工业微波杀菌设备在食品业的应用

电磁波的发现使人们进入信息社会，微波技术将通讯、广播、电视、送入千家万户，而微波能的应用，人们首先享受到了微波炉的神奇，并为工业加热提供了一种新的加热方式，这种加热方式在工业、农业、化工、医疗等方面多得到广泛应用。一是利用其热效应，主要用于食品、药材、农副土特产品、木材、纸板、化工产品等的加热干燥，陶瓷的预烘及烧结，橡胶的硫化预热等；二是利用其生物效应，对食品、药材、农副土特产品等的低温杀菌，防菌保鲜，白酒的催陈、醇化，中止发酵，育种等。微波加热作为当今高新技术，早已从实验室、家庭走向生产实用阶段，为食品、医药、农副土特产品的加工撑起一片蓝天，前景十分广阔。 　　1 微波加热干燥、杀菌机理 微波对生物体作用的结果，生物体作为极性介质吸收微波能量后产生两种效应：热效应和非热效应（也称生物效应）。细菌、成虫与任何生物细胞一样，是由水、蛋白质、核酸、碳水化合物、脂肪和无机物等复杂化合物构成的一种凝聚态介质。其中水是生物细胞的主要成分，含量在75～85％，因为细菌的各种生理活动都必须有水参与才能进行，而细菌的生长繁殖过程，对各种营养物的吸收是通过细胞膜质的扩散、渗透和吸附作用来完成的。在一定强度微波场的作用下，物料中的虫类和菌体也会因分子极化驰豫，同时吸收微波能升温。由于它们是凝聚态物质，分子间的作用力加剧了微波能向热能的能态转化，从而使体内蛋白质同时受到无极性热运动和极性转动两方面的作用，使其空间结构变化或破坏，而使蛋白质变性。蛋白质变性后，其溶解度、粘度、膨胀性、渗透性、稳定性都会发生明显的变化，而失去生物活性。另一方面，微波能的非热效应在灭菌中起到了常规物理灭菌所没有的特殊作用，也是造成细菌死亡的原因之一。微波的热效应主要起快速升温杀菌作用；而非热效应则使用微生物体内蛋白质和生理活性物质发生变异，而丧失活力或死亡。 　　微波对生物体的热效应是生物体的蛋白质产生热变性而凝固（>50℃）的现象。其后果对于细菌来说是致命的，这是巴氏杀菌的理论基础。就微波对生物体的热效应而言，这一点与巴氏杀菌机理是相同的，但与食品等行业的巴氏加热杀菌法比较，实验数据表明微波有以下显著特点： 　　1）同样杀菌温度下，所需杀菌时间短；在相同杀菌条件下，菌致死的温度比较低。 　　2）能对被杀菌物料表面和内部进行同时整体杀菌，从而极大地缩短杀菌周期，并保证杀菌工艺的一致性，而不改变被杀菌物料的成分。 　　因此，微波杀菌温度低于常规方法，一般来说，常规的巴氏灭菌方法其杀菌温度在100度以上，时间是十几分钟至几十分钟，而微波杀菌温度仅为70至90度，时间约为几分钟。 　　1.1 微波杀菌的物理环境 微波辐射对生物体相互作用具有双向性，如果微波能量超过生物体本身的耐热阙值，都将对生物体造成伤害；但如果低于阙值，微波辐射对生物体的生理活动却能起到激活、催化作用。 微波杀菌的物理环境有两个；一是具有电磁力的、频率很高的电磁场，另一是热力的温度场，其中以电磁力场杀菌为微波杀菌的主导作用。 　　1.2 微波杀菌的工艺特点 　　1）物料各部位杀菌的同时性 　　能对物料的表面和内部进行同时的杀菌。保证了物料各部位杀菌的同时性，为缩短总杀菌时间、提高杀菌质量提供了有利条件，能避免因长时间加热杀菌影响食品品质、口感等。 　　2） 杀菌时间上的同时性 　　能保证对物料杀菌工艺条件实施一致，无前后滞后，故此失彼。 　　2 食品企业采用微波杀菌优点 　　2.1 时间短、速度快 常规热力杀菌是通过热传导、对流或辐射等方式将热量从食品表面传至内部，往往需较长时间，内部才能达到杀菌温度。微波则利用其透射作用，以热效应和非热效应的共同作用，使物品内外均匀的、迅速升温杀灭细菌。处理时间大大缩短，在强功率下，甚至只要几秒～数 十秒即达到满意效果。 　　2.2低温杀菌、保持其营养成份 微波热效应的快速升温和非热效应的生化作用，增强了杀菌功能。与常规热力杀菌在较低的温度、较短的时间内就能获得灭虫杀菌效果相比，一般杀菌温度在75~80℃，处理时间3~5分钟。微波特有加工方式能最大限度的保存物料的活性和食品中的维生素、色泽和营养成分。如采用常规热力处理蔬菜保留的维生素Ｃ在 46--50%，微波处理能达到60--90%；常规加热猪肝维生素Ａ保持在58%，而微波加热则达84%。 　　2.3 高效节能 微波热效率高，一般在 80% 以上，远远优于其它加热方式。加之微波是直接对食品进行磁热能量转换，微波加热器本身不会被加热，无须经过其它中间转换环节，因而除少量的传输损耗外几乎无其他额外的热功耗，所以节能省电，可节能30--50%。 　　2.4 杀菌均匀彻底（防霉、杀菌、保鲜） 常规热力杀菌是从物料表面开始的，通过热传导，由表及里的渐次加热，内外存在温差梯度，造成内外杀菌效果不一致，愈厚效果越不明显。为保持食品风味，缩短处理时间，就得提高处理温度换取处理时间的缩短，然而这将使食品表面的色、香、味、形等品质下降。而微波的穿透性强，使表面与内部同时受热，保证内外均匀杀菌。 　　2.5 自动化程度高 微波设备操作简便，没有热惯性，只要开关微波电源即可实现加热或中止，能根据生产工艺要求实时调控，完善的传送系统，可确保连续化生产，节省劳力，整条生产线只需 1--2 名操作工。 　　2.6 工艺先进 微波杀菌设备不需要锅炉、复杂的管道系统、煤场等，只需水、电基本条件即可。 　　2.7 节省占地面积 微波设备无高温余热，不产生热辐射，能改善工作环境；而且设备结构紧凑、节省厂房面积。 　　2.8 安全无害 通常微波能是指在金属制成的封闭加热室及波导管内传输，进出料口、观察窗、炉门等处的微波泄露严格控制在国家的安全标准指标内。微波不属于放射性射线，没有放射线危害及有害气体排放，不产生余热和粉尘污染，既不污染物料，也不污染环境，是一种十分安全的加热技术。 　　3 如何选用合适的微波加热设备容量 因为微波应用极为广泛，为了避免相互间的干扰，国际无线电管理委员会对频率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有 433 兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫，目前国内用于工业加热的常用频率为915兆赫和2450兆赫。微波频率与功率的选择可根据被加工物料的形状、材质、含水率的不同而定。 　　要选用合适的微波设备，先要估算一下设备的功率容量。首先要取得几个必要的数据： 　　a）加工物料的比热C。水的比热为1千卡/公斤/℃左右； 　　b） 每小时要加工的物料重量W； 　　c） 每小时要求蒸发的液体重量W’； 　　d） 蒸发液体的汽化潜热Q，水的汽化热为540 千卡/公斤； 　　e） 加工物料的介电常数ε。一般物料的介电常数为1～5。水的介电常数为80，玻璃及陶瓷根据不同的材料为2～2000甚至更大； 　　f） 加工物料的介质损耗tgδ。一般在0.05~0.3之间，玻璃及陶瓷0.01~0.5。 　　3.1 物料加热所耗用的微波功率： 　　　式中 P － 耗用的微波功率，单位：千瓦； △T － 物料的温升，单位：度； C － 物料的比热，单位：千卡/公斤/℃ W － 物料的重量，单位：公斤； t － 微波作用的时间，单位：小时 　　3.2 物料干燥需耗用的微波功率 　　式中 P － 耗用的微波功率，单位：千瓦； 　　Q － 液体蒸发潜热，或汽化热。一般水为540千卡 / 公斤； 其它参数同上式 　　3.3 电源总功率的估算： 　　根据以上二式所算出的功率P为理想情况下所需要的微波功率，实际上在微波加热器内，微波功率将有一部分给加热器本身消耗，一部分损耗在馈送微波的波导内，不可能全部为物料所吸收。因此选择微波设备时，考虑到吸收效率，应适当加大容量。 P’ = P /η 式中 P’－ 选择的微波加热设备功率容量，单位：千瓦； 　 P － 计算得到的微波功率，单位：千瓦； 　η － 微波吸收效率，一般在50％ ～ 80％左右。 　　由于微波电子管将直流电能转换成微波能时，本身要消耗一部分电能，加热电子管阴极要消耗电能，电磁铁也消耗少量电能。因此微波加热设备所消耗的电源总功率就是上述这些部分的总和。 　　3.4 物料在不同微波频率下其吸收的微波功率： 　　　　　P＝(1/1.8 ) fE2εr tgδ*10－2 式中 P － 单位体积的物料所吸收的功率， 单位：瓦/厘米3； f － 微波频率，单位：赫； E － 电场强度， 单位：伏 / 厘米； tgδ－ 介质损耗系数； εr － 物料的介电常数。 　　由于电场强度在实际上难以测量得到，只能大略折算。例如，在矩形波导中，由于其阻抗为377欧姆，如微波功率为P（瓦），波导窄面尺寸为b（厘米）则 　　物料温升计算： 　　式中 　f － 微波频率 ，单位：赫； 　　　E － 电场强度，单位;伏 / 厘米； 　　　　tgδ－ 介质损耗系数； 　　　　εr － 物料的介电常数； 　　　　 d － 物料的密度，单位：克/厘米3； 　　　　 C － 比热，单位：卡/克/度。 以上是一般的计算方法，在实际推广应用中，是通过试验来判断物料对微波吸收