增加若干酚类化合物的生物可及性。消化后饮料在巨噬细胞模型中通过减少一氧化氮（NO）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1β（IL-1β）的产生，同时增加抗炎性白细胞介素-10（IL-10）的分泌，表现出明显的抗炎活性。超声辅助发酵加速了银杏中天然神经毒性化合物4'-O-甲基吡哆醇的降解，改善了营养质量和产品安全性。然而，目前大多数研究仍主要依赖化学抗氧化测定，需整合多组学方法、代谢组学分析、模拟消化和体内研究以建立更强的健康效应联系。
4.2.6 工业转化、过程优化和未来机遇
当前大多数研究在小批量反应器中高度受控条件下进行，可扩展性未知。声学能量密度、量热功率、反应器几何形状、换能器配置和空化分布等关键变量经常被省略。传统优化集中于最大化单一质量属性，而忽略了各属性间的复杂相互作用。人工神经网络与贝叶斯优化相结合已成功用于康普茶发酵的超声条件优化。未来研究应关注连续流超声反应器，并需进行全面的技术经济分析、能耗评估和生命周期评价。
4.3 超声辅助保存
传统热加工常导致热敏营养素降解和感官属性劣变。超声辅助保存通过空化诱导的机械和物理化学效应灭活微生物和变质酶。在超声-高压处理（HPP）联合应用于西兰花-胡萝卜副产品饮料时，颜色变化保持在可感知阈值以下，类胡萝卜素和含硫植物化学物保留浓度更高，储存结束时实现约6 log CFU/mL的微生物减少。单独超声处理的饮料在约15天后出现微生物腐败。超声-臭氧（OZ）联合处理在草莓-哈密瓜功能性饮料中，实现总酚、黄酮类、类胡萝卜素、抗氧化活性和抗坏血酸的最高保留率，同时抑制多酚氧化酶、过氧化物酶和果胶甲酯酶活性。
保存机制在不同饮料基质间存在根本差异。发酵和益生菌饮料从超声选择性调节微生物代谢同时维持益生菌活力的能力中获益更多。益生菌封装策略显著影响超声后的保存效益，乳清蛋白或淀粉磷酸酯-菊粉微胶囊比大米淀粉封装提供更强的保护。现有证据表明，混合保存系统的一致表现优于超声单独处理。超声可有效增强胶体稳定性、植物化学物保留和调节微生物代谢。
研究间的差异性主要归因于饮料基质组成、理化性质、微生物生态学、储存时长和超声加工参数的差异。大多数研究仅报告了标称仪器设置，未提供实际传递声能、能量密度或空化效率，严重限制了可重复性和研究间比较。未来研究应从验证超声保存可行性转向建立标准化处理方案和优化集成非热保存技术。
4.4 超声辅助过程强化和质量结构化
超声作为独立单元操作应用于FB以改善产品质量和功能性，其诱导有益的物理化学和结构修饰。在水果和蔬菜基FB中，超声辅助过程强化最一致的结果是酚类、黄酮类、类胡萝卜素或抗氧化指标的测量值增加。这些增加不一定表明新生物活性分子合成，更多反映空化诱导的悬浮组织破坏、化合物从细胞壁组分解吸和改善的分析可提取性。60%振幅处理在苹果-胡萝卜甜叶菊FB中表现优于较低和较高设置，表明存在中间加工窗口。在益生元饮料中，高强度超声不改变低聚木糖（XOS）的色谱图谱或浓度，但高功率导致抗坏血酸、总酚和抗氧化活性的下降。
谷物基益生菌饮料中，接种前超声处理将平均粒径从1271nm降至599.4nm，还原糖浓度从0.11mg/mL增至1.45mg/mL，而接种后处理使总酚含量下降。光滑果泥中，超声辅助加热处理改善了均质性和血清稳定性，但常规热处理保留了更高的酚类含量和抗氧化活性。乳清基饮料中，超声处理改善了物理稳定性而未增加整体黏度，抗坏血酸减少但ACE抑制潜力增加。体内研究显示，高强超声处理饮料与血清甘油三酯、极低密度脂蛋白胆固醇和丙氨酸氨基转移酶降低相关，但效应不能完全归因于超声处理。
热声处理在70–90°C下产生比常规高温短时处理更强的微生物灭活和冷藏稳定性，同时增加抗氧化、抗高血压和抗糖尿病活性。然而，改善过程中伴随着黏度降低和挥发性物质谱改变。现有证据表明，超声辅助质量结构化最有力的三个结果是：粒径减小、分散性或相稳定性改善以及所选生物活性化合物的分析回收率增加。黏度、抗氧化保留和感官改善的效应高度依赖于基质。US不应被视为普遍非破坏性或本质上优于热处理。
5. 超声加工功能性饮料的整体局限性与挑战
超声的益处高度剂量依赖性，中等条件可非常有效，而过量功率或延长处理时间可加速氧化、局部加热、异味产生和敏感化合物降解。空化固有地产生反应性物质和局部高温高压，可能促进氧化反应和结构破坏。另一个主要局限性是缺乏通用加工参数，最佳条件很少在不同饮料基质间可转移。黏度和总可溶性固形物含量、浆体或颗粒存在以及蛋白质-多糖相互作用显著改变空化行为。粘稠或含颗粒饮料中产生非均匀声场导致批次间变异性。超声处理可以减少微生物负荷，但实现一致的致死率特别是针对细菌孢子，通常需要与其他障碍结合。技术改进与感官质量之间可能存在权衡。
当前文献中的一个显著缺口是许多饮料仅基于总酚含量、总黄酮含量或体外抗氧化活性增加而被标记为“功能性”，而体外生物可及性、生物利用度、机制生物活性和体内验证研究仍然稀缺。这种技术改进与生物学验证之间的脱节是US加工FB研究向科学证实的健康声明转化的主要障碍之一。要实现有意义的机器学习应用，需要比当前文献中可获得的更大程度的数据标准化。
6. 超声加工功能性饮料的法规、安全及标签考量
超声加工的FB通常由各国国家食品当局监管。在大多数司法管辖区，超声通常被视为加工技术而非成分或添加剂。法规侧重于过程对最终产品的影响，特别是安全性、组成、稳定性和声明。如果将超声或热声处理用作预防性控制措施以减少微生物风险，制造商必须在食品安全管理体系中定义和验证关键过程参数。如果超声驱动加工导致与安全相关的产品组成或结构发生显著变化，在某些地区可能触发新型食品上市前评估程序。标签要求通常是过程中性的，大多数司法管辖区不强制要求披露超声处理，监管关注指向真实标签、成分透明度和营养/健康声明合规性。
7. 可扩展性、工业可行性及经济考量
超声加工从实验室规模向工业实践转化仍具挑战性。可扩展性高度依赖于反应器工程、基质特定参数优化和稳健的技术经济验证。超声与在线连续处理的内在兼容性是支持可扩展性的关键优势。最持久的工程障碍是在工业通量下实现均匀空化和可重复的能量传递。声场对反应器几何形状、换能器配置、流动状态和产品声衰减高度敏感。工业可行性受限于需要规定和控制过程相关指标而非依赖标称设备设置。经济考量进一步使采用复杂化。大规模实施在过程强化和杂化背景下最现实。目前中试规模验证极为有限，本综述中仅有一项研究报告了中试条件下的超声辅助均质化。
8. 未来方向与研究需求
未来研究应优先将新型可持续溶剂如NADES与UAE整合用于清洁标签FB开发。应在已建市场的FB上进行系统测试。跨研究可比性需要报告和控制实际传递声能、温度历史、占空比、几何形状和停留时间。应更加关注将超声与温和热处理、清洁标签防腐剂或其他非热技术结合的多障碍策略。关键的是，必须通过体外消化和生物可及性研究、体内动物模型和人体临床验证来证实FB的功能方面。成功的商业化需要设计良好的中试规模和连续流研究，并辅以技术经济分析和生命周期评价。AI和ML应用在很大程度上仍然缺失，应优先开发标准化多基质数据集以支持预测模型。
9. 结论
FB是营养密集体系，在加工和储存过程中极易受微生物生长、酶促变质、氧化和生物活性损失的影响。US加工可作为可整合到FB制造多个单元操作中的多功能过程强化平台。文献表明，超声处理通常可改善传质和分散性，提高植物化学物回收率，稳定胶体结构，并通过减少微生物负荷和部分酶灭活支持冷藏储存稳定性。这些益处在中度、基质调谐条件及作为多障碍策略一部分时最为显著。然而，向工业规模的成功转化仍受基质依赖性、非均匀空化/能量传递、声能报告不完整以及缺乏中试和连续流示范的制约。未来研究应包括体外消化和生物可及性研究、体内动物模型和人体临床试验。总之，当前证据支持非热US作为变革性的、与可持续性一致的技术，当针对每种特定饮料基质优化参数并在严格安全框架内验证时，可提高FB的提取效率、发酵性能、物理化学稳定性和冷藏保质期。
