食品高新技术5-第五讲-微波加热技术与食品工业

MicrowaveFoodProce

微波加热技术与食品工业一、开展历程1946年，美国雷声公司〔RaytheonCorporation〕波西·斯潘塞博士〔Dr.PercySpencer〕在雷达试验中测试一个新的真空管时，偶然发现口袋里的糖果因泄露的微波作用而发热融化。Dr.PercySpencerheplacedsomepopcornkernelsnearthetube.thepopcornsputtered,crackedandpoppedalloverhislab.putthemagnetrontubenearanegg.theeggbegantotremorandquake.theeggexplodedandsplatteredhotyokealloverhisface.themeltedcandybar,thepopcorn,andtheexplodingegg,wereallattributabletoexposuretolow-densitymicrowaveenergy.Dr.percySpencer申请的第一个微波能用于食品加工的专利。In1947,thefirstcommercialmicrowaveovenhitthemarket.calledita"Radarange"

〔一〕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＝109Hz二、微波的性质与加热机理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那么有915MHz(美国用896MHz)和2450MHz两种。〔二〕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)。

微波加工的三个根本特征图2水分子的极性图3微波加热机理示意图1、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)tanδ：电介质的有效损耗正切(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〔三〕微波加热的特性电介质介电常数(ε)导电率(tanδ)损耗因数(ε·tanδ)水(3000MHz)770.1511.55冰(-12℃，3000MHz)3.20.00095

0.00304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)3

0.03

0.09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2.30.0005

0.00115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害处：好处：1.加热效率高，节约能源，易控制。2.可用于较枯燥的谷物杀灭害虫。害处：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：了解被加热物体的电容特性；按照半衰深度的大小，将食品进行分割；改进容器，克服棱角效应；流体食品可结合搅拌方法；可结合远红外、热风加热等方式。2、穿透性假设P0为电介质外表的入射电场，P为某一穿透深度D时的电场，那么有如下关系存在：

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。P＝P0e-2αD

被加热物体名称温度915MHz2450MHz

(℃)半衰深度(cm)半衰深度(cm)

-12.01500780水14.56.60.9

55.016.32.3

95.029.54.8

-51.170.018.2牛肉-17.79.87.6

4.51.1246.0冷冻干燥的牛肉-60.0550.0190.0

-17.7180.064.0表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害处好处：实现包装后食品的短时杀菌。加热时间短，枯燥速度快，而且对有些食品还能起到特有的膨化效果。快速解冻。害处：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。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：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，都会引起食品各局部温度上升的差异。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，使被加热物体各局部产生的热能产生较大的差异。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，某些局部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〕。3、加热不均匀性的原因及克服产生原因：

为了克服微波穿透性带来的加热不均匀，主要有以下方法：使微波从各个方向照射被加热物体；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；微波炉炉壁和炉底采用可反射微波的材料；被加热物体的厚度应在半衰深度的2倍左右。克服方法：〔四〕微波处理对食品营养成分的影响(1)对蛋白质的影响

微波处理对牛奶中蛋白质的影响并不大，对酱油中的氨基酸液无破坏分解作用，而且适当的微波处理还能提高大豆蛋白的营养价值。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微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化(2)对食品中脂肪的影响适当的微波处理不会破坏脂肪酸的营养价值。但处理时间过长或强度太高，可能引起脂肪酸的过氧化反响。大豆经微波处理后，其总脂含量明显增加，15种甘油三酯分子均未受到破坏，大豆脂肪酸组成在数量和质量上也无显著变化。(3)对食品中碳水化合物的影响

食品中的碳水化合物在微波环境中会发生一系列的反响，如美拉得反响、糖的焦化等。微波处理的甘薯中乙醇溶性的碳水化合物总含量、复原糖类及糊精含量均比对流炉处理的甘薯少，而淀粉含量那么恰好相反。(4)对食品中维生素的影响由于微波加热的时间短而效率高，有利于最大限度的保存食品中的维生素，尤其对于热敏性维生素的保存。1、维生素C用微波对不同的维生素进行热处理，维生素C的含量几乎不受影响。蔬菜无水微波烹调与传统方法的比较说明，无水微波烹调更有利于维生素的保存；微波处理时间的长短对维生素的保存有较大影响。因此，在进行微波加热时应严格控制加热时间，保证维生素有最大的保存率。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微波炉与传统烹调对Vc的破坏情况2、维生素B1和B6

维生素B1和B6同属于B族维生素中的热敏性维生素，在传统的食品加工过程中很容易受到破坏。利用微波烘烤的食品中，维生素B1和B6能很好的保存。3、维生素E适宜的微波加热能保存大豆种子中的90％的维生素E，明显优于传统加工方法。随着微波加热时间的延长，植物油中维生素E的含量下降，其下降幅度随脂肪酸的种类不同而不同。微波过度加热可使油发生水解作用，使游离脂肪酸含量增大，其容易发生过氧化反响，生成自由基，引起维生素E降解，从而导致维生素E的损耗增加。游离脂肪酸越多，碳链越短，不饱和程度越高，那么维生素E的损耗量越大。另外，微波作用会导致维生素E的抗氧化活性降低。主要由于微波导致植物油中饱和脂肪酸的降解及不饱和脂肪酸氧化，从而油脂中自由基和过氧化物增多，易与维生素E发生反响，使其失去抗氧化功能。三、微波加热在食品工业中的应用〔一〕采用微波加热技术的优缺点优点：加热、枯燥速度快，所需时间短；加热效率高；加热过程具有自动平衡性；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；对营养成分破坏小缺点：

微波加热最主要的缺点是电能消耗大。微波加热的自动平衡性当微波频率和电场强度一定时，物料在加热或枯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，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局部，防止了已干物质的过热现象，具有自动平衡的性能。〔二〕微波技术在食品工业中的应用及开展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，50~80kW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

中试用微波真空枯燥机3、用于食品物料的枯燥(包括真空、冷冻枯燥)微波加热可用于诸如通心粉、谷物、水果、海藻类食品等枯燥。中试用微波冷冻枯燥机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＋＋＋＋＋＋＋－－－

微波对纯菌肉汤的致死试验

4、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。5、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℃。6、用于食品物料的去壳去皮美国曾有公司利用一台150kW，915MHz的微波枯燥设备枯燥大豆并去壳，该设备生产能力可达6m3·h-1，把大豆水分枯燥至2%以下。瑞典已有30kW，2450MHz，用于土豆去皮的微波设备，每次把4kg土豆的温度从50℃加热到85℃并去皮，生产速率为600kg·h-1，产品在8℃下可保存6周。7、微波用于动物油脂的熬制国外已有30kW，2450MHz的微波处理设备用于熬制动物油脂。8、微波用于酒类的陈化微波催陈酒类技术是我国科技工作者在微波技术应用与食品工业方面的首创。目前不仅有大功率(5kW)的，也有中等功率(800W)的老熟设备。节省存坛厂房或仓库面积和设备减少存坛期的挥发损失9、其他微波技术还可用于包装封口、榨油(油脂提取)、速冻食品的加热、鱼饲料的加工、膨化食品的生产、食品水分的测定等。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)