食品的微波加工研究新进展

付婷婷 覃小丽 刘 雄

(西南大学食品科学学院，重庆 400715)

微波是频率在300 MHz～300 GHz的高频电磁波，其对应的波长范围为1 mm～1 m，家用微波设备的工作频率一般为2.45 GHz，而工业微波系统的工作频率通常为915 MHz或2.45 GHz[1]。20世纪40年代，微波技术开始应用于食品工业中，因其具有加热速度快、时间短、操作安全、易于操作和能耗低等优点，目前已被广泛应用于食品的加热烹调、干燥、杀菌、辅助提取等食品领域。有研究证实，微波加热可以较大限度保留食品的生物活性成分，使产品保持良好的色泽，降低抗营养因子，同时提高淀粉和蛋白质的消化率[2]。然而，在大量水存在时进行微波烹饪，会造成营养物质的大量流失[3]。此外，过度加热通常会导致微波干燥物料焦糊、产生异味，尤其是在干燥的最后阶段[4]。微波杀菌不仅能降低食品中微生物含量，还能使酶失活，但其不均匀性会影响产品品质，缩短保质期[5]。本文在阅读大量文献的基础上，对近几年来国内外微波技术在食品工业应用中的研究进展情况进行综述，重点阐述微波加热或烹饪、干燥、杀菌和辅助提取等方面的应用，并分析微波技术对食品的营养成分、颜色、质地等品质的影响，分析目前存在的问题以及今后的研究方向，以期为微波技术在食品工业领域的广泛推广应用提供借鉴。

1 微波机理

1.1 微波的热效应

传统加热主要依靠热传导和对流传热，热量从物料表面传导到内部，往往是一个缓慢的过程[2]。而微波加热是一种依靠物体吸收微波能将其转换成热能，使自身整体同时升温的介电加热方式。在微波加热过程中，物料中的极性分子产生定向移动，将电磁波传递并转化为热能，使物料迅速升温[6]。食品加工中主要利用微波的热效应，食品中的水分、蛋白质、碳水化合物和脂肪等都是极性分子，其电偶极矩来源于组成分子的原子(极化)上的分离电荷，当微波电场作用时，分子的电偶极矩与微波电场平行排列，当电场方向变化时就会引起分子偶极的转动，引起分子间剧烈地摩擦, 使分子热运动加剧，从而加热物料[7]。微波加热效率取决于物料对微波能量的吸收和损失，主要与样品的几何形状、介电性能、涂敷器内部的位置等因素有关。

1.2 微波的非热效应

微波除普遍存在的热效应外，已有大量研究证实了微波过程存在非热效应，即微波与生物体之间存在复杂的生物效应[8]。目前，有多种关于微波非热效应的理论模型，如电穿孔、细胞膜破裂、磁场耦合等[9]。在微波辐照下，微生物细胞膜的分子结构重新排列，诱导磷脂双层膜发生不可逆电穿孔，导致孔隙的形成和对离子和分子的渗透性增加，使细胞内物质(DNA、蛋白质等)外漏，细胞膜电位遭到破坏，细胞正常生理功能受损，细胞生长受到抑制甚至死亡[10，11]。微波的非热效应除了会引起蛋白质构象发生改变，降低化学反应的活化能，提高反应速率；还能诱导细胞基因突变、染色体畸形，阻断细胞正常繁殖[12，13]。然而，由于食品体系的复杂性，相关微波非热效应的理论机制仍处于探索假说阶段，作用机制仍存在争议。

2 微波技术在食品工业中的应用

目前，应用微波技术对食品进行加热、烹调、干燥、杀菌、膨化等已经成为食品行业的重要部分。为适应工业生产的需要，微波炉、微波干燥、杀菌、萃取等设备的发展已日趋成熟。微波蒸汽联用鱼糜制品加工，连续式微波真空萃取，微波茶叶杀青机，间歇式大功率微波干燥机，连续式微波熟化农副产品等新型微波加工设备的研发，能够缩短生产时间，大幅提升产品品质，降低生产成本[14，15]。

2.1 微波加热或烹饪

由于微波快速加热的优势，对微波加热的研究也日趋丰富，且主要侧重于微波对食品品质的影响研究。在对比高压烹煮、电饭锅烹煮、微波烹煮和电蒸锅烹煮后米饭食味品质的研究中发现，经高压烹饪的米饭品质最佳，而微波烹饪虽速度快，但是水分蒸发量大，导致米饭较硬，风味物质流失，食味品质最差[16]。微波加热过程中，淀粉颗粒表面变粗糙、出现凹陷或皱褶，随微波时间的延长，颗粒内部的无定型区域和结晶区域开始被破坏，从而导致颗粒破裂。传统加热食品的温度上升缓慢，淀粉颗粒有足够的时间糊化，而微波处理使得淀粉颗粒温度急剧增加，从而限制了淀粉颗粒的膨胀和破裂；但微波并未改变淀粉分子中化学基团的类型，也未改变淀粉颗粒的结晶类型[17，18]。有研究发现，微波焙烤蛋糕的失重率、硬度和比体积高于传统焙烤，加工时间短蛋糕的颜色缺乏；添加乳化剂、黄原胶、瓜尔胶等品质改良剂有利于消除微波焙烤对蛋糕品质的不利影响[19，20]。

2.2 微波干燥

微波干燥是以体积加热为基础的传热传质的复杂过程，具有收缩率低、容重小、干燥效率高、比传统干燥节能等优点，多用于化工、食品、农副产品、木材类、建材类、纸品等行业的干燥。干燥过程中，高频电场能转换成热能，从而使物料内部的液态水分大量蒸发，然后通过内部压力梯度扩散到表面，使物料迅速脱水[1]。但由微波引起的受热不均，通常会导致物料局部焦糊、产生异味，尤其是在干燥的最后阶段[4]。为提高干燥速率，保证产品品质，常采用微波与其他传统干燥相结合的方法，包括真空微波干燥、热风-微波干燥、微波-远红外复合干燥、微波-对流干燥、微波-冷冻干燥等。干燥过程中水分的迁移和分布通过核磁共振技术来监测(图1)，干燥开始阶段，游离水(T23)向细胞质体积水(T22)转移，随后细胞质体积水向结合水(T21)转移，水分子的流动性降低；微波功率越大变化越明显，可能与高功率条件下样品加热过快，导致细胞膜破坏有关[21，22]。

图1 微波真空干燥过程中不同微波功率密度处理对样品T2弛豫时间的影响[2]

微波干燥过程中，水分有效扩散系数(effective moisture diffusivity，Deff)起着重要作用，一般微波功率越大，水分流失越快，Deff值也越大，干燥所需时间就越短。与其他干燥方式相比，微波膨化效应能使食品组织膨胀，形成多孔结构，孔隙度增大，复水性提高。随着微波功率的增加，收缩率降低，复水率显著增加；但过高的微波功率会使物料温度升高，导致细胞膜变性和相变，且物料在干燥初期可能发生较大程度的收缩，表面硬化起蒸发屏障的作用，从而延长干燥时间[23，24]。

表1 不同食品微波干燥的干燥动力学[21,28-32]

ZHANG等[25]对比了不同干燥方法对板栗品质的影响结果表明，微波冷冻干燥的干燥速度快、能耗低、板栗产品质量好，是板栗工业化生产最适宜的脱水方法。PONGPICHAIUDOM等[26]比较了油炸与微波干燥、红外干燥、热风干燥对方便面品质的影响，微波干燥方便面内部孔隙率大，复水能力增强，且较油炸的脂肪含量降低了80%以上，可替代传统的油炸工艺，且成本较低。国内学者采用微波干燥技术对茶叶、药材等的干燥研究发现，微波干燥更省时省力且茶叶的形态完整、色泽均匀、综合品质较好，Page模型更适合于评价茶叶的微波干燥过程[5]。近年来对食品微波干燥特性及动力学的相关研究归纳见表1。

2.3 微波杀菌

与传统杀菌相比，微波杀菌能使食品中的微生物(沙门氏菌、李斯特菌、大肠杆菌等)在较短时间内失活，主要包括粮油制品、果蔬制品、肉制品、乳制品等。一般来说，微波功率越大或时间越长，对微生物的杀灭效果越好，且细菌数量与样品温度之间存在显著的相关性[33]。表2总结了微波杀菌过程中食物病原体的失活作用，可以看出，微波对不同原料中的同种病原菌、同种原料的不同病原菌的致死作用均存在差异，且同一病原菌在不同杀菌条件的杀菌效果不同。BENLLOCH等[36]的研究表明，微波加热使猕猴桃中单核李斯特菌失活速度高于传统加热，证明了微波杀菌能有效替代传统杀菌。目前，用于食品的微波杀菌工艺主要包括连续微波杀菌、脉冲微波杀菌、多次加热和冷却微波杀菌以及微波杀菌与常规杀菌相结合等[37]。连续微波杀菌要求物料有良好的耐热性，杀菌设备以隧道或箱型为主；脉冲微波杀菌技术主要因其非热效应，能在较低温度条件下有效杀灭病原菌，对于热敏性物料尤为适用，但设备的成本较高；针对热敏性液体物料多采用多次加热和冷却(间歇加热)的微波杀菌工艺，反复迅速变化的温度致使细胞死亡，同时避免物料长时间处于高温状态而失去风味以及营养成分。此外，微波杀菌与常规杀菌相结合不仅能缩短常规杀菌时间，还可以避免微波的不均匀性。

表2 微波杀菌过程中食物病原体的失活[3,33,38]

2.4 微波辅助提取(microwave-assistant extract，MAE)

MAE过程中，极性分子与电磁波相互作用产生了快速的内部加热，导致植物组织细胞的损伤，具有提取效率高、操作简单、时间短等优点[39，40]。目前，MAE在提取食品中的多糖、黄酮、多酚、生物碱、油脂和色素等方面的报道较多，大多针对液料比、溶剂浓度、微波功率、提取时间等工艺条件的优化。表3列举了一些食品成分MAE工艺的优化情况，MAE的产物提取率均高于传统提取法，部分文献还报道了微波处理可有效提高酚类提取物的产量和抗氧化能力[40，41]。DANG等[40]报道了在乙醇体积分数为70%，微波时间为75 s，功率为80%条件下提取马尾藻总酚类化合物的提取率明显优于常规提取法和超声波提取法(ultrasound assistant extract，UAE)，且提取液的抗氧化能力显著提高，见表4。IBRAHIM等[42]采用微波辅助溶剂萃取蓖麻籽油，并对蓖麻油的理化性质和氧化稳定性进行了研究。结果表明，在微波功率为330 W，液固比为20 mL/g时，最大产油率为37%，其加工时间可缩短86%。但与索氏提取相比，MAE提取的蓖麻籽油具有更高的粘度和酸值，可能是由于微波水解甘油三酯产生更多的游离脂肪酸。

表3 食品中有效成分的微波提取工艺[41,43-46]

表4 不同提取方法下多酚提取率和抗氧化能力比较[40]

注：不同小写字母代表不同处理组间各指标差异的显著性(P<0.05)。

3 微波加工对食品品质的影响

食品在微波加工中会发生品质变化，这些变化包括感官属性、营养成分、生物活性成分、抗氧化活性、酶活性、孔隙度、比体积以及复水性等。

3.1 微波加工对食品营养成分的影响

微波处理过程中，与食品营养品质有关的变化主要包括水分流失、蛋白质变性、酶失活、脂肪氧化降解、维生素和矿物质的损失等。由于微波加热时间较短，蛋白质的变性程度较轻，从肌肉中释放的水分较少，肉汁损失较少[47]；烹饪过程蔬菜中的维生素C的损失率也明显低于传统烹饪[48]。ZHONG等[49]的研究表明，微波处理对牛肉肌原纤维蛋白的结构特性有明显的影响。随着微波照射时间的增加，肌原纤维蛋白结构展开，更多疏水性和巯基结合位点暴露，使得总巯基和表面疏水性增加，肌原纤维蛋白与酮的结合能力得到提高，有利于风味化合物的形成。由于脂肪酶对脂肪的降解和氧化作用，食品中的游离脂肪酸含量在贮藏过程中呈上升趋势，微波处理可降低脂肪酶活性，延缓食品在贮藏过程中游离脂肪酸含量的增加[50]。

3.2 微波加工对食品中活性成分及功能的影响

目前，文献主要报道了微波对食品中的多酚和黄酮等生物活性成分以及抗氧化活性的影响。传统的热加工方法时间长，蔬菜中营养、有益的生物活性成分难以较好的保留。微波加工后食品中的总多酚、花青素、黄酮等化学成分的损失率均低于传统处理，能较好的保持食品的活性物质和抗氧化活性[5,51-52]。研究发现高功率微波条件下，随着干燥时间的延长，物料中的多酚和黄酮类含量呈现先降低后升高的趋势。微波功率的增加会导致温度的迅速升高，热降解导致总酚和黄酮含量降低；随后美拉德反应新产物和非酶褐变中间产物的形成，提高了多酚和黄酮含量，抗氧化活性增强[53]。

3.3 微波加工对食品颜色的影响

颜色是食品感官属性的重要指标之一，热加工过程中食品颜色的变化主要可以通过色素的降解、蛋白质的变性、抗坏血酸的氧化、酶促褐变和非酶促褐变等机理来解释。由于微波加热速度快，降低了肌红蛋白和氧合肌红蛋白向氧化肌红蛋白转化的程度，微波烹饪后肉的颜色变浅[47]。也有研究报道了由于叶绿素、类胡萝卜素等色素的降解作用，导致微波处理后物料的颜色变浅[3,21]。而含糖量高的食品物料，微波热处理过程中发生了非酶褐变反应，美拉德反应产物的积累导致物料颜色变深，且微波功率增大褐变程度加重[28,30]。

3.4 微波加工对食品质构的影响

食品质构是由食品成分及组织结构共同决定的物理性质，包括硬度、弹性、粘性和咀嚼性等参数。研究发现，与传统水浴加热相比，微波加热后鱼糜的蛋白质网络更紧密，持水力和凝胶强度明显提高，凝胶更有弹性[54]。YILDIZ等[19]采用实时核磁共振监测焙烤方式对蛋糕品质的影响，结果表明，微波红外焙烤的蛋糕水分损失较高，淀粉分子排列结构的改变提高了淀粉的糊化温度，淀粉糊化不足，硬度显著高于传统焙烤。食品物料干燥过程伴随着水分流失，样品收缩，其中微波干燥物料的硬度显著高于新鲜物料，但低于热风干燥、自然干燥等方式。这可能是由于微波干燥过程中细胞粘附强度的降低以及细胞间隙或膨化结构的增加；热风干燥过程中，水分迁移速率较低，形成了具有褶皱外观的硬壳，细胞严重破坏，造成硬度增加[55]。另外，适当的微波杀菌条件一般不会破坏食品的组织结构，但微波功率过高或作用时间过长，食品组织细胞膜的破坏和细胞壁的降解导致其硬度极具下降[38]。

3.5 微波加工对食品风味的影响

食品中的风味化合物是具有一定挥发性和不稳定性的一系列低沸点的醇、醛、酸、酯和芳香族杂环化合物等。在糕点、咖啡、茶和肉类的焙烤中，美拉德反应赋予了产品特有的风味。研究发现，由于微波加热时间短，产品表面温度低，化学反应不充分造成风味弱化，可添加氨基酸及补充糖类来强化微波食品的风味。醛类化合物(己醛、壬醛和辛醛等)为熟牦牛肉的特征风味，微波加热形成的风味种类高于高压炖煮和常温水煮，且牛肉硬度低、弹性高，品质最优[56]。

4 展望

近年来，微波技术在食品加工中的应用研究成果丰硕，但目前仍存在不足：1)微波场的不均匀性所导致的食品冷热点，通常会使微生物失活不完全，从而引发食品安全问题。2)微波的非热效应理论仍存在争议，并缺乏快速有效的温度检测和控制系统。3)复杂的食品体系与微波之间的相互作用机制不成熟。4)大多数相关研究仍处在实验阶段，很少有关于中试与规模化工业应用的报道。

针对上述问题，今后的深入研究方向应如下：1)寻找新的温度检测方法，为改善微波的不均匀性寻找新的途径。2)加强对各类物料性质的综合研究，完善微波与物料间相互作用与影响的理论，并实现量化研究。3)加强对不同食品微波加工工艺与设备的综合研究与开发，实现物料加工过程的在线检测与控制，有利于加快微波技术的工业化进程。4)进一步研发新的组合加工技术，充分发挥各自的优势，在保证产品质量和安全的同时提高加工效率。