微波熱效應(yīng)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

張晶晶

摘 要：微波作為一種新的加熱能源，在食品工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展極為迅速。本文介紹了微波熱效應(yīng)、微波加熱的原理和特點(diǎn)及微波萃取、微波干燥、微波膨化、微波殺菌和微波滅酶保鮮等方面在食品工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；熱效應(yīng)；食品加工

1 微波及其熱效應(yīng)

微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱，即波長(zhǎng)在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無(wú)線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。

微波對(duì)生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對(duì)生物體產(chǎn)生的生理影響。熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場(chǎng)的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動(dòng)而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動(dòng)也會(huì)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會(huì)吸收微波能量后使熱運(yùn)動(dòng)能量增加。如果生物體組織吸收的微波能量較少，它可借助自身的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)血循環(huán)將吸收的微波能量（熱量）散發(fā)至全身或體外。如果微波功率很強(qiáng)，生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā)的能量，則引起該部位體溫升高。局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)，如使局部血管擴(kuò)張，并通過(guò)熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)使血循環(huán)加速，組織代謝增強(qiáng)，白細(xì)胞吞噬作用增強(qiáng)，促進(jìn)病理產(chǎn)物的吸收和消散等。

2 微波加熱的原理和特點(diǎn)

材料介質(zhì)由極性分子與非極性分子組成，在電磁場(chǎng)作用下，極性分子從隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)為依電場(chǎng)方向排列。而在微波作用下，這些取向運(yùn)動(dòng)以每秒數(shù)十億次的頻率不斷變化，造成分子的劇烈運(yùn)動(dòng)與碰撞摩擦，從而產(chǎn)生熱量，達(dá)到電能直接轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能。單位體積介質(zhì)吸收微波功率p=2πfεE2tanδ。式中，f為微波頻率（工業(yè)加熱的常用頻率為915MHz和2450MHz），E為電場(chǎng)強(qiáng)度。ε為介電常數(shù)，tanδ為介電損耗。

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來(lái)決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對(duì)微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對(duì)較小，其對(duì)微波的吸收能力比水小得多。因此，對(duì)于食品來(lái)說(shuō)，含水量的多少對(duì)微波加熱效果影響很大。微波對(duì)介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時(shí)可調(diào)，介質(zhì)溫升可無(wú)惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動(dòng)控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。

具體而言微波加熱有如下特點(diǎn)：

⑴加熱速度快。常規(guī)加熱屬于外部加熱，微波加熱則屬于內(nèi)部加熱。電磁能直接作用于介質(zhì)分子轉(zhuǎn)換成熱，且透射使介質(zhì)內(nèi)外同時(shí)受熱，不需要熱傳導(dǎo)，故可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻加熱。

⑵加熱均勻。用外部加熱方式加熱時(shí)，為提高加熱速度，需升高外部溫度，加大溫差梯度，然而隨之容易產(chǎn)生外焦內(nèi)生現(xiàn)象。微波加熱時(shí)不論形狀如何，微波都能均勻滲透，產(chǎn)生熱量，因此均勻性大大改善。

⑶選擇性加熱。不同性質(zhì)的物料對(duì)微波的吸收損耗不同，即微波有選擇性加熱的特點(diǎn)，這對(duì)干燥過(guò)程有利。因?yàn)樗肿訉?duì)微波的吸收損耗最大，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量較低的部位，從而干燥速率趨一致。

⑷節(jié)能高效。玻璃、聚乙烯等很少吸收微波，金屬反射微波，這些物質(zhì)都不能被微波加熱。微波加熱時(shí)，被加熱物料一般都是放在用金屬制成的加熱室內(nèi)，電磁波不能外泄，只能被加熱物體吸收，加熱室內(nèi)的空氣與相應(yīng)的容器都不會(huì)被加熱，所以熱效率高。

⑸清潔衛(wèi)生并能保持營(yíng)養(yǎng)成分和風(fēng)味微波熱效應(yīng)與生物效應(yīng)能在較低的溫度下迅速殺蟲(chóng)滅菌，最大限度地保持食品的營(yíng)養(yǎng)成分和原色澤，并且保持了食品的色、香、味、形。

3 微波熱效應(yīng)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 微波萃取

微波萃取機(jī)理主要是利用微波輻射通過(guò)高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)，到達(dá)物料內(nèi)部維管束。由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相關(guān)聯(lián)，所以微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)引起分子運(yùn)動(dòng)的非離子化輻射能。當(dāng)它作用于分子上時(shí)，促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，若分子此時(shí)具有一定的極性，便在微波電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生瞬間極化，并以25.4億次/s的速度做極性變換運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生鍵的振動(dòng)、撕裂和粒子之間的相互摩擦、碰撞，促使分子活性部分更好的接觸和反應(yīng)，同時(shí)迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢流出來(lái)并擴(kuò)散到溶劑中。

傳統(tǒng)的萃取方法主要用水或其它有機(jī)溶劑作為介質(zhì)，提取速度慢，耗時(shí)長(zhǎng)，污染大。微波萃取能克服所有傳統(tǒng)工藝缺點(diǎn)，具有節(jié)時(shí)，高效，安全無(wú)污染，能耗低，易生產(chǎn)操作的優(yōu)點(diǎn)。

微波萃取技術(shù)在國(guó)外發(fā)展很快，已在許多方面得到應(yīng)用。利用微波提取天然色素的研究表明，在微波作用下，用水提取天然色素，比傳統(tǒng)方法提取率高，節(jié)省時(shí)間、能耗小、安全，工藝易于控制，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。此外，微波技術(shù)在促進(jìn)酒類、發(fā)酵制品和巧克力的成熟和陳化、食品添加劑的合成、茶葉殺青、果品蔬菜熱燙、食品的調(diào)溫、解凍等方面也具有良好的應(yīng)用效果。

萃取是食品、制藥及化工生產(chǎn)中廣泛采用的一種單元操作，廣泛用于中草藥、香料、保健食品、功能食品、天然色素、茶飲料、果膠、高粘度殼聚糖等?，F(xiàn)在已有采用微波破壁法從高山紅景天根莖中提取紅景天苷，采用微波技術(shù)從紅豆杉中提取紫杉醇，利用微波在天然藥用活性成分提取，微波提取茶葉中的咖啡堿和茶多糖等應(yīng)用。

3.2 微波干燥

據(jù)前述表明，微波對(duì)水有選擇加熱特點(diǎn)，使得糧食、油料作物、茶葉、蠶繭、木材、紙張及煙草等含水物質(zhì)均可用微波進(jìn)行干燥。我國(guó)微波干燥技術(shù)主要應(yīng)用于輕工、化工和農(nóng)產(chǎn)品加工等方面。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)微波加熱設(shè)備已有真空干燥、冷凍干燥、消毒滅菌、焙烤、熱燙等多種類型。農(nóng)產(chǎn)品加工間歇式的微波干燥設(shè)備，已成功地應(yīng)用于土豆片、面條、調(diào)味品、小食品、海產(chǎn)品、蔬菜、果粉、蛋黃粉、人參、金銀花、肉干、肉脯、菇類、茶葉等品種的干燥。

微波干燥具有干燥速度快、時(shí)間短、加熱均勻、易控制、廠房利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、效率高、節(jié)能、衛(wèi)生環(huán)保、能最大限度地保持食品的原有營(yíng)養(yǎng)和外形。

3.3 微波膨化

微波加熱時(shí)，物料的排濕和熱量遷移方向、傳熱方向、蒸汽壓遷移方向均一致，即由物料內(nèi)部指向表面。這種特性有利于物料內(nèi)部蒸汽的產(chǎn)生和積累，微波加熱速度快，物料內(nèi)部氣體溫度急劇上升，內(nèi)部蒸汽的形成速率高于蒸汽的遷移速率，物料出現(xiàn)蒸汽壓梯度，當(dāng)壓力超過(guò)纖維組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的承受能力，就能通過(guò)這種壓力使物料膨化。

微波膨化產(chǎn)品可以克服傳統(tǒng)油炸加工的膨化產(chǎn)品含油量高的缺點(diǎn)，能完整保存食品原有的各種營(yíng)養(yǎng)成分。

微波可迅速加熱食品，并使得內(nèi)部壓差急劇變化，這種特性可很好地應(yīng)用于食品的膨化干燥。將微波膨化生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用于蘋果的系列加工中可制成一種新穎獨(dú)特的食品――蘋果脆片。它保持了蘋果原有的風(fēng)味和色澤，不添加任何添加劑，是地道的天然綠色食品。經(jīng)微波膨化的產(chǎn)品復(fù)水性好、便于貯存和運(yùn)輸攜帶。它的研制成功是蘋果加工技術(shù)上一個(gè)重大突破，該技術(shù)還可生產(chǎn)其它果蔬產(chǎn)品。另外，過(guò)去對(duì)薯?xiàng)l、薯片的膨化都是用油炸，這不但增加了食品的熱量、還破壞了其原有的營(yíng)養(yǎng)成分。用微波膨化薯?xiàng)l、薯片，不但保持了食品原汁原味，還省去油炸工藝，降低了加工成本。近來(lái)微波技術(shù)在方便面加工方面也有所突破，用高場(chǎng)強(qiáng)微波使方便面在加工中產(chǎn)生膨化，使得方便面復(fù)水性極好，降低了對(duì)沖泡方便面的水溫要求，沖泡時(shí)間縮短。

微波膨化在食品加工中的應(yīng)用還有：淀粉膨化食品加工、蛋白質(zhì)食品膨化加工和瓜果蔬菜類物料的膨化等。

3.4 微波殺菌與滅酶

為了防止食品早期變質(zhì)以便儲(chǔ)存，通常使用紫外燈、蒸氣、高壓、鈷60、臭氧、充氮、添防腐劑等方法進(jìn)行殺菌，微波技術(shù)則又開(kāi)辟了一種理想方式，能在短時(shí)間內(nèi)，對(duì)物料內(nèi)外同時(shí)殺菌，又不破壞營(yíng)養(yǎng)成分。

對(duì)微波殺菌機(jī)理一般有兩種說(shuō)法：⑴應(yīng)答說(shuō)法，即生物系統(tǒng)在一定的條件下對(duì)電磁場(chǎng)的應(yīng)答干擾了細(xì)菌正常的生理活動(dòng)，破壞生物體細(xì)胞膜內(nèi)外的電位平衡，阻斷細(xì)胞膜與外界交換物質(zhì)的離子通道的暢通性，從而導(dǎo)致其死亡；⑵極化擊穿說(shuō)法，即跟隨外加交變電磁場(chǎng)極化變化，細(xì)胞的感應(yīng)偶極矩受到力矩作用而產(chǎn)生交替方向的旋轉(zhuǎn)和摩擦生熱，同時(shí)外電場(chǎng)使細(xì)胞膜滲透性發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞膜出現(xiàn)擊穿性的破裂，細(xì)胞內(nèi)的核酸、蛋白質(zhì)等體液滲漏體外，造成微生物的致命。總體來(lái)說(shuō)，微波殺菌是利用其熱效應(yīng)、電磁效應(yīng)和生物效應(yīng)的共同結(jié)果。

微波滅菌有速度快，適用范圍廣的特點(diǎn)。對(duì)肉制品、蛋制品、魚(yú)、蔬菜水果、乳制品、豆制品、谷類等都有殺菌效果。另外對(duì)沙門氏桿菌、大腸桿菌、乳酸菌等都有殺傷作用，同樣還可以使酵母、霉菌、霉菌孢子失活。

微波加熱滅菌過(guò)程應(yīng)在壓力下進(jìn)行，或?qū)b好的產(chǎn)品置于加壓的玻璃器內(nèi)進(jìn)行微波處理。與常規(guī)方法相比，可保持更好的口味、顏色和具有生理活性的營(yíng)養(yǎng)成份。

另外，由于磁場(chǎng)的作用，食品中常見(jiàn)的酶能在短時(shí)間內(nèi)失去活性。一些研究表明，微波輻射對(duì)甘蔗中多酚氧化酶活性有抑制作用；微波可抑制腐乳中蛋白酶的活力，使腐乳的存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)等。

3.5 微波消解

微波消解是一種新的產(chǎn)品處理技術(shù)。將微波產(chǎn)生的電場(chǎng)作用于極性分子，分子以4.5億次/s的速度不斷改變正負(fù)極方向，分子間高速碰撞和摩擦，產(chǎn)生高熱。產(chǎn)品因微波作用表面層不斷攪動(dòng)破裂，產(chǎn)生新鮮表面與酸反應(yīng)，促使樣品迅速消解。

微波消解的優(yōu)點(diǎn)有：⑴微波加熱是“內(nèi)加熱”，具有加熱速度快、加熱均勻、無(wú)溫度梯度、無(wú)滯后效應(yīng)等特點(diǎn)；⑵消解樣品的能力強(qiáng)，特別是一些難溶樣品，傳統(tǒng)的消解方式需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，而微波消解只需要幾分鐘至十幾分鐘；⑶溶劑用量少，用密封容器微波溶樣時(shí)，一般只需溶劑5～10mL，溶劑沒(méi)有蒸發(fā)損失；⑷減少勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了有害氣體排放對(duì)環(huán)境造成的污染；⑸由于樣品采用密閉消解，有效地減少了易揮發(fā)元素的損失。

4 總結(jié)

目前，微波作為一種食品加工的新能源有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究也有較快的發(fā)展。但在實(shí)際加工應(yīng)用中并不多見(jiàn)，需進(jìn)一步完善微波食品加工理論，開(kāi)發(fā)新型微波加工設(shè)備，研究微波食品加工工藝。隨著微波技術(shù)的不斷發(fā)展，相信微波技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用前景將十分廣闊。

[參考文獻(xiàn)]

[1]崔政偉.微波技術(shù)在食品工程中的新應(yīng)用展望[J].包裝與食品機(jī)械.2003，21（4）.

[2]陳業(yè)高，等.微波輻射在天然藥用活性成分提取分離中的應(yīng)用[J].微波學(xué)報(bào).2003，19（2）.

[3]馮薇麗，彭增華，何明奕，王勝民.微波技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào).2004，29（5）.

[4]李清明，譚興和，申雙貴，等.食品微波膨化技術(shù)研究進(jìn)展[J].包裝與食品機(jī)械.2003，21（4）.

[5]王紹林.微波食品工程[M]北京：機(jī)械工程出版社.1994.97-105.

[6]吳永年，等.低溫肉禽制品微波殺菌綜合保鮮技術(shù)的理論與實(shí)踐[J].肉類研究.2003，（1）.

[7]劉慧霞，等.微波輻射對(duì)甘蔗氧化酶活性抑制作用的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè).2001，27（9）.

[8]王慶志，孫平.微波技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué).2008，12（12）.

[7]王禹，孫海濤，王寶輝，張東.微波的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng).遼寧化工.2006，35（3）.

[8]高嶸，等.微波消解ICP-AES法測(cè)定保健品中的微量元素[J].沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào).2002，4（3）.

[9]王運(yùn)華.微波消解預(yù)處理技術(shù)用于食品微量元素分析的研究[J].兵團(tuán)教育學(xué)院學(xué)報(bào).2002，12（1）.