微波技术在食品中的研究进展论文

微波能应用技术在食品加工领域的新发展南京三乐微波技术发展有限公司目录0 前言1 微波真空（冷冻）干燥2 微波保鲜、杀菌新技术3 微波与传统加热技术的结合4 微波膨化技术5 微波设备现状0 前言随着我国国民经济实力增强、人民生活质量的提高，食品机械迅猛发展，微波食品加工设备也步入一个新的发展时期。家用微波炉已进入千家万户，人们越来越多的了解并感觉到微波加热特性。这为微波能应用发展的打下良好的基础。九十年代后，我国微波食品机械已成为微波应用领域主流，取得可观的效益。本文仅从微波技术应用的一个侧面，介绍近几年微波在食品工业的技术发展1 微波真空（冷冻）干燥真空冷冻干燥(FD脱水)最早产生于1909年，用于生物材料及生物组织的研究。微波真空冷冻升华干燥(MD脱水)源于二战期间，当时战争需要大量新鲜血液制品，而在储存、运输环节存在许多棘手问题无法克服；另外，抗生素的生产也需要采用冻干技术。为此，因战争需要，科学家提出一项研究工程，即“血浆不变性冷冻真空微波升华脱水研究工程”，简称“血浆工程”。把刚抽出的新鲜血浆在极短的时间内速冻成冰块，然后在真空条件下，施以微波升华干燥、脱水成干血粉(含水量约1％)，用铝箔复合袋避光密封，保质期可达两年以上，运到前方加定量的无菌蒸馏水稀释即可当新鲜血浆注射。这项工程开创了微波升华脱水干燥步入实用的先河。南京三乐微波技术发展有限公司于87年开始微波真空干燥和微波真空冷冻干燥技术研究，93年研制出了大型微波真空冷冻设备投入蔬菜的冷冻干燥，近几年技术上不断创新，又攻克了微波在低真空状态下易拉弧放电技术难点，现在实用性微波真空冷冻干燥已推上市场。同时微波真空干燥机也进入批量生产阶段。微波真空(冷冻)干燥与其它干燥方法比较的优越性：1、最好地保存原物料的色、香、口味和营养成份；因冻干食品是在低温真空(缺氧)条件下完成，酶和细菌不滋生，食品不变质、不氧化，营养成份特别是那些遇高温会分解的维生素、化冻时与水一起流失的水溶性营养成份损失少。据美国陆军委托食品容器研究所测定：冻干干燥法对肉、蛋、豆类、青菜、甜玉米等食品中的蛋白质无损害,Vc、β胡萝卜素和其它水溶性维生素仅损失5%,对脂溶性维生素(Va,D，E，K)则完全不受损失。微波升华脱水能够最大限度地保留物料中原有的营养成份。例如：晒干青菜的维生素、叶绿素等营养成份只能保留原有的3%；阴干可以保留17%；热片快速干燥可保留40%；FD真空冷冻干燥可以保留到70%以上；微波升华干燥的有效成份可以保留到97%。因此称为不变性脱水。2、干燥速度快，不受形状、厚度影响：微波的穿透性加热和选择性加热能均匀地、快速干燥物料。微波处理5～10cm厚度制品时，干燥时间可节省原来的30%；若厚度增加到20～30cm时，则可节省时间60%以上。例如：用常规热传导给小香葱做冷冻干燥，需18～21小时；而用微波仅8～9小时。3、 能最好的保持原物料形状、口感与风味、复水性好4、节能降耗：热效率高，理论计算可达94%。5、产品品质高：常规热传导升华脱水时，有用温度载热油，或用密封增压技术把水加热，在加热板中强制循环，传递热量给盛料盘和物料，底部物料中热敏物质因长时间过热而变性、变色、变味，严重的变焦黄，就是进口设备正品率也不超过90%，国产只达60%上下，而微波独特的加热方式使物料内外同时升温汽化，脱水后的产品上、下质量一致，可达到100%合格率。产品保存期可达3至5年，最长10年。而一般的保鲜冷藏至多几个月，最多不会超过1年。微波兼有杀菌、灭酶功效。6、干燥温度低，适合加工高档、热敏性产品：目前广泛应用在对温度敏感的药物、饮料、果汁或富含维生素的物料上。微波真空干燥速溶橘粉装置，真空室直径为，长12m，微波功率48Kw，使用玻璃增强聚乙烯传送带连续传递，具有膨化作用。它先将含有63%固形物的橘浆抽吸并涂抹在宽的传送带上，堆高厚度为3～7mm，在～(80～100mmHg)的低压下输入微波能量，加热40min，可膨化到厚度为80～100mm，制成含水率为20%的速溶橘粉，生产能力50kg/h。产品不仅保持橘汁原有色、香、味，而且所保留的维生素C量是喷雾干燥法不可能达到的。2 微波保鲜、杀菌新技术为了防止食品早期变质以便储存，通常使用紫外灯、蒸气、高压、钴60、臭氧、充氮、添防腐剂等方法进行杀菌，微波技术则又开辟了一种理想方式，能在短时间内，对物料内外同时杀菌，又不破坏营养成分。在过去30年，对食品特别是袋装、瓶装食品进行了大量研究，采用微波短时间照射，可快速升温杀菌。与常规方法相比，可保持更好的口味、颜色和营养成份。在我国食品的微波杀菌保鲜技术已被越来越多食品生产厂家所采用。利用脉冲调制的微波能进行杀菌试验，证实可以用较小的温升达到杀菌的目的。这也说明微波杀菌不只是热力杀菌，还有非热力致死细菌的能力。这就是所谓的非热效应。根据这个原理，我们可以在极短的时间内、采用高于常规微波场能量密度的数倍或数十倍的脉冲微波能量照射食品，不但可以可靠杀死细菌，还可大大降低食品温升、降低设备的能耗。降低杀菌的成本。目前廉价的915MHz、2450MHz大功率微波脉冲源已开发出来，实用性整机近期可以推出。3 微波与传统加热技术的结合众所周知微波能可将被加热物质内外同时加热，但在实际应用中，由于物体周边流动空气的影响，外表面散热较为容易，使得物体内部温升往往高于外表面。而热风系统中，物体加热是从外向内进行热的传导，故外表面温度往往大于内部。可以设想若将两种加热方法结合在一起可有几点好处：1、可真正实现内外同时加热；2、环境温度上升加大系统抽湿能力，避免水蒸气在加热器内部结露；3、由于微波设备一次性投资高于常规设备，合理的分配两者之间比例，可降低系统造价，起事半功倍效果。4、发挥各自的工艺优势。国外的许多食品干燥项目采用此技术。日本研制的一种微波膨化干燥蛋黄粉设备使用16只2450MHz，5kw的磁控管，总输出功率90kW，其方法是先将蛋黄浆料涂布在传送带上，用远红外预热到80℃,然后用微波加热，膨化至3～5cm厚，再急速冷却到40℃，切碎后继续用常规方法制成蛋黄粉，日产1吨。瑞典采用2450MHz 30kw的微波装置生产肉馅饼。由自动机械生产的肉馅饼，经微波完成烹制过程，最后用电热丝加热使表面褐化，产品质量明显提高，每块饼的处理时间为2分钟，每小时16000只。近几年国内许多微波食品工程采用综合加热技术，将微波加热分别与电热风、蒸汽、红外、喷雾、火焰、冷干风等常规加热方法联合使用，取得良好效果。4 微波膨化技术膨化食品深受广大群众喜爱，今几年发展较快。微波可迅速加热食品，并使得内部压差急剧变化，这种特性使得微波在食品的膨化干燥领域占有一席之地。微波苹果膨化生产技术，是一重大科技创新技术。 通过对苹果进行系列加工和微波膨化干燥，制成一种新颖独特的休闲食品――苹果脆片。它保持了原有水果的风味和色泽，不添加任何添加剂，是地道的天然绿色食品，该产品口感酥脆、酸甜适口、风味独特浓郁、营养丰富、复水性好，且便于贮存、运输携带，是老少皆宜的高级休闲食品及边防、海防、高山、高原上士兵们及野外、水下人员的必需食品。它的研制成功是苹果加工技术上一个重大突破，本技术还可生产其它果蔬酥产品。薯条、薯片的膨化过去都是用油炸，这不但增加了食品的热量、还破坏了其原有的营养成分。用微波膨化薯条、薯片，不但保持了食品原汁原味，还省去油炸工艺、口感极好、风味独特，加工成本较低。是农副产品深加工极好项目。微波加工方便面的技术近来又有所突破，用高场强微波使方便面在加工中产生膨化，生产出的产品复水性极好，对冲泡方便面的水温要求降低，冲泡时间缩短，口感上升。此技术还降低了棕榈油的损耗。此设备采用2450MHz频率、功率35KW，班产量3～4吨。可24小时连续工作。5 微波设备现状微波应用技术在我国发展已有近三十年的历史，虽然它还属新兴的应用领域，但随着现代科学技术不断进步，近几年微波设备的可靠性、实用性不断提高。微波专业生产厂家制造技术也趋于成熟，制造成本大副下降。许多微波食品加工设备均具有操作简单、可连续稳定工作、可抗空载、维修方便等特点。微波技术发展初期，微波设备有许多典型缺点：加热不均匀、故障率高、可靠性差、难以操作和维护等，现均得到彻底改善。常规微波食品加工设备用于脱水干燥时，每一度电耗可脱～1公斤水份；用于灭菌保鲜时每一度电耗可处理7～12公斤物料。用于解冻、膨化物料时每一度电耗可处理物料12～24公斤。定购微波食品加工设备不但要注意外观造型、价格与质量。作为微波设备，有三个重要性能指标必须了解：1、微波泄漏量：微波设备的微波能量泄漏有害人体健康，设备进、出料口、炉门、操作区等地方，微波泄漏应符合国家有关标准规定。2、整机效率：微波设备应是节能高效设备，专业厂家生产的整机热转换总效率应在50％以上。3、均匀性：不管微波设备是用于加热、干燥还是杀菌，其设备加热物料的温升差值应小于±5℃。这样才能保证微波加热效果的一致性。微波设备的设计是以电磁波传输理论为基础的。从事设备设计的技术人员一般不了解食品的工艺、特性，而食品工艺研究人员积累的大量常规食品加热的经验又不能全部移植在微波加热系统，两者的结合需要一定时间，这就是目前微波技术在食品业推广所遇到的障碍。好在我们已跨入信息时代，行业之间合作将很快打破这个瓶颈。与国外微波设备相比，国内微波技术本身并无逊色，但在机电一体化技术、自动控制水平、整机运行可靠性程度和生产线配套能力存在明显差距，这是今后国内从事微波应用技术工作的科研人员急需化大力量解决的课题。

工作原理炉腔时和计算机定时。基本功能是选择设定工作时间，设定时间过后，定时器自动切断微波炉主电路。微波加热的原理简单说来是：当微波辐射到食品上时，食品中总是含有一定量的水分，而水是由极性分子（分子的正负电荷中心，即使在外电场不存在时也是不重合的）组成的，这种极性分子的取向将随微波场而变动。由于食品中水的极性分子的这种运动。以及相邻分子间的相互作用，产生了类似摩擦的现象，使水温升高，因此，食品的温度也就上升了。用微波加热的食品，因其内部也同时被加热，使整个物体受热均匀，升温速度也快。它以每秒亿次的频率，深入食物5cm进行加热，加速分子运转。

微波技术一概述微波是指波长范围为1mm～1m，频率范围为30×102 ～ 30×105MHz，具有穿透特性的电磁波。常用的微波频率为 91 5MHz和 2 450MHz。微波作为一种电磁波，通常应用于广播、电视及通信技术中，近年来，随着科学技术的发展，微波作为一种能源，已逐渐应用于食品杀菌、干燥、烘烤、膨化、解冻等方面。微波技术在食品工业中的应用可追溯到四十年代末期，1947年由美国雷声公司马文•贝克根据微波的加热效应制成了世界上第一台用于食品加热的微波炉。鉴于微波具有在食品内部生热并迅速产生均匀温度的观点，人们开始研究将它用于工业加热技术上以其开辟新的热能源，提高热能利用率和缩短加工时间，大约经历了十余年的探索，终于在1965年由美国Cryodry Comporation 公司研制成功了世界上第一台915MHz/50kW隧道式微波干燥设备，并在Seyfert Foods食品公司首次投入实际应用，用来干燥油炸马铃薯片。此后微波能技术在美国、日本、加拿大和欧洲等发达国家在用来解决食品工业中的多种加热干燥、烹制、杀虫灭菌和回温解冻等方面相继获得成功并表现出强大的技术优势。到七十年代，世界各国普遍推广应用。例如在气候温和潮湿的日本，微波在食品工业中的应用占整个工业应用的60%。我国自1973年由南京电子管厂率先研制成功了工业微波干燥设备以来，经过了20年的努力，也积累了比较丰富的经验。目前我国已成功地应用微波能烧烤食品、干果焙烤、牛肉干燥、蔬菜脱水、快餐面干燥、食品杀菌、饮料杀菌、白酒陈化催熟等许多领域，并取得显著进展。二 微波技术的原理及特点 综合微波技术在食品工业中的各种应用可归结为如下原理。（一）微波加热干燥原理微波加热技术是一种新的加热方式。它是依靠以每秒 245000万次速度进行周期变化的微波透入物料内，与物料的极性分子相互作用，物料中的极性 (如水分子 )吸收了微波能以后，改变其原有的分子结构，亦以同样的速度作电场极性运动，致使彼此间频繁碰撞而产生了大量的摩擦热，从而使物料内各部分在同一瞬间获得热能而升温。由于微波辐射下介质的热效应是内部整体加热的，即理论上所谓的“无温度梯度加热”，基本上介质内部不存在热传导现象，因此，微波可相当均匀地加热介质。微波加热技术与传统加热方法相比，有如下特性：①穿透力强。②热惯性小。③呈现选择加热特性。④具有反射性和透射性。微波干燥是在微波理论，微波技术和微波电子管成就的基础上发展起来的一门新技术，微波干燥已在许多领域内获得广泛的应用。它是应用微波加热的原理，使品温度上升，达到干燥的目的。微波干燥具有如下的特点：1 .干燥速度快、干燥时间短由于常规加热需要加热传热介质和环境，再进入食品，故需较长时间才能达到所需加热温度。而微波加热则是加热物体直接吸收微波能，加热速度大大高于常规加热方法，此时只需一般方法的十分之一到百分之一的时间就能完成整个加热和干燥的过程。2. 产品质量高由于加热时间短，又非热效应配合，因此，可以保存加工原料的色、香、味 ,并且维生素的破坏也较少。3. 加热均匀常规加热是食品表面先热，然后通过热传导把热量传到内部，而微波加热是使食品表面和内部同时受热，因此加热均匀，可以避免一般加热干燥过程中容易引起的里生外焦及不均匀等现象，提高了产品的质量。4. 加热过程具有自动热平衡性能当频率和电场的强度一定时，物料在干燥过程中对微波功率的吸收，主要决定于介质损耗因素之值。不同干燥物质的介质损耗因素不同，如水比干物质为大 ,故吸收能量多，水分蒸发快。因此，微波不会集中在已干的物质部分，避免了物质的过热现象，具有自动平衡性能，从而保证了物质原有的各种特性。5. 反应灵敏便于控制用常规加热法不论是电热、蒸汽、热空气等，要达到一定的温度需要预热一段时间，当发生故障或停止加热时，温度的下降又需要较长的时间，而利用微波加热时，开机几分钟即可正常运行。调整微波输出功率，物料加热情况立即无惰性地随着改变，因此，便于自动化控制，节省人力。6. 热效率高、设备占地面积小因为微波加热干燥是内部加热法，所以加热设备本身基本上可以说是不辐射热量的，故热损失较小，热效率较高，约可达到80 %左右，与常规方法相比，可节电 3 0 %～ 50 %。同时微波加热设备体积也比较小，与普通加热干燥方法相比，所需厂房面积小。7. 改善劳动条件微波设备无余热、无污染、不辐射热量，所以大大改善了劳动条件。（二）食品微波杀菌的作用机理 食品微波杀菌机理包括热效应和非热效应两方面。 1．微波能的热效应 微波作用于食品时，食品表层和内部同时吸收微波能，温度升高。食品中污染的微生物细胞在微波场作用下，其分子也被极化产生高频振荡，产生热效应。温度的快速升高使菌体内蛋白质结构发生变化，从而失去生物活性，使菌体死亡或受到严重干扰而无法繁殖。 2．微波能的非热生化效应已有不少实验证明微波对微生物的致死确实存在非热效应。微波的作用可使微生物生命代谢活动中的大量电子、离子和其它带电粒子的生物性排列组合状态和运动规律发生改变，造成微生物的生理活性物质发生变化。同时，电场也会使细胞膜附近的电荷分布改变，导致膜功能障碍，使微生物细胞的正常代谢功能受到干扰和破坏，使微生物的生长受到抑制，甚至停止生长或死亡。微波能还能使微生物生存所必须的水分活度降低，破坏微生物的生存环境。微生物细胞内的DNA和RNA吸收微波能后，会造成分子结构中的氢键松驰、断裂和重新组合，诱发基因突变，染色体畸变，从而中断微生物细胞的正常繁殖。这样，在微波辐照使食品温度升高的热效应和蛋白质分子变性后失去生物活性的非热效应双重因素共同作用下，细菌、酵母菌等微生物将在短时间内被杀死，而且食品的色、香、味和营养成分并未因此受到损失。（三）微波萃取的原理由于微波的频率与分子转动的频率相关连，所以微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当它作用于分子上时，促进了分子的转动运动，分子若此时具有一定的极性，便在微波电磁场作用下产生瞬时极化，并以 2 4. 5亿次 / s的速度做极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分 (极性部分 )更好地接触和反应，同时迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢出来并扩散到溶剂中。传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行，而微波萃取是通过偶极子旋转和离子传导两种方式里外同时加热，微波热萃取和传统热萃取相比，微波萃取具有以下特点：a. 质量高，可有效地保护食品中的功能成分；b. 产量大；c. 对萃取物具有高选择性；d. 省时 (30 s～1 0 min)；e. 溶剂用量少 (可较常规方法少 50 %～90 % )；f. 低耗能。三微波技术在食品工业中的应用（一）微波加热技术在食品工业中的应用1微波加热用于烹调食品利用微波烹调食品有利于保持食品中的营养成分和风味。无论用哪种烹调方法，只要烹调时间短而所用水量又少，则其维生素C的保存率就高。在美国、日本的食品市场上微波食品的种类十分繁多。其中美国是世界上家用微波炉普及率最高的国家，其微波食品的生产和销售量极大。但以冷冻类预制食品中的冷冻蔬菜，包括多种煮熟并配有调料的混合蔬菜和冷冻调理食品的产量最大，发展速度最快。主要品种有蔬菜、馅饼，各种面包及点心用的生面团。目前，美国有 2 0 0多家企业共生产 3 0 0多种在包装上标明“微波”标签的微波预制食品。产品涉及耐贮存的精制菜肴、预制汤类、冷藏小包装速食小菜、蔬菜、配菜 ,各种餐后甜食、冷冻快餐、薄烤饼、炸土豆食品、脆花生等。我国台湾省市场上销售的微波加热和烹调食品也有3 0多种，包括主食类炒饭、烩饭、炒面、水饺、春卷、烧卖、馒头、胡椒牛肉、扣肉、鸡丁、牛肉汤面、海鲜煲、牛肉煲、沙拉和葱油派等。2微波加热用于焙烤食品微波用于焙烤食品，如面包、甜面包圈的烤制时，不仅使产品质量大为改善，而且可缩短生产时间，延长产品的货架期。微波一方面快速杀灭面粉中α-淀粉酶活性，用该面粉烤制面包，其内芯不粘牙；另一方面，微波加热促进生面团中酵母繁殖而醒发面团，利用醒发的面团制成的食品结构均匀，有咬劲。3 微波加热用于解冻食品深度冻结的物料需解冻后才能进一步加工，尤其是大块冷冻食品原料。在传统的加工方法中，冷冻食品物料的解冻过程是个费时费力的过程。微波解冻使温度回至 0℃左右，具有解冻时间短，风味、鲜度、营养成分保持率高，无污水排放，工作环境整洁等优点。适用于分割肉冻块、鱼、蛋粉冻块的解冻以及快速熔化的巧克力、油脂等。另外，为了解决低于零度的物料水分测量难题，可将微波解冻与水分测量装置组合用来测量低于零度的粮食等的含水率。（二）、微波干燥技术在食品加工业中的应用微波干燥技术对固体饮料、糕点、粮食、药材等进行快速干燥的应用范围很广，目前应用成果层出不穷。日本采用 2450 MHz/ 16×5Kw微波干燥设备生产出膨化干燥蛋黄粉。美国研制出 915MHz/ 60 Kw的通心面微波干燥机。法国国际微波公司的 2 450 MHz/48Kw的微波真空干燥设备用于速溶桔粉生产，产品不仅保持了桔汁原有的色、香、味，而且由于干燥温度低，保留的 Vc是其它方法不可能达到的。日本在进行紫菜干燥时，以微波作为最终干燥手段，缩短了加热周期，同时提高了产品质量。美国加州州立大学与某公司合作将微波真空干燥技术应用于生产能保持原有形状不变的脱水葡萄，这种葡萄具有新鲜葡萄原有的风味、色泽，而维生素 B2 和 C的含量为新葡萄的3～ 4倍。国外把微波干燥与热风干燥相结合对粮食进行干燥处理，结果表明，干燥温度大大降低，且干燥时间明显减少，仅为热风干燥法的十分之一，对小麦蛋白质量、出粉率均无影响。国内在微波干燥技术应用方面的研究成果也很多。目前，国内科研人员已经把微波干燥技术应用于蘑菇类、蔬菜类的干燥加工；应用于药材如天麻、当归、党参、人参、鹿茸等的深加工；应用于营养保健食品如人参精、花粉、蜂王浆等制造业；应用于肉类加工如牛肉干、鸡肉丝等的干制以及其它食品的干制加工中。目前，很多农产品如茶叶、谷物、蔬菜、水果、大豆等都已成功应用了微波干燥，并取得了显著的经济效益；与此同时，农产品微波干燥机理的研究也比较活跃，如谷物干燥方面，国内外研究较多的有玉米、水稻、小麦、油菜籽和大豆等，这势必会促进农产品微波干燥的发展。（三）微波杀菌工艺在食品加工业中的应用由于食品防腐剂的使用要求相当严格，在食品中不添加防腐剂就可大大延长保鲜期的微波杀菌技术的应用越来越广泛。瑞典、德国、丹麦和意大利等国使用微波对切片面包杀菌、防霉、保鲜，已达到工业化生产程度，我国的一些食品生产企业也开始将微波杀菌技术应用到部分食品的加工、运输、贮藏及销售中。微波杀菌可以在食品包装前进行也可以在包装后进行。采用包装后对食品进行微波杀菌时，由于食品接受微波能后升温并产生蒸汽，压力过高时会胀破包装容器（袋），因此，包装后的食品微波能杀菌过程应在加压下进行，或将包装好的食品置于加压的玻璃容器内进行微波杀菌处理。许多国内外学者对微波能杀菌在食品上的应用进行了大量研究。研究的微波杀菌食品主要有：肉及肉制品、禽制品、水产品、水果和蔬菜、罐头、乳及乳制品、农作物、布丁、面包、月饼、糕点、豆制品、调味品、春卷等。

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七十年代以来,研究微波能在食品工业中的应用已向纵深发展。目前,在食品工业生产中微波已应用于食品的解冻、干燥、烘烤、蒸煮,以及消毒、灭菌和控制寄生虫等,对其在许多方面的优越性已得到肯定,同时也发现一些不足之处,人们正在努力探索,使其更加完善。可以预言,微波能代替或部分代替其它能源用于食品工业的日子不会很远了。