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(zhǎng)從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長(zhǎng)(或頻率或頻率)劃劃分，則大致可以把分，則大致可以把300MHz3000GHz， (對(duì)應(yīng)空氣中波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)空氣中波長(zhǎng)是是1m 0.1mm)這一頻這一頻段的電磁波稱(chēng)之為微波。縱觀段的電磁波稱(chēng)之為微波?？v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(chēng)超高頻，是無(wú)線(xiàn)電波中波長(zhǎng)最微波也稱(chēng)超高頻，是無(wú)線(xiàn)電波中波長(zhǎng)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(duì)

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(xiàn)性而對(duì)于相對(duì)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(kāi)辟了微波通訊和衛(wèi)星通訊 微波與光波段比較光通過(guò)雨霧衰減很大，特別是霧天蘭光、紫光幾乎看不見(jiàn)，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(duì)于短波幾乎全反射，這就是短波特的電離層，它對(duì)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(guò)電離層的過(guò)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(jí)躍遷頻率恰好落在微波的短波段，不少物質(zhì)的能級(jí)躍遷頻率恰好落在微波的短波段，因此近年來(lái)微波生物醫(yī)療和微波催化等領(lǐng)域已是前因此近年來(lái)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(wèn)題波頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問(wèn)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(lái)代替。直到1965年美國(guó)開(kāi)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(kāi)。目前，食品加工中微波的利用主要指在微波場(chǎng)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(chǎng)中偶極子的水分子會(huì)隨著電磁場(chǎng)方向的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)。 電場(chǎng)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(lái)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(lái)源，表現(xiàn)出對(duì)物料加熱的無(wú)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(zhǎng)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(chǎng)，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(guò)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(duì)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(guò)偶極子的特征頻率（或稱(chēng)固有頻率）時(shí)，偶極子運(yùn)動(dòng)的頻率甚至?xí)p慢，對(duì)微波的吸收效率降低。可見(jiàn)每一種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(duì)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(duì)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(duì)玻璃、陶瓷、塑料幾乎全部穿透較少吸收，對(duì)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(duì)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(duì)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(xiàn)一樣被反射回來(lái)。利用這一性質(zhì)可對(duì)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(lái)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(wú)污染，具有很強(qiáng)的殺菌能力 微波加熱所用能源為電能，對(duì)環(huán)境沒(méi)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(duì)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(yíng)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(lái)衡量的眾所周知，細(xì)菌發(fā)育滋長(zhǎng)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(chǎng)在殺菌過(guò)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?duì)象改為“電磁力”，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(wú)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(duì)枯草桿菌黑色變種芽抱只能殺滅24.9% . 上述結(jié)果充分說(shuō)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(guò)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?gòu)V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(shí)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(chǎng)效應(yīng)，生物體處于微波場(chǎng)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(jiàn)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(chǎng)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(chǎng)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(wú)阻留地透過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)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(guò)高使消毒效果下降。在其他條件不變情況下，含濕量過(guò)大亦即負(fù)載量過(guò)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(duì)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)成分有不同程度的損失。微波加熱殺菌對(duì)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(duì)牛乳中營(yíng)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(duì)牛乳中維生素C的影響，再研究微波加熱殺菌對(duì)牛乳中主要營(yíng)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(gòu)買(mǎi)，從擠出到取樣進(jìn)行殺菌試驗(yàn)不超過(guò)兩小時(shí)。試驗(yàn)儀器 微波爐：型號(hào)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(cè)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(duì)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(duì)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(wú)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(cè)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(wú)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(cè)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(jiàn)下表：微波加熱殺菌對(duì)牛乳中主要成分的影響試驗(yàn)方案 以牛乳為研究對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)方法 用MT一100型乳成分測(cè)定儀測(cè)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(cè)定儀檢測(cè)，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(duì)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(lái)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(duì)乳脂肪的影響越小，基本呈直線(xiàn)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(duì)乳脂肪損失率的影響一般顯可知，牛乳層厚度對(duì)乳脂肪損失率的影響一般顯著，微波功率對(duì)乳脂肪損失率的影響顯著，而兩者的交著，微波功率對(duì)乳脂肪損失率的影響顯著，而兩者的交互作用對(duì)乳脂肪損失率無(wú)顯著的影響。牛乳層厚度和微互作用對(duì)乳脂肪損失率無(wú)顯著的影響。牛乳層厚度和微波功率及其交互作用對(duì)乳蛋白質(zhì)損失率均無(wú)顯著的影響。波功率及其交互作用對(duì)乳蛋白質(zhì)損失率均無(wú)顯著的影響。結(jié)論 通過(guò)對(duì)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(duì)乳中維生素C的影響小。(2)牛乳層厚度和微波功率對(duì)乳脂肪的影響較為顯著，而對(duì)乳蛋白質(zhì)的影響均不顯著。(3)牛乳層厚度越小，對(duì)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(lái)越緩慢；微波功率越大，對(duì)乳脂肪的影響越小，基本呈直線(xiàn)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(shí)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(jiàn)：微波加熱技術(shù)將以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在未來(lái)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(yú)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(guó)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(duì)肉制品殺菌、保鮮技術(shù)的成功應(yīng)用，由原來(lái)保鮮期3天，延長(zhǎng)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(yíng)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(jiǎn)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(wèn)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(chǎng)中，不同的食品材料都存在溫升的差異；（2）微波具