食品物性学 (1)

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1、微波在食品中的应用 什么是微波 从现象看，如果把电磁波按波长(或频率)划 分，则大致可以把300MHz3000GHz， (对应空气中波长是1m 0.1mm)这一频 段的电磁波称之为微波。纵观“左邻右舍” 它处于超短波和红外光波之间。 电磁波谱 微波也称超高频，是无线电波中波长最 短的波段。 微波特点与应用 1. 微波的两重性 微波的两重性指的是对于尺寸大的物体，如建筑物火箭、 导弹它显示出粒子的特点即似光性或直线性而对于相对尺寸 小的物体，又显示出波动性。 2. 微波与“左邻右舍”的比较 微波的“左邻”是超短波和短波，而它的“右舍”又是红外光波。 中继站 微 波 中 继 通 信 ( 图1-2

2、) 雷 达 发现目标 ( 图1-1 ) 3. 宇宙“窗口” 地球的外层空间由于日光等繁复的原因形成独 特的电离层，它对于短波几乎全反射，这就是短波 的天波通讯方式。而在微波波段则有若干个可以通 过电离层的“宇宙窗口”。因而微波是独特的宇宙通 讯手段。 宇宙窗口 微波特点与应用 利用地球同步卫星实现全球通信 4.不少物质的能级跃迁频率恰好落在微波的短波段 ，因此近年来微波生物医疗和微波催化等领域已是前 沿课题。 5. 计算机的运算次数进入十亿次，其频率也是微 波频率。超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题因 此，微波的研究已进入集成电路和计算机。 6. 微波能 微波特点与应用 微波在食品中的应用

3、微波电磁振荡周期（10-12s10-9s）很短，比电子管 中电子在电极间飞越所经历的时间（约10-9s）还要 短。因此普通的电子管已经不能用于微波振荡器、 放大器和检波器了，必须采用原理完全不同的微波 电子管（速调管、磁控管和行波管等）来代替。直 到1965年美国开发了大功率磁控管，微波在食品工 业加热中的应用才全面展开。 目前，食品加工中微波的利用主要指在微波场中食 品材料的发热效应，利用微波杀菌的技术也逐渐成 熟。 微波加热在食品加工中的应用 水分子是微波域内极化运动产热的主要物 质。 在交变电场中偶极子的水分子会随着电磁 场方向的变化而转动。 电场频率增加，运 动加快，产生更多的摩擦热。

4、 一般家用微波频率（2450MHz）加热，就 意味着使水分子在1S内发生180来回转动 24.5亿次。 介电感应加热 原理原理 微波加热在食品加工中的应用 微波加热的特性： 1 微波加热的即时性 用微波加热介质物料时，加热非常迅速。 只要有微波辐射，物料即刻得到加热。反之， 物料就得不到微波能量而立即停止加热，它能 使物料在瞬间得 到或失去热量来源，表现出 对物料加热的无惰性。 2 微波加热的整体性 微波是一种穿透力强的电磁波，如频率为 915MHz的电磁波，其波长为32cm，它能穿透物 体的内部，向被加热材料内部辐射微波电磁场， 推动其极化水分子的剧烈运动，使分子相互碰撞 、摩擦而生热因此其

5、加热过程在整个物体内同 时进行，升温迅速，温度均匀，温度梯度小，是 一种“体热源”，大大缩短了常规加热中热传导的 时间除了特别大的物体外，一般可以做到表里 一起均匀加热这符合工业连续化生产和自动化 控制的要求 是否意味着频率越大，对 微波的吸收效率越高呢？ 事实并非如此，偶极矩的取向极化都需 要一定的时间，当电磁波的频率超过偶 极子的特征频率（或称固有频率）时， 偶极子运动的频率甚至会减慢，对微波 的吸收效率降低。 可见每一种极性分子都具有一定的吸收 微波最大的特征频率，即在同样频率的 微波照射下，不同分子的吸收能力不同 ，这使得微波加热具有选择性。 3 微波加热的选择性 并非所有材料都能用微

6、波加热，不同材料由于其 自身的介电特性不同，其对微波的反应也不相同 。我们可以利用微波加热的选择性对混合物料中 的各组分或零件的不同部位进行选择性加热。 对玻璃、陶瓷、塑料几乎全部穿透较少吸收，对 生物体、水及含水材料具有良好吸收性能并可产 生热能转换。 如：利用微波加热对物料进行胶合加工时，其发热 和温升集中在胶层，避免了胶缝周围物料因高温 而造成的热损坏。加热包装内食品，大部分能量 被加热对象吸收，减少容器或包装材料的热损失 。 同时也存在不吸收微波的物体，如金属，就会像 光线一样被反射回来。利用这一性质可对微波的 传输进行导波，或对不需要加热的食品部分用金 属进行屏蔽。 微波加工小工具

7、4 微波加热能量利用的高效性 微波进行加热时，介质材料能吸收微波转化 为热能，而设备壳体只能反射而不能吸收微波(或 极少吸收微波)。再加上微波加热是内部“体热源” ，它不需要高温介质来传热，因此绝大部分微波 能量被介质物料吸收并转化为升温所需要的热量 ，这就形成了微波能量利用高效率的特性。与常 规电加热方式相比，它一般可以节电30一50 。 5 微波加热安全、卫生、无污染，具有很强 的杀菌能力 微波加热所用能源为电能，对环境没有污染 。用微波辐射生物体时，除了产生微波热效应外 ，微波还能使生物体的生物活性得到抑制或激励 ，即微波的非热效应或生物效应。在相同温度条 件下，微波对细菌的致死率远高于

8、常规加热。 除此之外，微波加热还具有加热质量高、营 养破坏少、加热设备紧凑、节省空间等优点。 微波杀菌机理的独特性 巴氏杀菌时菌致死速率是以菌耐热能力来衡量 的众所周知，细菌发育滋长时的经历(环境)、加 热杀菌时的状态、条件(干热、湿热)，以及加热 温升速率等都影响它的耐热能力。于是，热力因 素在常规杀菌中成为唯一的主宰力量。 然而，微波电磁场在杀菌过程中所表现出的 “非热效应成为细菌致死的主导因素”，打破了常 规加热杀菌的格局。细菌欲生存而须抗争的对象 改为“电磁力”，因为菌致死的环境已发生绝然的 变化。这个客观事实明示了我们的思维方式须随 之而作相应的改变。 微波杀菌作用快速、杀商谱广、能

9、稳低， 而这种快速又无选择性的杀菌作用正是微 波特殊作用机制所致 1.热效应作用 2. 非热效应杀菌作用研究 微波加热与普通加热在相同温度下相同时间内所获 得杀菌效果不同.试验证明，微波照射1. 5min ，升 温至92 可以杀灭枯草杆菌芽抱，而普通加热升温 至100 ，作用15min 方可达到相同效果. 李荣芬等研究证明，用650W 微波灭菌器照射150s ，升温至71 ,可杀灭枯草杆菌黑色变种芽抱99.9% 以上;而普通加热升温71 并持续作用150s 对枯草 杆菌黑色变种芽抱只能杀灭24.9% . 上述结果充分说明，微波照射与普通加热比较，在 相同温度和时间内，前者杀菌能力明显强于后者.

10、由 此完全可以认为，微波杀菌确实存在非热效应. 3. 综合效应的杀菌作用 经过分析研究结果发现，单纯的热效应或 非热效应都不能解释微波的杀菌特性.微波 快速广谱的杀菌作用是由复杂的综合因素 作用的结果.认为只存在热效应或非热效应 观点的差异主要是各自的实验方法都存在 一定的不足. 正确认识微波杀菌机制 微波的快速穿透作用和直接使分子内部摩 擦产热显示出良好的热效应作用.灭菌物品 采用防热扩散密封包装有助于包内热量积 累充分发挥热效应. 微波的场效应，生物体处于微波场中细胞 受到冲击和震荡，破坏细胞外层结构，使 细胞通透性增加，破坏了细胞内外物质平 衡。电镜下可见到细胞肿胀进而出现细胞 质崩解融

11、合致细胞死亡. 量子效应，微波场中量子效应主要是激发 水分子产生比0，和其他自由基，形成细胞 毒作用.这种作用可使细胞内各种蛋白、酶 、核酸等受到破坏.另外，光子可增加分子 动能，促进热反应. 微波以外的因素，在充分保证微波能量和 作用时间的条件下，灭菌物品的包装、合 适的含水量、负载量以及物品的性质等都 是改变微波杀菌的重要因素. 影响微波杀菌的主要因素 微波输出功率,照射时间; 场强均匀性; 负载量; 灭菌包装材料; 含湿量; 物体大小; 协同剂及其它因素 灭菌物品的包装材料不仅需要能无阻留地 透过微波和防止微生物的透人而且需要防 止热量扩散。研究证明，棉布包表层持染 的细菌要比包中心部位

12、污染菌难以杀灭， 杀菌速度相差4 倍。 若用不透气的塑料膜把棉布包再进行密封 包装可完全消除内层和表层的差别达到内 外消毒效果一致。这种现象可能是因为密 封隔热包装可防止热扩散，充分发挥热效 应作用，明显改善包内外灭菌的均匀性。 材料含湿率 水是微波最好的吸收材料，吸收微波是微波杀菌 的必要条件，所以灭菌物品含水率对消毒效果影 响明显。含湿率影响具有三层意义： (l)不含水分的材料难以用微波灭菌这已被大量研 究所证实。将细菌芽抱经过脱水处理微波照射很 难将其杀灭。处于干燥状态的大肠杆菌比液体中 的细菌芽抱对微波抗力还强。 (2)含湿率可因微波输出功率大小和照射时间长短 而最佳范围不同。微波快速

13、灭菌器在650 W 功率 下照射时间 10min ，以200g 吸湿载体其含湿率 可为30%50% 。 (3)含湿量过高使消毒效果下降。在其他条件不变 情况下，含湿量过大亦即负载量过大，使得能量 分布密度降低，从而使微波杀茵效果降低。 微波加热杀菌对牛乳品质的影响 杀菌是乳品加工中的重要 工序。牛乳中的营养成 分多为热敏性物质。乳品加工中的加热操作，会 使牛乳中的营养成分有不同程度的损失。微波加 热杀菌对微生物的致死作用，既有热效应也有非 热效应，因此，杀菌时温度低、时间短，对牛乳 中营养成分的影响就小。 牛乳中维生素C的热敏性较大，因此，先研究微 波加热杀菌对牛乳中维生素C的影响，再研究微

14、波加热杀菌对牛乳中主要营养成分乳脂肪和乳蛋 白质的影响。 试验材料 原料乳：从奶牛养殖厂购买，从挤出到取样进行 杀菌试验不超过两小时。 试验仪器 微波炉：型号为EM一350S，频率为2450MHz， 加热功率档次分为80W、150W、300W、450W 、600W、700W，加热时间可以任意设定。HH 恒温水浴锅、FA2004电子天平、温度计、秒表、 容积为500mL的烧杯(直径为85mm)等。MT一100 型乳成分测定仪：南京南分医疗生化仪器有限责 任公司生产。 微波加热杀菌对牛乳中维生素C 的影响 微波加热杀菌与水浴加热杀菌的对比 试验方法 (1)原料乳的微波加热杀菌处理方法：将原料乳倒入

15、容量为 500mL的烧杯中(直径为85mm)，使牛乳层厚度为上表中 的厚度，然后放入微波炉中，再按照上表中相应的微波功 率和时间进行加热杀菌处理。处理完毕后，从微波炉里取 出，盖上无菌保鲜膜。待牛乳温度降至室温后，再进行维 生素C含量的测定。 (2)原料乳的水浴加热杀菌处理方法：将原料乳倒入容量为 500mL的烧杯中(直径为85mm)，使牛乳层厚度为上表中 的厚度，盖上无菌保鲜膜，然后放入100沸水浴中，使 温度达到90后，从水浴锅里取出。待牛乳温度降至室温 后，再进行维生素C含量的测定。 试验结果与分析 试验指标Y采用维生素C损失率，按 式计算 Y=(W0-W)/W0100% 其中：W0原料

16、乳的维生素C含量； W 杀菌后乳的维生素C含量。 两种杀菌方法各试验点的维生素C损失率及其统计 见下表： 微波加热杀菌对牛乳中主要成分 的影响 试验方案 以牛乳为研究对象，以牛乳层厚度X1 和微波功率X2， 为试验因素，以牛乳中主要成分乳脂肪和乳蛋白质的损失 率为试验指标Y，得出牛乳微波加热杀菌的主要参数对牛 乳成分的影响规律以及最佳的参数组合。 X1取28.5mm、 38.0mm、47.5mm、57.0mm四个水平， X2取300W、 450W、600W、700W四个水平进行试验。为了考察X1 和 X2 ，及其交互作用对牛乳中主要成分的影响，进行了双因 素全面重复试验。 1.原料乳的微波杀菌处理方法 将原料乳倒入容量为500mL的烧杯中(直径为85mm) 使牛乳厚度为表5中的厚度，加盖后放人微波炉中，再按 照表5中相应的功率和时 间进行杀菌处理。处理完毕后， 从微波炉中取出，使牛乳温度降至25。每个试验点均重 复3次。 2