食品加工与保藏原理 第六章 食品的微波处理技术

主要参考书 1. 曾庆孝主编，芮汉明，李汴生副主编， 食品加工与保藏原理， 北京：化学工业出版社，2002.11 2. 王绍林编著， 1. 曾庆孝主编，芮汉明，李汴生副主编， 食品加工与保藏原理， 北京：化学工业出版社，2002.11 2. 王绍林编著， 微波食品工程， 北京：机械工业出版社，1994.7 3. Decareau R V，Peterson R A， Microwave Processing and Engineering， ELLIS HORWOOD international publishers in science and technology，1986

一些参考文献 李里特，微波在食品加工中应用的原理和特点，食品工业科技，1990.3：3~7 王绍林，微波能在食品中的应用研究，食品与机械，1992.6：32~34 陈卫，微波技术在食品工业中的应用，湖南食品与发酵，1994.1：33~35 王宗敬，微波技术在阿胶干燥工艺上的应用，食品工业科技，1994.2：39~40 蔡炳华，微波技术与食品工业，食品科技文摘，1995.6：1~2 吴晖、高孔荣，微波灭菌机理的研究，食品科学，1996.4：3~6 王俊、胥芳、蒋生昕，微波干燥黄桃及预处理对其影响的研究，食品科学，1996，4，39~42 杨洲、段洁利，微波干燥及其发展，粮油加工与食品机械，2000.3：5~8 朱德泉、朱德文、王德义，小麦和油菜种子微波干燥的试验研究，中国农机化，2003.3：26~27 朱德文、刘敏，微波干燥稻谷的试验研究，包装与食品机械，2003.5(21)：8~10 曹小红、常学东，板栗的微波干燥特性及其对干后品质的影响，食品工业科技，2005.1(26)：63~65 肖淼鑫、张仲欣、张玉先，牛乳中微生物的微波致死特性实验研究，食品与药品，2005.1(7)：48~51 朱德泉，微波干燥对不同面筋类型小麦种用价值和品质特性的影响，粮油加工与食品机械，2005.1：58~60

微波技术的发展历史 微波的性质与加热机理 微波加热在食品工业中的应用 微波加热设备的组成及选用 微波的安全使用及防护

第一节 微波技术的发展历史

1940 Birmingham U. 1945.10.9 Raytheon C. 第一个专利 1947 Raytheon C. 第一台微波炉 RadarangeTM 参见图6-1

图6-1 世界上第一台微波炉

第二节 微波的性质与加热机理

微波的性质 微波是频率非常高的电磁波，又称为超高频波，频率大约从300MHz到300GHz*。之所以称为微波，是因为其波长在1mm~1m，比普通的无线电波波长更微小。 *：1GHz = 103 MHz = 109 Hz

ISM(Industry Scientific & Medical) 食品工业所使用的微波加热设备的频率有915MHz(美国用896MHz)和2450MHz两种，而普通家用微波炉使用的频率则一般为2450MHz。

微波的加热机理 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、碳水化合物等都属于介电材料(dielectric material)，微波对它们的加热称作介电感应加热(dielectric heating)。 参见图6-2、6-3

图6-2 水分子的极性

图6-3 微波加热机理示意图

微波加热的特性 (一) 选择性 (二) 穿透性

(一) 选择性 在微波场中，各电介质吸收微波而产生的热能可用下式表示： 式中: P：在单位时间(1s)内，单位体积电介质(1cm3)吸收微波所产生的热能(W·cm-3) f ：微波频率(Hz) E：电极间电场强度(V·cm-1) ε：电介质的介电常数 δ：电介质的损失角(导电率) 参见表6-1 tanδ：电介质的有效损耗正切 dielectric loss factor (ε. tanδ)是每种介电材料所固有的性质，称为损耗因数或介电损失

表6-1 一些电介质的损耗因数 电介质 介电常数(ε) 导电率(tanδ) 损耗因数(ε· tanδ) 水(3000MHz) 77 0.15 表6-1 一些电介质的损耗因数 电介质 介电常数(ε) 导电率(tanδ) 损耗因数(ε· tanδ) 水(3000MHz) 77 0.15 11.55 冰(-12℃，3000MHz) 3.2 0.00095 0.00304 含水食品   0.5~35 生豚肉(-15℃，2450MHz) 6.8 1.2 8.16 生牛肉(-15℃，2450MHz) 5.0 0.75 马铃薯(2450MHz) 4.5 0.2 0.9 碗豆(2450MHz) 2.5 0.5 菠菜(2450MHz) 13.0 6.5 小麦粉(含水率8%，4MHz) 2.6 0.03 0.078 木材(硬干材) 3 0.09 木材(软干材) 5 0.065 0.325 生橡胶 2.3~2.5 0.012 0.0276~0.03 塑料 0.005~0.1 聚乙烯 2.3 0.0005 0.00115 聚氯乙烯 3~5 0.025~0.05 0.075~0.25 聚苯乙烯 2.6~3.0 0.0002~0.0004 0.00052~0.0012 陶瓷器、纸 0.1~0.2 玻璃 0.05

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。 微波的选择性加热给微波加热的好处和坏处 好处： 加热效率高，节约能源，易控制； 可用于干燥谷物的杀虫。 坏处： 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。

为了克服微波的选择性加热所带来的加热不均匀，方法主要有以下几点： 要了解被加热物体的电容特性； 按照半衰深度的大小，将食品进行分割； 改进容器，克服棱角效应； 流体食品可结合搅拌方法； 可结合远红外、热风加热等方式。

(二) 穿透性 P＝P0 e -2αD 假设P0为电介质表面的入射电场，P为某一穿透深度D时的电场，则有如下关系存在： 式中： D：微波的穿透深度(m) λ：所用微波的波长(m) ε：被加热物体的的介电常数 tanδ：被加热物体的导电率 由上两式可知道穿透深度D也是ε和tanδ的函数，受被加热物体性质、温度、状态的影响。 参见表6-2 P＝P0 e -2αD

表6-2 一些物质的微波穿透深度 被加热物体名称 温 度 915MHz 2450MHz (℃) 半衰深度 (cm) -12.0 1500 表6-2 一些物质的微波穿透深度 被加热物体名称 温 度 915MHz 2450MHz   (℃) 半衰深度 (cm) -12.0 1500 780 水 14.5 6.6 0.9 55.0 16.3 2.3 95.0 29.5 4.8 -51.1 70.0 18.2 牛 肉 -17.7 9.8 7.6 4.5 1.12 46.0 冷冻干燥的牛肉 -60.0 550.0 190.0 180.0 64.0

加热时间短，干燥速度快，而且对有些食品还能起到特有的膨化效果。 快速解冻。 坏处： 微波的穿透性对于微波加热的好处和坏处 好处： 实现包装后食品的短时杀菌。 加热时间短，干燥速度快，而且对有些食品还能起到特有的膨化效果。 快速解冻。 坏处： 微波加热的穿透性是造成微波加热不均匀(runaway heating)的另一个主要原因之一。

为了克服微波穿透性带来的加热不均匀，主要有以下方法： 使微波从各个方向照射被加热物体； 参见图6-4 承载被加热物体的托盘采用微波穿透性好的材料，并且可以旋转； 微波炉炉壁和炉底采用可反射微波的材料； 被加热物体的厚度应在半衰深度的2倍左右。

图6-4 微波的穿透性与温度分布

runaway heating 微波加热最大的问题就是加热不均匀。造成的原因主要有以下几点： 微波加热的选择性。在相同的微波场中，不同的食品材料以及这些材料温度、状态的不同，都会引起食品各部分温度上升的差异。 微波虽然有好的穿透性，可是它在实际加热中受反射、穿透、折射、吸收等影响，使被加热物体各部分产生的热能产生较大的差异。 电场的尖角集中性，也称为棱角效应(edge effect)。微波作为电磁波的一种，其电场也有尖角集中性。当食品放入微波场中进行加热时，某些部分会因为电场集中而产热多，温升快。 微波加热中，热集中的地方称为热点(hot spot)，见图6-5。

A. 圆形物体的热点 B. 方形物体的热点分布 图6-5 物体在微波场中加热时的热点分布情况

第三节 微波加热在食品工业 中的应用

一、在食品工业中采用微波加热技术 的优缺点

优点： 加热、干燥速度快，所需时间短； 加热效率高； 加热过程具有自动平衡性*； 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； 对营养成分破坏小。(如：Vc，必须氨基酸等) 参见表6-3、6-4

表6-3 微波炉与传统烹调对Vc的破坏情况 检测 项目 食品 名称 烹调前 含量 微波烹调后 传统烹调后 (mg/g) 含量(mg/g) 损耗率(%) 还原性Vc 卷心菜 23/100 14.5/100 36.96 8.5/100 63.04 总Vc 25.2/100 24.0/100 4.76 20.4/100 19.05

表6-4 微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化 必须氨基酸种类 加热前百分组成(%) 加热后百分组成(%) 异亮氨酸 4.88 4.70 表6-4 微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化 必须氨基酸种类 加热前百分组成(%) 加热后百分组成(%) 异亮氨酸 4.88 4.70 亮氨酸 8.43 8.36 赖氨酸 9.38 9.23 蛋氨酸＋半胱氨酸 3.49 3.42 苏氨酸 4.75 4.71 色氨酸 1.00 缬氨酸 5.09 4.97 苯丙氨酸＋酪氨酸 7.88 7.87

微波加热的自动平衡性 当微波频率和电场强度一定时，物料在加热或干燥的过程中对微波功率的吸收，主要决定于物料的损耗因数(ε· tanδ)，不同物料的损耗因数是不同的，参见表6-1。例如，物料中水的损耗因数比其他物质的大，物料中较湿的地方，水分多，吸收的能量多，温升快，水分蒸蒸发就快。湿地方变干后，水分少，吸收的能量少，温升就变慢。也就是说，微波能不会集中在已干的物质部分，避免了已干物质的过热现象，具有自动平衡的性能。

缺点： 微波加热最主要的缺点是电能消耗大。

二、微波技术在食品工业中的应用情 况及最新发展 参见表6-5、6-6、6-7

表6-5 微波技术在食品加工上的应用 加工方式 应用状况 制 品 软化/解冻 实用阶段 冻鱼、冻肉、牛油、浆果、巧克力、蛋黄膏制品 烹 调 表6-5 微波技术在食品加工上的应用 加工方式 应用状况 制 品 软化/解冻 实用阶段 冻鱼、冻肉、牛油、浆果、巧克力、蛋黄膏制品 烹 调 鸡、烟熏肉、夹肉馅饼、土豆食品、米饭 干 燥 面食、洋葱、米糕、海藻   试验阶段 快餐食品、鸡蛋黄、水果、蜂蜜 真空干燥 试验/实用 柑桔汁、粮谷、种子、花生、热敏食品 冷冻干燥 肉、蔬菜、水果 焙 烤 面包、甜面包圈 烘 烤 坚果、咖啡豆、可可豆 巴氏杀菌 面包、酸奶、饮料、豆腐、馅饼 消 毒 牛奶、预处理过的食品 去壳去皮 谷物、马铃薯、水果 熬 制 猪油、其它动物油脂 陈 化 酒类

表6-6 国内食品加工中微波的应用项目统计(一) 表6-6 国内食品加工中微波的应用项目统计(一) 品 名 微波设备的 规 模 目的效果   功率、频率 (1)批量生产 (2)样机 (1)干燥 (2)杀菌 (3)杀虫 乳儿糕 5kW×10 2450MHz (1) (1) (2) (3) 营养松 甘露醇 10kW 2450MHz (1) (2) 花粉 (2) 方糖 烘干成形 方便熟食品 10kW×2 2450MHz 方便快餐食品 5kW×3 2450MHz 无壳瓜子 10kW×2 915MHz 焙烤 脆饼 鱼片干 豆皮制品 白酒 20kW×3 2450MHz 老熟醇化

表6-7 国内食品加工中微波的应用项目统计(二) 表6-7 国内食品加工中微波的应用项目统计(二) 品 名 微波设备的 规 模 目的效果   功率、频率 (1)批量生产 (2)样机 (1)干燥 (2)杀菌 (3)杀虫 中药材、中成药 20kW 915MHz (1) (1) (2) (3) 乳珍 低温灭菌，保持活性 鹿茸 5kW 915MHz (2) (1) (2) 槟榔芋 20kW×3 915MHz 魔芋 米酒 保鲜 牛奶 25kW 915MHz 油炸方便面 节油 猪胴体 20kW×5 915MHz 解冻回温 咖啡豆 10kW 2450MHz 焙烤 小包装榨菜 15kW 2450MHz 虾粉汤料 鸡粪饲料 60kW 915MHz

(一) 食品的解冻和软化 国外已有使用915和2450MHz微波解冻设备进行食品的软化、解冻，见图6-6、6-7。

图6-6 915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装置

图6-7 2450MHz，30kW连续式微波软化/解冻装置

(二) 微波用于一些食品的烹调及预加工 (参见图6-8、6-9)

图6-8 2450MHz，50~80kW流动式切块禽肉微波处理设备

图6-9 915MHz， 60kW面食、酱料微波处理设备

(三) 微波用于食品物料的干燥(包括真空、 冷冻干燥) (三) 微波用于食品物料的干燥(包括真空、 冷冻干燥) 微波加热可用于诸如通心粉、谷物、水果、海藻类食品等干燥。图6-10、6-11分别为国外中试用微波真空干燥机和微波冷冻干燥机。

图6-10 中试用微波真空干燥机

图6-11 中试用微波冷冻干燥机

(四) 微波还可用于食品的杀菌消毒 微波杀菌消毒处理时间短，容易实现连续化生产，不影响食品的原有风味和营养成分。并且由于微波的穿透特性，食品可在包装后进行杀菌消毒。 参见表6-8

表6-8 微波对纯菌肉汤的致死试验 菌种 菌浓度 致死时间(min) (104个/ml) 2 3 4 5 6 10 15 20 25 30  表6-8 微波对纯菌肉汤的致死试验 菌种 菌浓度 致死时间(min) (104个/ml) 2 3 4 5 6 10 15 20 25 30 金黄色葡萄球菌 ＋ － A群溶血性链球菌 鼠伤寒沙门氏菌 宋耐氏志贺氏菌 埃希氏大肠杆菌 枯草芽孢杆菌

(五) 微波用于焙烤与烘烤 雀巢公司已利用5kW，2450MHz的微波烘烤设备烘烤可可豆，生产能力根据豆的含水量可达70~120kg·h-1，时间在5~10min，烘烤时可可豆温度为105℃。

(六) 微波用于食品物料的去壳去皮 美国曾有公司利用一台150kW，915MHz的微波干燥设备干燥大豆并去壳，该设备生产能力可达6m3·h-1，把大豆水分干燥至2%以下。 瑞典已有30kW，2450MHz，用于土豆去皮的微波设备，每次把4kg土豆的温度从50℃加热到85℃并去皮，生产速率为600kg·h-1，产品在8℃下可保存6周。

(七) 微波用于动物油脂的熬制 国外已有30kW，2450MHz的微波处理设备用于熬制动物油脂。

微波催陈酒类技术是我国科技工作者在微波技术应用与食品工业方面的首创。目前不仅有大功率(5kW)的，也有中等功率(800W)的老熟设备。 (八) 微波用于酒类的陈化 微波催陈酒类技术是我国科技工作者在微波技术应用与食品工业方面的首创。目前不仅有大功率(5kW)的，也有中等功率(800W)的老熟设备。 节省存坛厂房或仓库面积和设备 减少存坛期的挥发损失

(九) 其他 微波技术还可用于包装封口、榨油(油脂提取)、速冻食品的加热、鱼饲料的加工、膨化食品的生产、食品水分的测定等。

第四节 微波加热设备的组成及选用

一、微波加热设备的结构组成(参见图6-12) 二、微波加热器分类(参见图6-13)

图6-12 家用微波炉结构示意图

图6-13 四种形式的微波加热设备示意图

三、微波加热设备的选择 微波加热设备的选择包括微波频率的选定及加热器形式的选用。 (一) 工作频率的选定 (二) 加热器类型的选择

第五节 微波的安全使用及防护

一、微波对人体的影响 二、使用微波炉时的注意事项

本章思考题： 1、简述微波加热机理。 2、为什么微波加热具有选择性和穿透性？ 3、试解释损耗因子。 4、试解释runaway heating。