食品微波杀菌技术的研究及其应用现状

近年来,微波杀菌技术已越来越广泛地应用于食品工业之中。杀菌是食品加工的一个重要操作单元,目前使用最多的杀菌方法是热力杀菌。传统热力杀菌热量由食品表面向中心传递,其传递速率取决于食品的传热特性,因此造成食品表层与中心的温差与杀菌的时间差,延长了食品整体杀菌所需的总时间。其次,单纯依靠热力的作用,增加了对食品中的耐热性较强的芽孢杆菌的杀灭难度。另外,食品的初温、原料形状大小、黏度及包装均对热力杀菌总时间有影响,尤其是传导传热型食品初温的影响最为明显。因此,传统的热杀菌方法杀菌时间长、热量消耗大,对于热敏性物料来说,营养成分和风味损失大。微波杀菌时,食品本身成为加热体,食品内外同时升温,不需要利用传热介质的传导和对流传热。因此,相对热力杀菌来说,微波杀菌具有杀菌时间短、升温速度快、能耗少、杀菌均匀、食品营养成分和风味物质破坏和损失少等特点;与化学方法杀菌相比,微波杀菌无化学物质残留而使安全性大大提高。因此,食品的微波杀菌技术已被越来越多的食品生产厂家所采用。

一、微波杀菌机理

微波是一种频率300MHz～300GHz、波长0.001～1m的电磁波。目前,工业上有915MHz和2450MHz两个频率被广泛应用。微波与生物体的相互作用是一个极其复杂的过程,是生物体受到微波辐射后所产生的综合生物效应的结果。对于微波杀菌机理,目前存在热效应与非热效应两种观点。

1.热效应

关于微波杀菌的机理,20世纪四五十年代普遍认为只有致热效应。热效应理论认为,微波具有高频特性,当它穿透介质时,水、蛋白质、核酸等极性分子受交变电场的作用而取向运动,相互摩擦产生热量,从而导致温度升高,使微生物内的蛋白质、核酸等分子结构改性或失活,从而杀灭微生物。

2.非热效应

许多研究表明,微波与一般加热灭菌方法相比,在一定温度下细菌死亡时间缩短或在相同条件下灭菌致死温度降低,这个事实无法仅用热致死理论来解释。人们对此展开一系列研究,出现了不同类型的非热效应解释模型,主要有细胞膜离子通道模型和蛋白质变性模型等。前者认为微波对细菌的生物反应是微波电场改变细胞膜断面的电子分布,影响细胞膜周围电子和离子浓度,从而改变细胞膜的通透性能,细菌因此不能正常代谢,细菌结构功能紊乱,生长发育受到抑制而死去。后者认为,微生物中的蛋白质、核酸物质和水等极性分子在高频率、强电场的微波场中随着微波极性的改变而引起蛋白质分子团的旋转或振动,使其蛋白质分子变性,从而达到杀菌目的。Dessel等在食品中接种细菌,然后用2450MHz微波杀菌。结果表明,微波杀菌所需的时间仅为传统加热方法的1/9-1/12。Olsen的研究证实微波辐射能在比传统加热方法低的温度下杀灭物料中的微生物,为生物效应的存在提供了有力论据。

3.微波杀菌特性

微波杀菌是微波的热效应和生物效应的共同结果,打破了常规加热杀菌以热力为唯一主宰力量的格局。因此,要求人们今后不仅应探讨微波杀菌的具体工艺参数,而且更应深入研究微波杀菌机理,使之形成成熟的理论体系。

二、的研究进展

微波能技术作为应用科学主要产生于20世纪40年代,并在之后的20年间,伴随着大功率磁控管的研制成功,英、美等国相继开发了多种类型的微波加热器,在微波能的应用上掀起了一场新的“能源革命行动”,微波能逐步应用于食品、医药等领域中。我国从20世纪70年代开始进行微波技术的研究,目前已在微波杀菌工艺与设备等方面取得了长足的进步。

1.微波杀菌工艺

(1)连续微波杀菌工艺。连续微波杀菌在国内外食品杀菌中已得到广泛研究,如根据食品的介电常数、含水量确定其杀菌时间、功率密度等工艺参数;对于食品物料的介电机理及在微波场中升温杀菌理论模型也有一定的研究。连续微波杀菌既可用于食品的巴氏杀菌,也可用于高温短时杀菌。目前已进行的应用和研究对象包括液态食品如啤酒、乳制品、果蔬汁饮料、酱油、黄酒等,此外还有畜禽制品、果蔬制品、粮油制品、水产品、功能食品等。

(2)微波杀菌与常规热力杀菌结合的杀菌工艺。微波杀菌与常规热力杀菌相结合可以充分发挥两种杀菌方式的优点,缩短常规热力杀菌时间,同时也可以避免有些成分复杂、水分含量不均匀的食品在微波杀菌时的加热不均匀。操作时,可以先微波加热到一定温度,再用常规方法加热杀菌;也可以先以常规方法加热,再用微波杀菌。

(3)脉冲微波杀菌工艺。传统微波杀菌主要是利用微波的热效应,而使用脉冲微波杀菌主要利用非热效应。近10年来,人们把目标集中于研究连续电磁波产生的非热效应上,脉冲微波的非热效应是生物电磁学一个最新的研究领域。目前的研究普遍认为,电磁脉冲对细胞的作用主要集中在细胞膜上。目前实现脉冲微波杀菌有两条途径:第一条途径是采用瞬时高压脉冲微波能量而平均功率很低的脉冲微波杀菌技术。将这样的微波能量加到被处理的物料上,使物料在极短时间内受到高能量的微波照射,使细菌等微生物在极高的电磁场作用下失去生存能力从而达到杀菌的目的。第二条途径是不采用高功率脉冲微波,而是将原有相对而言幅度较低的连续波微波功率,周期性地切断,处于毫秒级持续时间和毫秒级停断时间。细菌的肌体受到周期性的、连续的作用,如果该周期和细菌存在的振荡周期一致,就可能造成谐振状态,导致细菌的细胞膜振破,将细菌致死,而达到杀菌效果。

(4)多次快速加热和冷却的微波杀菌工艺。多次快速加热和冷却的微波杀菌工艺适合于对温度敏感的液体食品杀菌,如饮料、米酒的杀菌保鲜。其目的是快速地改变微生物的生态环境温度,并且多次进行微波辐照杀菌,从而避免让物料较长时间连续性地处于高温状态,为保持物料的色香味及其营养成分提供有利条件。

进行快速加热和冷却的微波杀菌操作时,被处理液料在低耗介质导管内流动,当物料进入微波区域时被加热,当达到冷却器区域中又被急剧冷却。介质导管连续经过微波区域和冷却器,因此,管中物料多次交替改变其温度。物料受微波辐照的总时间取决于通过微波区域的次数和流速。

2.工业微波杀菌装置

(1)箱式间歇微波杀菌装置。市售微波炉是箱式间歇微波杀菌装置的典型代表。其基本结构主要由腔体、微波系统、转盘、搅拌器炉门、观察窗、排湿孔等组成。在间歇式杀菌中,为使微波炉内磁场分布均匀,在设计时,大多数微波炉采用叶片状反射板(搅拌器)旋转或转盘装载杀菌物料回转的方法。因为是密闭的方式,微波炉比较容易防止微波泄漏和进行压力控制,因此应用于高温杀菌也是可能的。另外,也可以设计成与蒸汽并用以及旋转照射的方式。但是,装置在大型化方面有照射距离的问题,技术难度大,每次加工的产品数量受到一定的限制,因此,此装置在生产中还不太适用。

(2)遂道式微波杀菌装置。在大批量产品进行连续式微波杀菌生产中,一般采用传送带式遂道微波装置。其主要由微波杀菌箱、微波源、能量输送波导、漏能抑制器、排湿装置、传输机构等组成。由于大多数设备的物料出入口为开放式结构,在此处要特别注意防止微波泄漏。有的设备采用安装闸门或吸收体的方法,但对于过大的物体有时不能完全排除泄漏的事故发生。

(3)加压式微波杀菌装置。密封包装的食品一加热,内部的气体等会膨胀,因此常常难以进行充分的杀菌。为解决这一问题,人们研究出了加压状态下对包装食品进行微波加热杀菌的方法。杀菌室中控制微波输出功率,使产品温度保持稳定,并在杀菌必需的温度下保持一定时间,因此该装置可以防止密封容器被破坏。

(4)热水并用的加压输送式微波杀菌装置。该装置能用于密封包装后的食品的杀菌。为了控制微波加热不均匀问题,将包装食品置于充满热水的加热室中,热水和微波并用杀菌,这种方法可解决加热不均匀问题,但以热水为介质进行微波加热与直接微波加热法对比,存在热水吸收微波的问题。此外,该方法不适用与低温杀菌。

三、微波杀菌技术的应用现状

1.微波杀菌技术在果蔬制品中的应用

为了延长果蔬制品的贮藏期,通常采用热力杀菌的方法,但产品经过高温长时间热处理后,其风味和口感变差,特别是硬度和脆度降低。另外,传统果蔬加工中往往要用沸水热烫以杀死部分微生物和钝化酶,高温烫煮会使大量的可溶性营养物质流失。采用微波杀菌保鲜技术能有效解决这些问题。目前已有多种果蔬制品成功采用微波杀菌。例如,Lau M.H.等人研究了罐头加工中微波杀菌对芦笋质量的影响。结果表明,微波巴氏杀菌与传统热杀菌工艺比较,明显减少了芦笋因热引起的质量变化。魏善元对金针菇的杀菌保鲜试验表明,对每30g金针菇采用750W功率的微波照射90s,氨基酸和微量物质损失率仅为0.35%和1.14%。用微波对苏皖两地的苔菜进行微波杀菌,杀菌温度仅80℃左右。菌检化验显示,细菌数几乎为零,完全达到商业无菌效果,保鲜期可长达9个半月,而风味、脆度等各项口感指标均满足销售要求。

2.微波杀菌技术在液态食品中的应用

目前,国外已有关于微波牛奶消毒器的报道,可用2450MHz的微波在82.2℃左右处理一定时间,也可以采用微波高温瞬时杀菌工艺,即:200℃,0.13s。消毒奶的杂菌和大肠杆菌达到要求,且奶的稳定性也有所提高。也有对酱油制品进行微波杀菌的例子,在600W微波辐照下,一般约5min就能完全杀灭大肠菌群。当灭菌温度达60℃时已能显示灭菌效果。灭菌温度达75℃,处理时间为5min,在28℃环境下贮存2个月无霉变现象,而同样处理条件的传统加热灭菌的对照组,仅24小时就显露有霉菌生长情况。S.hjchakavit等将酵母菌和乳酸菌接种到苹果汁中,用2450MHz,700W的微波连续照射。温度为55℃时,酵母菌微波杀菌的D值为2.1,而热力杀菌的D值为25,乳酸菌的D值变化也类似,这表明微波能强化对微生物的破坏作用。

3.微波杀菌技术在肉制品中的应用

肉制品杀菌一般采用高温高压杀菌的方式,营养成份和风味物质损失大,且肉质易软烂。微波杀菌不仅速度快、效果好,还能较好地解决软包装肉制品的杀菌问题。国内外有许多微波在肉类杀菌中应用成功的例子,如冷藏牛肉、软包装酱牛肉、红肠、鸭丁、凤鹅、卤猪肝等等。

4.微波杀菌技术在粮油制品中的应用

蛋糕、面包等焙烤食品的保鲜期很短,其主要原因是常规加热过程中,制品内部的细菌没有被杀死,导致发霉。微波有很强的穿透力,能在烘烤的同时杀死细菌,使焙烤食品的保质期大大延长。瑞典卡洛里公司用2450MHz、80kw微波面包杀菌机,用于每小时生产1993kg的面包片生产线。经微波处理后,面包片温度由20℃上升到80℃,时间仅需1～2min,处理后的面包片保鲜期由3～4d延长到30～60d。另外,用微波设备对月饼、馅饼和带馅的糕点等厚实的食品杀菌,其保鲜期可达3～6月。研究表明,传统食品,如豆腐、腐竹、腐乳等,用微波杀菌均有良好效果。

如今,微波技术在食品、医疗和高科技领域内得到越来越广泛的应用。微波杀菌作为一种新兴科技,因其热效高、杀菌快速、效果好、便于控制、自动化程度高而日益受到重视。但是,在工业化生产中,其应用及推广较缓慢。究其原因,除了微波设备成本较高外,对微波杀菌技术的基础研究缺乏也是原因之一。今后微技术的研究需注重以下几个方面:研究和总结微波杀菌过程的科学规律,特别是非热杀菌机制;继续深入地研究脉冲微波杀菌工艺;积极探索微波杀菌与其他杀菌方法相结合的杀菌效果;研制规范化和系列化、实用性强的微波杀菌设备,以适应现代食品工业发展的要求;确定不同产品微波杀菌的具体工艺参数,扩大和加快微波技术的工业化进程。

虽然目前尚存在一些不足,但随着研究的进一步深化,食品的微波杀菌工艺也将逐渐得以改善。微波技术在食品工业中的应用涉及多学科的知识,只要各学科能加强合作、充分渗透,微波技术的应用必将拥有更加广阔的前景。

(作者单位:广东省肇庆市第二技工学校)