微波热效应在食品工业中的应用

张晶晶

摘 要：微波作为一种新的加热能源，在食品工业中的应用发展极为迅速。本文介绍了微波热效应、微波加热的原理和特点及微波萃取、微波干燥、微波膨化、微波杀菌和微波灭酶保鲜等方面在食品工业中的应用和发展。

关键词：微波技术；热效应；食品加工

1 微波及其热效应

微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。

微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响。热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加。如果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量（热量）散发至全身或体外。如果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高。局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等。

2 微波加热的原理和特点

材料介质由极性分子与非极性分子组成，在电磁场作用下，极性分子从随机分布状态转为依电场方向排列。而在微波作用下，这些取向运动以每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦，从而产生热量，达到电能直接转化为介质内的热能。单位体积介质吸收微波功率p=2πfεE2tanδ。式中，f为微波频率（工业加热的常用频率为915MHz和2450MHz），E为电场强度。ε为介电常数，tanδ为介电损耗。

物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

具体而言微波加热有如下特点：

⑴加热速度快。常规加热属于外部加热，微波加热则属于内部加热。电磁能直接作用于介质分子转换成热，且透射使介质内外同时受热，不需要热传导，故可在短时间内达到均匀加热。

⑵加热均匀。用外部加热方式加热时，为提高加热速度，需升高外部温度，加大温差梯度，然而随之容易产生外焦内生现象。微波加热时不论形状如何，微波都能均匀渗透，产生热量，因此均匀性大大改善。

⑶选择性加热。不同性质的物料对微波的吸收损耗不同，即微波有选择性加热的特点，这对干燥过程有利。因为水分子对微波的吸收损耗最大，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较低的部位，从而干燥速率趋一致。

⑷节能高效。玻璃、聚乙烯等很少吸收微波，金属反射微波，这些物质都不能被微波加热。微波加热时，被加热物料一般都是放在用金属制成的加热室内，电磁波不能外泄，只能被加热物体吸收，加热室内的空气与相应的容器都不会被加热，所以热效率高。

⑸清洁卫生并能保持营养成分和风味微波热效应与生物效应能在较低的温度下迅速杀虫灭菌，最大限度地保持食品的营养成分和原色泽，并且保持了食品的色、香、味、形。

3 微波热效应在食品工业中的应用

3.1 微波萃取

微波萃取机理主要是利用微波辐射通过高频电磁波穿透萃取介质，到达物料内部维管束。由于微波的频率与分子转动的频率相关联，所以微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当它作用于分子上时，促进分子的转动运动，若分子此时具有一定的极性，便在微波电磁场的作用下产生瞬间极化，并以25.4亿次/s的速度做极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促使分子活性部分更好的接触和反应，同时迅速生成大量的热能，促使细胞破裂，使细胞液溢流出来并扩散到溶剂中。

传统的萃取方法主要用水或其它有机溶剂作为介质，提取速度慢，耗时长，污染大。微波萃取能克服所有传统工艺缺点，具有节时，高效，安全无污染，能耗低，易生产操作的优点。

微波萃取技术在国外发展很快，已在许多方面得到应用。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，比传统方法提取率高，节省时间、能耗小、安全，工艺易于控制，有利于工业化生产。此外，微波技术在促进酒类、发酵制品和巧克力的成熟和陈化、食品添加剂的合成、茶叶杀青、果品蔬菜热烫、食品的调温、解冻等方面也具有良好的应用效果。

萃取是食品、制药及化工生产中广泛采用的一种单元操作，广泛用于中草药、香料、保健食品、功能食品、天然色素、茶饮料、果胶、高粘度壳聚糖等。现在已有采用微波破壁法从高山红景天根茎中提取红景天苷，采用微波技术从红豆杉中提取紫杉醇，利用微波在天然药用活性成分提取，微波提取茶叶中的咖啡碱和茶多糖等应用。

3.2 微波干燥

据前述表明，微波对水有选择加热特点，使得粮食、油料作物、茶叶、蚕茧、木材、纸张及烟草等含水物质均可用微波进行干燥。我国微波干燥技术主要应用于轻工、化工和农产品加工等方面。经过几十年的发展，我国微波加热设备已有真空干燥、冷冻干燥、消毒灭菌、焙烤、热烫等多种类型。农产品加工间歇式的微波干燥设备，已成功地应用于土豆片、面条、调味品、小食品、海产品、蔬菜、果粉、蛋黄粉、人参、金银花、肉干、肉脯、菇类、茶叶等品种的干燥。

微波干燥具有干燥速度快、时间短、加热均匀、易控制、厂房利用率高、产品质量好、效率高、节能、卫生环保、能最大限度地保持食品的原有营养和外形。

3.3 微波膨化

微波加热时，物料的排湿和热量迁移方向、传热方向、蒸汽压迁移方向均一致，即由物料内部指向表面。这种特性有利于物料内部蒸汽的产生和积累，微波加热速度快，物料内部气体温度急剧上升，内部蒸汽的形成速率高于蒸汽的迁移速率，物料出现蒸汽压梯度，当压力超过纤维组织结构强度的承受能力，就能通过这种压力使物料膨化。

微波膨化产品可以克服传统油炸加工的膨化产品含油量高的缺点，能完整保存食品原有的各种营养成分。

微波可迅速加热食品，并使得内部压差急剧变化，这种特性可很好地应用于食品的膨化干燥。将微波膨化生产技术应用于苹果的系列加工中可制成一种新颖独特的食品――苹果脆片。它保持了苹果原有的风味和色泽，不添加任何添加剂，是地道的天然绿色食品。经微波膨化的产品复水性好、便于贮存和运输携带。它的研制成功是苹果加工技术上一个重大突破，该技术还可生产其它果蔬产品。另外，过去对薯条、薯片的膨化都是用油炸，这不但增加了食品的热量、还破坏了其原有的营养成分。用微波膨化薯条、薯片，不但保持了食品原汁原味，还省去油炸工艺，降低了加工成本。近来微波技术在方便面加工方面也有所突破，用高场强微波使方便面在加工中产生膨化，使得方便面复水性极好，降低了对冲泡方便面的水温要求，冲泡时间缩短。

微波膨化在食品加工中的应用还有：淀粉膨化食品加工、蛋白质食品膨化加工和瓜果蔬菜类物料的膨化等。

3.4 微波杀菌与灭酶

为了防止食品早期变质以便储存，通常使用紫外灯、蒸气、高压、钴60、臭氧、充氮、添防腐剂等方法进行杀菌，微波技术则又开辟了一种理想方式，能在短时间内，对物料内外同时杀菌，又不破坏营养成分。

对微波杀菌机理一般有两种说法：⑴应答说法，即生物系统在一定的条件下对电磁场的应答干扰了细菌正常的生理活动，破坏生物体细胞膜内外的电位平衡，阻断细胞膜与外界交换物质的离子通道的畅通性，从而导致其死亡；⑵极化击穿说法，即跟随外加交变电磁场极化变化，细胞的感应偶极矩受到力矩作用而产生交替方向的旋转和摩擦生热，同时外电场使细胞膜渗透性发生改变，导致细胞膜出现击穿性的破裂，细胞内的核酸、蛋白质等体液渗漏体外，造成微生物的致命。总体来说，微波杀菌是利用其热效应、电磁效应和生物效应的共同结果。

微波灭菌有速度快，适用范围广的特点。对肉制品、蛋制品、鱼、蔬菜水果、乳制品、豆制品、谷类等都有杀菌效果。另外对沙门氏杆菌、大肠杆菌、乳酸菌等都有杀伤作用，同样还可以使酵母、霉菌、霉菌孢子失活。

微波加热灭菌过程应在压力下进行，或将包装好的产品置于加压的玻璃器内进行微波处理。与常规方法相比，可保持更好的口味、颜色和具有生理活性的营养成份。

另外，由于磁场的作用，食品中常见的酶能在短时间内失去活性。一些研究表明，微波辐射对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，使腐乳的存储时间延长等。

3.5 微波消解

微波消解是一种新的产品处理技术。将微波产生的电场作用于极性分子，分子以4.5亿次/s的速度不断改变正负极方向，分子间高速碰撞和摩擦，产生高热。产品因微波作用表面层不断搅动破裂，产生新鲜表面与酸反应，促使样品迅速消解。

微波消解的优点有：⑴微波加热是“内加热”，具有加热速度快、加热均匀、无温度梯度、无滞后效应等特点；⑵消解样品的能力强，特别是一些难溶样品，传统的消解方式需要数小时甚至数天，而微波消解只需要几分钟至十几分钟；⑶溶剂用量少，用密封容器微波溶样时，一般只需溶剂5～10mL，溶剂没有蒸发损失；⑷减少劳动强度，避免了有害气体排放对环境造成的污染；⑸由于样品采用密闭消解，有效地减少了易挥发元素的损失。

4 总结

目前，微波作为一种食品加工的新能源有其独特的优势，国内对其研究也有较快的发展。但在实际加工应用中并不多见，需进一步完善微波食品加工理论，开发新型微波加工设备，研究微波食品加工工艺。随着微波技术的不断发展，相信微波技术在食品加工中的应用前景将十分广阔。

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