超声辅助农产品加工：连接空化机制、结构转变与产业化可行性的分级框架

《Food Research International》：Ultrasound-assisted agricultural processing: a graded framework linking cavitation mechanisms, structural transformation, and industrial scalability

　　

- 提出了一种分级框架，将超声技术与各类农产品加工关联起来。
- 综合分析了不同加工层次下的空化机理。
- 批判性评述了用于过程强化的多模超声系统。
- 多尺度建模与计算流体力学揭示了放大预测中的关键局限性。
- 识别了农产品工业化转化与安全性方面的关键障碍。

引言

超声辅助加工已成为农产品系统中最具前景的非热技术之一，该技术利用声空化及其相关的流体动力和物理化学效应来调控农产品中的传质、结构转变和分子反应（Bhargava et al., 2021）。这些独特的物理化学效应使超声在农业和食品加工领域获得了广泛应用，包括清洗、干燥、腌制、乳化、提取、酶解、微生物灭活以及功能成分生产等（Ding et al., 2024; Zhu et al., 2024）。与传统的热加工和机械方法相比，超声辅助加工通常表现出加工时间缩短、溶剂和能耗降低、传质增强以及营养和感官品质保留率提高等优势，使其越来越被公认为新一代农产品加工中可持续且绿色的替代方案。

过去十年间，超声相关研究的快速增长极大地拓展了机理认知和应用多样性。众多研究表明，超声能够增强干燥过程中的水分迁移、改善腌制过程中的扩散动力学、细化乳化过程中的液滴粒径分布、加速生物活性化合物的提取，并通过酶和底物的构象改变促进酶解（Chavan et al., 2022; Chen et al., 2021）。现有的综述文章广泛总结了超声在食品单一加工操作中的应用，如提取、干燥、乳化、微生物灭活和酶辅助加工等（Lozowicka et al., 2016; Saelee et al., 2025）。这些综述提供了加工条件、品质改善和潜在工业应用方面的宝贵信息。与此同时，反应器工程、多模超声系统和计算建模的进展进一步加强了超声辅助技术的工业应用潜力。

然而，大多数以往的综述仍停留在过程导向的描述性层面，主要关注应用结果，而非建立统一的机理框架。更重要的是，对于空化行为、能量传递途径、反应器设计要求、数学建模方法和放大障碍如何随加工复杂度和价值创造的增加而演变，现有研究关注甚少。因此，该领域仍然缺乏一个系统性的框架来连接超声诱导的结构转变与工业可放大性。此外，大多数超声应用仍局限于实验和中试规模系统。随着反应器尺寸的增大，空化行为和声能分布往往变得不均匀，导致在复杂工业条件下处理效率不一致且工艺可重复性差（Dunst et al., 2020; Xu et al., 2021）。过量的声能还可能引发不良效应，包括结构坍塌、脂质氧化、蛋白质变性以及热敏性生物活性化合物的降解（Bhargava et al., 2021; Li, Zhong, et al., 2024）。

为了解决上述局限，本综述提出了一种分级转变深度框架，将超声能量输入与表面、基质和分子尺度上的结构转变关联起来。与仅基于加工操作的传统分类不同，该框架强调超声诱导的物理效应与农产品中由此产生的结构或功能变化之间的关系。

I级代表表面水平的过程强化，超声主要通过表面相互作用和边界层调控来增强外部传质，对材料固有结构的影响有限。II级涉及基质水平的重构，超声通过改变内部传质途径、微观结构或界面性质来提升物理功能特性。III级仅限于分子水平的转变过程，涉及分子构象、分子组成、化学键或生化反应的可测量变化。

重要的是，这些级别并非由固定的超声操作阈值（如声功率、压力振幅或空化强度）来定义，因为最终的转变效果高度依赖于声学条件、反应器配置和材料特性之间的相互作用。相反，该框架根据主导的转变结果来对超声辅助加工过程进行分类。因此，相同的超声处理可能因细胞结构、机械强度、组成和水分分布的差异而在不同的农产品基质中导致不同的转变深度。同时，这三个级别应被视为转变深度的连续体，重叠的机理可能在单一过程中共存。要确定某一特定应用的主导级别，需要考虑三个标准：（i）主要加工目标；（ii）超声诱导的主导结构或分子变化；（iii）用于评价加工性能的关键指标。这一分类策略既能识别混合机理，又能为比较超声辅助加工系统提供一致且具机理基础的依据。

本综述的目标是建立一种转变深度框架，以理解超声辅助农产品加工，将空化现象与结构演变和工业可放大性联系起来（图1）。具体而言，本综述考察了空化驱动的效应如何从表面传质增强发展到基质重构和分子转变，以及这种日益加深的转变深度如何影响过程控制、反应器设计、能量利用和产品功能特性。我们进一步评估了反应器设计、多模超声系统、数学建模、计算流体力学（CFD）和智能控制在支持工业化转化中的作用。通过将视角从操作特定的描述转向表面-基质-分子转变，本综述为比较应用、识别依赖机理的局限性以及将超声诱导的转变与工业可放大性联系起来提供了更清晰的依据。

章节摘要

超声诱导结构转变的机理基础

超声诱导农产品结构转变源于声空化、声流、微射流形成、冲击波和热机械效应的相互作用。在这些现象中，声空化是主要的能量转换机制。然而，空化并非均匀过程，其效应强烈依赖于气泡动力学，特别是稳态空化与惯性空化之间的平衡（Li, Xia, et al., 2024; Qian et

I级加工：表面水平过程强化

在提出的框架中，I级加工包括超声应用中主要转变发生在产品表面或外部边界层、向内部基质渗透有限的情况。因此，I级应用通常预期能够提高表面清洁效率、微生物安全性和农药去除效果，同时最小化对组织结构的影响。

典型的I级应用包括清洗、表面除污、农药

II级加工：基质水平重构与传质增强

II级加工涉及超声应用中主要转变发生在产品基质内部或内部界面、而非局限于外部表面的情况。超声诱导的空化、声流、微射流和局部剪切可以改变组织结构、孔隙结构、粒径、液滴排列或界面性质，从而促进内部传质或改善物理功能特性。一个应用案例是

III级加工：分子水平转变与功能改性

III级加工代表了超声辅助转变的最深层级，超声诱导了超越I级表面增强和II级基质重构的直接分子水平变化。与以传质增强或结构破坏为主导的过程不同，III级应用涉及分子构象、分子量、聚合物结构或生化反应途径的改变。超声不仅主要作为物理

利用模型作为预测工具解析超声机理

分级加工框架（I-III级）强调了超声在表面水平改性、基质水平重构和分子水平转变中产生的不同效应。由于相同的空化驱动现象在不同转变级别中表现出不同的表现形式，预测性建模应将声场特征与各级别特有的结构和功能响应联系起来。

为应对这一挑战，耦合实验-建模策略必不可少。在

研究空白与未来方向

对超声辅助农产品加工的批判性评估揭示了三个相互关联的障碍，目前限制了其从实验室验证向工业实施的过渡。当前超声应用仍以经验为主，依赖于操作参数的实验优化而非基于机理的过程设计（Bhargava et al., 2021; Singla & Sit, 2021）。尽管多物理场模型和CFD模拟已经改进了

结论

现有的综述文章主要根据各个操作对超声辅助农产品加工进行分类，如提取、干燥、乳化和微生物灭活等。虽然这些应用导向的视角很有价值，但往往忽视了空化机理、结构转变、过程设计和工业可放大性之间的内在关系。

为了解决这一局限性，本综述提出了一种分级框架来对超声辅助

CRediT作者贡献声明

张昕言：撰写——审阅与编辑、形式分析、概念化。郭丽娜：撰写——审阅与编辑。马海乐：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文报道工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究受镇江市创新能力建设计划——企业重点实验室建设（项目编号：SS2024003）和江苏省重大科技专项（项目编号：GB2025044）资助。

张昕言|郭丽娜|马海乐