食品物性學(xué)(1)

1、微波在食品中的應(yīng)用微波在食品中的應(yīng)用什么是微波什么是微波 從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長(或頻率或頻率)劃劃分，則大致可以把分，則大致可以把300MHz3000GHz， (對應(yīng)空氣中波長對應(yīng)空氣中波長是是1m 0.1mm)這一頻這一頻段的電磁波稱之為微波。縱觀段的電磁波稱之為微波。縱觀“左鄰右舍左鄰右舍”它處于超短波和紅外光波之間。它處于超短波和紅外光波之間。紅 外 光超 短 波電磁波譜電磁波譜微波也稱超高頻，是無線電波中波長最微波也稱超高頻，是無線電波中波長最短的波段。短的波段。微波特點(diǎn)與應(yīng)用微波特點(diǎn)與應(yīng)用 1. 1. 微波的兩重性微波的兩重性 微波的兩重性指的是對

2、于尺寸大的物體，如建筑物火箭、導(dǎo)彈它顯示出粒子的特點(diǎn)即似光性或直線性而對于相對尺寸小的物體，又顯示出波動(dòng)性。 2. 2. 微波與微波與“左鄰右舍左鄰右舍”的比較的比較微波的“左鄰”是超短波和短波，而它的“右舍”又是紅外光波。 微波與超短波、短波相比較大大擴(kuò)展了通訊通道，開辟了微波通訊和衛(wèi)星通訊 微波與光波段比較光通過雨霧衰減很大，特別是霧天蘭光、紫光幾乎看不見，這正是采用紅光作警戒的原因。而微波波段穿透力強(qiáng)。中繼站中繼站 微微 波波中中 繼繼 通通 信信 ( 圖圖1-2 ) 雷雷 達(dá)達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)( 圖圖1-1 )3. 3. 宇宙宇宙“窗口窗口” 地球的外層空間由于日光等繁復(fù)的原因形成獨(dú)地

3、球的外層空間由于日光等繁復(fù)的原因形成獨(dú)特的電離層，它對于短波幾乎全反射，這就是短波特的電離層，它對于短波幾乎全反射，這就是短波的天波通訊方式。而在微波波段則有若干個(gè)可以通的天波通訊方式。而在微波波段則有若干個(gè)可以通過電離層的過電離層的“宇宙窗口宇宙窗口”。因而微波是獨(dú)特的宇宙。因而微波是獨(dú)特的宇宙通訊手段。通訊手段。 宇宙窗口宇宙窗口 微波特點(diǎn)與應(yīng)用微波特點(diǎn)與應(yīng)用 利用地球同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球通信利用地球同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球通信4 4. .不少物質(zhì)的能級躍遷頻率恰好落在微波的短波段，不少物質(zhì)的能級躍遷頻率恰好落在微波的短波段，因此近年來微波生物醫(yī)療和微波催化等領(lǐng)域已是前因此近年來微波生物醫(yī)療和微波催化

4、等領(lǐng)域已是前沿課題。沿課題。5. 5. 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算次數(shù)進(jìn)入十億次，其頻率也是微計(jì)算機(jī)的運(yùn)算次數(shù)進(jìn)入十億次，其頻率也是微波頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問題波頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問題因此，微波的研究已進(jìn)入集成電路和計(jì)算機(jī)。因此，微波的研究已進(jìn)入集成電路和計(jì)算機(jī)。 6. 6. 微波能微波能微波特點(diǎn)與應(yīng)用微波特點(diǎn)與應(yīng)用微波在食品中的應(yīng)用微波在食品中的應(yīng)用微波電磁振蕩周期（10-12s10-9s）很短，比電子管中電子在電極間飛越所經(jīng)歷的時(shí)間（約10-9s）還要短。因此普通的電子管已經(jīng)不能用于微波振蕩器、放大器和檢波器了，必須采用原理完全不同的微波電子管（速調(diào)管、磁控管和行波

5、管等）來代替。直到1965年美國開發(fā)了大功率磁控管，微波在食品工業(yè)加熱中的應(yīng)用才全面展開。目前，食品加工中微波的利用主要指在微波場中食品材料的發(fā)熱效應(yīng)，利用微波殺菌的技術(shù)也逐漸成熟。微波加熱在食品加工中的應(yīng)用 水分子是微波域內(nèi)極化運(yùn)動(dòng)產(chǎn)熱的主要物質(zhì)。 在交變電場中偶極子的水分子會(huì)隨著電磁場方向的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)。 電場頻率增加，運(yùn)動(dòng)加快，產(chǎn)生更多的摩擦熱。 一般家用微波頻率（2450MHz）加熱，就意味著使水分子在1S內(nèi)發(fā)生180來回轉(zhuǎn)動(dòng)24.5億次。 介電感應(yīng)加熱微波加熱在食品加工中的應(yīng)用微波加熱的特性：1 微波加熱的即時(shí)性 用微波加熱介質(zhì)物料時(shí)，加熱非常迅速。只要有微波輻射，物料即刻得到加熱。反

6、之，物料就得不到微波能量而立即停止加熱，它能使物料在瞬間得 到或失去熱量來源，表現(xiàn)出對物料加熱的無惰性。2 微波加熱的整體性 微波是一種穿透力強(qiáng)的電磁波，如頻率為915MHz的電磁波，其波長為32cm，它能穿透物體的內(nèi)部，向被加熱材料內(nèi)部輻射微波電磁場，推動(dòng)其極化水分子的劇烈運(yùn)動(dòng)，使分子相互碰撞、摩擦而生熱因此其加熱過程在整個(gè)物體內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，升溫迅速，溫度均勻，溫度梯度小，是一種“體熱源”，大大縮短了常規(guī)加熱中熱傳導(dǎo)的時(shí)間除了特別大的物體外，一般可以做到表里一起均勻加熱這符合工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)和自動(dòng)化控制的要求是否意味著頻率越大，對微波的吸收效率越高呢？事實(shí)并非如此，偶極矩的取向極化都需要一定的時(shí)

7、間，當(dāng)電磁波的頻率超過偶極子的特征頻率（或稱固有頻率）時(shí)，偶極子運(yùn)動(dòng)的頻率甚至?xí)p慢，對微波的吸收效率降低?？梢娒恳环N極性分子都具有一定的吸收微波最大的特征頻率，即在同樣頻率的微波照射下，不同分子的吸收能力不同，這使得微波加熱具有選擇性。3 微波加熱的選擇性 并非所有材料都能用微波加熱，不同材料由于其自身的介電特性不同，其對微波的反應(yīng)也不相同。我們可以利用微波加熱的選擇性對混合物料中的各組分或零件的不同部位進(jìn)行選擇性加熱。 對玻璃、陶瓷、塑料幾乎全部穿透較少吸收，對生物體、水及含水材料具有良好吸收性能并可產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)換。 如：利用微波加熱對物料進(jìn)行膠合加工時(shí)，其發(fā)熱和溫升集中在膠層，避免了膠縫周

8、圍物料因高溫而造成的熱損壞。加熱包裝內(nèi)食品，大部分能量被加熱對象吸收，減少容器或包裝材料的熱損失。 同時(shí)也存在不吸收微波的物體，如金屬，就會(huì)像光線一樣被反射回來。利用這一性質(zhì)可對微波的傳輸進(jìn)行導(dǎo)波，或?qū)Σ恍枰訜岬氖称凡糠钟媒饘龠M(jìn)行屏蔽。微波加工小工具微波加工小工具4 微波加熱能量利用的高效性 微波進(jìn)行加熱時(shí)，介質(zhì)材料能吸收微波轉(zhuǎn)化為熱能，而設(shè)備殼體只能反射而不能吸收微波(或極少吸收微波)。再加上微波加熱是內(nèi)部“體熱源”，它不需要高溫介質(zhì)來傳熱，因此絕大部分微波能量被介質(zhì)物料吸收并轉(zhuǎn)化為升溫所需要的熱量，這就形成了微波能量利用高效率的特性。與常規(guī)電加熱方式相比，它一般可以節(jié)電30一50。5 微

9、波加熱安全、衛(wèi)生、無污染，具有很強(qiáng)的殺菌能力 微波加熱所用能源為電能，對環(huán)境沒有污染。用微波輻射生物體時(shí)，除了產(chǎn)生微波熱效應(yīng)外，微波還能使生物體的生物活性得到抑制或激勵(lì)，即微波的非熱效應(yīng)或生物效應(yīng)。在相同溫度條件下，微波對細(xì)菌的致死率遠(yuǎn)高于常規(guī)加熱。 除此之外，微波加熱還具有加熱質(zhì)量高、營養(yǎng)破壞少、加熱設(shè)備緊湊、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。微波殺菌機(jī)理的獨(dú)特性 巴氏殺菌時(shí)菌致死速率是以菌耐熱能力來衡量的眾所周知，細(xì)菌發(fā)育滋長時(shí)的經(jīng)歷(環(huán)境)、加熱殺菌時(shí)的狀態(tài)、條件(干熱、濕熱)，以及加熱溫升速率等都影響它的耐熱能力。于是，熱力因素在常規(guī)殺菌中成為唯一的主宰力量。 然而，微波電磁場在殺菌過程中所表現(xiàn)出的“非

10、熱效應(yīng)成為細(xì)菌致死的主導(dǎo)因素”，打破了常規(guī)加熱殺菌的格局。細(xì)菌欲生存而須抗?fàn)幍膶ο蟾臑椤半姶帕Α?，因?yàn)榫滤赖沫h(huán)境已發(fā)生絕然的變化。這個(gè)客觀事實(shí)明示了我們的思維方式須隨之而作相應(yīng)的改變。 微波殺菌作用快速、殺商譜廣、能穩(wěn)低，而這種快速又無選擇性的殺菌作用正是微波特殊作用機(jī)制所致 1.熱效應(yīng)作用 2. 非熱效應(yīng)殺菌作用研究非熱效應(yīng)殺菌作用研究 微波加熱與普通加熱在相同溫度下相同時(shí)間內(nèi)所獲得殺菌效果不同.試驗(yàn)證明，微波照射1. 5min ，升溫至92 可以殺滅枯草桿菌芽抱，而普通加熱升溫至100 ，作用15min 方可達(dá)到相同效果. 李榮芬等研究證明，用650W 微波滅菌器照射150s ，升溫至7

11、1 ,可殺滅枯草桿菌黑色變種芽抱99.9% 以上;而普通加熱升溫71 并持續(xù)作用150s 對枯草桿菌黑色變種芽抱只能殺滅24.9% . 上述結(jié)果充分說明，微波照射與普通加熱比較，在相同溫度和時(shí)間內(nèi)，前者殺菌能力明顯強(qiáng)于后者.由此完全可以認(rèn)為，微波殺菌確實(shí)存在非熱效應(yīng).3. 綜合效應(yīng)的殺菌作用綜合效應(yīng)的殺菌作用 經(jīng)過分析研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單純的熱效應(yīng)或非熱效應(yīng)都不能解釋微波的殺菌特性.微波快速廣譜的殺菌作用是由復(fù)雜的綜合因素作用的結(jié)果.認(rèn)為只存在熱效應(yīng)或非熱效應(yīng)觀點(diǎn)的差異主要是各自的實(shí)驗(yàn)方法都存在一定的不足.正確認(rèn)識微波殺菌機(jī)制微波的快速穿透作用和直接使分子內(nèi)部摩擦產(chǎn)熱顯示出良好的熱效應(yīng)作用.滅菌物

12、品采用防熱擴(kuò)散密封包裝有助于包內(nèi)熱量積累充分發(fā)揮熱效應(yīng).微波的場效應(yīng)，生物體處于微波場中細(xì)胞受到?jīng)_擊和震蕩，破壞細(xì)胞外層結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞通透性增加，破壞了細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)平衡。電鏡下可見到細(xì)胞腫脹進(jìn)而出現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)崩解融合致細(xì)胞死亡.量子效應(yīng)，微波場中量子效應(yīng)主要是激發(fā)水分子產(chǎn)生比0，和其他自由基，形成細(xì)胞毒作用.這種作用可使細(xì)胞內(nèi)各種蛋白、酶、核酸等受到破壞.另外，光子可增加分子動(dòng)能，促進(jìn)熱反應(yīng).微波以外的因素，在充分保證微波能量和作用時(shí)間的條件下，滅菌物品的包裝、合適的含水量、負(fù)載量以及物品的性質(zhì)等都是改變微波殺菌的重要因素.影響微波殺菌的主要因素微波輸出功率,照射時(shí)間;場強(qiáng)均勻性;負(fù)載量;滅菌包裝材

13、料;含濕量;物體大小;協(xié)同劑及其它因素 滅菌物品的包裝材料不僅需要能無阻留地透過微波和防止微生物的透人而且需要防止熱量擴(kuò)散。研究證明，棉布包表層持染的細(xì)菌要比包中心部位污染菌難以殺滅，殺菌速度相差4 倍。 若用不透氣的塑料膜把棉布包再進(jìn)行密封包裝可完全消除內(nèi)層和表層的差別達(dá)到內(nèi)外消毒效果一致。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)槊芊飧魺岚b可防止熱擴(kuò)散，充分發(fā)揮熱效應(yīng)作用，明顯改善包內(nèi)外滅菌的均勻性。 材料含濕率材料含濕率 水是微波最好的吸收材料，吸收微波是微波殺菌的必要條件，所以滅菌物品含水率對消毒效果影響明顯。含濕率影響具有三層意義： (l)不含水分的材料難以用微波滅菌這已被大量研究所證實(shí)。將細(xì)菌芽抱經(jīng)過脫

14、水處理微波照射很難將其殺滅。處于干燥狀態(tài)的大腸桿菌比液體中的細(xì)菌芽抱對微波抗力還強(qiáng)。 (2)含濕率可因微波輸出功率大小和照射時(shí)間長短而最佳范圍不同。微波快速滅菌器在650 W 功率下照射時(shí)間 10min ，以200g 吸濕載體其含濕率可為30%50% 。 (3)含濕量過高使消毒效果下降。在其他條件不變情況下，含濕量過大亦即負(fù)載量過大，使得能量分布密度降低，從而使微波殺茵效果降低。微波加熱殺菌對牛乳品質(zhì)的影響 殺菌是乳品加工中的重要 工序。牛乳中的營養(yǎng)成分多為熱敏性物質(zhì)。乳品加工中的加熱操作，會(huì)使牛乳中的營養(yǎng)成分有不同程度的損失。微波加熱殺菌對微生物的致死作用，既有熱效應(yīng)也有非熱效應(yīng)，因此，殺菌

15、時(shí)溫度低、時(shí)間短，對牛乳中營養(yǎng)成分的影響就小。 牛乳中維生素C的熱敏性較大，因此，先研究微波加熱殺菌對牛乳中維生素C的影響，再研究微波加熱殺菌對牛乳中主要營養(yǎng)成分乳脂肪和乳蛋白質(zhì)的影響。試驗(yàn)材料 原料乳：從奶牛養(yǎng)殖廠購買，從擠出到取樣進(jìn)行殺菌試驗(yàn)不超過兩小時(shí)。試驗(yàn)儀器 微波爐：型號為EM一350S，頻率為2450MHz，加熱功率檔次分為80W、150W、300W、450W、600W、700W，加熱時(shí)間可以任意設(shè)定。HH恒溫水浴鍋、FA2004電子天平、溫度計(jì)、秒表、容積為500mL的燒杯(直徑為85mm)等。MT一100型乳成分測定儀：南京南分醫(yī)療生化儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)。微波加熱殺菌對牛乳中

16、維生素C的影響微波加熱殺菌與水浴加熱殺菌的對比試驗(yàn)方法(1)原料乳的微波加熱殺菌處理方法：將原料乳倒入容量為500mL的燒杯中(直徑為85mm)，使牛乳層厚度為上表中的厚度，然后放入微波爐中，再按照上表中相應(yīng)的微波功率和時(shí)間進(jìn)行加熱殺菌處理。處理完畢后，從微波爐里取出，蓋上無菌保鮮膜。待牛乳溫度降至室溫后，再進(jìn)行維生素C含量的測定。(2)原料乳的水浴加熱殺菌處理方法：將原料乳倒入容量為500mL的燒杯中(直徑為85mm)，使牛乳層厚度為上表中的厚度，蓋上無菌保鮮膜，然后放入100沸水浴中，使溫度達(dá)到90后，從水浴鍋里取出。待牛乳溫度降至室溫后，再進(jìn)行維生素C含量的測定。試驗(yàn)結(jié)果與分析 試驗(yàn)指標(biāo)

17、Y采用維生素C損失率，按 式計(jì)算 Y=(W0-W)/W0100% 其中：W0原料乳的維生素C含量； W 殺菌后乳的維生素C含量。兩種殺菌方法各試驗(yàn)點(diǎn)的維生素C損失率及其統(tǒng)計(jì)見下表：微波加熱殺菌對牛乳中主要成分的影響試驗(yàn)方案 以牛乳為研究對象，以牛乳層厚度X1 和微波功率X2，為試驗(yàn)因素，以牛乳中主要成分乳脂肪和乳蛋白質(zhì)的損失率為試驗(yàn)指標(biāo)Y，得出牛乳微波加熱殺菌的主要參數(shù)對牛乳成分的影響規(guī)律以及最佳的參數(shù)組合。 X1取28.5mm、38.0mm、47.5mm、57.0mm四個(gè)水平， X2取300W、450W、600W、700W四個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。為了考察X1 和X2 ，及其交互作用對牛乳中主要成分

18、的影響，進(jìn)行了雙因素全面重復(fù)試驗(yàn)。1.原料乳的微波殺菌處理方法 將原料乳倒入容量為500mL的燒杯中(直徑為85mm)使牛乳厚度為表5中的厚度，加蓋后放人微波爐中，再按照表5中相應(yīng)的功率和時(shí) 間進(jìn)行殺菌處理。處理完畢后，從微波爐中取出，使牛乳溫度降至25。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均重復(fù)3次。2.指標(biāo)檢測方法 用MT一100型乳成分測定儀測定乳脂肪和乳蛋白質(zhì)的含量。將乳樣溫度恒溫至25，用乳成分測定儀檢測，記錄數(shù)據(jù)。成分損失率Y按下式計(jì)算： Y=（W0-W）/W0其中： W0 原料乳的成分含量； W殺菌后乳的成分含量。試驗(yàn)方法 從圖1a中可以看出，牛乳采用微波加熱殺菌時(shí)，牛乳層厚度越小，對乳脂肪的影響越?。浑S

19、著牛乳層厚度的增加乳脂肪的損失增加，但越來越緩慢這可能是由于薄層加熱殺菌時(shí)間短所致。 從圖1b中可以看，微波功率越大，對乳脂肪的影響越小，基本呈直線下降，這可能是由于微波功率越大加熱殺菌時(shí)間越短所致。由表由表6可知，牛乳層厚度對乳脂肪損失率的影響一般顯可知，牛乳層厚度對乳脂肪損失率的影響一般顯著，微波功率對乳脂肪損失率的影響顯著，而兩者的交著，微波功率對乳脂肪損失率的影響顯著，而兩者的交互作用對乳脂肪損失率無顯著的影響。牛乳層厚度和微互作用對乳脂肪損失率無顯著的影響。牛乳層厚度和微波功率及其交互作用對乳蛋白質(zhì)損失率均無顯著的影響。波功率及其交互作用對乳蛋白質(zhì)損失率均無顯著的影響。結(jié)論 通過對牛

20、乳微波加熱殺菌的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：(1)牛乳的微波加熱殺菌比水浴加熱殺菌對乳中維生素C的影響小。(2)牛乳層厚度和微波功率對乳脂肪的影響較為顯著，而對乳蛋白質(zhì)的影響均不顯著。(3)牛乳層厚度越小，對乳脂肪的影響越小，隨著牛乳層厚度的增加乳脂肪的損失增加，但越來越緩慢；微波功率越大，對乳脂肪的影響越小，基本呈直線下降。文獻(xiàn)一 文獻(xiàn)二微波加熱技術(shù)的應(yīng)用前景 20世紀(jì)90年代以后，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微波設(shè)備電子器件價(jià)格的下跌及能源比價(jià)的調(diào)整等因素，使得微波加熱設(shè)備及微波加熱的直接成本有了大幅度的下降；全球環(huán)境的不斷惡化，使人們逐步認(rèn)識到傳統(tǒng)的加熱方式不再是一種環(huán)保良好的作業(yè)。這些都為微波

21、加熱的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的契機(jī)和廣闊的前景。 我們可以預(yù)見：微波加熱技術(shù)將以其獨(dú)特的優(yōu)勢在未來的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮非常重要的作用。 現(xiàn)已廣泛用于牛肉干、豬肉脯、魚片、醬囟肉、鴨肉、雞肉等制品的熱化、干燥和殺菌。肉制品經(jīng)微波殺菌后，其鮮度、嫩度、風(fēng)味均保持原樣，衛(wèi)生指標(biāo)完全可低于國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，貨架貯存時(shí)間可達(dá)1-2個(gè)月，微波對肉制品殺菌、保鮮技術(shù)的成功應(yīng)用，由原來保鮮期3天，延長到1-2個(gè)月，已將該項(xiàng)技術(shù)成果提高到嶄新階段。 微波殺菌的優(yōu)點(diǎn) 1、時(shí)間短、速度快 2、低溫殺菌保持營養(yǎng)成份和傳統(tǒng)風(fēng)味 3、節(jié)約能源 4、表面和內(nèi)部都同時(shí)進(jìn)行 5、便于控制 6、設(shè)備簡單，工藝先進(jìn) 7、改善勞動(dòng)條件，節(jié)省占地面積微波加熱存在問題 （一）微波加熱不均勻（一）微波加熱不均勻（1）微波加熱具有選擇性，即使在相同的微波場中，不同的食品材料都存在溫升的差異；（2）微波具