七章食品的微波处理

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1、食品加工工艺原理食品加工工艺原理第七章第七章 食品的微波处理食品的微波处理张鹰 little_13560145980主要内容主要内容3241 微波技术的发展历史 微波的性质和加热机理 微波加热在食品中的应用 微波加热设备的组成及选用 微波的安全使用及其防护 57.1 7.1 微波技术的发展历史微波技术的发展历史 1919世纪世纪4040年代美国雷声公司制造出第一台微年代美国雷声公司制造出第一台微波炉。波炉。1919世纪五六十年代，伴随着大功率磁控管研世纪五六十年代，伴随着大功率磁控管研制成功，美英等国隧道式、波导等多种加热制成功，美英等国隧道式、波导等多种加热器的问世，国外在微波能的应用上掀起

2、一场器的问世，国外在微波能的应用上掀起一场新的新的“能源革命行动能源革命行动”。微波能的应用普及。微波能的应用普及到食品、医药、农副土特产品加工、化工及到食品、医药、农副土特产品加工、化工及当代尖端技术的各个领域中。当代尖端技术的各个领域中。我国从我国从2020世纪世纪7070年代开始研制、推广微波能年代开始研制、推广微波能应用技术和设备。当时研制的应用技术和设备。当时研制的2450MHz45KW2450MHz45KW隧隧道式微波干燥乳儿糕生产线，将原来需要烘道式微波干燥乳儿糕生产线，将原来需要烘烤烤 的工艺缩短到的工艺缩短到 完完成。成。6-8h9min图图1 世界上第一台微波炉世界上第一台

3、微波炉 7.2 7.2 微波的性质与加热机理微波的性质与加热机理 v7.2.1 7.2.1 微波的性质微波的性质7.2.1.1 7.2.1.1 微波及其特点微波及其特点7.2.1.2 7.2.1.2 微波与介电物质微波与介电物质7.2.1.3 7.2.1.3 微波应用系统常用的材料微波应用系统常用的材料v7.2.2 7.2.2 微波的加热机理及特点微波的加热机理及特点7.2.2.1 7.2.2.1 微波加热原理微波加热原理7.2.2.2 7.2.2.2 微波加热特点微波加热特点7.2.1.1 7.2.1.1 微波及其特点微波及其特点u 微波是频率非常高的电磁波，又称为超高频波，微波是频率非常高

4、的电磁波，又称为超高频波，频率大约从频率大约从300MHz300MHz到到300GHz*300GHz*。之所以称为微波，。之所以称为微波，是因为其波长在是因为其波长在1mm1mm1m1m，比普通的无线电波波长，比普通的无线电波波长更微小。更微小。 * *：1GHz1GHz10103 3 MHzMHz10109 9 HzHz7.2.1.27.2.1.2 微波与介电物质微波与介电物质v微波：微波：非电离辐射。当微波在传输过程中遇到不非电离辐射。当微波在传输过程中遇到不同的材料时，会产生反射、吸收和穿透现象。同的材料时，会产生反射、吸收和穿透现象。v介电物质：介电物质：性能介于导体和绝缘体之间，具有

5、吸性能介于导体和绝缘体之间，具有吸收、穿透和反射微波的性能。收、穿透和反射微波的性能。7.1.2.3 7.1.2.3 微波应用系统常用的材料微波应用系统常用的材料导体导体p材料：铜、银、铝材料：铜、银、铝 类；类；p性能：能性能：能反射反射微波。微波。 导体以一种特殊的形式导体以一种特殊的形式传播以及反射微波能量；传播以及反射微波能量；p用途：微波装置中的用途：微波装置中的波导管波导管，微波加热用的，微波加热用的外壳外壳。p材料：含材料：含水水、盐盐和和脂脂肪肪的的食品食品以及其他以及其他生物生物质质。p性能：具有性能：具有吸收、穿吸收、穿透和反射微波透和反射微波性能。在性能。在微波加热过程中

6、，被处微波加热过程中，被处理的介质材料以不同程理的介质材料以不同程度吸收微波能量，又称度吸收微波能量，又称为有耗介质。为有耗介质。绝缘体绝缘体p材料：材料：玻璃、陶瓷、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙稀塑聚四氟乙烯、聚丙稀塑料料等；等；p性能：可性能：可部分反射或部分反射或渗透渗透微波，通常吸收微微波，通常吸收微波能较少。波能较少。p用途：微波处理过程用途：微波处理过程中用此作为包装和反应中用此作为包装和反应器的材料，或作为家用器的材料，或作为家用微波炉烹调用的食品器微波炉烹调用的食品器皿。皿。介电质介电质绝缘体绝缘体1237.2.2.1 7.2.2.1 微波的加热机理微波的加热机理v食品工业中所

7、使用的微波设备主要是利用微波的食品工业中所使用的微波设备主要是利用微波的热效应。食品中的水分、蛋白质、脂肪、碳水化热效应。食品中的水分、蛋白质、脂肪、碳水化合物等都属于电介质，微波对它们的加热称作合物等都属于电介质，微波对它们的加热称作介电感应加热(dielectric heating)产热机制产热机制v离子极化离子极化v偶极子转向偶极子转向交变电场引起偶极子转向交变电场引起偶极子转向微波频率微波频率2450MHz2450MHz，水分子水分子1S1S内发生内发生180180来回转动来回转动24.524.5亿次亿次7.2.2.2 7.2.2.2 食品材料的介电特性食品材料的介电特性v7.2.2.

8、2.1 7.2.2.2.1 微波对食品材料的穿透特性微波对食品材料的穿透特性v7.2.2.2.2 7.2.2.2.2 食品材料对微波的吸收特性食品材料对微波的吸收特性v7.2.2.2.3 7.2.2.2.3 影响材料介电特性的因素影响材料介电特性的因素7.2.2.2.1 7.2.2.2.1 微波对食品材料的穿透特性微波对食品材料的穿透特性v该特性用穿透深度（功率传透深度或半功率穿透深度）表该特性用穿透深度（功率传透深度或半功率穿透深度）表示。示。v功率传透深度：功率传透深度：微波功率从材料表面衰减至表面值的微波功率从材料表面衰减至表面值的1/e1/e（大约（大约37%37%，e=2.71828

9、2)e=2.718282)时的距离。时的距离。v半功率穿透深度：半功率穿透深度：微波功率透入材料后，功率衰减一半的微波功率透入材料后，功率衰减一半的距离。距离。v介电材料不同，因它们的介电常数及介电损耗不同，故微介电材料不同，因它们的介电常数及介电损耗不同，故微波对它们的穿透能力（深度）也不同。波对它们的穿透能力（深度）也不同。v介电材料的含水量及微波的频率不同，微波对介电材料的介电材料的含水量及微波的频率不同，微波对介电材料的穿透能力（深度）也不同。穿透能力（深度）也不同。v低温和低频时在食品有较大的穿透深度。低温和低频时在食品有较大的穿透深度。P264P2647.2.2.2.2 7.2.2

10、.2.2 食品材料对微波的吸收特性食品材料对微波的吸收特性vPm=0.566=0.566tantanf E2 10-12Pm-功率密度功率密度 W/cm3 - 介质的介电常数介质的介电常数TanTan介质损耗介质损耗f -微波频率微波频率, HzE -电场强度电场强度 ，V/cmv介质的固有介电特性介质的固有介电特性（介电损耗因子（介电损耗因子）：）： tantanv食品材料的介电特性不同，其对微波的吸收特性就不同。食品材料的介电特性不同，其对微波的吸收特性就不同。v适宜的介电损耗因子适宜的介电损耗因子1010-2-2 557.2.2.2.3 7.2.2.2.3 影响材料介电特性的因素影响材料

11、介电特性的因素v1)1)材料成分材料成分成分不同介电特性（介电常数等）不同。成分不同介电特性（介电常数等）不同。v2 2）材料的含水量及状态）材料的含水量及状态物料含水量高，则其介电常数及介电损耗大，材料吸收微波能物料含水量高，则其介电常数及介电损耗大，材料吸收微波能的能力强。的能力强。水呈液态时比呈固态（冰）时的介电常数及介电损耗大。水呈液态时比呈固态（冰）时的介电常数及介电损耗大。v3 3）材料的温度）材料的温度温度高则介电常数大，吸收微波能力强。温度高则介电常数大，吸收微波能力强。v4 4）微波频率）微波频率微波频率高，材料的介电常数及介电损耗降低。微波频率高，材料的介电常数及介电损耗降

12、低。v5 5）材料的密度）材料的密度密度大而紧实的物料，因空气少，故介电常数及介电损耗大，密度大而紧实的物料，因空气少，故介电常数及介电损耗大，吸收微波的能力强，易被微波加热。吸收微波的能力强，易被微波加热。7.2.2.37.2.2.3 微波加热特点微波加热特点v7.2.2.3.17.2.2.3.1 选择加热性选择加热性v7.2.2.3.27.2.2.3.2 穿透性穿透性7.2.2.2.17.2.2.2.1 微波选择性加热特点微波选择性加热特点p好处：好处： 1. 1. 加热效率高，节约能源，易控制。加热效率高，节约能源，易控制。 2. 2. 可用于较干燥的谷物杀灭害虫。可用于较干燥的谷物杀灭

13、害虫。 p 坏处：坏处： 微波的选择性加热是造成微波微波的选择性加热是造成微波加热不均匀(runaway heating)的主要原因之一。的主要原因之一。 7.2.2.2.2 7.2.2.2.2 微波穿透性特点微波穿透性特点v好处：好处： 1. 1. 实现包装后食品的短时杀菌实现包装后食品的短时杀菌。 2. 2. 加加热热时时间间短短，干干燥燥速速度度快快，而而且且对对有有些些食食品品还还能能起到特有的膨化效果起到特有的膨化效果。 3. 3. 快速解冻快速解冻。v坏处：坏处： 微微波波加加热热的的穿穿透透性性是是造造成成微微波波加加热热不不均均匀匀(runaway (runaway heati

14、ng)heating)的另一个主要原因之一的另一个主要原因之一。7.3 7.3 微波加热系统的组成及选用微波加热系统的组成及选用v7.3.1 7.3.1 微波加热系统的组成微波加热系统的组成v7.3.2 7.3.2 微波频率的选择微波频率的选择被加热物料被加热物料7.3.17.3.1 微波加热系统的组成微波加热系统的组成高压电源高压电源微波微波发生器发生器连接波导连接波导冷却系统冷却系统微波加热系统示意图微波加热系统示意图微波微波加热器加热器7.3.2 7.3.2 微波频率的选择微波频率的选择v目前用于工业微波加热的频率主要有目前用于工业微波加热的频率主要有915MHz915MHz和和2450

15、MHz2450MHz。v915MHz915MHz具有较大穿透深度，获得较大的功率具有较大穿透深度，获得较大的功率915MHz体积较大体积较大/较厚的物料较厚的物料含水分高的物料含水分高的物料加工大批物料加工大批物料2450MHz因磁控管及其波导小，适用于家用微因磁控管及其波导小，适用于家用微波炉波炉含水分量低的物料含水分量低的物料7.4 7.4 微波加热在食品中的应用微波加热在食品中的应用v7.4.17.4.1在食品工业中采用微波加热技术的优缺点在食品工业中采用微波加热技术的优缺点v7.4.27.4.2微波技术在食品工业中的最新发展微波技术在食品工业中的最新发展 7.4.17.4.1在食品工业

16、中采用微波加热技术缺点在食品工业中采用微波加热技术缺点F优点：优点：加热、干燥速度快，所需时间短加热、干燥速度快，所需时间短加热效率高加热效率高加热过程具有自动平衡性能加热过程具有自动平衡性能* *物料加热均匀、产品质量高物料加热均匀、产品质量高设备操作简单，适应性强，且占地面积小，工作环境良好设备操作简单，适应性强，且占地面积小，工作环境良好F缺点：缺点：L 微波加热最主要的缺点是微波加热最主要的缺点是电能消耗大电能消耗大。7.4.27.4.2微波技术在食品工业中的最新发展微波技术在食品工业中的最新发展v7 7. .4.2.1 4.2.1 微波用于食品的微波用于食品的解冻和软化解冻和软化v7

17、.4.2.2 7.4.2.2 微波用于微波用于一些食品的一些食品的烹调及预加工烹调及预加工v7.4.2.3 7.4.2.3 微波用于微波用于食品食品物料的干燥物料的干燥( (包括真空干燥、冷冻干燥包括真空干燥、冷冻干燥) )v7.4.2.4 7.4.2.4 微波还可用于微波还可用于食品的杀菌消毒与灭酶食品的杀菌消毒与灭酶v7.4.2.5 7.4.2.5 微波用于微波用于焙烤与烘烤焙烤与烘烤v7.4.2.6 7.4.2.6 微波微波萃取萃取v7.4.2.7 7.4.2.7 微波用于微波用于食品物料的去壳去皮食品物料的去壳去皮v7.4.2.8 7.4.2.8 微波用于微波用于酒类的陈化酒类的陈化v

18、7.4.2.9 7.4.2.9 其他其他（生物育种诱变等）（生物育种诱变等） 7.4.2.1 食品的解冻和软化v利用微波能在低温下的穿透力较强，及冰的介电利用微波能在低温下的穿透力较强，及冰的介电特性特点进行解冻处理。特性特点进行解冻处理。 915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装置 p国外已有使用国外已有使用915MHz和和2450MHz微波解冻设微波解冻设备进行食品的软化、解冻备进行食品的软化、解冻7.4.2.1 食品的解冻和软化2450MHz，30kW连续式微波软化/解冻装置 7.4.2.2 7.4.2.2 微波用于食品的烹调及预加工微波用于食品的烹调及预加工v合理选择微波烹调方式

19、能够最大限度地保留食品的营养和合理选择微波烹调方式能够最大限度地保留食品的营养和天然口味：天然口味：v研究发现使用不同功率的微波炉研究发现使用不同功率的微波炉( (商业生产使用商业生产使用1.61.6 2.0 2.0 kWkW，家用，家用600600800 w)800 w)，对食品中营养成分的保留情况无，对食品中营养成分的保留情况无显著性差异显著性差异. .v微波烹调时间的选择至关重要，微波烹调时间的选择至关重要，短时间烹调短时间烹调，减少了高温，减少了高温对营养成分的破坏；微波烹调避免了食物烹调过程中化学对营养成分的破坏；微波烹调避免了食物烹调过程中化学污染物的产生污染物的产生. .同时也能

20、较好地杀灭食品中的微生物；微同时也能较好地杀灭食品中的微生物；微波烹调无需预热而立即发挥作用，加热效率高，烹调时间波烹调无需预热而立即发挥作用，加热效率高，烹调时间短，节省能源；烹调过程无油烟短，节省能源；烹调过程无油烟. .清洁安全，是值得推广清洁安全，是值得推广的家用烹调方式。的家用烹调方式。7.4.2.3 7.4.2.3 微波微波干燥与膨化干燥与膨化v利用湿物料的快速体积加利用湿物料的快速体积加热而产生的附加显热，诱热而产生的附加显热，诱导湿气向表面扩散，有利导湿气向表面扩散，有利于用较经济的常规技术来于用较经济的常规技术来抽走和排除湿气，达到干抽走和排除湿气，达到干燥目的。燥目的。 微

21、波牛肉干燥微波牛肉干燥设备7.4.2.3 7.4.2.3 微波微波干燥干燥设备及产品设备及产品微波泡菜干燥微波泡菜干燥7.4.2.3 7.4.2.3 微波膨化微波膨化v是利用微波加热的特性（内部加热），促使食品是利用微波加热的特性（内部加热），促使食品内部水分的相变和气体的热压效应原理，使食品内部水分的相变和气体的热压效应原理，使食品内部水分快速升温汽化、增压、膨胀，并依靠气内部水分快速升温汽化、增压、膨胀，并依靠气体的膨胀力和物料的质构变化，形成网状多孔结体的膨胀力和物料的质构变化，形成网状多孔结构。构。 v 比较好的产品是爆玉米花比较好的产品是爆玉米花7.4.2.4 7.4.2.4 微波微

22、波杀菌消毒杀菌消毒与灭酶与灭酶v微波杀菌既有热效应原理，也有非热效应（生物微波杀菌既有热效应原理，也有非热效应（生物效应）原理。效应）原理。v热效应：升温导致蛋白质变性，细胞膜破裂等。热效应：升温导致蛋白质变性，细胞膜破裂等。v非热效应：光化学反应、场力效应、电磁共振效非热效应：光化学反应、场力效应、电磁共振效应等应等7.4.2.4 7.4.2.4 微波微波杀菌设备杀菌设备微波泡菜微波泡菜杀菌菌微波微波杀菌菌设备7.4.2.4 7.4.2.4 微波杀菌消毒与微波杀菌消毒与灭酶灭酶v常规的热水烫漂法灭酶易造成营养损失等问题；常规的热水烫漂法灭酶易造成营养损失等问题；v采用热空气或蒸汽又会出现受热

23、不均匀问题；采用热空气或蒸汽又会出现受热不均匀问题；v利用微波能，可解决物料外形复杂，料层中间的利用微波能，可解决物料外形复杂，料层中间的传热问题。传热问题。v如甜玉米棒及芯的过氧化物酶的灭活。如甜玉米棒及芯的过氧化物酶的灭活。v小麦胚芽解脂酶的灭活；微波灭酶大大延长了小小麦胚芽解脂酶的灭活；微波灭酶大大延长了小麦胚芽的存放时间麦胚芽的存放时间; ;与热灭酶相比与热灭酶相比, ,微波灭酶大大微波灭酶大大缩短了灭酶处理时间缩短了灭酶处理时间, ,并且改善了灭酶效果。并且改善了灭酶效果。 7.4.2.5 7.4.2.5 微波焙烤与烘烤微波焙烤与烘烤v采用微波炉进行面包的烘烤，可以达到以下效率采用微

24、波炉进行面包的烘烤，可以达到以下效率用正常面筋蛋白质含量的面粉，可使烘烤后的面包用正常面筋蛋白质含量的面粉，可使烘烤后的面包膨胀率提高膨胀率提高50%50%左右；左右；用低筋粉，也可烘烤出高质量的面包用低筋粉，也可烘烤出高质量的面包采用微波采用微波- -热空气组合烘炉，可使面包生产工艺的醒热空气组合烘炉，可使面包生产工艺的醒发和烘烤同在一个烘炉内完成，从而节省工艺设备发和烘烤同在一个烘炉内完成，从而节省工艺设备的投资和厂房面积等。的投资和厂房面积等。花生微波烘烤设备花生微波烘烤设备7.4.2.6 7.4.2.6 微波辅助萃取（微波辅助萃取（Microwave Assisted Extracti

25、on，MAE)v物质中的极性分子在微波的作用下迅速活化，分子间大量物质中的极性分子在微波的作用下迅速活化，分子间大量的碰撞导致物质在短时间内迅速升温。的碰撞导致物质在短时间内迅速升温。v不同的物质的介电常数不相同。在微波场中，萃取体系中不同的物质的介电常数不相同。在微波场中，萃取体系中各种物质被选择性的加热。各种物质被选择性的加热。v被加热的物质的某些物理性质发生改变，变得容易进入到被加热的物质的某些物理性质发生改变，变得容易进入到介电常数小到萃取溶剂中。介电常数小到萃取溶剂中。 v微波产生的场加速萃取溶剂界面的微波产生的场加速萃取溶剂界面的扩散速率扩散速率，使溶剂和被，使溶剂和被萃取物质充分

26、的接触萃取物质充分的接触 。v极性溶剂能更好的吸收微波，提高溶剂的活性，所以在微极性溶剂能更好的吸收微波，提高溶剂的活性，所以在微波辅助萃取中一般选用波辅助萃取中一般选用极性溶剂极性溶剂更有利。更有利。 MAE的特点及影响因素快只需要几分钟就可以达到传统方法加热多个小时才能达到的萃只需要几分钟就可以达到传统方法加热多个小时才能达到的萃取效果取效果多麻黄碱的提取率由常规煎煮法的麻黄碱的提取率由常规煎煮法的0.183%0.183%提高到提高到0.485% 0.485% ，板蓝根多糖的实验中，提取率由原来的板蓝根多糖的实验中，提取率由原来的0.81%0.81%提高到提高到3.47% 3.47% MA

27、E的特点及影响因素萃取溶剂萃取溶剂的选择对萃取结果的影响是至关重要的。的选择对萃取结果的影响是至关重要的。萃取溶剂的选择萃取溶剂的选择指标只要是和目标物质的相似相溶性，和对萃取成分的后续操作干扰少指标只要是和目标物质的相似相溶性，和对萃取成分的后续操作干扰少 萃取溶剂可以是一元体系萃取溶剂可以是一元体系( (极性溶剂极性溶剂) )，也可以是二元体系，也可以是二元体系( (非极性溶剂加机非极性溶剂加机型溶剂型溶剂) )，甚至可以是多元体系，甚至可以是多元体系 萃取时间萃取时间一般定在一般定在10-1510-15分钟内。分钟内。 微波剂量微波剂量必须谨慎控制，辐射时间过长会导致系统温度升得很高，甚

28、必须谨慎控制，辐射时间过长会导致系统温度升得很高，甚至超过萃取溶剂的沸点，影响提取率至超过萃取溶剂的沸点，影响提取率 MAEMAE的应用的应用MAEMAE的应用的应用食用色素7.4.2.7 7.4.2.7 微波用于食品物料的去壳去皮微波用于食品物料的去壳去皮v传统脱皮法：高温烘烤法、湿法脱皮、酸碱法脱传统脱皮法：高温烘烤法、湿法脱皮、酸碱法脱皮、过氧化氢脱皮等；皮、过氧化氢脱皮等；v微波用于花生去皮，速度快，能耗低、效率高，微波用于花生去皮，速度快，能耗低、效率高，可大大降低花生仁油脂的酸败程度可大大降低花生仁油脂的酸败程度7.5 7.5 微波的安全使用与防护微波的安全使用与防护v7.5.1

29、7.5.1 微波对人体的影响微波对人体的影响v7.5.2 7.5.2 微波辐射的安全标准及安全技术措施微波辐射的安全标准及安全技术措施7.5.1 7.5.1 微波对生物体的主要效应微波对生物体的主要效应频率频率/MHz/MHz波长波长/cm/cm受影响的主要组织受影响的主要组织主要的生物效应主要的生物效应150200200透过人体，影响不大透过人体，影响不大150150100010002002003030体内器官体内器官由于体内组织过热，由于体内组织过热，引起各器官损伤引起各器官损伤100010003000300030301010眼睛水晶体，睾丸眼睛水晶体，睾丸组织的加热显著，特组织的加热显著

30、，特别是眼睛的水晶体别是眼睛的水晶体30003000100001000010103 3眼睛水晶体，表皮肤眼睛水晶体，表皮肤有皮肤加热的感觉有皮肤加热的感觉100001000033皮肤皮肤表皮反射，部分吸收表皮反射，部分吸收微波而发热微波而发热7.5.27.5.2微波辐射的安全标准及安全微波辐射的安全标准及安全技术措施技术措施v标准v措施1.1.批量系统：抗流系统、在炉门设置互锁装置。批量系统：抗流系统、在炉门设置互锁装置。2.2.连续生产系统：封闭型屏蔽、遥控、抗流系统。连续生产系统：封闭型屏蔽、遥控、抗流系统。本章思考题v1 1、简述微波加热机理。、简述微波加热机理。v2 2、为什么微波加热具有选择性？、为什么微波加热具有选择性？v3 3、试解释损耗因子。、试解释损耗因子。食品加工工艺原理食品加工工艺原理Thank You!Thank You!