第四章食品的微波處理技術(shù)

1、第四章第四章 食品的微波處理技術(shù)食品的微波處理技術(shù)唐浩國唐浩國河科大食品學(xué)院河科大食品學(xué)院1. 曾慶孝主編，芮漢明，李汴生副主編，曾慶孝主編，芮漢明，李汴生副主編， 食品加工與保藏原理（第二版），食品加工與保藏原理（第二版），北京：化學(xué)北京：化學(xué)工業(yè)出版社，工業(yè)出版社，2002.11 2. 王紹林編著，王紹林編著， 微波食品工程微波食品工程， 北京：機械工業(yè)出版社，北京：機械工業(yè)出版社，1994.73. Decareau R V，Peterson R A， Microwave Processing and Engineering， ELLIS HORWOOD international pub

2、lishers in science and technology，1986主要參考書主要參考書 v微波技術(shù)的發(fā)展歷史微波技術(shù)的發(fā)展歷史v微波的性質(zhì)與加熱機理微波的性質(zhì)與加熱機理v微波加熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用微波加熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用v微波加熱設(shè)備的組成及選用微波加熱設(shè)備的組成及選用v微波的安全使用及防護微波的安全使用及防護第一節(jié)第一節(jié) 微波技術(shù)的發(fā)展歷史微波技術(shù)的發(fā)展歷史1940 Birmingham U.1945.10.9 Raytheon C. 第一個專利第一個專利1947 Raytheon C. 第一臺微波爐第一臺微波爐 RadarangeTM 參見參見圖圖4-1 圖圖4-1 世界上第一

3、臺微波爐世界上第一臺微波爐 第二節(jié)第二節(jié) 微波的性質(zhì)與加熱機理微波的性質(zhì)與加熱機理微波的性質(zhì)微波的性質(zhì) 微波是頻率非常高的電磁波，又稱微波是頻率非常高的電磁波，又稱為超高頻波，頻率大約從為超高頻波，頻率大約從300MHz到到300GHz*。之所以稱為微波，是因之所以稱為微波，是因為其波長在為其波長在1mm1m，比普通的無比普通的無線電波波長更微小。線電波波長更微小。 *：1GHz = 103 MHz = 109 Hz ISM(Industry Scientific & Medical) 食品工業(yè)所使用的微波加熱設(shè)備的頻率食品工業(yè)所使用的微波加熱設(shè)備的頻率有有915MHz(美國用美國用896MH

4、z)和和2450MHz兩兩種，而普通家用微波爐使用的頻率則一種，而普通家用微波爐使用的頻率則一般為般為2450MHz。 微波的加熱機理微波的加熱機理 食品工業(yè)中所使用的微波設(shè)備主要是利用食品工業(yè)中所使用的微波設(shè)備主要是利用微波的熱效應(yīng)。食品中的水分、蛋白質(zhì)、微波的熱效應(yīng)。食品中的水分、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等都屬于脂肪、碳水化合物等都屬于介電材料介電材料(dielectric material)，微波對它們的加微波對它們的加熱稱作熱稱作介電感應(yīng)加熱介電感應(yīng)加熱(dielectric heating)。 參見參見圖圖4-2、4-3 圖圖4-2 水分子的極性水分子的極性圖圖4-3 微波加熱機理示

5、意圖微波加熱機理示意圖微波加熱的特性微波加熱的特性 (一一) 選擇性選擇性(二二) 穿透性穿透性(一一) 選擇性選擇性 在微波場中，各電介質(zhì)吸收微波而產(chǎn)生的熱能可用下式表示：在微波場中，各電介質(zhì)吸收微波而產(chǎn)生的熱能可用下式表示： 式中式中: P：在單位時間在單位時間(1s)內(nèi)，單位體積電介質(zhì)內(nèi)，單位體積電介質(zhì)(1cm3)吸收微波所產(chǎn)生吸收微波所產(chǎn)生的熱能的熱能(Wcm-3) f ：微波頻率微波頻率(Hz) E：電極間電場強度電極間電場強度(Vcm-1) ：電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù) ：電介質(zhì)的損失角電介質(zhì)的損失角(導(dǎo)電率導(dǎo)電率) 參見參見表表4-1 tan：電介質(zhì)的有效損耗正切電介質(zhì)的有

6、效損耗正切 dielectric loss factor(. tan)是每種介電材料所固有的性質(zhì)，稱為損耗因數(shù)或介電損失是每種介電材料所固有的性質(zhì)，稱為損耗因數(shù)或介電損失12210tanEf95P電介質(zhì)電介質(zhì) 介電常數(shù)介電常數(shù)()導(dǎo)電率導(dǎo)電率(tan)損耗因數(shù)損耗因數(shù)( tan)水水(3000MHz) 77 0.15 11.55冰冰(-12，3000MHz)3.20.00095 0.00304含水食品含水食品 0.535生豚肉生豚肉(-15，2450MHz)6.8 1.28.16生牛肉生牛肉(-15，2450MHz)5.0 0.15 0.75馬鈴薯馬鈴薯(2450MHz)4.50.20.9碗豆

7、碗豆(2450MHz)2.50.2 0.5菠菜菠菜(2450MHz) 13.00.56.5小麥粉小麥粉(含水率含水率8%，4MHz)2.60.030.078木材木材(硬干材硬干材) 3 0.03 0.09木材木材(軟干材軟干材) 50.0650.325生橡膠生橡膠2.32.50.0120.02760.03塑料塑料 0.0050.1聚乙烯聚乙烯2.30.0005 0.00115聚氯乙烯聚氯乙烯350.0250.050.0750.25聚苯乙烯聚苯乙烯2.63.00.00020.00040.000520.0012陶瓷器、紙?zhí)沾善?、?0.10.2玻璃玻璃 0.05表表4-1 一些電介質(zhì)的損耗因數(shù)一些

8、電介質(zhì)的損耗因數(shù) 微波的選擇性加熱給微波加熱的好處和壞處微波的選擇性加熱給微波加熱的好處和壞處 好處：好處： 加熱效率高，節(jié)約能源，易控制；加熱效率高，節(jié)約能源，易控制； 可用于干燥谷物的殺蟲?？捎糜诟稍锕任锏臍⑾x。 壞處：壞處： 微波的選擇性加熱是造成微波微波的選擇性加熱是造成微波加熱不均勻加熱不均勻(runaway heating)的主要原因之一。的主要原因之一。 為了克服微波的選擇性加熱所帶來的加熱不均為了克服微波的選擇性加熱所帶來的加熱不均勻，方法主要有以下幾點：勻，方法主要有以下幾點：要了解被加熱物體的電容特性；要了解被加熱物體的電容特性；按照按照半衰深度半衰深度的大小，將食品進行分

9、割；的大小，將食品進行分割；改進容器，克服改進容器，克服棱角效應(yīng)棱角效應(yīng)；流體食品可結(jié)合攪拌方法；流體食品可結(jié)合攪拌方法；1.可結(jié)合遠紅外、熱風(fēng)加熱等方式?？山Y(jié)合遠紅外、熱風(fēng)加熱等方式。(二二) 穿透性穿透性 假設(shè)假設(shè)P0為電介質(zhì)表面的入射電場，為電介質(zhì)表面的入射電場，P為某一穿透深度為某一穿透深度D時的電場，時的電場，則有如下關(guān)系存在：則有如下關(guān)系存在： 式中：式中： D：微波的穿透深度微波的穿透深度(m) ：所用微波的波長所用微波的波長(m) ：被加熱物體的的介電常數(shù)被加熱物體的的介電常數(shù) tan：被加熱物體的導(dǎo)電率被加熱物體的導(dǎo)電率 由上兩式可知道穿透深度由上兩式可知道穿透深度D也是也是

10、和和tan的函數(shù)，受被加熱物體性的函數(shù)，受被加熱物體性質(zhì)、溫度、狀態(tài)的影響。質(zhì)、溫度、狀態(tài)的影響。 參見參見表表4-2PP0 e 2D ) 1tan1(222被加熱物體名稱被加熱物體名稱溫溫 度度915MHz2450MHz ()半衰深度半衰深度 (cm)半衰深度半衰深度 (cm) -12.0 1500780水水14.5 6.6 0.9 55.016.3 2.3 95.029.5 4.8 -51.170.018.2牛牛 肉肉-17.7 9.8 7.6 4.5 1.1246.0冷凍干燥的牛肉冷凍干燥的牛肉-60.0550.0190.0 -17.7180.0 64.0表表4-2 一些物質(zhì)的微波穿透深

11、度一些物質(zhì)的微波穿透深度 微波的穿透性對于微波加熱的好處和壞處微波的穿透性對于微波加熱的好處和壞處 好處：好處：實現(xiàn)包裝后食品的短時殺菌。實現(xiàn)包裝后食品的短時殺菌。加熱加熱時間短，時間短，干燥速度快，而且對有干燥速度快，而且對有些食品還些食品還能起到特有的膨化效果能起到特有的膨化效果。快速解凍。快速解凍。 壞處：壞處： 微波加熱的穿透性是造成微波微波加熱的穿透性是造成微波加熱不均勻加熱不均勻(runaway heating)的另一個主要原因之一的另一個主要原因之一。 為了克服微波穿透性帶來的加熱不均勻，主為了克服微波穿透性帶來的加熱不均勻，主要有以下方法：要有以下方法：使微波從各個方向照射被加

12、熱物體；使微波從各個方向照射被加熱物體； 參見參見圖圖4-4承載被加熱物體的托盤采用微波穿透承載被加熱物體的托盤采用微波穿透性好的材料，并且可以旋轉(zhuǎn)；性好的材料，并且可以旋轉(zhuǎn)；微波爐爐壁和爐底采用可反射微波的微波爐爐壁和爐底采用可反射微波的材料；材料；1.被加熱物體的厚度應(yīng)在半衰深度的被加熱物體的厚度應(yīng)在半衰深度的2倍左右。倍左右。圖圖4-4 微波的穿透性與溫度分布微波的穿透性與溫度分布 微波加熱最大的問題就是加熱不均勻。造成的原因主要有以下微波加熱最大的問題就是加熱不均勻。造成的原因主要有以下幾點：幾點：微波加熱的選擇性。在相同的微波場中，不同的食品材微波加熱的選擇性。在相同的微波場中，不同

13、的食品材料以及這些材料溫度、狀態(tài)的不同，都會引起食品各部料以及這些材料溫度、狀態(tài)的不同，都會引起食品各部分溫度上升的差異。分溫度上升的差異。微波雖然有好的穿透性，可是它在實際加熱中受反射、微波雖然有好的穿透性，可是它在實際加熱中受反射、穿透、折射、吸收等影響，使被加熱物體各部分產(chǎn)生的穿透、折射、吸收等影響，使被加熱物體各部分產(chǎn)生的熱能產(chǎn)生較大的差異。熱能產(chǎn)生較大的差異。電場的尖角集中性，也稱為棱角效應(yīng)電場的尖角集中性，也稱為棱角效應(yīng)(edge effect)。微微波作為電磁波的一種，其電場也有尖角集中性。當(dāng)食品波作為電磁波的一種，其電場也有尖角集中性。當(dāng)食品放入微波場中進行加熱時，某些部分會因

14、為電場集中而放入微波場中進行加熱時，某些部分會因為電場集中而產(chǎn)熱多，溫升快。產(chǎn)熱多，溫升快。 微波加熱中，熱集中的地方稱為熱點微波加熱中，熱集中的地方稱為熱點(hot spot)，見見圖圖4-5。runaway heating A. 圓形物體的熱點圓形物體的熱點 B. 方形物體的熱點分布方形物體的熱點分布 圖圖4-5 物體在微波場中加熱時的熱點分布情況物體在微波場中加熱時的熱點分布情況第三節(jié)第三節(jié) 微波加熱在食品工業(yè)微波加熱在食品工業(yè)中的應(yīng)用中的應(yīng)用一、在食品工業(yè)中采用微波加熱技術(shù)一、在食品工業(yè)中采用微波加熱技術(shù) 的優(yōu)缺點的優(yōu)缺點加熱、干燥速度快，所需時間短；加熱、干燥速度快，所需時間短；加熱

15、效率高；加熱效率高；加熱過程具有自動平衡性加熱過程具有自動平衡性*；物料加熱均勻、產(chǎn)品質(zhì)量高；物料加熱均勻、產(chǎn)品質(zhì)量高；設(shè)備操作簡單，適應(yīng)性強，且占地面設(shè)備操作簡單，適應(yīng)性強，且占地面積小，工作環(huán)境良好；積小，工作環(huán)境良好；對營養(yǎng)成分破壞小。對營養(yǎng)成分破壞小。(如：如：Vc，必須必須氨基酸等氨基酸等) 參見參見表表4-3、4-4優(yōu)點：優(yōu)點：檢測檢測項目項目食品食品名稱名稱烹調(diào)前烹調(diào)前含量含量微波烹調(diào)后微波烹調(diào)后傳統(tǒng)烹調(diào)后傳統(tǒng)烹調(diào)后(mg/g)含量含量(mg/g)損耗率損耗率(%)含量含量(mg/g)損耗率損耗率(%)還原性還原性Vc卷心菜卷心菜23/10014.5/10036.968.5/10

16、063.04總總Vc25.2/10024.0/1004.7620.4/10019.05表表4-3 微波爐與傳統(tǒng)烹調(diào)對微波爐與傳統(tǒng)烹調(diào)對Vc的破壞情況的破壞情況必須氨基酸種類必須氨基酸種類加熱前百分組成加熱前百分組成(%)加熱后百分組成加熱后百分組成(%)異亮氨酸異亮氨酸4.884.70亮氨酸亮氨酸8.438.36賴氨酸賴氨酸9.389.23蛋氨酸半胱氨酸蛋氨酸半胱氨酸3.493.42蘇氨酸蘇氨酸4.754.71色氨酸色氨酸1.001.00纈氨酸纈氨酸5.094.97苯丙氨酸酪氨酸苯丙氨酸酪氨酸7.887.87表表4-4 微波爐處理蹄膀前后必須氨基酸的變化微波爐處理蹄膀前后必須氨基酸的變化微波加

17、熱的自動平衡性微波加熱的自動平衡性 當(dāng)微波頻率和電場強度一定時，物料在加熱或當(dāng)微波頻率和電場強度一定時，物料在加熱或干燥的過程中對微波功率的吸收，主要決定于干燥的過程中對微波功率的吸收，主要決定于物料的損耗因數(shù)物料的損耗因數(shù)( tan)，不同物料的損耗因不同物料的損耗因數(shù)是不同的，參見數(shù)是不同的，參見表表4-1。例如，物料中水的。例如，物料中水的損耗因數(shù)比其他物質(zhì)的大，物料中較濕的地方，損耗因數(shù)比其他物質(zhì)的大，物料中較濕的地方，水分多，吸收的能量多，溫升快，水分蒸蒸發(fā)水分多，吸收的能量多，溫升快，水分蒸蒸發(fā)就快。濕地方變干后，水分少，吸收的能量少，就快。濕地方變干后，水分少，吸收的能量少，溫升

18、就變慢。也就是說，微波能不會集中在已溫升就變慢。也就是說，微波能不會集中在已干的物質(zhì)部分，避免了已干物質(zhì)的過熱現(xiàn)象，干的物質(zhì)部分，避免了已干物質(zhì)的過熱現(xiàn)象，具有自動平衡的性能。具有自動平衡的性能。缺點：缺點： 微波加熱最主要的缺點是微波加熱最主要的缺點是電能消耗電能消耗大大。二、微波技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用情二、微波技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用情 況及最新發(fā)展況及最新發(fā)展 參見參見表表4-5、4-6、4-7加工方式加工方式應(yīng)用狀況應(yīng)用狀況制制 品品軟化軟化/解凍解凍實用階段實用階段凍魚、凍肉、牛油、漿果、巧克力、蛋黃膏制品凍魚、凍肉、牛油、漿果、巧克力、蛋黃膏制品烹烹 調(diào)調(diào)實用階段實用階段雞、煙熏肉、

19、夾肉餡餅、土豆食品、米飯雞、煙熏肉、夾肉餡餅、土豆食品、米飯干干 燥燥實用階段實用階段面食、洋蔥、米糕、海藻面食、洋蔥、米糕、海藻 試驗階段試驗階段快餐食品、雞蛋黃、水果、蜂蜜快餐食品、雞蛋黃、水果、蜂蜜真空干燥真空干燥試驗試驗/實用實用柑桔汁、糧谷、種子、花生、熱敏食品柑桔汁、糧谷、種子、花生、熱敏食品冷凍干燥冷凍干燥試驗階段試驗階段肉、蔬菜、水果肉、蔬菜、水果焙焙 烤烤試驗階段試驗階段面包、甜面包圈面包、甜面包圈烘烘 烤烤試驗試驗/實用實用堅果、咖啡豆、可可豆堅果、咖啡豆、可可豆巴氏殺菌巴氏殺菌實用階段實用階段面包、酸奶、飲料、豆腐、餡餅面包、酸奶、飲料、豆腐、餡餅消消 毒毒試驗階段試驗階

20、段牛奶、預(yù)處理過的食品牛奶、預(yù)處理過的食品去殼去皮去殼去皮試驗階段試驗階段谷物、馬鈴薯、水果谷物、馬鈴薯、水果熬熬 制制試驗階段試驗階段豬油、其它動物油脂豬油、其它動物油脂陳陳 化化試驗試驗/實用實用酒類酒類表表4-5 微波技術(shù)在食品加工上的應(yīng)用微波技術(shù)在食品加工上的應(yīng)用品品 名名微波設(shè)備的微波設(shè)備的規(guī)規(guī) 模模目的效果目的效果 功率、頻率功率、頻率(1)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn) (2)樣機樣機(1)干燥干燥 (2)殺菌殺菌 (3)殺蟲殺蟲乳兒糕乳兒糕5kW10 2450MHz(1)(1) (2) (3)營養(yǎng)松營養(yǎng)松5kW10 2450MHz(1)(1) (2) (3)甘露醇甘露醇10kW 2450MH

21、z(1)(1) (2)花粉花粉10kW 2450MHz(1)(2)方糖方糖5kW10 2450MHz(1)烘干成形烘干成形方便熟食品方便熟食品10kW2 2450MHz(2)(2)方便快餐食品方便快餐食品5kW3 2450MHz(1)(2)無殼瓜子無殼瓜子10kW2 915MHz(1)焙烤焙烤脆餅脆餅10kW 2450MHz(1)焙烤焙烤魚片干魚片干10kW 2450MHz(1)(1) (2)豆皮制品豆皮制品10kW 2450MHz(1)(1) (2) (3)白酒白酒20kW3 2450MHz(1)老熟醇化老熟醇化表表4-6 國內(nèi)食品加工中微波的應(yīng)用項目統(tǒng)計國內(nèi)食品加工中微波的應(yīng)用項目統(tǒng)計(一

22、一)品品 名名微波設(shè)備的微波設(shè)備的規(guī)規(guī) 模模目的效果目的效果 功率、頻率功率、頻率(1)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn) (2)樣機樣機(1)干燥干燥 (2)殺菌殺菌 (3)殺蟲殺蟲中藥材、中成藥中藥材、中成藥20kW 915MHz(1)(1) (2) (3)乳珍乳珍 (1)低溫滅菌，保持活性低溫滅菌，保持活性鹿茸鹿茸5kW 915MHz(2)(1) (2)檳榔芋檳榔芋20kW3 915MHz(1)(1) (2)魔芋魔芋5kW 915MHz(2)(1) (2)米酒米酒 (2)保鮮保鮮牛奶牛奶25kW 915MHz(1)(2)油炸方便面油炸方便面 (1)節(jié)油節(jié)油豬胴體豬胴體20kW5 915MHz(1)解凍回溫

23、解凍回溫咖啡豆咖啡豆10kW 2450MHz(2)焙烤焙烤小包裝榨菜小包裝榨菜15kW 2450MHz(2)(2)蝦粉湯料蝦粉湯料20kW 915MHz(1)(1) (2)雞糞飼料雞糞飼料60kW 915MHz(1)(1) (2) (3)表表4-7 國內(nèi)食品加工中微波的應(yīng)用項目統(tǒng)計國內(nèi)食品加工中微波的應(yīng)用項目統(tǒng)計(二二)(一一) 食品的解凍和軟化食品的解凍和軟化 國外已有使用國外已有使用915和和2450MHz微波解凍設(shè)微波解凍設(shè)備進行食品的軟化、解凍，見備進行食品的軟化、解凍，見圖圖4-6、4-7。圖圖4-6 915MHz，120kW連續(xù)式微波軟化連續(xù)式微波軟化/解凍裝置解凍裝置 圖圖4-7

24、 2450MHz，30kW連續(xù)式微波軟化連續(xù)式微波軟化/解凍裝置解凍裝置 (二二) 微波用于一些食品的烹調(diào)及預(yù)加工微波用于一些食品的烹調(diào)及預(yù)加工 (參見參見圖圖4-8、4-9)圖圖4-8 2450MHz，5080kW流動式切塊禽肉微波處理設(shè)備流動式切塊禽肉微波處理設(shè)備 圖圖4-9 915MHz， 60kW面食、醬料微波處理設(shè)備面食、醬料微波處理設(shè)備 (三三) 微波用于食品物料的干燥微波用于食品物料的干燥(包括真空、包括真空、 冷凍干燥冷凍干燥) 微波加熱可用于諸如通心粉、谷物、水果、海微波加熱可用于諸如通心粉、谷物、水果、海藻類食品等干燥。藻類食品等干燥。圖圖4-10、4-11分別為國外中分別

25、為國外中試用微波真空干燥機和微波冷凍干燥機。試用微波真空干燥機和微波冷凍干燥機。圖圖4-10 中試用微波真空干燥機中試用微波真空干燥機 圖圖4-11 中試用微波冷凍干燥機中試用微波冷凍干燥機(四四) 微波還可用于食品的殺菌消毒微波還可用于食品的殺菌消毒 微波殺菌消毒處理時間短，容易實現(xiàn)連微波殺菌消毒處理時間短，容易實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，不影響食品的原有風(fēng)味和營續(xù)化生產(chǎn)，不影響食品的原有風(fēng)味和營養(yǎng)成分。并且由于微波的穿透特性，食養(yǎng)成分。并且由于微波的穿透特性，食品可在包裝后進行殺菌消毒。品可在包裝后進行殺菌消毒。 參見參見表表4-8菌種菌種菌濃度菌濃度致死時間致死時間(min)(104個個/ml)23

26、4561015202530金黃色葡萄球菌金黃色葡萄球菌10A群溶血性鏈球菌群溶血性鏈球菌10鼠傷寒沙門氏菌鼠傷寒沙門氏菌10宋耐氏志賀氏菌宋耐氏志賀氏菌10埃希氏大腸桿菌埃希氏大腸桿菌10枯草芽孢桿菌枯草芽孢桿菌10 表表4-8 微波對純菌肉湯的致死試驗微波對純菌肉湯的致死試驗 (五五) 微波用于焙烤與烘烤微波用于焙烤與烘烤 雀巢公司已利用雀巢公司已利用5kW，2450MHz的微波烘烤設(shè)備烘的微波烘烤設(shè)備烘烤可可豆，生產(chǎn)能力根據(jù)豆的含水量可達烤可可豆，生產(chǎn)能力根據(jù)豆的含水量可達70120kgh-1，時間在時間在510min，烘烤時可可豆溫烘烤時可可豆溫度為度為105。(六六) 微波用于食品物料的去殼去皮微波用于食品物料的去殼去皮 美國曾有公司利用一臺美國曾有公司利用一臺150kW，915MHz的微的微波干燥設(shè)備干燥大豆并去殼，該設(shè)備生產(chǎn)能力波干燥設(shè)備干燥大豆并去殼，該設(shè)備生產(chǎn)能力可達可達6m3h-1，把大豆水分干燥至把大豆水分干燥至2%以下。以下。 瑞典已有瑞典已有30kW，2450MHz，用于土豆去皮的用于土豆去皮的微波設(shè)備，每次把微波設(shè)備，每次把4kg土豆的溫度從土豆的溫度從50加熱加熱到到85并去皮，生產(chǎn)速率為并去皮，生產(chǎn)