微波設備使用技術指南

一概述

微波是指波長范圍為1ｍｍ～1ｍ，頻率范圍為30×102 ～ 30×105ＭＨｚ，具有穿透特性的電磁波。常用的微波頻率為 91 5ＭＨｚ和 2 450ＭＨｚ。微波作為一種電磁波，通常應用于廣播、電視及通信技術中，近年來，隨著科學技術的發(fā)展，微波作為一種能源，已逐漸應用于食品殺菌、干燥、烘烤、膨化、解凍等方面。

微波技術在食品工業(yè)中的應用可追溯到四十年代末期，1947年由美國雷聲公司馬文·貝克根據(jù)微波的加熱效應制成了世界上第一臺用于食品加熱的微波爐。鑒于微波具有在食品內(nèi)部生熱并迅速產(chǎn)生均勻溫度的觀點，人們開始研究將它用于工業(yè)加熱技術上以其開辟新的熱能源，提高熱能利用率和縮短加工時間，大約經(jīng)歷了十余年的探索，終于在1965年由美國Cryodry Comporation 公司研制成功了世界上第一臺915MHz/50kW隧道式微波干燥設備，并在Seyfert Foods食品公司首次投入實際應用，用來干燥油炸馬鈴薯片。此后微波能技術在美國、日本、加拿大和歐洲等發(fā)達國家在用來解決食品工業(yè)中的多種加熱干燥、烹制、殺蟲滅菌和回溫解凍等方面相繼獲得成功并表現(xiàn)出強大的技術優(yōu)勢。到七十年代，世界各國普遍推廣應用。例如在氣候溫和潮濕的日本，微波在食品工業(yè)中的應用占整個工業(yè)應用的60%。我國自1973年由南京電子管廠率先研制成功了工業(yè)微波干燥設備以來，經(jīng)過了20年的努力，也積累了比較豐富的經(jīng)驗。目前我國已成功地應用微波能燒烤食品、干果焙烤、牛肉干燥、蔬菜脫水、快餐面干燥、食品殺菌、飲料殺菌、白酒陳化催熟等許多領域，并取得顯著進展。

二 微波技術的原理及特點

綜合微波技術在食品工業(yè)中的各種應用可歸結為如下原理。

（一）　微波加熱干燥原理

微波加熱技術是一種新的加熱方式。它是依靠以每秒 245000萬次速度進行周期變化的微波透入物料內(nèi)，與物料的極性分子相互作用，物料中的極性 (如水分子 )吸收了微波能以后，改變其原有的分子結構，亦以同樣的速度作電場極性運動，致使彼此間頻繁碰撞而產(chǎn)生了大量的摩擦熱，從而使物料內(nèi)各部分在同一瞬間獲得熱能而升溫。由于微波輻射下介質的熱效應是內(nèi)部整體加熱的，即理論上所謂的“無溫度梯度加熱”，基本上介質內(nèi)部不存在熱傳導現(xiàn)象，因此，微波可相當均勻地加熱介質。微波加熱技術與傳統(tǒng)加熱方法相比，有如下特性：①穿透力強。②熱慣性小。③呈現(xiàn)選擇加熱特性。④具有反射性和透射性。

微波干燥是在微波理論，微波技術和微波電子管成就的基礎上發(fā)展起來的一門新技術，微波干燥已在許多領域內(nèi)獲得廣泛的應用。它是應用微波加熱的原理，

使品溫度上升，達到干燥的目的。微波干燥具有如下的特點：

1 .干燥速度快、干燥時間短

由于常規(guī)加熱需要加熱傳熱介質和環(huán)境，再進入食品，故需較長時間才能達到所需加熱溫度。而微波加熱則是加熱物體直接吸收微波能，加熱速度大大高于常規(guī)加熱方法，此時只需一般方法的十分之一到百分之一的時間就能完成整個加熱和干燥的過程。

2. 產(chǎn)品質量高

由于加熱時間短，又非熱效應配合，因此，可以保存加工原料的色、香、味 ,并且維生素的破壞也較少。

3. 加熱均勻

常規(guī)加熱是食品表面先熱，然后通過熱傳導把熱量傳到內(nèi)部，而微波加熱是使食品表面和內(nèi)部同時受熱，因此加熱均勻，可以避免一般加熱干燥過程中容易引起的里生外焦及不均勻等現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品的質量。

4. 加熱過程具有自動熱平衡性能

當頻率和電場的強度一定時，物料在干燥過程中對微波功率的吸收，主要決定于介質損耗因素之值。不同干燥物質的介質損耗因素不同，如水比干物質為大 ,故吸收能量多，水分蒸發(fā)快。因此，微波不會集中在已干的物質部分，避免了物質的過熱現(xiàn)象，具有自動平衡性能，從而保證了物質原有的各種特性。

5. 反應靈敏便于控制

用常規(guī)加熱法不論是電熱、蒸汽、熱空氣等，要達到一定的溫度需要預熱一段時間，當發(fā)生故障或停止加熱時，溫度的下降又需要較長的時間，而利用微波加熱時，開機幾分鐘即可正常運行。調整微波輸出功率，物料加熱情況立即無惰性地隨著改變，因此，便于自動化控制，節(jié)省人力。

6. 熱效率高、設備占地面積小

因為微波加熱干燥是內(nèi)部加熱法，所以加熱設備本身基本上可以說是不輻射熱量的，故熱損失較小，熱效率較高，約可達到80 %左右，與常規(guī)方法相比，可節(jié)電 3 0 %～ 50 %。同時微波加熱設備體積也比較小，與普通加熱干燥方法相比，所需廠房面積小。

7. 改善勞動條件

微波設備無余熱、無污染、不輻射熱量，所以大大改善了勞動條件。

（二）食品微波殺菌的作用機理

食品微波殺菌機理包括熱效應和非熱效應兩方面。

1．微波能的熱效應

微波作用于食品時，食品表層和內(nèi)部同時吸收微波能，溫度升高。食品中污染的微生物細胞在微波場作用下，其分子也被極化產(chǎn)生高頻振蕩，產(chǎn)生熱效應。溫度的快速升高使菌體內(nèi)蛋白質結構發(fā)生變化，從而失去生物活性，使菌體死亡或受到嚴重干擾而無法繁殖。

2．微波能的非熱生化效應

已有不少實驗證明微波對微生物的致死確實存在非熱效應。微波的作用可使微生物生命代謝活動中的大量電子、離子和其它帶電粒子的生物性排列組合狀態(tài)和運動規(guī)律發(fā)生改變，造成微生物的生理活性物質發(fā)生變化。同時，電場也會使細胞膜附近的電荷分布改變，導致膜功能障礙，使微生物細胞的正常代謝功能受到干擾和破壞，使微生物的生長受到抑制，甚至停止生長或死亡。微波能還能使微生物生存所必須的水分活度降低，破壞微生物的生存環(huán)境。微生物細胞內(nèi)的DNA和RNA吸收微波能后，會造成分子結構中的氫鍵松馳、斷裂和重新組合，誘發(fā)基因突變，染色體畸變，從而中斷微生物細胞的正常繁殖。

這樣，在微波輻照使食品溫度升高的熱效應和蛋白質分子變性后失去生物活性的非熱效應雙重因素共同作用下，細菌、酵母菌等微生物將在短時間內(nèi)被殺死，而且食品的色、香、味和營養(yǎng)成分并未因此受到損失。

（三）微波萃取的原理

由于微波的頻率與分子轉動的頻率相關連，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，促進了分子的轉動運動，分子若此時具有一定的極性，便在微波電磁場作用下產(chǎn)生瞬時極化，并以 2 4. 5億次 / s的速度做極性變換運動，從而產(chǎn)生鍵的振動、撕裂和粒子之間的相互摩擦、碰撞，促進分子活性部分 (極性部分 )更好地接觸和反應，同時迅速生成大量的熱能，促使細胞破裂，使細胞液溢出來并擴散到溶劑中。

傳統(tǒng)熱萃取是以熱傳導、熱輻射等方式由外向里進行，而微波萃取是通過偶極子旋轉和離子傳導兩種方式里外同時加熱，微波熱萃取和傳統(tǒng)熱萃取相比，微波萃取具有以下特點：

a. 質量高，可有效地保護食品中的功能成分；

b. 產(chǎn)量大；

c. 對萃取物具有高選擇性；

d. 省時 (30 s～1 0 min)；

e. 溶劑用量少 (可較常規(guī)方法少 50 %～90 % )；

f. 低耗能。

三微波技術在食品工業(yè)中的應用

（一）微波加熱技術在食品工業(yè)中的應用

1　微波加熱用于烹調食品

利用微波烹調食品有利于保持食品中的營養(yǎng)成分和風味。無論用哪種烹調方法，只要烹調時間短而所用水量又少，則其維生素Ｃ的保存率就高。

在美國、日本的食品市場上微波食品的種類十分繁多。其中美國是世界上家用微波爐普及率最高的國家，其微波食品的生產(chǎn)和銷售量極大。但以冷凍類預制食品中的冷凍蔬菜，包括多種煮熟并配有調料的混合蔬菜和冷凍調理食品的產(chǎn)量最大，發(fā)展速度最快。主要品種有蔬菜、餡餅，各種面包及點心用的生面團。目前，美國有 2 0 0多家企業(yè)共生產(chǎn) 3 0 0多種在包裝上標明“微波”標簽的微波預制食品。產(chǎn)品涉及耐貯存的精制菜肴、預制湯類、冷藏小包裝速食小菜、蔬菜、配菜 ,各種餐后甜食、冷凍快餐、薄烤餅、炸土豆食品、脆花生等。

我國臺灣省市場上銷售的微波加熱和烹調食品也有3 0多種，包括主食類炒飯、燴飯、炒面、水餃、春卷、燒賣、饅頭、胡椒牛肉、扣肉、雞丁、牛肉湯面、海鮮煲、牛肉煲、沙拉和蔥油派等。

2　微波加熱用于焙烤食品

微波用于焙烤食品，如面包、甜面包圈的烤制時，不僅使產(chǎn)品質量大為改善，而且可縮短生產(chǎn)時間，延長產(chǎn)品的貨架期。微波一方面快速殺滅面粉中α-淀粉酶活性，用該面粉烤制面包，其內(nèi)芯不粘牙；另一方面，微波加熱促進生面團中酵母繁殖而醒發(fā)面團，利用醒發(fā)的面團制成的食品結構均勻，有咬勁。

3 微波加熱用于解凍食品

深度凍結的物料需解凍后才能進一步加工，尤其是大塊冷凍食品原料。在傳統(tǒng)的加工方法中，冷凍食品物料的解凍過程是個費時費力的過程。微波解凍使溫度回至 0℃左右，具有解凍時間短，風味、鮮度、營養(yǎng)成分保持率高，無污水排放，工作環(huán)境整潔等優(yōu)點。適用于分割肉凍塊、魚、蛋粉凍塊的解凍以及快速熔化的巧克力、油脂等。另外，為了解決低于零度的物料水分測量難題，可將微波解凍與水分測量裝置組合用來測量低于零度的糧食等的含水率。

（二）、微波干燥技術在食品加工業(yè)中的應用

微波干燥技術對固體飲料、糕點、糧食、藥材等進行快速干燥的應用范圍很廣，目前應用成果層出不窮。日本采用 2450 MHz/ 16×5Kw微波干燥設備生產(chǎn)出膨化干燥蛋黃粉。美國研制出 915MHz/ 60 Kw的通心面微波干燥機。法國國際微波公司的 2 450 MHz/48Kw的微波真空干燥設備用于速溶桔粉生產(chǎn)，產(chǎn)品不僅保持了桔汁原有的色、香、味，而且由于干燥溫度低，保留的 Vc是其它方法不可能達到的。日本在進行紫菜干燥時，以微波作為最終干燥手段，縮短了加熱周期，同時提高了產(chǎn)品質量。美國加州州立大學與某公司合作將微波真空干燥技術應用于生產(chǎn)能保持原有形狀不變的脫水葡萄，這種葡萄具有新鮮葡萄原有的風味、色澤，而維生素 B2 和 C的含量為新葡萄的3～ 4倍。國外把微波干燥與熱風干燥相結合對糧食進行干燥處理，結果表明，干燥溫度大大降低，且干燥時間明顯減少，僅為熱風干燥法的十分之一，對小麥蛋白質量、出粉率均無影響。

國內(nèi)在微波干燥技術應用方面的研究成果也很多。目前，國內(nèi)科研人員已經(jīng)把微波干燥技術應用于蘑菇類、蔬菜類的干燥加工；應用于藥材如天麻、當歸、黨參、人參、鹿茸等的深加工；應用于營養(yǎng)保健食品如人參精、花粉、蜂王漿等制造業(yè)；應用于肉類加工如牛肉干、雞肉絲等的干制以及其它食品的干制加工中。

目前，很多農(nóng)產(chǎn)品如茶葉、谷物、蔬菜、水果、大豆等都已成功應用了微波干燥，并取得了顯著的經(jīng)濟效益；與此同時，農(nóng)產(chǎn)品微波干燥機理的研究也比較活躍，如谷物干燥方面，國內(nèi)外研究較多的有玉米、水稻、小麥、油菜籽和大豆等，這勢必會促進農(nóng)產(chǎn)品微波干燥的發(fā)展。

（三）微波殺菌工藝在食品加工業(yè)中的應用

由于食品防腐劑的使用要求相當嚴格，在食品中不添加防腐劑就可大大延長保鮮期的微波殺菌技術的應用越來越廣泛。瑞典、德國、丹麥和意大利等國使用微波對切片面包殺菌、防霉、保鮮，已達到工業(yè)化生產(chǎn)程度，我國的一些食品生產(chǎn)企業(yè)也開始將微波殺菌技術應用到部分食品的加工、運輸、貯藏及銷售中。

微波殺菌可以在食品包裝前進行也可以在包裝后進行。采用包裝后對食品進行微波殺菌時，由于食品接受微波能后升溫并產(chǎn)生蒸汽，壓力過高時會脹破包裝容器（袋），因此，包裝后的食品微波能殺菌過程應在加壓下進行，或將包裝好的食品置于加壓的玻璃容器內(nèi)進行微波殺菌處理。

微波食品殺菌機在食品生產(chǎn)中，最難控制的一個問題就是微生物二次污染問題。用高溫加熱或微波殺菌，可有效殺滅食品中的細菌等微生物；但許多經(jīng)高溫處理的糕點等食品在出廠后不久，仍出現(xiàn)了微生物超標、發(fā)霉變質的問題。　　

　　徐俊龍先生認為，發(fā)生這種問題的主要原因是在冷卻和包裝環(huán)節(jié)，食品被空氣中的微生物二次污染。因為，原料被加工為半成品時，經(jīng)過了高溫或微波殺菌，腐敗性微生物等基本被殺滅。但許多經(jīng)高溫處理的食品在冷卻和包裝環(huán)節(jié)，還是與車間內(nèi)的空氣直接接觸；如果車間空氣中含較多的微生物，則這些微生物會附著在食品表面，再次污染食品，將導致食品在日后的貯藏過程中變質?！　?/span>

　　食品菌落總數(shù)超標、產(chǎn)品保質期內(nèi)霉變等安全質量問題，經(jīng)常困擾中小食品企業(yè)。為保障食品質量、提高市場競爭力，中小食品企業(yè)可采用動態(tài)空氣消毒設備；這種動態(tài)消毒設備在在工人上班時開機、過程中持續(xù)殺菌不允許關機，工人下班后同步關機。讓食品加工環(huán)境消毒由臭氧、紫外線及藥物噴灑等靜態(tài)殺菌時代走向NICOLER動態(tài)殺菌時代，在食品行業(yè)有著廣闊的空間。目前已經(jīng)開發(fā)出對蛋粉，蛋黃粉，瓜子仁等食品滅菌機。