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1、第九章 食品微波加工技术,概 述,微波技术的发展历史：微波技术的发现可追溯到二战时期雷达的发明。而微波的加热技术在食品工业中的应用则是1945年美国雷声公司工作人员泊西斯潘塞在雷达试验时偶尔发现衣袋里的糖果因泄漏的微波而发热融化了，经过进一步的实验研究，申请了世界上第一个微波应用于食品加热的专利，从此微波技术开始在食品加工领域广为应用。,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
2、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，我国已成功地将微波能应用于烧烤食品、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。,微波一般是指波长在1mmlm范围(其相应的频率为300MHz300000MHz)的电磁波。微波的传统应用是将微波作为一种传递信息的媒介，应用于雷达、通讯、测量等方面。近年来，除了传统的微波应用
3、继续发展外，微波作为一种能技术也迅速发展，将微波能广泛用于对物体进行加热和干燥等。为了防止民用微波技术对军用雷达和通讯广播的干扰，国际上规定供工农业、科学及医学等民用的微波有4个波段，即433.92MHz、915MHz、2375MHz和2450MHz。目前915MHz和2450MHz 2个频率已广泛地为微波加热所采用。,普通家用微波炉使用的频率一般为2450MHz，而食品工业所使用的微波加热设备的频率则有915MHz(美国用896MHz)和2450MHz两种。,9.1 微波加热的原理与特点,食品微波加工技术的原理主要是利用它的热效应。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
4、它们的加热称作介电感应加热。由于水分子的特殊结构，在微波作用下，是引起食品材料发热的主要成分。,9.1.1微波加热的基本原理,图 水分子的极性,图 微波加热机理示意图,以水为例，说明微波感应加热的原理。如图9.1表示，,图9.1 微波加热的原理,常用微波炉的频率2450MHz，就相当于使水分子在一秒内要发生180度来回转动24.5亿次，这样就会引起水分子之间强烈地摩擦，使分子热运动加剧，这就是微波加热的原理。,1.加热速度快 一般只需常规方法的1/101/100的时间就可完成加热过程。2.加热均匀性好 微波加热是内部均匀加热，不需热传导。3.加热易于瞬时控制 微波加热的热惯性小，可以立即发热和
5、升温，易于控制，有利于配制自动化流水线。,9.1.2 微波加热的特点,4.选择性吸收 某些成分非常容易吸收微波，另一些成分则不易吸收微波，这种微波加热的选择性有利于提高产品的质量。5.加热效率高 加热作用始自加工物料本身，基本上不辐射散热，所以热效率高，可高达80。,1.微波频率 频率越高，加热速度越快，但并非频率越高，对加热操作越有利，在进行微波加热时，还应考虑微波的穿透深度。频率越高，波长就越短，其穿透深度也就越小。2.电场强度 电场强度是与微波加热器功率相联系的指标。功率越大，电场强度越大，其加热速度快。在食品加工中，加热速度不一定越快越好，加热操作应根据加工要求来进行。因此，在微波加热
6、器的设计中，都有功率调节旋钮，以满足不同的加工要求。,三、影响微波加热的主要因素,3.物料的介电性质 在一般情况下，加工物料的含水量愈大，其介质损耗也愈大。某些物料在温度上升时，其介质损耗系数降低，这时就出现了所谓的自动平衡。微波加热的这种自动平衡作用使得物料的加热更均匀，避免出现局部过热的缺陷。但是，有些物料在加热时，温度上升，其介质损耗系数也升高，这时就出现恶性循环。冰的介电常数为3.2。介质损耗系数为0.001，而水的介电常数为80，介质损耗系数为0.2左右(在2450MHz下)。所以在加热冰冻食品时，如果不把融化的水随时排走，则由于水的介电常数和介质损耗系数都比冰大得多，最后有可能能量
7、主要为水所吸收，而冰得不到加热。在食品解冻时应注意这个问题。,图9.2是水和冰的介质损耗系数与温度的关系。,表1 一些电介质的损耗因数,4.物料的密度 物料的密度大，其升温速度慢。物料的密度不仅由于影响单位体积热容量而直接影响微波对物体的加热，而且还影响物料的介电性质，从而间接影响微波的热效应。,5.物料的比热容,比热容小的物质温度升高的速度快。食品往往是多种原材料配制而成的多组分混合体系，不同成分具有不同的比热容，从而会有不同的温升速度，不同的组分又呈现不同的介电特性，故有不同的吸收微波功率的能力。因此，在多组分食品的微波加热中，应该很好地对比热容加以控制，以便使各组分的加热速度达到基本同步
8、的要求。上述讨论的这些因素有些相互关联，有些还受别的因素影响。例如物料的介电特性和比热容，不仅受温度的影响，而且也与食品中的盐浓度有关，盐含量增加，加热速度加快，但穿透深度减小。影响微波加热的因素非常复杂，实际工作中应慎重考虑选择和掌握各项控制条件。,9.2 食品的微波杀菌技术,9.2.1微波杀菌的机理 食品微波杀菌的机理包括热效应和非热效应。1.热效应 微波作用于食品，食品吸收微波能，温度升高。食品中污染的微生物细胞在微波场的作用下，产生热效应，温度升高。温度的快速升高使其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.非热效应 细胞膜离子通道改变；蛋白质变性
9、；改变生理生化反应的活化能；诱发各种离子基团，使微生物的生理活性物质发生改变；导致DNA和RNA结构中氢键的松弛、断裂和重新组合，诱发一些基因突变，中断细胞的正常生理功能。,9.2.2 微波杀菌特点,（1）时间短，速度快。常规热力杀菌是通过热传导、对流或辐射等方式将热量从食品表面传至内部，往往需较长时间内部才能达到杀菌温度。微波则利用其透射作用，以热效应和非热效应共作用，使食品内外均匀，迅速升温杀灭细菌。处理时间大大缩短，在强功率密度强度下，甚至只要几秒至数十秒即达到满意效果。,（2）杀菌温度低，可保持食品风味和营养,微波热效应的快速升温和非热效应的生化作用，增强了杀菌功能。相比常规热力杀菌在
10、较低温度、较短的时间内就能获得灭虫杀菌效果，一般杀菌温度在75-80，处理时间3-5min。微波特有的加工方式能保留更多的有效成分，保持原有的色、香、味、形等特征。如采用常规热力处理蔬菜保留的维生素C 在46-50%,微波处理能达到60-90%;常规加热猪肝维生素A保持在58%,而微波加热则达84%。,（3）加热均匀，杀菌彻底,常规热力杀菌是从物料表面开始，通过热传导，由表及常规热力杀菌是从物料表面开始!通过热传导，由表及里渐次加热，内外存在温差梯度，造成内外杀菌效果不一致，愈厚问题就愈突出，为保持食品风味并缩短处理时间，就得提高处理温度换取处理时间的缩短，然而这将使食品表面的色、香、味、形等
11、品质下降；而微波的穿透性，使表面与内部同时受热，保证内外均匀杀菌。,微波干燥杀菌一体机,9.2.3 微波杀菌技术的应用,人们对微波应用于肉、肉制品、禽制品、水产品、水果和蔬菜、罐头、奶、奶制品、农作物、布丁和面包等一系列产品的杀菌、灭酶和消毒进行了大量的研究。微波杀菌比常规的杀菌方法更能保留更多活性物质，即能保证产品中具生理活性的营养成分是其一大特点。因此，它应用于人参、香菇、猴头菌、花粉、天麻以及其他中药、中成药的干燥和杀菌是非常适宜的。,9.3 食品的微波干燥技术,9.3.1微波干燥的特点,干燥速度快，时间短。物料干燥过程中的干燥层首先在物料内层形成，然后由里层向外扩展；在低含水量（小于5
12、）物料干燥过程中，微波干燥效率远高于常规干燥法；,产品质量好。a.干燥时表面温度不很高，对表面无损害。b.不对大量空气加热，因此表面氧化少，这样产品的色泽有较大的改善。c.采用微波干燥，其产品的含菌率比传统干燥方法小许多，因为微波具有杀菌作用。d.同时产品的表面容易形成多孔性结构，因此产品的复水性较好。,加热变化快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。通过调整微波输出功率，物料的加热情况可以瞬间立即改变，热惯性很小，从而实现自动化控制，节省人力。加热
13、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的各个部位同时受热，因此加热均匀，可以避免传统方法由外向内形成的温度梯度导致的物料表面硬化或不均匀现象，提高了产品的质量。,加热过程具有自动平衡能力当频率和电场强度一定时，物料在干燥过程中对微波功率的吸收主要决定于物料的介质损耗。不同物料的介质损耗不同，如水的介质损耗比干物质的大，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，就避免的物质的过热现象，具有自动平衡能力，从而保证了物质原有的各种特性。,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
14、，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。同样的厂房面积，微波干燥器的生产能力是传统干燥器的34倍。,微波干燥节能采用微波干燥可节能2025。微波加热的能量利用率高，得益于微波能被物料吸收，而且是透入物料被吸收的特点。此特性使物料加热时出现两种结果：形成物料整体受热，等于增加了物料受热面积，而不是局限在物料表面界面；微波加热由于物料对微波能量是全吸收的，微波频谱中的哪个波频都不受限制；也不受物料热传导特性的限制；也没有里层物料受热滞后的问题。因此，微波加热方式是一种能量利用率高，物
15、料温升迅速的节能加热方式。,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。微波干燥具有很多的优点，但也存在一些缺点，如投资大，耗电量大等。从经济上考虑，对于含水量高的物料，单纯采用微波干燥其经济效益不一定好。实际上，微波加热干操经常与其它干燥方法如热空气干燥，油炸，甚至近红外干燥技术结合起来使用，而且微波干燥往往用于后续干燥工段。,9.3.2 微波真空干燥,所谓微波真空干燥是以微波加热为加热方式的真空干燥。采用微波真空干燥可以降低干燥温度和显著缩短干燥时间，可以进一步提高产品品质。目前在蔬菜、谷物类、种子、果汁的干燥中用得较多。,另：还有土豆片、香蕉片的微波干制工艺
16、。,不同的果蔬原料微波干制的效果表现出很大的差异。有的可以顺利得到蓬松酥脆的干制品，并保持较好的形状，如马铃薯、洋葱；有的则不能，多在脱水过程中出现严重的皱缩变形，如西红柿、杏、园桃。这与不同果蔬材料的含水量有一定关系，呈负相关倾向。含水量高的多汁果蔬内固形物含量相对较低，因此，维持其形状的刚性效果就较差。,表9.2不同种类原料的微波干燥效果,已采用微波真空干燥的果汁有：橙汁、柠檬汁、草莓汁、木莓汁等，还有茶汁和香草提取液。对于果汁中的挥发性风味物质的保存情况，微波真空干燥的结果均好于冷冻干燥和喷雾干燥，因为冷冻干燥的时间长，喷雾干燥的温度高。,国外某公司采用“立式微波真空干燥器以干燥种子和谷
17、物，其功率为50kw，频率选用915MNz，操作压力为3.46.6kPM。这种干燥器也可用于干燥其它农作物如豆类、薯类等。,微波真空干燥用于谷物和种子的干燥是因为微波干燥具有以下的特点：速度快。很多作物的种子用微波真空干燥，由于速度快而不会对其颗粒有损害。无噪音及无污染。效率高。系统的效率比普通系统高48。质量高。由于温度低，对作物种子颗粒没有损害，种子的发芽率可以提高。操作简单、安全。没有粉尘爆炸的危险。适应性强。不同的谷物和种子可以用同一台设备干燥。,9.3.3、微波冷冻干燥,水分升华热源有微波提供。内部加热，效率更高。,冷冻干燥与微波冷冻干燥物料内温度分布a)普通加热冷冻干燥 b)微波冷
18、冻干燥,9.4食品微波焙烤与烘烤,微波焙烤与微波干燥的原理相近，其主要差别在于加热的程度不同。微波焙烤的优点主要体现在：(1)微波焙烤的产品其营养价值较传统方法焙烤的高，时间较短，因此营养成分的损失较小。(2)由于其焙烤过程是内外同时加热，因此焙烤时间可以减少至几分钟。(3)由于焙烤一开始就内部加热，物料内部的水分迅速汽化并向外迁移，形成无数条微小的孔道，使得产品的结构蓬松。(4)设备占地面积小。,缺点：(1)但由于焙烤时其表面的温度太低，不足以产生足够的美拉德反应，因此产品的表面缺少人们所喜爱的金黄色。因此，微波焙烤往往与传统焙烤方法结合起来使用，两种加热方式同时进行或依次进行，或微波焙烤与
19、红外加热一起使用。一般的做法是微波焙烤后，再用传统方法在200300 下焙烤45min，或再用红外加热上色。(2)对食物加热时间的准确度要求高，加热时间稍微延长就会产生过度加热的后果。,9.5微波膨化,定义：微波膨化就是利用微波的内部加热特性，使物料内部迅速受热、温度急剧上升、产生大量蒸汽，内部大量蒸汽往外冲出，形成无数的微小孔道，使物料组织膨胀、疏松。这就是微波膨化加工。,影响物料膨化效果的因素：(1)物料组成 组织疏松，纤维含量高者不易膨化，而高蛋白、高淀粉、高胶原或高果胶的物料由于加热后这些化学组分“熟化”，有较好的成膜性，可以包裹气体，有利于发泡膨化。(2)水分含量 高水分物料，水分在
20、干燥初期因水分的大量蒸发，使制品表面温度下降，膨化效果不好。当水分低于20%时，由于物料的粘稠性增加，致使物料内部空隙中水分和空气难泻出而处于高度积聚待发状态，能产生好的膨化效果。,应用：微波用于膨化的成功例子很多、如：美国的爆玉米花，现在可以不用传统的压力膨化工艺进行生产，而采用微波加热膨化的生产工艺进行生产。微波加热再辅以降低体系压强的方法，可有效提高膨化效果。一般，首先用通常的方法进行加热干燥处理使物料水分质量分数达到15%-20%，然后再用微波加热，同时快速降低系统的压强，使物料内包裹的气体急速膨胀，由此而形成制品体积较大。,9.6食品微波解冻,9.6.1、食品微波解冻过程及其特点 传
21、统的解冻作业有以下几个缺点：时间长；占地面积大；失水率较高；表面易氧化；易变色；消耗大量清洁水。由于微波加热的特性，使得微波加热解冻，可以全部或部分地克服上述缺点。,微波加热解冻的过程如下：细胞间的水分由于其吸收微波能快(介电常数大)，首先升温并熔化，然后使细胞内冻结点低的冰晶熔化。由于细胞内的溶液浓度比细胞外的溶液浓度高，细胞内外存在着渗透压差，水分便向细胞内扩散和渗透，这样既提高了解冻速度又降低了失水率。此法解冻过程与一般的解冻过程正好相反，即细胞内冻结点较低的冰晶首先熔化。另外，微波解冻作用是内外一起进行的，因此速度要比传统的由外向内进行的解冻过程快得多。,自然解冻是失水率最小的方法(失
22、水率小，产品质量好)：表9.3是国内发表的有关微波解冻与自然解冻的比较数据。微波解冻比自然解冻快得多，而失水率则基本上处于同一水平。,9.6.2食品微波解冻操作,微波加热解冻有如下几个操作要点。微波的频率越高，其加热速度越快，但其穿透深度越小。在解冻时，频率不宜选得太高，一般宜选用915MHz的频率，对于厚度较大的冷冻产品，有时甚至采用896MHz。低频率(896MHz和9l5MHz)的微波其穿送深度可达20cm，而2450MHz的微波只有10cm。,微波的穿透深度还与温度有关。图9.3是作用于含水量超过50的材料时，其穿透深度与温度的关系。随温度的升高，由于其介电常数增加，其穿透深度下降。,
23、不向的温度阶段，其升温所需的热量不同。将冻牛肉从-3升温至-2所需的热量是从-4升温至-3的近2倍。但在温度升至一l附近时，升温所需的热量又很快下降。因此，在-1附近升温应仔细操作，否则产品的质量会有所下降。准备采用微波加热解冻的块状食品应按大小和形状分类贮存，形状和大小相同的食品应安排在同一批处理。,9.7其他应用,9.7.1、微波灭酶9.7.2、白酒的微波老熟9.7.3、面包的微波醒发9.7.4、糕点微波油炸9.7.5、微波在粮食储藏中的应用9.7.6、微波在油提取中的作用9.7.7、微波在淀粉改性中的作用,微波技术在食品加工上的应用,国内食品加工中微波的应用项目统计(一),国内食品加工中
24、微波的应用项目统计(二),9.8.1微波对人体的影响,9.8 微波应用中的有关问题,高强度微波辐射，对人体器官造成的主要危害是：中枢神经系统出现神经衰弱症；器质性损伤；人体组织极易吸收微波，引起局部温度升高。,功率密度是微波对人体伤害的关键指标。人体一般暴露于100mWcm-2以上功率密度时，才产生不可逆病理变化。微波的伤害与许多因素有关。比如高温、高湿度环境下，微波的伤害就要大些；辐射时间长，伤害作用越显著；人体头部的辐照可以造成全身性生理反应，其中最敏感的部位是眼睛和睾丸；脉冲微波比连续微波的伤害大。,9.8.2、微波辐射的安全标准,目前各国仍执行着不同的安全标准，多数国家认为采用微波频率
25、高于1000MHz时，10mWcm-2的功率密度不会有什么热伤害；频率433.9MHz时，在所规定的功率密度上长时间的暴露可能产生局部组织过热现象，其要求功率密度1mWcm-2。,美国FDA对家用（小功率）微波炉的泄漏标准规定，在卖给顾客之前功率密度不得超过1mWcm-2，此后也不得超过5mWcm-2。对工业用微波加工生产线，泄漏密度最大值100mWcm-2。日本对家用微波炉泄漏标准则以炉门开闭10万次实验后，其泄漏微波功率密度低于5mWcm-2。,我国对微波辐射的暂行标准规定，微波设备出厂前，在设备外壳5cm处泄漏能值不得超过1mWcm-2；此后也不得超过5mWcm-2。工作人员短时间间断辐
26、射或一天超过8h时，一日总剂量不超过300Wh-1cm-2。特殊情况下，需要大于1mWcm-2时，必须使用防护用品，但日剂量不得超过300Wh-1cm-2。一般不允许在超过5mWcm-2的环境下工作。,本 章 结 束,（二）微波技术在食品工业中的应用及发展,1、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。,915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装置,2450MHz，30kW连续式微波软化/解冻装置,2450MHz，5080kW流动式切块禽肉微波处理设备,2、用于食品的烹调及预加工,915MHz，60kW面食、酱料微波处理设备,中试用微波真空干燥机,3、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。,中试用微波冷冻干燥机,5.5 微波保鲜技术及其他应用,一、食品的微波保鲜技术二、食品微波烹调三、食品的微波膨化技术 四、食品微波焙烤,
