食品高新技術(shù)5-第五講-微波加熱技術(shù)與食品工業(yè)

MicrowaveFoodProce

微波加熱技術(shù)與食品工業(yè)一、開展歷程1946年，美國雷聲公司〔RaytheonCorporation〕波西·斯潘塞博士〔Dr.PercySpencer〕在雷達試驗中測試一個新的真空管時，偶然發(fā)現(xiàn)口袋里的糖果因泄露的微波作用而發(fā)熱融化。Dr.PercySpencerheplacedsomepopcornkernelsnearthetube.thepopcornsputtered,crackedandpoppedalloverhislab.putthemagnetrontubenearanegg.theeggbegantotremorandquake.theeggexplodedandsplatteredhotyokealloverhisface.themeltedcandybar,thepopcorn,andtheexplodingegg,wereallattributabletoexposuretolow-densitymicrowaveenergy.Dr.percySpencer申請的第一個微波能用于食品加工的專利。In1947,thefirstcommercialmicrowaveovenhitthemarket.calledita"Radarange"

〔一〕微波的性質(zhì)微波是頻率非常高的電磁波，又稱為超高頻波，頻率大約從300MHz到300GHz*。之所以稱為微波，是因為其波長在1mm~1m，比普通的無線電波波長更微小。1GHz＝103MHz＝109Hz二、微波的性質(zhì)與加熱機理普通家用微波爐使用的頻率一般為2450MHz，而食品工業(yè)所使用的微波加熱設(shè)備的頻率那么有915MHz(美國用896MHz)和2450MHz兩種?！捕澄⒉ǖ募訜釞C理食品工業(yè)中所使用的微波設(shè)備主要是利用微波的熱效應(yīng)。食品中的水分、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等都屬于介電材料(dielectricmaterial)，微波對它們的加熱稱作介電感應(yīng)加熱(dielectricheating)。

微波加工的三個根本特征圖2水分子的極性圖3微波加熱機理示意圖1、選擇性在微波場中，各電介質(zhì)吸收微波而產(chǎn)生的熱能可用下式表示：式中:P：在單位時間(1s)內(nèi)，單位體積電介質(zhì)(1cm3)吸收微波所產(chǎn)生的熱能(W·cm-3)f：微波頻率(Hz)E：電極間電場強度(V·cm-1)ε：電介質(zhì)的介電常數(shù)δ：電介質(zhì)的損失角(導(dǎo)電率)tanδ：電介質(zhì)的有效損耗正切(ε.tanδ)是每種介電材料所固有的性質(zhì)，稱為損耗因數(shù)或介電損失〔三〕微波加熱的特性電介質(zhì)介電常數(shù)(ε)導(dǎo)電率(tanδ)損耗因數(shù)(ε·tanδ)水(3000MHz)770.1511.55冰(-12℃，3000MHz)3.20.00095

0.00304含水食品

0.5~35生豚肉(-15℃，2450MHz)6.81.28.16生牛肉(-15℃，2450MHz)5.00.150.75馬鈴薯(2450MHz)4.50.20.9碗豆(2450MHz)2.50.20.5菠菜(2450MHz)13.00.56.5小麥粉(含水率8%，4MHz)2.60.030.078木材(硬干材)3

0.03

0.09木材(軟干材)50.0650.325生橡膠2.3~2.50.0120.0276~0.03塑料

0.005~0.1聚乙烯2.30.0005

0.00115聚氯乙烯3~50.025~0.050.075~0.25聚苯乙烯2.6~3.00.0002~0.00040.00052~0.0012陶瓷器、紙

0.1~0.2玻璃

0.05表1一些電介質(zhì)的損耗因數(shù)微波的選擇性加熱給微波加熱的好處和害處：好處：1.加熱效率高，節(jié)約能源，易控制。2.可用于較枯燥的谷物殺滅害蟲。害處：微波的選擇性加熱是造成微波加熱不均勻(runawayheating)的主要原因之一。為了克服微波的選擇性加熱所帶來的加熱不均勻，方法主要有以下幾點：了解被加熱物體的電容特性；按照半衰深度的大小，將食品進行分割；改進容器，克服棱角效應(yīng)；流體食品可結(jié)合攪拌方法；可結(jié)合遠紅外、熱風(fēng)加熱等方式。2、穿透性假設(shè)P0為電介質(zhì)外表的入射電場，P為某一穿透深度D時的電場，那么有如下關(guān)系存在：

式中：D：微波的穿透深度(m)λ：所用微波的波長(m)ε：被加熱物體的的介電常數(shù)tanδ：被加熱物體的導(dǎo)電率由上兩式可知道穿透深度D也是ε和tanδ的函數(shù)，受被加熱物體性質(zhì)、溫度、狀態(tài)的影響。P＝P0e-2αD

被加熱物體名稱溫度915MHz2450MHz

(℃)半衰深度(cm)半衰深度(cm)

-12.01500780水14.56.60.9

55.016.32.3

95.029.54.8

-51.170.018.2牛肉-17.79.87.6

4.51.1246.0冷凍干燥的牛肉-60.0550.0190.0

-17.7180.064.0表2一些物質(zhì)的微波穿透深度

微波的穿透性對于微波加熱的好處和害處好處：實現(xiàn)包裝后食品的短時殺菌。加熱時間短，枯燥速度快，而且對有些食品還能起到特有的膨化效果?？焖俳鈨觥：μ帲何⒉訜岬拇┩感允窃斐晌⒉訜岵痪鶆?runawayheating)的另一個主要原因之一。微波加熱最大的問題就是加熱不均勻。造成的原因主要有以下幾點：微波加熱的選擇性。在相同的微波場中，不同的食品材料以及這些材料溫度、狀態(tài)的不同，都會引起食品各局部溫度上升的差異。微波雖然有好的穿透性，可是它在實際加熱中受反射、穿透、折射、吸收等影響，使被加熱物體各局部產(chǎn)生的熱能產(chǎn)生較大的差異。電場的尖角集中性，也稱為棱角效應(yīng)(edgeeffect)。微波作為電磁波的一種，其電場也有尖角集中性。當(dāng)食品放入微波場中進行加熱時，某些局部會因為電場集中而產(chǎn)熱多，溫升快。微波加熱中，熱集中的地方稱為熱點(hotspot〕。3、加熱不均勻性的原因及克服產(chǎn)生原因：

為了克服微波穿透性帶來的加熱不均勻，主要有以下方法：使微波從各個方向照射被加熱物體；承載被加熱物體的托盤采用微波穿透性好的材料，并且可以旋轉(zhuǎn)；微波爐爐壁和爐底采用可反射微波的材料；被加熱物體的厚度應(yīng)在半衰深度的2倍左右?？朔椒ǎ骸菜摹澄⒉ㄌ幚韺κ称窢I養(yǎng)成分的影響(1)對蛋白質(zhì)的影響

微波處理對牛奶中蛋白質(zhì)的影響并不大，對醬油中的氨基酸液無破壞分解作用，而且適當(dāng)?shù)奈⒉ㄌ幚磉€能提高大豆蛋白的營養(yǎng)價值。必須氨基酸種類加熱前百分組成(%)加熱后百分組成(%)異亮氨酸4.884.70亮氨酸8.438.36賴氨酸9.389.23蛋氨酸＋半胱氨酸3.493.42蘇氨酸4.754.71色氨酸1.001.00纈氨酸5.094.97苯丙氨酸＋酪氨酸7.887.87微波爐處理蹄膀前后必須氨基酸的變化(2)對食品中脂肪的影響適當(dāng)?shù)奈⒉ㄌ幚聿粫茐闹舅岬臓I養(yǎng)價值。但處理時間過長或強度太高，可能引起脂肪酸的過氧化反響。大豆經(jīng)微波處理后，其總脂含量明顯增加，15種甘油三酯分子均未受到破壞，大豆脂肪酸組成在數(shù)量和質(zhì)量上也無顯著變化。(3)對食品中碳水化合物的影響

食品中的碳水化合物在微波環(huán)境中會發(fā)生一系列的反響，如美拉得反響、糖的焦化等。微波處理的甘薯中乙醇溶性的碳水化合物總含量、復(fù)原糖類及糊精含量均比對流爐處理的甘薯少，而淀粉含量那么恰好相反。(4)對食品中維生素的影響由于微波加熱的時間短而效率高，有利于最大限度的保存食品中的維生素，尤其對于熱敏性維生素的保存。1、維生素C用微波對不同的維生素進行熱處理，維生素C的含量幾乎不受影響。蔬菜無水微波烹調(diào)與傳統(tǒng)方法的比較說明，無水微波烹調(diào)更有利于維生素的保存；微波處理時間的長短對維生素的保存有較大影響。因此，在進行微波加熱時應(yīng)嚴(yán)格控制加熱時間，保證維生素有最大的保存率。檢測項目食品名稱烹調(diào)前含量微波烹調(diào)后傳統(tǒng)烹調(diào)后(mg/g)含量(mg/g)損耗率(%)含量(mg/g)損耗率(%)還原性Vc卷心菜23/10014.5/10036.968.5/10063.04總Vc25.2/10024.0/1004.7620.4/10019.05微波爐與傳統(tǒng)烹調(diào)對Vc的破壞情況2、維生素B1和B6

維生素B1和B6同屬于B族維生素中的熱敏性維生素，在傳統(tǒng)的食品加工過程中很容易受到破壞。利用微波烘烤的食品中，維生素B1和B6能很好的保存。3、維生素E適宜的微波加熱能保存大豆種子中的90％的維生素E，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)加工方法。隨著微波加熱時間的延長，植物油中維生素E的含量下降，其下降幅度隨脂肪酸的種類不同而不同。微波過度加熱可使油發(fā)生水解作用，使游離脂肪酸含量增大，其容易發(fā)生過氧化反響，生成自由基，引起維生素E降解，從而導(dǎo)致維生素E的損耗增加。游離脂肪酸越多，碳鏈越短，不飽和程度越高，那么維生素E的損耗量越大。另外，微波作用會導(dǎo)致維生素E的抗氧化活性降低。主要由于微波導(dǎo)致植物油中飽和脂肪酸的降解及不飽和脂肪酸氧化，從而油脂中自由基和過氧化物增多，易與維生素E發(fā)生反響，使其失去抗氧化功能。三、微波加熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用〔一〕采用微波加熱技術(shù)的優(yōu)缺點優(yōu)點：加熱、枯燥速度快，所需時間短；加熱效率高；加熱過程具有自動平衡性；物料加熱均勻、產(chǎn)品質(zhì)量高；設(shè)備操作簡單，適應(yīng)性強，且占地面積小，工作環(huán)境良好；對營養(yǎng)成分破壞小缺點：

微波加熱最主要的缺點是電能消耗大。微波加熱的自動平衡性當(dāng)微波頻率和電場強度一定時，物料在加熱或枯燥的過程中對微波功率的吸收，主要決定于物料的損耗因數(shù)(ε·tanδ)，不同物料的損耗因數(shù)是不同的，例如，物料中水的損耗因數(shù)比其他物質(zhì)的大，物料中較濕的地方，水分多，吸收的能量多，溫升快，水分蒸蒸發(fā)就快。濕地方變干后，水分少，吸收的能量少，溫升就變慢。也就是說，微波能不會集中在已干的物質(zhì)局部，防止了已干物質(zhì)的過熱現(xiàn)象，具有自動平衡的性能。〔二〕微波技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用及開展1、食品的解凍和軟化國外已有使用915和2450MHz微波解凍設(shè)備進行食品的軟化、解凍。915MHz，120kW連續(xù)式微波軟化/解凍裝置

2450MHz，30kW連續(xù)式微波軟化/解凍裝置

2450MHz，50~80kW流動式切塊禽肉微波處理設(shè)備

2、用于食品的烹調(diào)及預(yù)加工915MHz，60kW面食、醬料微波處理設(shè)備

中試用微波真空枯燥機3、用于食品物料的枯燥(包括真空、冷凍枯燥)微波加熱可用于諸如通心粉、谷物、水果、海藻類食品等枯燥。中試用微波冷凍枯燥機菌種菌濃度致死時間(min)(104個/ml)234561015202530金黃色葡萄球菌10＋＋＋＋－－－－－－A群溶血性鏈球菌10＋＋－－－－－－－－鼠傷寒沙門氏菌10＋＋＋＋－－－－－－宋耐氏志賀氏菌10＋＋＋－－－－－－－埃希氏大腸桿菌10＋＋－－－－－－－－枯草芽孢桿菌10＋＋＋＋＋＋＋－－－

微波對純菌肉湯的致死試驗

4、用于食品的殺菌消毒微波殺菌消毒處理時間短，容易實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，不影響食品的原有風(fēng)味和營養(yǎng)成分。并且由于微波的穿透特性，食品可在包裝后進行殺菌消毒。5、用于焙烤與烘烤雀巢公司已利用5kW，2450MHz的微波烘烤設(shè)備烘烤可可豆，生產(chǎn)能力根據(jù)豆的含水量可達70~120kg·h-1，時間在5~10min，烘烤時可可豆溫度為105℃。6、用于食品物料的去殼去皮美國曾有公司利用一臺150kW，915MHz的微波枯燥設(shè)備枯燥大豆并去殼，該設(shè)備生產(chǎn)能力可達6m3·h-1，把大豆水分枯燥至2%以下。瑞典已有30kW，2450MHz，用于土豆去皮的微波設(shè)備，每次把4kg土豆的溫度從50℃加熱到85℃并去皮，生產(chǎn)速率為600kg·h-1，產(chǎn)品在8℃下可保存6周。7、微波用于動物油脂的熬制國外已有30kW，2450MHz的微波處理設(shè)備用于熬制動物油脂。8、微波用于酒類的陳化微波催陳酒類技術(shù)是我國科技工作者在微波技術(shù)應(yīng)用與食品工業(yè)方面的首創(chuàng)。目前不僅有大功率(5kW)的，也有中等功率(800W)的老熟設(shè)備。節(jié)省存壇廠房或倉庫面積和設(shè)備減少存壇期的揮發(fā)損失9、其他微波技術(shù)還可用于包裝封口、榨油(油脂提取)、速凍食品的加熱、魚飼料的加工、膨化食品的生產(chǎn)、食品水分的測定等。加工方式應(yīng)用狀況制品軟化/解凍實用階段凍魚、凍肉、牛油、漿果、巧克力、蛋黃膏制品烹調(diào)實用階段雞、煙熏肉、夾肉餡餅、土豆食品、米飯干燥實用階段面食、洋蔥、米糕、海藻

試驗階段快餐食品、雞蛋黃、水果、蜂蜜真空干燥試驗/實用柑桔汁、糧谷、種子、花生、熱敏食品冷凍干燥試驗階段肉、蔬菜、水果焙烤試驗階段面包、甜面包圈烘烤試驗/實用堅果、咖啡豆、可可豆巴氏殺菌實用階段面包、酸奶、飲料、豆腐、餡餅消毒試驗階段牛奶、預(yù)處理過的食品去殼去皮試驗階段谷物、馬鈴薯、水果熬制試驗階段豬油、其它動物油脂陳化試驗/實用酒類微波技術(shù)在食品加工上的應(yīng)用品名微波設(shè)備的規(guī)模目的效果

功率、頻率(1)批量生產(chǎn)(2)樣機(1)干燥(2)殺菌(3)殺蟲乳兒糕5kW×102450MHz(1)(1)(2)(3)營養(yǎng)松5kW×102450MHz(1)(1)(2)(3)甘露醇10kW2450MHz(1)(1)(2)花粉10kW2450MHz(1)(2)方糖5kW×102450MHz(1)烘干成形方便熟食品10kW×22450MHz(2)(2)方便快餐食品5kW×32450MHz(1)(2)