第四章+食品的微波处理技术

食品保藏原理第四章食品的微波处理技术唐浩国河科大食品学院[e-mail]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，2002.112.王绍林编著，微波食品工程，北京：机械工业出版社，1994.73.DecareauRV，PetersonRA，MicrowaveProcessingandEngineering，ELLISHORWOODinternationalpublishersinscienceandtechnology，1986主要参考书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•1940BirminghamU.•1945.10.9RaytheonC.第一个专利•1947RaytheonC.第一台微波炉RadarangeTM参见图4-1图4-1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=103MHz=109HzISM(IndustryScientific&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(dielectricmaterial)，微波对它们的加热称作介电感应加热(dielectricheating)。参见图4-2、4-3图4-2水分子的极性图4-3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4-1tanδ：电介质的有效损耗正切dielectriclossfactor(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12210tanEf95P电介质介电常数(ε)导电率(tanδ)损耗因数(ε·tanδ)水(3000MHz)770.1511.55冰(-12℃，3000MHz)3.20.000950.00304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马铃薯(2450MHz)4.50.20.9碗豆(2450MHz)2.50.20.5菠菜(2450MHz)13.00.56.5小麦粉(含水率8%，4MHz)2.60.030.078木材(硬干材)30.030.09木材(软干材)50.0650.325生橡胶2.3~2.50.0120.0276~0.03塑料0.005~0.1聚乙烯2.30.00050.00115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、纸0.1~0.2玻璃0.05表4-1一些电介质的损耗因数微波的选择性加热给微波加热的好处和坏处好处：1.加热效率高，节约能源，易控制；2.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(runawayheating)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：1.要了解被加热物体的电容特性；2.按照半衰深度的大小，将食品进行分割；3.改进容器，克服棱角效应；4.流体食品可结合搅拌方法；5.可结合远红外、热风加热等方式。(二)穿透性假设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4-2P＝P0e2αD)1tan1(222被加热物体名称温度915MHz2450MHz(℃)半衰深度(cm)半衰深度(cm)-12.01500780水14.56.60.955.016.32.395.029.54.8-51.170.018.2牛肉-17.79.87.64.51.1246.0冷冻干燥的牛肉-60.0550.0190.0-17.7180.064.0表4-2一些物质的微波穿透深度微波的穿透性对于微波加热的好处和坏处好处：1.实现包装后食品的短时杀菌。2.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。3.快速解冻。坏处：微波加热的穿透性是造成微波加热不均匀(runawayheating)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：1.使微波从各个方向照射被加热物体；参见图4-42.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；3.微波炉炉壁和炉底采用可反射微波的材料；4.被加热物体的厚度应在半衰深度的2倍左右。图4-4微波的穿透性与温度分布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：1.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。2.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。3.电场的尖角集中性，也称为棱角效应(edgeeffect)。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(hotspot)，见图4-5。runawayheatingA.圆形物体的热点B.方形物体的热点分布图4-5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1.加热、干燥速度快，所需时间短；2.加热效率高；3.加热过程具有自动平衡性*；4.物料加热均匀、产品质量高；5.设备操作简单，适应性强，且占地面积小，工作环境良好；6.对营养成分破坏小。(如：Vc，必须氨基酸等)参见表4-3、4-4优点：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(%)含量(mg/g)损耗率(%)还原性Vc卷心菜23/10014.5/10036.968.5/10063.04总Vc25.2/10024.0/1004.7620.4/10019.05表4-3微波炉与传统烹调对Vc的破坏情况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4.884.70亮氨酸8.438.36赖氨酸9.389.23蛋氨酸＋半胱氨酸3.493.42苏氨酸4.754.71色氨酸1.001.00缬氨酸5.094.97苯丙氨酸＋酪氨酸7.887.87表4-4微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化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4-1。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4-5、4-6、4-7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、蛋黄膏制品烹调实用阶段鸡、烟熏肉、夹肉馅饼、土豆食品、米饭干燥实用阶段面食、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、热敏食品冷冻干燥试验阶段肉、蔬菜、水果焙烤试验阶段面包、甜面包圈烘烤试验/实用坚果、咖啡豆、可可豆巴氏杀菌实用阶段面包、酸奶、饮料、豆腐、馅饼消毒试验阶段牛奶、预处理过的食品去壳去皮试验阶段谷物、马铃薯、水果熬制试验阶段猪油、其它动物油脂陈化试验/实用酒类表4-5微波技术在食品加工上的应用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×102450MHz(1)(1)(2)(3)营养松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)无壳瓜子10kW×2915MHz(1)焙烤脆饼10kW2450MHz(1)焙烤鱼片干10kW2450MHz(1)(1)(2)豆皮制品10kW2450MHz(1)(1)(2)(3)白酒20kW×32450MHz(1)老熟醇化表4-6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)杀虫中药材、中成药20kW915MHz(1)(1)(2)(3)乳珍(1)低温灭菌，保持活性鹿茸5kW915MHz(2)(1)(2)槟榔芋20kW×3915MHz(1)(1)(2)魔芋5kW915MHz(2)(1)(2)米酒(2)保鲜牛奶25kW915MHz(1)(2)油炸方便面(1)节油猪胴体20kW×5915MHz(1)解冻回温咖啡豆10kW2450MHz(2)焙烤小包装榨菜15kW2450MHz(2)(2)虾粉汤料20kW915MHz(1)(1)(2)鸡粪饲料60kW915MHz(1)(1)(2)(3)表4-7国内食品加工中微波的应用项目统计(二)(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4-6、4-7。图4-6915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装置图4-72450MHz，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4-8、4-9)图4-82450MHz，50~80kW流动式切块禽肉微波处理设备图4-9915MHz，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)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4-10、4-11分别为国外中试用微波真空干燥机和微波冷冻干燥机。图4-10中试用微波真空干燥机图4-11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4-8菌种菌浓度致死时间(min)(104个/ml)234561015202530金黄色葡萄球菌10＋＋＋＋－－－－－－A群溶血性链球菌10＋＋－－－－－－－－鼠伤寒沙门氏菌10＋＋＋＋－－－－－－宋耐氏志贺氏菌10＋＋＋－－－－－－－埃希氏大肠杆菌10＋＋－－－－－－－－枯草芽孢杆菌10＋＋＋＋＋＋＋－－－表4-8微波对纯菌肉汤的致死试验(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。