穿透和反射微波的性能课件

1、第 五 章物 理 技 术 处 理 食 品 新 进 展第1页，共106页。教学目的和要求 掌握食品中应用的新物理技术掌握微波技术、高压技术、脉冲技术及其它技术原理；了解其在食品加工中的应用及设备第2页，共106页。主要内容微波技术高压技术脉冲技术其他技术第3页，共106页。第一节微波技术 微波是指波长在1mm1m范围的电磁波。工业上，科学，医疗常用微波进行加热。 常用微波频率有433MHz、915MHz、2375MHz、2450MHz。食品加工中多用915MHz。家用微波炉多选用2450MHz。第4页，共106页。频段2 音频（VF)） 8 基低频（VLF） 4 低 频 （LF） 5 中 频（M

2、F） 6高 频（HF） 7 甚高频（VHF ） 8 特高频（UHF） 9超高频（SHF） 10极高频（EHF） 11121314 超长波（VLW） 长波（LW） 中波（MW） 超短波（VSW）（米波）分米波厘米波毫米波 3Hz 30Hz 300Hz 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz105km 104km 103km 102km 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 100 10 1 （公里） （米） （厘米）（毫米） （微米） 无 线 电 电 磁 频 谱

3、表 短波（SW） 音 频雷达频率微波频率红外视 频第5页，共106页。1GHz103 MHz109 Hz第6页，共106页。微波加热特点 加热速度快 加热均匀性好 加热易于瞬时控制 选择性吸收 加热效率高 第7页，共106页。一、微波技术发展历史世界上第一台微波炉 19世纪40年代美国雷声公司制造出第一台微波炉。 19世纪五六十年代，伴随着大功率磁控管研制成功，美英等国隧道式、波导式等多种加热器的问世，国外在微波能的应用上掀起一场新的“能源革命行动”。微波能的应用普及到食品、医药、农副土特产品加工、化工及当代尖端技术的各个领域中。 我国从20世纪70年代开始研制、推广微波能应用技术和设备。当时

4、研制的2450MHz45KW隧道式微波干燥乳儿糕生产线，将原来需要烘烤68h的工艺缩短到9min完成。第8页，共106页。二、微波加热原理 微波：非电离辐射。当微波在传输过程中遇到不同的材料时，会产生反射、吸收和穿透现象。介电物质：性能介于导体和绝缘体之间，具有吸收、穿透和反射微波的性能。第9页，共106页。（一）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电介质，微波对它们的加热称作介电感应加热(dielectric heating)第10页，共106页。（二）产热机制离子极化偶极子转向交变电场引起偶极子转向微波频率2450

5、MHz，水分子1S内发生180来回转动24.5亿次第11页，共106页。（三）微波对介质穿透作用 该特性用穿透深度（功率传透深度或半功率穿透深度）表示。功率传透深度（De ）：微波功率从材料表面衰减至表面值的1/e（大约36.8%，e=2.718282)时的距离。 微波波长tan介质损耗角正切 介电常数第12页，共106页。半功率穿透深度：微波功率透入材料后，功率衰减一半的距离。第13页，共106页。介电材料不同，因它们的介电常数及介电损耗不同，故微波对它们的穿透能力（深度）也不同。介电材料的含水量及微波的频率不同，微波对介电材料的穿透能力（深度）也不同。低温和低频时在食品有较大的穿透深度。第

6、14页，共106页。 （四）影响微波加热因素 影响微波加热因素有：微波频率，微波强度，物料介电常数，密度，比热容和介电损耗角正切，其中物料的介电性质往往又是频率的函数。第15页，共106页。介质的固有介电特性（介电损耗因子）： rtan食品材料的介电特性不同，其对微波的吸收特性就不同。适宜的介电损耗因子10-25P-功率密度 W/cm3 - 介质的介电常数Tan介质损耗f -微波频率, HzE -电场强度 ，V/cm第16页，共106页。1、微波频率 从加热角度看，频率越高，加热速率快。但频率越高，微波波长越短，穿透深度越小。频率还会影响介质损耗系数，频率越高，介质损耗系数越大。 第17页，共

7、106页。2、微波电场强度 电场强度实际上是与微波加热器功率相关连的指标。功率大，电场强度大，加热速度快。食品加工中，加热操作需根据加工要求来进行。加热速率不一定越快越好。微波加热器有功率调节旋钮，以适应不同的加工要求。微波加热操作可迅速加热和无惰性的随输出功率的改变而变化，满足食品不同加工阶段不同的加热要求。第18页，共106页。3、物料介电性质：介电强度，介电损耗不同的介质一般有不同的介电常数和介质损耗角正切。水的介电常数和介质损耗角正切比一般介质大。因此，在一般物料中，含水量越大，其介质损耗也越大，升温越快。物料的介电性质除与介电常数和介质损耗角正切有关，还与微波频率有关。介电常数与频率

8、的关系不是很大，但在高频时的介质损耗系数要比在915 MHz时的小许多。 第19页，共106页。影响材料介电特性的因素材料成分材料的含水量及状态物料含水量高，则其介电常数及介电损耗大，材料吸收微波能的能力强。水呈液态时比呈固态（冰）时的介电常数及介电损耗大。材料的温度温度高则介电常数大，吸收微波能力强。微波频率微波频率高，材料的介电常数及介电损耗降低。材料的密度密度大而紧实的物料，因空气少，故介电常数及介电损耗大，吸收微波的能力强，易被微波加热。第20页，共106页。4、物料的密度物料密度越大，升温越慢。物料密度不仅影响微波对物体的加热，而且还影响物料的介电性质。物料密度提高，介电常数以近似线

9、性关系趋于增加。5、物料的比热容比热容小的物质温度升高的速度快第21页，共106页。6、物料的微波吸收功率和温度升高 物料吸收微波的能力主要由介电常数，介质损耗角正切来决定，另外与电场强度和微波工作频率有关。其中，介电常数是阻止微波能量穿过的能力量度，介质损耗角正切为介质消耗微波能量的效率。 第22页，共106页。三、微波加热系统的组成及选用微波加热系统的组成微波频率的选择第23页，共106页。被加热物料微波加热系统的组成高压电源微波发生器连接波导冷却系统微波加热系统示意图微波加热器第24页，共106页。微波应用系统常用的材料导体材料：铜、银、铝 类；性能：能反射微波。 导体以一种特殊的形式传

10、播以及反射微波能量；用途：微波装置中的波导管，微波加热用的外壳。材料：含水、盐和脂肪的食品以及其他生物质。性能：具有吸收、穿透和反射微波性能。在微波加热过程中，被处理的介质材料以不同程度吸收微波能量，又称为有耗介质。绝缘体材料：玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙稀塑料等；性能：可部分反射或渗透微波，通常吸收微波能较少。用途：微波处理过程中用此作为包装和反应器的材料，或作为家用微波炉烹调用的食品器皿。介电质绝缘体123第25页，共106页。 微波频率的选择目前用于工业微波加热的频率主要有915MHz和2450MHz。915MHz具有较大穿透深度，获得较大的功率915MHz体积较大/较厚的物料含水分高的

11、物料加工大批物料2450MHz因磁控管及其波导小，适用于家用微波炉含水分量低的物料第26页，共106页。微波选择性加热特点好处： 1. 加热效率高，节约能源，易控制 2. 可用于较干燥的谷物杀灭害虫 坏处： 微波的选择性加热是造成微波加热不均匀(runaway heating)的主要原因之一第27页，共106页。微波穿透性特点好处： 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(runaway heating)的另一个主要原因之一。第28页，共106页。四、微波加热在食品中的

12、应用在食品工业中采用微波加热技术的优缺点微波技术在食品工业中的最新发展 第29页，共106页。在食品工业中采用微波加热技术优点：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能*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，工作环境良好缺点： 微波加热最主要的缺点是电能消耗大。第30页，共106页。微波技术在食品工业中的最新发展微波用于食品的解冻和软化微波用于一些食品的烹调及预加工微波用于食品物料的干燥(包括真空干燥、冷冻干燥)微波还可用于食品的杀菌消毒与灭酶微波用于焙烤与烘烤微波萃取微波用于食品物料的去壳去皮微波用于酒类的陈化其他（生物育种诱变等）第31页，共1

13、06页。食品的解冻和软化利用微波能在低温下的穿透力较强，及冰的介电特性特点进行解冻处理。 915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装置 国外已有使用915MHz和2450MHz微波解冻设备进行食品的软化、解冻第32页，共106页。食品的解冻和软化2450MHz，30kW连续式微波软化/解冻装置 第33页，共106页。微波用于食品的烹调及预加工合理选择微波烹调方式能够最大限度地保留食品的营养和天然口味：研究发现使用不同功率的微波炉(商业生产使用1.6 2.0 kW，家用600800 w)，对食品中营养成分的保留情况无显著性差异.微波烹调时间的选择至关重要，短时间烹调，减少了高温对营养成分的破

14、坏；微波烹调避免了食物烹调过程中化学污染物的产生.同时也能较好地杀灭食品中的微生物；微波烹调无需预热而立即发挥作用，加热效率高，烹调时间短，节省能源；烹调过程无油烟.清洁安全，是值得推广的家用烹调方式。第34页，共106页。微波干燥与膨化利用湿物料的快速体积加热而产生的附加显热，诱导湿气向表面扩散，有利于用较经济的常规技术来抽走和排除湿气，达到干燥目的。微波牛肉干燥设备第35页，共106页。微波干燥设备及产品第36页，共106页。微波膨化是利用微波加热的特性（内部加热），促使食品内部水分的相变和气体的热压效应原理，使食品内部水分快速升温汽化、增压、膨胀，并依靠气体的膨胀力和物料的质构变化，形成

15、网状多孔结构。 比较好的产品是爆玉米花第37页，共106页。第38页，共106页。微波杀菌消毒与灭酶微波杀菌既有热效应原理，也有非热效应（生物效应）原理。热效应：升温导致蛋白质变性，细胞膜破裂等。非热效应：光化学反应、场力效应、电磁共振效应等第39页，共106页。微波杀菌设备微波泡菜杀菌微波杀菌设备第40页，共106页。微波杀菌消毒与灭酶常规的热水烫漂法灭酶易造成营养损失等问题；采用热空气或蒸汽又会出现受热不均匀问题；利用微波能，可解决物料外形复杂，料层中间的传热问题。甜玉米棒及芯的过氧化物酶的灭活。小麦胚芽解脂酶的灭活；微波灭酶大大延长了小麦胚芽的存放时间;与热灭酶相比,微波灭酶大大缩短了灭

16、酶处理时间,并且改善了灭酶效果第41页，共106页。微波焙烤与烘烤采用微波炉进行面包的烘烤，可以达到以下效率用正常面筋蛋白质含量的面粉，可使烘烤后的面包膨胀率提高50%左右；用低筋粉，也可烘烤出高质量的面包采用微波-热空气组合烘炉，可使面包生产工艺的醒发和烘烤同在一个烘炉内完成，从而节省工艺设备的投资和厂房面积等。第42页，共106页。花生微波烘烤设备第43页，共106页。 微波辅助萃取（Microwave Assisted Extraction，MAE)物质中的极性分子在微波的作用下迅速活化，分子间大量的碰撞导致物质在短时间内迅速升温。不同的物质的介电常数不相同。在微波场中，萃取体系中各种物

17、质被选择性的加热。被加热的物质的某些物理性质发生改变，变得容易进入到介电常数小到萃取溶剂中。 微波产生的场加速萃取溶剂界面的扩散速率，使溶剂和被萃取物质充分的接触 。极性溶剂能更好的吸收微波，提高溶剂的活性，所以在微波辅助萃取中一般选用极性溶剂更有利。 第44页，共106页。MAE的特点及影响因素快只需要几分钟就可以达到传统方法加热多个小时才能达到的萃取效果多麻黄碱的提取率由常规煎煮法的0.183%提高到0.485% ，板蓝根多糖的实验中，提取率由原来的0.81%提高到3.47% 第45页，共106页。MAE的特点及影响因素萃取溶剂对萃取结果的影响是至关重要的。萃取溶剂的选择指标只要是和目标物

18、质的相似相溶性，和对萃取成分的后续操作干扰少 萃取溶剂可以是一元体系(极性溶剂)，也可以是二元体系(非极性溶剂加机型溶剂)，甚至可以是多元体系 萃取时间一般定在10-15分钟内 微波剂量 必须谨慎控制，辐射时间过长会导致系统温度升得很高，甚至超过萃取溶剂的沸点，影响提取率 第46页，共106页。MAE的应用第47页，共106页。食用色素MAE的应用第48页，共106页。 微波用于食品物料的去壳去皮传统脱皮法：高温烘烤法、湿法脱皮、酸碱法脱皮、过氧化氢脱皮等；微波用于花生去皮，速度快，能耗低、效率高，可大大降低花生仁油脂的酸败程度第49页，共106页。五、微波的安全使用与防护微波对人体的影响微波

19、辐射的安全标准及安全技术措施第50页，共106页。微波对生物体的主要效应频率/MHz波长/cm受影响的主要组织主要的生物效应200透过人体，影响不大150100020030体内器官由于体内组织过热，引起各器官损伤100030003010眼睛水晶体，睾丸组织的加热显著，特别是眼睛的水晶体300010000103眼睛水晶体，表皮肤有皮肤加热的感觉100003皮肤表皮反射，部分吸收微波而发热第51页，共106页。微波辐射的安全标准及安全技术措施标准措施1.批量系统：抗流系统、在炉门设置互锁装置。2.连续生产系统：封闭型屏蔽、遥控、抗流系统。第52页，共106页。思 考 题微波加热具有哪些特点？简述微

20、波加热机理为什么微波加热具有选择性？试述影响微波加热的因素有哪些？第53页，共106页。第二节高压技术高压杀菌，即将食品以某种方式包装后，置于高压（100600MPa）装置中加压处理，以达到杀菌要求。 第54页，共106页。高压杀菌基本原理 当微生物经高压处理后，微生物形态结构，生物化学反应，基因机制及细胞壁膜发生多方面变化，微生物原有生理活动机能，原有功能破坏，微生物发生不可逆变化，最终导致微生物死亡，使食品得以长期保存 第55页，共106页。一、高压杀菌的基本原理高压和微生物 高压引发的生物化学反应 高压和酶促反应 第56页，共106页。高压与微生物 高压条件下，微生物形态变成纤丝，停止运

21、动；微生物细胞中，细胞膜被破坏；细胞壁发生机械断裂而松懈；DNA核酸更稳定；蛋白质变性。一般细菌生长条件均为2030MPa；耐压微生物生长为4050MPa，可以在50200MPa下存活，但不能生长。可以在150MPa生长的微生物称为宽压微生物。 第57页，共106页。高压引发的生物化学反应 高压减小有效分子空间和加速键间反应。高压导致蛋白质电离去质子化，破坏离子键和疏水键，改变蛋白质分子构象和结构。蛋白质结构改变随蛋白质结构、压力的范围、pH和溶剂成分变化而变化。加压有利于促进反应向减小体积的方向进行，推迟了增大体积的化学反应。许多生化反应，都会产生体积上改变，所以加压将对生物学过程影响。 第

22、58页，共106页。高压和酶促反应 一般100300 MPa，蛋白质变性可逆，如果压力300 MPa，蛋白质变性不可逆。酶失活机制，分子内部结构改变，活性部位构象变化。不同酶经高压处理引起酶的反应速率和专一性的明显变化，可用于水解混合蛋白质的过程中，高压酶反应可用于选择性地水解一种蛋白质。第59页，共106页。二、高压技术在食品加工中的应用改善肉的嫩度，色泽，成熟度 处理果汁 杀灭果酱微生物处理水产品高压处理腌制品第60页，共106页。三、高压处理设备 高压容器加压装置辅助装置高压泵系统恒温装置测量仪器物料输入输出装置第61页，共106页。四、高压处理设备分类按加压方式分类 直接加压式 间接加

23、压式按高压容器的放置位置分类 立式 卧式按生产操作方式分类 间歇式 连续式 半连续式第62页，共106页。第63页，共106页。第三节脉冲技术 脉冲 一个物理量在短持续时间内突变后迅速回到其初始状态的过程。学术上把脉冲定义为：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量称之为脉冲。 电脉冲 是电子产生的一个脉冲，脉冲就是在很短时间内变一次电压的过程。第64页，共106页。 将食品物料置于脉冲电场中加以处理，以达到杀菌目的即脉冲杀菌。脉冲导致微生物形态结构、生物化学反应以及细胞壁膜发生多方面变化，从而影响微生物原有的生理活动机能，使其破坏或发生不可逆变化。 第65页，共106页。一、影响脉冲杀

24、灭微生物的因素 电场强度 脉冲持续时间 脉冲形状 介质温度 微生物生长期 介质离子强度 第66页，共106页。电场强度 当电场强度超过临界强度，微生物的致死率明显提高。致死率随电场强度的提高、时间的延长而增加。s存活率 tc 临界电场强度下 的处理时间t处理时间E电场强度Ec临界电场强度k回归系数第67页，共106页。作用时间 作用时间是脉冲数目和脉冲持续时间的乘积。增加作用时间意味着或增加脉冲数目或增加脉冲持续时间。增加脉冲的持续时间将使处理系统的温度大幅度上升，因此脉冲的持续时间只可以增加到能够使系统接受的定值。第68页，共106页。脉冲的形状 指数、矩形波和摆形。脉冲有单极性和双极性两种

25、。各种脉冲杀菌的有效性递减依次如下：矩形波，指数，摆形。双极性脉冲的致死作用大于单极性电波。双极性脉冲不会形成带电粒子的沉积。 第69页，共106页。第70页，共106页。微生物生长期和介质温度 对数期的细胞比静止期的细胞对电场更具敏感性。脉冲的杀菌作用随介质的温度上升而增加 第71页，共106页。离子强度 以大肠杆菌为例：脉冲的杀菌作用随介质的离子强度的下降而增加，随pH的下降稍有增加，介质中氧的存在与否对杀菌作用没有影响。介质中Na+,K+,不影响杀菌效果，而二价离子Mg2+,Ca2+，对脉冲杀菌具有一定的保护作用 第72页，共106页。三、脉冲技术的应用 脉冲技术目前还处理研究阶段，实验

26、证明这一技术可以在灭菌的同时较好地保持食品原有的色香味及营养成分。 第73页，共106页。四、脉冲杀菌技术设备 电源电容器开关处理室电压和电流以及温度控制仪表无菌包装设备 第74页，共106页。第75页，共106页。第四节、欧姆加热技术 欧姆加热是利用电极将50-60Hz的低频交流电流直接导入食品，由食品本身介质性质所产生的热量而达到直接加热的目的。第76页，共106页。欧姆加热的原理食品物料对欧姆加热的影响欧姆加热在食品体系中的应用欧姆加热的设备第77页，共106页。一、欧姆加热的原理欧姆加热是利用食品物料的电导特性加工食品。当电流通过食品时，因食品自身的导电性及不良导体产生电阻抗特性，在食

27、品内部将电能转化成热能，使食品温度升高。第78页，共106页。优点加热速度快（12/s），加热时间短直接均匀加热，产品品质高物料温度的变化影响因素物料电化学性质物料的密度物料比热容物料的热导率第79页，共106页。二、食品物料对欧姆加热的影响颗粒的大小、形状、密度、含量D2.5cm，有一定柔性，多种形状含量在20%70%，液体的黏度电导率电导率不能过小第80页，共106页。三、欧姆加热在食品体系中的应用加热制造食品辅助蒸发和干燥辅助烫漂辅助解冻辅助提取第81页，共106页。四、欧姆加热的设备第82页，共106页。第五节、超声波技术 超声波为频率高于20kHz以上的有弹性的机械振荡，由于其超出人

28、的听觉上限，称之为超声波。目前常用的超声波分为两类： 频率高，能量低，诊断超声波（MHz） 频率低，能量高，功率超声波（kHz） 第83页，共106页。一、超声波对于食品作用的基本原理超声波的发生机械装置产生谐振，2030kHz 磁性材料有磁致伸缩现象，电声转换器，数千赫100kHz压电或电致伸缩效应的材料，加高频电压，100MHz GHz第84页，共106页。超声波作用机制热机制机械机制空化机制为超声化学的主动力超声波设备频率必须在2.5MHz以下，食品加工中所使用的超声波频率在20kHz1MHz第85页，共106页。二、超声波对微生物和酶的作用超声波杀菌作用主要是空化所致。用于杀菌的超声波

29、频率为2050KHz影响超声波杀菌的因素声强、频率振幅、杀菌时间样品菌浓度及处理量微生物种类其他第86页，共106页。超声波对于酶的作用适宜的超声波处理可以提高酶促反应的速度改变处理条件，则可钝化酶活力第87页，共106页。三、超声波其他作用均质和乳化辅助提取干燥分析检测清洗控制结晶消泡第88页，共106页。四、超声波实验和工业设备实验室设备第89页，共106页。食品加工工业化设备第90页，共106页。第六节其他技术 磁场技术 光脉冲技术 紫外辐射技术综合技术 第91页，共106页。一、磁场技术 磁体在一个区域内磁化周围粒子，该区域称为磁场 一般来说，磁场影响微生物迁移的方向，干扰微生物的生长

30、和再生，增加DNA的合成，改变生物分子和生物膜的取向，改变细胞膜上的离子移动，影响微生物的再生速率 第92页，共106页。杀灭微生物的磁通密度为5-50T磁场影响微生物原生质在细胞内的流动。振荡磁场产生杀灭细胞的作用，非均匀磁场使微生物发芽受到抑制。磁场对于酶的作用还未得到确定结论第93页，共106页。磁场技术在食品发酵后灭菌具有应用的价值应用磁场技术保藏的食品需要具有10-25cm以上的电阻率。 磁场对于水具有明显的杀菌作用 第94页，共106页。磁场保藏食品优点 磁场保藏前不需要特殊处理食品 食品安全性高，易于操作。食品营养成分和感官品质改变最小能源消耗低。使用塑料袋包装食品加工后污染第9