《食品技术原理》教案-第五章 物理技术处理食品的新进展

第一节微波技术一、微波技术概论1、微波概念微波是指波长在1mm～1m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。前者微波穿透深度大。2、微波加热特点：加热速度快微波加热是利用被加热物体本身作为发热体而进行内部加热，不靠热传导的作用，因此可以物体内部温度迅速提高，所需加热时间短。一般只需常规方法的十分之一到百分之一的时间就可完成整个加热过程加热均匀性好微波加热是内部加热，而且往往具有自动平衡的性能，所以与外部加热相比较，容易达到均匀加热的目的，避免了表面硬化及不均匀等现象的发生。加热易于瞬时控制微波加热的热惯性小，可以立即发热和升温，易于控制，有利于配备自动化流水线。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产品质量的提高加热效率高微波加热设备虽然在电源部分及电子本身要消耗一部分能量，但由于加热作用始自加工物料本身，基本上不辐射散热，所以热效率可高达80%。3、微波加热原理微波加热不同于其它加热方法，一般加热由表及里，微波直接加热物体内部，被加热介质为偶极子（一端带正电，一端带负电分子）组成。无电场作用时，这些偶极子介质作无规则运动。有电场时，介质中偶极子呈有序排列。直流电场中，偶极子带正电一侧朝向负极。有电场时，偶极子排列规则，即外加电场给予介质中偶极子以一定“位能”，介质分子的极化越剧烈，介质常数越大，介质中贮存能量越多。频繁改变电场方向，偶极子亦做迅速摆动。由于分子的热运动和相邻分子间相互作用，偶极子摆动便受到干扰和阻碍，产生类似磨擦的作用，使分子获得能量，并以热形式表现出来，表现为介质温度升高。物料在微波场中产生热量的多少与外加电场及物质种类特性有关。外加电场变化越快，产生热量越多，外加电场越强，产生热量也越多。即高频率及高电场强度产生热量多。4、微波对介质穿透作用介质指被加工的物料。当物料接触微波时可能会吸收、穿透及反射。含水和脂肪食品，可吸收微波产生热量。食品吸收微波后，微波的场强和功率衰减，衰减状态决定微波对介质穿透能力。穿透深度表示物料对微波衰减能力大小，其定义为：微波功率从物料表面值减至表面值1/e（36.8%）时的距离。Deλ微波波长，介电常数，tanδ,介质损耗角正切微波功率从物料表面值衰减到表面值1/2时距离。半功率穿透深度D1/2由此可知，微波穿透能力与波长有关。波长越长，穿透力越强。由于一般物料≈1，微波穿透深度与使用的波长是同一数量级。与红外线和远红外线加热相比，微波穿透能力强。穿透深度与温度的关系微波的穿透深度也与物质的温度有关。对水而言，穿透深度随温度升高而增加，廋肉的情况则正好相反。5、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，物料介电强度，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。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。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。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。物料进行微波加热时，随着加热进行，物料水分含量降低，物料介电常数及介质损耗下降，升温也越慢，就出现了自动平衡。微波加热的这种自动平衡作用使物料加热更均匀，同时也避免出现过热的缺陷。但有些物料在加热时，温度上升，其介质损耗系数也升高，就出现恶性循环。冰的介电常数及介质损耗系数均比水小，微波在加热冷冻食品时，如不把融化的水随时排走，则有可能能量主要被水吸收，而冰得不到加热。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。介电常数与频率的关系不是很大，但在高频时的介质损耗系数要比在915MHz时的小许多。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，介电常数以近似线性关系趋于增加。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（不同的介电常数，和介质损耗角正切），有不同的吸收微波功率的能力。因此，在多组分仪器的微波加热研究中，应该很好发对比热容加以控制，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的关，盐含量增加，加热速度便加快，穿透深度便减小。影响微波加热的因素非常复杂，实际工作中应审慎考虑选择和掌握各项控制条件。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。为了提高介质吸收功率，可提高电场强度（E），电场强度不能提高太多，否则，会将电极之间击穿。微波能量通过物料时被吸收，并转变为热能，其升温可用下式表示：，即单位体积物料温度升高与物料的吸收功率成正比，与物料密度，比热容成反比。二、微波加热工艺的计算加热物料的微波功率P－耗用微波功率，ΔT－物料温升，c－物料比热容，m－物料质量，t－微波作用时间物料干燥微波功率Q－液体蒸发潜热/汽化潜热，m’－蒸发的液体量电源总功率的估算P，－需选用微波加热器的功率容量，P－计算得到微波功率η－微波加热效率，一般0.5～0.8计算得到的P值是在理想状态所需功率，实际上在微波加热器内微波功率不可能全被物料吸收，分三部分，一部分物料吸收，一部分微波加热器本身所消耗，另一部分在波导管内因反射而损失，所以选择微波加热器功率容量时，要适当加大。三、微波加热设备一般由电源，微波管（微波发生器），波导管（连接波导），微波加热器及冷却系统组成。1、微波加热器分类按被加热物和微波场的作用形式可分为驻波场谐振腔加热器，行波场波导加热器，辐射型加热器，慢波型加热器。可根据结构分为箱式，隧道式，平板式，曲波导式和直波导式箱式微波加热器，驻波场谐振腔加热器特点：微波利用率高，泄漏少，较安全，适宜块状物体加工，快速加热，烹调，消毒隧道式加热器，连续式谐振腔加热器特点：实现连续加热，有防微波泄漏装置，用于木材干燥，奶糕，茶叶加工波导型微波加热器，行波场波导加热器波导一端输入波导，在另一端吸收剩余能量（水负载），使微波在波导内无反射传输，构成行波场。有以下几种形式：开槽波导加热器，蛇形波导加热器，曲折波导加热器，V型波导加热器，直波导加热器辐射型波导加热器产生的微波通过一定转换装置，再经辐射器向外辐射的一种加热器特点：加热简单，易实现连续加热，设计制造也比较方便慢波型微波加热器（表面波加热器）微波沿导体表面传输加热器，微波传送速度比空间慢特点：加热效率高，因为能量集中在电路里很狭区域传送，电场相对集中。微波真空干燥箱微波加热和真空干燥相结合，其特点是干燥速度快。四、微波加热在食品加工中的应用烹调食品，干燥，解冻，杀菌，灭酶，焙烤，烘烤，膨化食品五、微波食品的包装材料根据功能分三类，能被微波穿透的材料，能吸收微波能的材料，能反射微波的材料主要材料有聚酯复合材料，镀铝，微波感受膜，玻璃容器，涂塑硬纸材料。外包装材料要求具有一定耐冻性，耐冲击性。如：尼龙/油墨/接着层/低密度聚乙烯，聚酯膜/油膜/接着层/线性低密度聚乙烯，聚丙烯膜/油墨/接着层/线性低密度聚乙烯内包装材料要求耐低温，耐高温。具有内容物的保存性，微波穿透性、隔热性、环保性和成本低。如：结晶化聚酯容器，纸加工容器，聚丙烯容器，聚甲基戊烯，热硬化聚酯板，聚砚，聚酯亚胺。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（100～600MPa）装置中加压处理，以达到杀菌要求。高压杀菌基本原理即，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一、高压杀菌的基本原理1、高压和微生物一般细菌生长条件均为20～30MPa；耐压微生物生长为40～50MPa，可以在50～200MPa下存活，但不能生长。可以在1～50MPa生长的微生物称为宽压微生物。高压条件下，微生物形态变成纤丝，停止运动。高压条件下，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。压力低时可恢复，如果压力过高不能恢复。高压条件下，微生物活力一般降低，其生长和生殖速率会降低，压力特高，微生物可能死亡。高压条件下，对芽孢作用。低压引起发芽，提高细胞热敏感性，但发芽芽孢不能杀灭。中压引起发芽，但杀灭大量发芽芽孢，高压条件下只有少量发芽，芽孢被杀灭。高压杀灭芽孢主要受温度影响，杀灭芽孢温度因压力而异。中性pH值最有利于杀灭芽孢，极端pH范围内效果最差。中性pH最有利于压力引发芽孢发芽。无机盐催化发芽，H+>K+>Mn2+>Ca2+>Mg2+>Na+.盐，糖对芽孢有保护作用，丙氨酸、核糖为发芽促进剂。变动高压处理/脉冲高压处理优于连续高压处理。影响高压杀菌因素有pH，温度，微生物生长阶段，食品成分，水分活度有关。高压处理时，介质pH改变，缩小微生物生长的pH范围温度协同高压作用，低温或高温时，高压对微生物影响加剧。微生物生长期，对数早期对压力更敏感。在微生物最适生长温度范围进行高压杀菌可提高杀菌效果。食品成分：糖、盐、蛋白质、油脂对微生物有保护作用。如果食品中存在脂肪酸酯，糖脂及乙醇可以提高杀菌效果。水分活度：水分活度越高，杀菌效果越明显。Aw>0.96效果好，Aw<0.94效果差，Aw<0.91无效果。2、高压引发的生物化学反应（表现在反应物发生体积增减变化上）。P≤200MPa解离，P＞300MPa，蛋白质变性。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。其机理可能是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。压力小于100MPa时，疏水交互反应导致容积增大，以致反应中断。压力大于100MPa时，疏水交互反应将伴随容积减小，使反应稳定。3、高压和酶促反应一般100～300MPa，蛋白质变性可逆，如果压力≥300MPa，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。二、高压技术在食品加工中的应用高压处理可以改善肉的嫩度，色泽，成熟度；用于处理果汁，果汁无热加工产品苦味，保存期延长，营养损失少；用于果酱可以杀灭微生物，简化生产工艺，提高品质；水产品经高压处理后，风味保持良好；腌制品经高压处理可以保持原有的生鲜特色，不需要用过高的盐和防腐剂。高压有杀菌作用，可以较好保持食品原有的色、香、味及营养成分。原因，高压可以导致蛋白质凝固（100～600MPa），淀粉变性（400～600MPa），油脂固化（100～200MPa），对风味物质、维生素及各种小分子物质天然结构几乎无影响。三、高压处理设备在食品加工中采用高压处理技术，关键是要有安全、卫生、操作方便的装置。食品工业要求高压装置能够耐受400MPa以上的高压，并能可靠地100000应用次/年。高压处理装置主要由高压容器、加压装置及其辅助装置（高压泵系，恒温装置，测量仪器，物料输入输出装置）构成。高压设备按加压方式可以分为直接加压式和间接加压式按高压容器放置位置可以分为立式和卧式两种按生产方式分为间歇式、半连续式、连续式三种。第三节脉冲技术一、原理脉冲杀菌：将食品物料置于脉冲电场中加以处理，以达到杀菌目的。原理：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。1、脉冲杀菌的生物学效应脉冲处理食品时，氯化物溶液常用作介质。处理时，阴极氯离子氧化产生游离的活性氯，活性氯继而与水反应生成盐酸，增强杀菌效果。实验结果表明，较高的电场强度比较多的脉冲数目更加有效。与传统的蒸气杀菌相比，脉冲处理的杀菌效率高，处理时间短，液体食品中营养成分的热变性可以降低到最低程度。经脉冲处理后大肠杆菌的原生质膜收缩，脱离了外层膜，细胞膜的收缩表明其丧失了半透性。破坏了处理样品的细胞组织。脉冲引起红细胞溶解，细胞膜保持完整，但是其失去了半透性。脉冲对微生物的主要影响是在细胞膜上形成体积有限的液状孔隙。孔隙的大小与电场强度、脉冲时间和介质的离子强度有关。电场强度高，脉冲时间长，介质离子强度低，可以形成大孔隙。如果电场强度远大于昨晚强度，脉冲时间超过10ms，细胞膜就会出现机械性破裂，大片的细胞膜受到操作并脱离细胞。脉冲技术可以杀灭微物物的营养细胞，但是芽孢对脉冲有耐受力。脉冲可以钝化某些酶活性。2、影响脉冲杀灭微生物的因素一般地说，影响脉冲杀菌的主要因素有电场强度，脉冲数目，脉冲持续时间，脉冲形状，介质温度，微生物生长期和介质离子强度。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。脉冲的形状包括指数、矩形波和摆形。脉冲有单极性和双极性两种。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。脉冲的杀菌效果与微生物生长期和介质温度有密切关系。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。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。3、脉冲技术的应用脉冲技术目前还处理研究阶段，实验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。4、脉冲杀菌技术设备脉冲处理装置主要有电源、电容器、开关、处理室、电压和电流以及温度控制仪表、无菌包装设备等。第四节其他技术一、磁场技术一般来说，磁场影响微生物迁移的方向，干扰微生物的生长和再生，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。磁体在一个区域内磁化周围粒子，该区域称为磁场。磁通量密度的国际制单位为特/斯拉。磁场分为静止磁场和振荡磁场。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。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10-25Ω·cm以上的电阻率。磁场保藏前不需要特殊处理食品。频率高于500kHz的磁场杀菌效果不好，而且有加热食品的倾向。磁场对于水具有明显的杀菌作用。磁场保藏食品具有如下优点：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二、光脉冲技术光脉冲技术可用于包装材料和加工设备的表面，食品加工和医疗设备的表面杀菌。一般无菌加工中使用的包装材料用过氧化氢消毒，残留的过氧化氢对人体有害，应用光脉冲技术可以减少或取消化学消毒剂或防腐剂的应用。紫外和近红外区域波长的光谱符合消毒杀菌的要求，食品或包装材料的表面单个光脉冲的能量必须在0.01～50J/cm2,70%能量分布在170～2600nm之间，才有杀菌作用。持续时间短（1μs～0.1s）的宽