超声波辅助切割技术在食品加工领域的应用

许唯栋，王婧怡，王文骏，3，周建伟，3，徐恩波，3，刘东红，3*

（1 浙江大学生物系统工程与食品科学学院 智能食品加工技术与装备国家地方联合工程实验室 浙江省农产品加工技术研究重点实验室 浙江省食品加工技术与装备省级工程实验室 杭州 310058 2 浙江大学宁波研究院 浙江宁波 315100 3 浙江大学馥莉食品研究院 杭州 310058）

切割是将带有锋利刀刃的刀具压向待切割物料，将大块的物料切分成规定大小、尺寸和质量的过程，是确保后续食品包装和储运的关键步骤，在食品加工中扮演着重要的角色[1-2]。根据2019年联合国粮农组织的统计，中国的农作物和食品的生产指数相比于2010年增长约15%[3]。此外，3D 打印和人造肉技术的快速发展，使食品具有多种多样的成分和物性，对切割行业提出了挑战[4-5]。在食品切割加工中，除了一些定量的标准外，切面的粗糙度、几何稳定性、切面品质以及刀具污染、环境污染和能源消耗情况也至关重要[6]。常规的食品切割方式主要有线切割、锯切割和渐开线切割等[7]，其在切割脆性食品时，使物料受到强烈的冲击作用，从而产生大量碎屑以及崩边现象，造成环境污染和刀具磨损；在切割黏弹性食品时，由于食品的高弹性和黏连性，使物料产生不可逆的变形和黏刀情况，从而降低切面品质并引起交叉污染[8-9]。为满足现代化食品切割的需要，亟需开发一种新型的切割技术。

超声波辅助切割（Ultrasonic-assisted cutting，UAC）是一种新型的非热切割技术[10-12]，将20～50 kHz 的超声振动附加到目标刀具上，使刀具产生周期性的高频振动，改变了刀具与物料之间的接触和切割方式，是一种高效节能、绿色环保的切割技术[13-14]。UAC 特殊的切割方式使其具有切割力小、刀具磨损小和切面光滑平整等优势，在农作物收割[15]、医学手术切割[16]和航空航天材料加工[17]等领域得到广泛的应用，然而，在食品切割领域中的研究仍处于起步阶段。目前还没有文献对UAC 在食品加工行业中的应用进行系统性的总结。本文介绍UAC 装置的组成和相应的切割参数，阐述UAC 的基本原理；分析在UAC 中，刀具参数、切割过程参数和物料特性对切割性能的影响，以及食品储藏品质的变化；探讨UAC 的优势以及未来发展方向，为食品领域的UAC 切割技术的研究和应用提供参考。

1 超声波辅助切割装置与切割参数

1.1 切割装置

UAC 装置的开发是其技术实现工程应用的关键。高精度、稳定性的UAC 系统有助于其在工业中的生产和应用。

图1所示为UAC 装置，主要由超声波发生器、换能器、变幅杆和切割刀具4 部分构成[18]。超声波发生器可将市电转换为高频交流电信号，传输给超声波换能器；换能器通过压电陶瓷将传输来的电信号等频率转换为线性机械振动信号；变幅杆的作用有：声阻抗匹配、放大机械振动信号、固定整个机械系统和避免发热现象和化学腐蚀等影响换能器的稳定性；切割刀具作为整个装置的最终负载，一方面进一步放大机械振幅信号，另一方面将超声波能量聚集到刀刃上，使待切割物料在高额能量的冲击下瞬间破裂，大大降低物料的强度，完成切割。

图1 UAC 系统的装置组成Fig.1 The device composition of the UAC

1.2 切割参数

UAC 的基本参数主要有刀尖振动频率f（Hz）、振幅a（m）、超声振动速度vus（m/s）、切割速度vc（m/s）等。由于超声振动是周期性的振动信号，从微观的角度来看，切割刀刃中某个离散粒子在时域中的振动位移x（m）为[19]：

式中，ω——角速度，rad/s；t——时间，s。

超声振动速度vus（m/s）表示为：

可以得出vus的最小值为0，最大值为aω。UAC 的真实切割速度v（m/s）为[20]：

当vc＞aω 时，刀具与物料一直处于接触状态，即为普通切割方式；当vc＜aω 时，为UAC，刀具与物料接触的有效时间仅占整个周期中的很小一部分。因此vus（max）=aω=2πaf，其中vus为临界超声振动速度，与振幅a和频率f有关。

UAC 完成一次物料切割所需要的能量Wc（J）可以表示为：

式中，Fc——切割力，N；s——切割距离，m。

Wc由4 部分组成[8]：

式中，WE——弹性变形耗散能，J；WD，V——黏性流耗散能，J；Wfrict——摩擦耗散能，J；Wfract——破裂耗散能，J。

最后，为了比较UAC 与常规切割之间的差别，引入无量纲参数Kw：

式中，Kw——常规切割所做的功，J。

当Kw＜1 时，表明UAC 比常规切割更节能；当Kw=1 时，表明UAC 和常规切割能耗类似；当Kw＞1时，表明UAC 比常规切割更耗能。

2 超声波辅助切割的基本原理

UAC 中刀具对物料的切割原理如图2所示。图2a 表明在UAC 中，刀具振动方向与切割方向一致。超声振动位移随时间变化情况如图2b所示，刀头在点O 处以振幅a和超声波频率f（振动周期T=1/f）做周期性的振动位移，其表示为式（1）；切割速度随时间变化情况如图2c所示，超声振动速度vus表示为式（2），切割速度为vc，真实切割速度为v表示为式（3）。在一次UAC 的周期中（vc＜aω），刀头振动前进并在ta处与物料接触，此时表明切割开始；在tb处，真实速度v逐渐降低到0，表明切割结束，此时刀头开始振动后退。因此，有效切割时间tc（s）可以表示为[21]：

因此，tc仅占整个周期内的很小一部分。从图2b 和2c 还可以得出：

图2 UAC 中刀具对物料的切割原理[19]Fig.2 The cutting mechanism of the tool to the material using UAC[19]

由式（7）～（9）可以得出：

从式（10）可以得出：在vc＜aω 的情况下，tc仅取决3 个重要的参数，分别为：超声频率f、超声振幅a和切割速度vc。由于仅在有效切割时间tc内发生连续切割行为，因此切割力也仅出现在该时间段内，这意味着较低的tc值可以有效降低UAC的切割力。此外，在tc时间段内，由于刀刃的瞬时速度和加速度极大，且超声作用在切割位点产生很大的能量，因此有效地减短了物料的弹性形变时间和塑性断裂时间，使黏弹性物料和塑性物料在切割瞬间趋向于脆性断裂，减小切割形变。

UAC 是在刀具上附加超声振动，使超声振动能量在刀刃上聚集并作用到物料的切割位点，在极短的时间内完成微量的切割，其以极大的瞬时速度和加速度对物料进行周期性冲击，从而改变了物料瞬时物性和破裂机制，缩短了刀具与物料之间的有效接触时间 ，减小了摩擦力，降低了切割温度，改善了切割性能[13]。

3 超声波辅助切割在食品领域的研究与应用现状

UAC 是将超声振动与指定刀具进行耦合的一种新型切割技术，具有高频间歇式振动切割特点，可以有效提高切面光滑度、减小切割力和切面污染等不良现象。Carlson 等[22]发现刀刃在超声的作用下变得更锋利，且在15 min 内温度仅上升0.4 ℃。目前，UAC 虽已在金属加工领域中得到了广泛的应用，但在食品领域内的研究处于起步阶段。基于此，本文就UAC 在刀具参数、切割过程参数、物料参数和对切后的食品品质与储藏期的影响进行分析和讨论，旨在进一步理解UAC 在食品领域中的加工现状和影响因素，并扩大其在食品领域中的研究和应用范围。

3.1 刀具参数对食品切割的影响

在工业化的切割加工中，刀具的材料和结构对切割有很大的影响，需要在重量、锋利度、刚度、耐久度和成本等因素之间的进行权衡[23]。

在UAC 系统的设计中，ANSYS 是最常用的有限元分析软件，用来计算超声波切割装置各部位的谐振频率，从而指导刀具参数设计，实现更高效的切割[24-25]。狭槽是UAC 刀具上的特殊几何结构，合理的狭槽设计可以使超声的振动形式为纵向振动，减少横向无效振动，进而提高振动效率和刀具稳定性。张水田等[26]在设计蛋糕切割的超声刀具时，发现刀面上的狭槽数量对UAC 的稳定性和均匀性有很大的影响，通过ANSYS 分析得出4 个狭槽最佳，设计出的超声刀具在20 kHz 附近以纵向振动为主，并且振幅均匀，谐振频率精确。张云电等[27]根据超声波振动理论，利用解析法设计了切割刀具的模型，并使用ANSYS 软件进行模态分析，发现超声横向振动的节点处应力比较集中，且易产生横向振动，因此将狭槽设计在该处来抑制横向振动。试验表明设计的20 kHz 宽刃UAC 系统振幅均匀且稳定性好。Koc 等[15]同样发现在刀具上设计狭槽，可以加强纵向的超声振动效果，提高UAC 的稳定性。

较小的刀尖半径使刀具更锋利，而太小会降低刀具强度，出现崩边情况。在UAC 刀尖半径的设计中，Xiao 等[21，28]提出了大刀尖半径的UAC 策略，试验表明0.02 mm 的刀尖半径可以显著提高刀具强度，切割稳定性和切面光洁度。

超声刀具的几何形状设计主要采用有限元分析法[25-26]，合理的UAC 刀具参数设计可以提高切割性能。目前，UAC 的刀具参数对食品切割的影响主要集中于狭槽和刀尖半径，细节处的设计却少有研究。在传统的刀具参数设计中已大量展开了楔角[29]、刀尖半径[30]、锋利度[31-32]、刀面光洁度[33]、表面涂层[34]和表面织构[35-36]对切割影响的研究，对UAC 的刀具参数设计有指导作用。因此，后续可以逐步研究在UAC 中，上述刀具参数对食品切割的影响。

3.2 切割过程参数对食品切割的影响

在食品领域的UAC 中，超声切割过程参数对食品切割起着关键性的作用，合理的过程参数选择可以提高切割品质。式（2）表明超声振动速度与频率和振幅有关，式（3）和式（10）表明有效切割时间与频率、振幅和切割速度有关。因此，在UAC中，超声频率、振幅和切割速度是主要的切割过程参数。

表1 总结了有关UAC 的切割参数对食品切割影响的研究。Astashev 等[37]通过理论和试验相互结合的方式，得出当vc＜aω 时，切割速度越快，切割力越大；切割振幅越大，切割力越小的结论。King[38]发现提高超声振动速度可以减少摩擦力，以及表面断裂能和塑性能，即缩短弹性应变时间。然而，较大的超声振动速度需要匹配更快的切割速度，对硬件设备提出了巨大的挑战，因此需要根据实际需求确定切割过程参数。如图3所示，Zahn等[39]研究不同超声振动速度对酵母饺子的切割力和切割功的影响。从图3a 中可以看出，无超声作用下：0～2 mm 为初始切割阶段，2～15 mm 为样本变形阶段，15～26 mm 为切割破裂阶段，26～30 mm为切割结束阶段；而在UAC 中，切割变形阶段显著缩短35%～84.6%，使得最大切割力大约减小53.6%～77.6%，且超声振动速度越快，变形阶段越短，所需切割力越小。图3b 为酵母饺子在不同振动速度和频率下的相对切割功变化情况，研究发现：随着最大振动速度的提高，显著降低，当最大振动速度为1.51 m/s 和5.03 m/s 的情况下，切割功相比于常规切割分别降低了46%和79%，其主要归因于UAC 的高频周期性振动特性，一方面缩短了有效切割时间；另一方面改变了物料的断裂方式，减小了弹性变形和塑性变形过程，使断裂趋于脆性断裂。

图3 酵母饺子在不同UAC 下的切割力和相对切割功[39]Fig.3 Cutting force and relative cutting work of yeast dumplings in various UAC[39]

表1 比较UAC 的加工参数对食品切割影响的研究Table 1 Comparison of various studies on the influence of UAC processing parameters on food cutting

Schneider 等[40]研究UAC 能耗与过程参数之间的关系，发现振幅和频率越大，能耗越多，而通过加快切割速度减少切割时间的策略，可以减少总能耗的消耗。因此，需要对UAC 过程参数进行优化，减小切割力的同时降低能耗。该团队[41]在另一项研究中发现UAC 虽可显著降低切割过程中的滑动摩擦力，但改变超声振幅对摩擦力几乎没有影响。通过滑动摩擦力试验，发现食品的表面形态对摩擦力的贡献更大，质地光滑的食品在UAC中有“悬停”的现象，可极大地减小摩擦力；而质地粗糙的食品在UAC 中，易与空气发生高频空气压缩的现象，阻碍滑动摩擦力的减小。UAC 食品的研究均表明：切割速度与切割力之间呈正相关，超声振动速度与切割力之间为负相关，从而振动速度与切割功也负相关[42]。

在日常的食品切割中，除了正向的挤压运动外，通常还会附加一个垂直于切割方向的滑动运动，将这两种运动方式进行叠加，可以有效的减少切割力[43]。Atkins 等[44]在常规正向切割运动中附加不同滑动速度的切割情况，并定义了参数切压比ξ（滑动方向的速度与正向方向的速度之比），发现在常规切割种，ξ 越大，切割干酪和香肠的切割力越小；而增大ξ 的同时，切割路径增长，导致摩擦力的作用也越大。该团队通过改变刀刃弧度，使刀具本身具有ξ 特性，减小食品切割所需要的切割力，从而减少食品破损情况[45]。King[38]指出在UAC中同样也存在这种现象，通过在正向切割时附加滑动切割可以减小切割力，但该团队没有进一步探讨切割力的减小主要归因于ξ 还是振动切割特性。Arnold 等[46]随后对斜切在UAC 中的作用展开了研究，通过对15 种不同食品的UAC 发现：切割力和切割功的减少主要归因于切割速度和食品物性，斜切不能有效解释该现象；当斜切角越来越大时，压的运动占主导作用，使部分奶酪被压入样品架，品相变差。陈健[47]在面包的UAC 中发现倾斜角度越大，切运动逐渐转变为压运动，导致切割力变大，面包切割时间增长；而在无振动切割中，斜切有效地减小了切割力[29，48]。在UAC 和常规切割中，斜切具有不同的切割表现，可能是因为超声振动速度、切割速度对切割力的减小起主导作用，斜切的影响较小；也有可能是食品的物性差异导致。

超声切割过程参数对食品的切割有很大的影响，合理的频率、振幅、切割速度和切压比可以有效降低切割力、切割功和摩擦力，并提高切割品相和装置寿命。因此，后续研究可以尝试利用深度学习算法、多目标优化算法和计算机仿真来对上述切割过程参数进行优选，以此提高UAC 性能。

3.3 物料特性对食品切割的影响

食品的组分和结构对切割有巨大的影响，如多孔和致密的食品、植物基和动物基食品等，各类食品的成分和物性存在较大的差异，呈现出不同的黏弹性、塑脆性，在UAC 中的切割表现有较大的差异[50]。此外，食品是一种温度依赖性物料，不同温度下食品的物性存在较大的差别，影响其UAC 性能。因此，需展开物料特性对切割影响的研究。

Schneider 等[51]根据食品在UAC 中的表现，将食品在宏观上分为：均匀紧密固体、多孔固体、植物基和动物基物料，并发现由于超声的热效应和空化效应，植物基和动物基食品易产生次级效应，可以通过优化切割过程参数来减小不良影响[51-52]。通过比较5 种烘焙类食品的UAC 发现[40]，食品的物性与能耗显著相关，高水分或高脂肪的致密性食品相比于多孔的食品所需要的切割力更小，在UAC 过程中，切面与刀具之间生成了一层润湿性的滑膜，减小了滑动摩擦力。图4所示为奶油面包在UAC 和常规切割中的现象，可以发现相较于常规切割，奶油蛋糕在UAC 下的品质更高，UAC 具有不黏刀和自清洁的优点，适合于黏弹性食品的加工[47]。Arnold 等[49]比较了8 种不同成分的奶酪在UAC 中的表现，发现水含量的提高削弱了蛋白质之间的相互作用，降低了奶酪的弹性模量，从而减小了切割力；而低脂高蛋白奶酪因其具有致密性的结构网络，通常硬度较高，需要更大的分离力。因此，食品的成分极大的改变了其物性，在UAC中有不同的切割表现。此外，在常规切割中，Wu等[30]表明物料颗粒大小对切割力有较大的影响。目前，UAC 还没有研究食品中的颗粒大小对切割性能的影响，后续需完善该方面的研究。

图4 奶油面包的切割情况[47]Fig.4 Cutting phenomenon of butter bread[47]

食品具有温度依赖性，温度越低，食品的硬度越大，反之变软。King[38]探讨了两类冷冻肉的UAC现象，发现温度越低，切割力越大；在-30～-15 ℃下，两类肉的切割力没有明显差异，可能是因为在低温条件下，肉中的冰晶占主导作用，对切割力的贡献更大，成分的影响较小；在-5～-1.5 ℃时，冷冻肉仍拥有较大的硬度，每增加一倍切割速度，切割力就增加10%，可能是因为物料不能及时吸收切割冲击能，只能将吸收不了的冲击能反向作用于刀具，抵抗切割运动的进行，从而提高了切割力。Brown 等[53]对不同温度下奶酪、牛肉和培根的常规切割中也同样发现温度越低，所需切割力越大。

由于食品的组分、结构特征和温度会导致物性间存在较大的差别，进而对UAC 产生较大影响。因此，为了扩大食品质构特性对UAC 的影响研究，后续可利用高分子材料来模拟不同物性的食品，并尝试建立相应的切割数据库，为未来不同特性的食品UAC 提供借鉴和参考。

3.4 超声波辅助切割对食品品质与储藏期的影响

UAC 在食品切割中，可以减少切割拖尾、变形、破裂和黏刀现象，在切割黏性和脆性食品中有独特的优势，在食品加工领域内逐渐受到了人们的关注。目前，有关UAC 在食品中应用的研究大多集中于切割过程中的力学变化，对UAC 处理后的食品品质及在储藏期内的影响却鲜有报道。

通常，钝刀在切割中需要更大的切割力，而较大的切割力使切面破损更严重，破坏切面细胞并使其与空气大量接触，从而降低抗氧化活性，降低食品切后品质[54]。UAC 是高频振动切割方式，其切割力和破坏小，并且拥有自清洁能力，减少切割过程中的交叉污染和停机清洗时间，适合对食品进行切割加工[55]。Yildiz 等[56]研究3 种超声振幅和不使用超声对3 种切后奶酪的品质和储藏期的影响，通过比较储藏21 d 内的奶酪切面色泽、pH值、过氧化物值、表面形态和感官特性发现：经UAC 的奶酪表现出更光亮、平滑的切面品质，在储藏期内切面褐变程度小，L*值高。同时UAC 可以降低奶酪的过氧化物值，其可能的原因是UAC奶酪的切面破损小，因此暴露在空气中的机会小，不易发生氧化反应。虽然在储藏期内UAC 后的奶酪感官评分均高于不使用超声切割的奶酪，但差异不显著；此外，50%振幅切割的奶酪品质相对更好。有文献研究了有/无超声对蛇果和金冠苹果切后品质与储藏期的影响[57]。如图5所示，相比于常规切割，50%振幅的UAC 金冠苹果的切面更光滑和光亮，褐变缓慢，L*值更高。观察2 种切法的扫描电镜图，同样可以发现：常规切割法的苹果表面较粗糙，更多的细胞出现破裂和滑移现象，同时存在几毫米的裂缝，导致细胞液和组织液泄露，褐变严重且切后品质急剧下降；而经UAC 的苹果切面致密光滑，细胞损伤小，在14 d 内保持了更好的品相。经感官评价分析同样可以得出UAC 苹果拥有更高的评分，值得注意的是，当切后苹果储藏到第7 天和第14 天时，经0%和30%振幅的UAC 中产生不良的味道，而经40%和50%振幅的UAC 中没有发现异味。可能是因为当超声振幅太小，UAC的振动效果不明显，导致细胞破损严重，降低苹果的切后品质；也可能是因为振幅过低导致的超声次级效应明显，降低了切割品质。因此，为了获取最佳的切后品质，需要对UAC 切割参数进行优化。

图5 金冠苹果切割面的外观及形态[57]Fig.5 Appearance and morphology of section surface in Golden Delicious apple[57]

UAC 有助于延缓切后食品在储藏期内的品质下降程度，可作为新的切割技术替代传统的切割方法。同时，UAC 具有不黏刀和自清洁的特性，可以有效防止切割过程中的染色和交叉污染等不良现象的发生。因此，UAC 可用于连续快速的切割，提高切后食品品质并提高切割效率和产能，在现代化食品加工业领域中有广阔的应用前景。

4 超声波辅助切割的优点

UAC 是一种新型的冷切割技术，通过将超声振动叠加到相应的刀具上，实现对食品的高效切割。与传统切割相比，UAC 主要有以下优势[47，58]：

1）降低切割力、摩擦系数和切割温度。由于刀具在超声激励下不断周期性振动，因此刀刃与物料之间的有效接触时间仅占整个振动周期的很小一部分，该时间内的切割距离也是微量的，此时超声波能量聚集在刀刃处，使裂纹处组织软化、熔化、断裂，进而降低切割力，提高切割品质的同时降低切割能耗。此外，刀具的动态特性使刀面上出现滑动层，从而降低摩擦系数和切割温度，减少对食品的破坏。

2）提高切面品质和产品储藏期。在UAC 中，刀刃与物料之间的碰撞遵循不灵敏性振动切削机理，使得产品形变非常小，切割处于相对静止状态，提高了切割稳定性和切割精度，切面光滑平整；此外，UAC 有切面熔合作用，一方面防止切面松散破裂；另一方面在切面处形成封膜，减少细胞与空气接触，从而延长储藏期。

3）减少食品交叉污染和环境污染。在UAC中，由于刀具的动态特性，在切割过程中几乎不会发生黏刀现象，减少连续切割或复合食品切割中食品交叉污染的情况；此外，UAC 主要表现为“切割”作用，不存在将物料挤压、打碎和崩坏的情况，因此加工中切屑和碎屑较少，几乎没有环境污染。

4）刀具磨损小，延长刀具寿命。在UAC 中，刀具与物料在整个切割周期内的接触时间和作用距离极小，不易产生刀具的切割疲劳；同时切割力、摩擦系数和切割温度的降低，减少了刀刃的磨损状况，从而延长了刀具的寿命。

5 超声波辅助切割在食品领域的展望

UAC 是一种新型的切割技术，因其独特的切割方式和优点，有望取代传统的切割方法。为了打破传统切割能耗高、品质差的壁垒，提高UAC 在食品领域中的应用范围，需重点开展以下的研究：

1）在食品的切割中，提高刀具的耐腐蚀性和耐磨性至关重要，因此需要开发新型的智能材料或生物材料制作刀具涂层，以减少食品对刀具的黏附和腐蚀情况，延长刀具的使用寿命。此外，刀具参数如楔角、锋利度、刀面光洁度和表面织构等对UAC 切割性能的影响还不够完善，需逐一进行研究，以提高切割品质和产能；

2）不同切割参数对切割品质有较大的影响，在激光刀切割加工应用中，已逐渐采用人工智能算法优化切割过程参数，并取得了较好的结果[59]。因此，在食品领域的UAC 中，需要对系统参数、物料参数和切割过程参数进行优化，以及采用多目标优化算法对UAC 加工中的能耗、产量、碳排放等因素同时进行优化，构建切割模型并逐步建立食品切割领域内的UAC 数据库，打造高品质、低能耗的现代化食品智能UAC 方式；

3）由于食品的组分和结构对其物性有较大的影响，因此需要研究不同食品的力学特性对切割性能的影响，并结合计算机仿真和UAC 试验对不同黏性、弹性、塑性和脆性食品在切割过程中的破裂机制进行探讨，以构建不同物性的食品在UAC 中的力学变化和组织破裂机理，建立不同物性食品在UAC 作用下的数据库，对未知物料的UAC 提供指导作用；

4）随着无损检测技术和化学计量学方法的快速发展，使近红外光谱、高光谱和机器视觉等原位无损检测食品的理化属性成为可能[60-62]。此外，工业4.0 和中国制造2025 的逐步推进，亟需发展现代化食品智能加工技术。因此，在食品的UAC中需要结合高精度的传感器（如：视觉传感器、力值传感器、光学传感器等），对食品的物性和状态进行在线检测，帮助切割系统完成切割参数选择；同时开发多刀头切割系统和多自由度切割装置，来提高切割效率和产能，以实现智能化、柔性化和个性化的现代食品切割制造。

目前正处于各类食品的大需求、高品质及绿色低碳生产的大环境下，UAC 技术在食品加工领域中具有广阔的应用空间。