微波熱效應在食品工業中的應用

張晶晶

摘 要：微波作為一種新的加熱能源，在食品工業中的應用發展極為迅速。本文介紹了微波熱效應、微波加熱的原理和特點及微波萃取、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中的應用和發展。

關鍵詞：微波技術；熱效應；食品加工

1 微波及其熱效應

微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在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稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。

微波對生物體的熱效應是指由微波引起的生物組織或系統受熱而對生物體產生的生理影響。熱效應主要是生物體內有極分子在微波高頻電場的作用下反復快速取向轉動而摩擦生熱；體內離子在微波作用下振動也會將振動能量轉化為熱量；一般分子也會吸收微波能量后使熱運動能量增加。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節系統通過血循環將吸收的微波能量（熱量）散發至全身或體外。如果微波功率很強，生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發的能量，則引起該部位體溫升高。局部組織溫度升高將產生一系列生理反應，如使局部血管擴張，并通過熱調節系統使血循環加速，組織代謝增強，白細胞吞噬作用增強，促進病理產物的吸收和消散等。

2 微波加熱的原理和特點

材料介質由極性分子與非極性分子組成，在電磁場作用下，極性分子從隨機分布狀態轉為依電場方向排列。而在微波作用下，這些取向運動以每秒數十億次的頻率不斷變化，造成分子的劇烈運動與碰撞摩擦，從而產生熱量，達到電能直接轉化為介質內的熱能。單位體積介質吸收微波功率p=2πfεE2tanδ。式中，f為微波頻率（工業加熱的常用頻率為915MHz和2450MHz），E為電場強度。ε為介電常數，tanδ為介電損耗。

物質吸收微波的能力，主要由其介質損耗因數來決定。介質損耗因數大的物質對微波的吸收能力就強，相反，介質損耗因數小的物質吸收微波的能力也弱。由于各物質的損耗因數存在差異，微波加熱就表現出選擇性加熱的特點。物質不同，產生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數較大，其介質損耗因數也很大，對微波具有強吸收能力。而蛋白質、碳水化合物等的介電常數相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。微波對介質材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時可調，介質溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現象，極有利于自動控制和連續化生產的需要。

具體而言微波加熱有如下特點：

⑴加熱速度快。常規加熱屬于外部加熱，微波加熱則屬于內部加熱。電磁能直接作用于介質分子轉換成熱，且透射使介質內外同時受熱，不需要熱傳導，故可在短時間內達到均勻加熱。

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

⑶選擇性加熱。不同性質的物料對微波的吸收損耗不同，即微波有選擇性加熱的特點，這對干燥過程有利。因為水分子對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，這些物質都不能被微波加熱。微波加熱時，被加熱物料一般都是放在用金屬制成的加熱室內，電磁波不能外泄，只能被加熱物體吸收，加熱室內的空氣與相應的容器都不會被加熱，所以熱效率高。

⑸清潔衛生并能保持營養成分和風味微波熱效應與生物效應能在較低的溫度下迅速殺蟲滅菌，最大限度地保持食品的營養成分和原色澤，并且保持了食品的色、香、味、形。

3 微波熱效應在食品工業中的應用

3.1 微波萃取

微波萃取機理主要是利用微波輻射通過高頻電磁波穿透萃取介質，到達物料內部維管束。由于微波的頻率與分子轉動的頻率相關聯，所以微波能是一種由離子遷移和偶極子轉動引起分子運動的非離子化輻射能。當它作用于分子上時，促進分子的轉動運動，若分子此時具有一定的極性，便在微波電磁場的作用下產生瞬間極化，并以25.4億次/s的速度做極性變換運動，從而產生鍵的振動、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，同時迅速生成大量的熱能，促使細胞破裂，使細胞液溢流出來并擴散到溶劑中。

傳統的萃取方法主要用水或其它有機溶劑作為介質，提取速度慢，耗時長，污染大。微波萃取能克服所有傳統工藝缺點，具有節時，高效，安全無污染，能耗低，易生產操作的優點。

微波萃取技術在國外發展很快，已在許多方面得到應用。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，比傳統方法提取率高，節省時間、能耗小、安全，工藝易于控制，有利于工業化生產。此外，微波技術在促進酒類、發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、食品的調溫、解凍等方面也具有良好的應用效果。

萃取是食品、制藥及化工生產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。現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用。

3.2 微波干燥

據前述表明，微波對水有選擇加熱特點，使得糧食、油料作物、茶葉、蠶繭、木材、紙張及煙草等含水物質均可用微波進行干燥。我國微波干燥技術主要應用于輕工、化工和農產品加工等方面。經過幾十年的發展，我國微波加熱設備已有真空干燥、冷凍干燥、消毒滅菌、焙烤、熱燙等多種類型。農產品加工間歇式的微波干燥設備，已成功地應用于土豆片、面條、調味品、小食品、海產品、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、時間短、加熱均勻、易控制、廠房利用率高、產品質量好、效率高、節能、衛生環保、能最大限度地保持食品的原有營養和外形。

3.3 微波膨化

微波加熱時，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，即由物料內部指向表面。這種特性有利于物料內部蒸汽的產生和積累，微波加熱速度快，物料內部氣體溫度急劇上升，內部蒸汽的形成速率高于蒸汽的遷移速率，物料出現蒸汽壓梯度，當壓力超過纖維組織結構強度的承受能力，就能通過這種壓力使物料膨化。

微波膨化產品可以克服傳統油炸加工的膨化產品含油量高的缺點，能完整保存食品原有的各種營養成分。

微波可迅速加熱食品，并使得內部壓差急劇變化，這種特性可很好地應用于食品的膨化干燥。將微波膨化生產技術應用于蘋果的系列加工中可制成一種新穎獨特的食品――蘋果脆片。它保持了蘋果原有的風味和色澤，不添加任何添加劑，是地道的天然綠色食品。經微波膨化的產品復水性好、便于貯存和運輸攜帶。它的研制成功是蘋果加工技術上一個重大突破，該技術還可生產其它果蔬產品。另外，過去對薯條、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養成分。用微波膨化薯條、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。近來微波技術在方便面加工方面也有所突破，用高場強微波使方便面在加工中產生膨化，使得方便面復水性極好，降低了對沖泡方便面的水溫要求，沖泡時間縮短。

微波膨化在食品加工中的應用還有：淀粉膨化食品加工、蛋白質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以便儲存，通常使用紫外燈、蒸氣、高壓、鈷60、臭氧、充氮、添防腐劑等方法進行殺菌，微波技術則又開辟了一種理想方式，能在短時間內，對物料內外同時殺菌，又不破壞營養成分。

對微波殺菌機理一般有兩種說法：⑴應答說法，即生物系統在一定的條件下對電磁場的應答干擾了細菌正常的生理活動，破壞生物體細胞膜內外的電位平衡，阻斷細胞膜與外界交換物質的離子通道的暢通性，從而導致其死亡；⑵極化擊穿說法，即跟隨外加交變電磁場極化變化，細胞的感應偶極矩受到力矩作用而產生交替方向的旋轉和摩擦生熱，同時外電場使細胞膜滲透性發生改變，導致細胞膜出現擊穿性的破裂，細胞內的核酸、蛋白質等體液滲漏體外，造成微生物的致命。總體來說，微波殺菌是利用其熱效應、電磁效應和生物效應的共同結果。

微波滅菌有速度快，適用范圍廣的特點。對肉制品、蛋制品、魚、蔬菜水果、乳制品、豆制品、谷類等都有殺菌效果。另外對沙門氏桿菌、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。

微波加熱滅菌過程應在壓力下進行，或將包裝好的產品置于加壓的玻璃器內進行微波處理。與常規方法相比，可保持更好的口味、顏色和具有生理活性的營養成份。

另外，由于磁場的作用，食品中常見的酶能在短時間內失去活性。一些研究表明，微波輻射對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，使腐乳的存儲時間延長等。

3.5 微波消解

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

微波消解的優點有：⑴微波加熱是“內加熱”，具有加熱速度快、加熱均勻、無溫度梯度、無滯后效應等特點；⑵消解樣品的能力強，特別是一些難溶樣品，傳統的消解方式需要數小時甚至數天，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，一般只需溶劑5～10mL，溶劑沒有蒸發損失；⑷減少勞動強度，避免了有害氣體排放對環境造成的污染；⑸由于樣品采用密閉消解，有效地減少了易揮發元素的損失。

4 總結

目前，微波作為一種食品加工的新能源有其獨特的優勢，國內對其研究也有較快的發展。但在實際加工應用中并不多見，需進一步完善微波食品加工理論，開發新型微波加工設備，研究微波食品加工工藝。隨著微波技術的不斷發展，相信微波技術在食品加工中的應用前景將十分廣闊。

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