食品技术原理之第6章

1、食品加工与保藏原理食品加工与保藏原理 第六章第六章 食品的微波处理技术食品的微波处理技术 微波技术的发展历史微波技术的发展历史 微波的性质与加热机理微波的性质与加热机理 微波加热在食品工业中的应用微波加热在食品工业中的应用 微波加热设备的组成及选用微波加热设备的组成及选用 微波的安全使用及防护微波的安全使用及防护 第一节第一节 微波技术的发展历史微波技术的发展历史 1940 Birmingham U. 1945.10.9 Raytheon C. 第一个专利第一个专利 1947 Raytheon C. 第一台微波炉第一台微波炉 1965 在美国隧道式炸马铃薯片在美国隧道式炸马铃薯片 参见参见图图

2、6-1 图图6-1 世界上第一台微波炉世界上第一台微波炉 第二节第二节 微波的性质与加热机理微波的性质与加热机理 微波的性质微波的性质 微波是频率非常高的电磁波，又称微波是频率非常高的电磁波，又称 为超高频波，频率大约从为超高频波，频率大约从300MHz到到 300GHz*。之所以称为微波，是因。之所以称为微波，是因 为其波长在为其波长在10mm1m，比普通的无，比普通的无 线电波波长更微小。线电波波长更微小。 *：1GHz = 103 MHz = 109 Hz ISM(Industry Scientific & Medical) 食品工业所使用的微波加热设备的频率有食品工业所使用的微波加热设

3、备的频率有 915MHz(美国用美国用896MHz)和和2450MHz两种，而普两种，而普 通家用微波炉使用的频率则一般为通家用微波炉使用的频率则一般为2450MHz。 微波常在一定尺寸的波导管内传输。微波常在一定尺寸的波导管内传输。 微波的加热机理微波的加热机理 食品工业中所使用的微波设备主要是利用食品工业中所使用的微波设备主要是利用 微波的热效应。食品中的水分、蛋白质、微波的热效应。食品中的水分、蛋白质、 脂肪、碳水化合物等都属于脂肪、碳水化合物等都属于介电材料介电材料 (dielectric material)，微波对它们的加热，微波对它们的加热 称作称作介电感应加热介电感应加热(die

4、lectric heating)。 参见参见图图6-2、6-3 图图6-2 水分子的极性水分子的极性 图图6-3 微波加热机理示意图微波加热机理示意图 微波加热的特性微波加热的特性 (一一) 选择性选择性 (二二) 穿透性穿透性 (一一) 选择性选择性 在微波场中，各电介质吸收微波而产生的热能在微波场中，各电介质吸收微波而产生的热能可用下式表示：可用下式表示： 式中式中: P：在单位时间：在单位时间(1s)内，单位体积电介质内，单位体积电介质(1cm3)吸收微波所产生的吸收微波所产生的 热能热能(Wcm-3) f ：微波频率：微波频率(Hz) E：电极间电场强度：电极间电场强度(Vcm-1)

5、：电介质的介电常数：电介质的介电常数 ：电介质的损失角：电介质的损失角(导电率导电率) 参见参见表表6-1 tan：电介质的有效损耗正切：电介质的有效损耗正切 dielectric loss factor (. tan)是每种介电材料所固有的性质，称为损耗因数或介电损失是每种介电材料所固有的性质，称为损耗因数或介电损失 122 10tanEf 9 5 P 电介质电介质 介电常数介电常数()导电率导电率(tan)损耗因数损耗因数( 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

6、生豚肉(-15，2450MHz)6.8 1.28.16 生牛肉生牛肉(-15，2450MHz)5.0 0.15 0.75 马铃薯马铃薯(2450MHz)4.50.20.9 碗豆碗豆(2450MHz)2.50.2 0.5 菠菜菠菜(2450MHz) 13.00.56.5 小麦粉小麦粉(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(软干材软干材) 50.0650.325 生橡胶生橡胶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350.025

7、0.050.0750.25 聚苯乙烯聚苯乙烯2.63.00.00020.00040.000520.0012 陶瓷器、纸陶瓷器、纸 0.10.2 玻璃玻璃 0.05 表表6-1 一些电介质的损耗因数一些电介质的损耗因数 微波的选择性加热给微波加热的好处和坏处微波的选择性加热给微波加热的好处和坏处 好处：好处： 1. 加热效率高，节约能源，易控制；加热效率高，节约能源，易控制； 2. 可用于干燥谷物的杀虫。可用于干燥谷物的杀虫。 坏处：坏处： 微波的选择性加热是造成微波微波的选择性加热是造成微波加热不均匀加热不均匀 (runaway heating)的主要原因之一。的主要原因之一。 为了克服微波的

8、选择性加热所带来的加热不均为了克服微波的选择性加热所带来的加热不均 匀，方法主要有以下几点：匀，方法主要有以下几点： 1. 要了解被加热物体的电容特性；要了解被加热物体的电容特性； 2. 按照按照半衰深度半衰深度的大小，将食品进行分割；的大小，将食品进行分割； 3. 改进容器，克服改进容器，克服棱角效应棱角效应； 4. 流体食品可结合搅拌方法；流体食品可结合搅拌方法； 5. 可结合远红外、热风加热等方式。可结合远红外、热风加热等方式。 (二二) 穿透性穿透性 假设假设P0为电介质表面的入射电场，为电介质表面的入射电场，P为某一穿透深度为某一穿透深度D时的电场，时的电场， 则有如下关系存在：则有

9、如下关系存在： 式中：式中： D：微波的穿透深度：微波的穿透深度(m) ：所用微波的波长：所用微波的波长(m) ：被加热物体的的介电常数：被加热物体的的介电常数 tan：被加热物体的导电率：被加热物体的导电率 由上两式可知道穿透深度由上两式可知道穿透深度D也是也是和和tan的函数，受被加热物体性的函数，受被加热物体性 质、温度、状态的影响。质、温度、状态的影响。 参见参见表表6-2 PP0 e 2D ) 1tan1( 2 2 2 被加热物体名称被加热物体名称温温 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

10、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 冷冻干燥的牛肉冷冻干燥的牛肉-60.0550.0190.0 -17.7180.0 64.0 表表6-2 一些物质的微波穿透深度一些物质的微波穿透深度 微波的穿透性对于微波加热的好处和坏处微波的穿透性对于微波加热的好处和坏处 好处：好处： 1. 实现包装后食品的短时杀菌。实现包装后食品的短时杀菌。 2. 加热加热时间短，时间短，干燥速度快，而且对有干燥速度快，而且对有 些食品还些食品还能起到特有的膨化效果能起到特有的膨化效果。 3. 快速

11、解冻。快速解冻。 坏处：坏处： 微波加热的穿透性是造成微波微波加热的穿透性是造成微波加热不均匀加热不均匀 (runaway heating)的另一个主要原因之一的另一个主要原因之一。 为了克服微波穿透性带来的加热不均匀，主为了克服微波穿透性带来的加热不均匀，主 要有以下方法：要有以下方法： 1. 使微波从各个方向照射被加热物体；使微波从各个方向照射被加热物体； 参见参见图图6-4 2. 承载被加热物体的托盘采用微波穿透承载被加热物体的托盘采用微波穿透 性好的材料，并且可以旋转；性好的材料，并且可以旋转； 3. 微波炉炉壁和炉底采用可反射微波的微波炉炉壁和炉底采用可反射微波的 材料；材料； 4.

12、 被加热物体的厚度应在半衰深度的被加热物体的厚度应在半衰深度的2 倍左右。倍左右。 微波的穿透性与温度分布微波的穿透性与温度分布 微波加热最大的问题就是加热不均匀。造成的原因主要有微波加热最大的问题就是加热不均匀。造成的原因主要有 以下几点：以下几点： 1. 微波加热的选择性。在相同的微波场中，不同的食微波加热的选择性。在相同的微波场中，不同的食 品材料以及这些材料温度、状态的不同，都会引起品材料以及这些材料温度、状态的不同，都会引起 食品各部分温度上升的差异。食品各部分温度上升的差异。 2. 微波虽然有好的穿透性，可是它在实际加热中受反微波虽然有好的穿透性，可是它在实际加热中受反 射、穿透、

13、折射、吸收等影响，使被加热物体各部射、穿透、折射、吸收等影响，使被加热物体各部 分产生的热能产生较大的差异。分产生的热能产生较大的差异。 3. 电场的尖角集中性，也称为电场的尖角集中性，也称为棱角效应棱角效应(edge effect)。 微波作为电磁波的一种，其电场也有尖角集中性。微波作为电磁波的一种，其电场也有尖角集中性。 当食品放入微波场中进行加热时，某些部分会因为当食品放入微波场中进行加热时，某些部分会因为 电场集中而产热多，温升快。电场集中而产热多，温升快。 微波加热中，热集中的地方称为微波加热中，热集中的地方称为热点热点(hot spot)，见，见图图6-5。 runaway hea

14、ting A. 圆形物体的热点圆形物体的热点 B. 方形物体的热点分布方形物体的热点分布 图图6-5 物体在微波场中加热时的热点分布情况物体在微波场中加热时的热点分布情况 第三节第三节 微波加热在食品工业微波加热在食品工业 中的应用中的应用 一、在食品工业中采用微波加热技术一、在食品工业中采用微波加热技术 的优缺点的优缺点 1.加热、干燥速度快，所需时间短；加热、干燥速度快，所需时间短； 2.加热效率高；加热效率高； 3.加热过程具有自动平衡性加热过程具有自动平衡性*； 4.物料加热均匀、产品质量高；物料加热均匀、产品质量高； 5.设备操作简单，适应性强，且占地面积小设备操作简单，适应性强，且

15、占地面积小 ，工作环境良好；，工作环境良好； 6.对营养成分破坏小。对营养成分破坏小。(如：如：Vc，必须氨基酸，必须氨基酸 等等) 7.改善某些食品品质。酒品质的改良改善某些食品品质。酒品质的改良 优点：优点： 检测检测 项目项目 食品食品 名称名称 烹调前烹调前 含量含量 微波烹调后微波烹调后传统烹调后传统烹调后 (mg/g)含量含量 (mg/g) 损耗率损耗率 (%) 含量含量 (mg/g) 损耗率损耗率 (%) 还原性还原性 Vc 卷心菜卷心菜 23/10014.5/10036.968.5/10063.04 总总Vc25.2/10024.0/1004.7620.4/10019.05 表

16、表6-3 微波炉与传统烹调对微波炉与传统烹调对Vc的破坏情况的破坏情况 必须氨基酸种类必须氨基酸种类加热前百分组成加热前百分组成(%)加热后百分组成加热后百分组成(%) 异亮氨酸异亮氨酸4.884.70 亮氨酸亮氨酸8.438.36 赖氨酸赖氨酸9.389.23 蛋氨酸半胱氨酸蛋氨酸半胱氨酸3.493.42 苏氨酸苏氨酸4.754.71 色氨酸色氨酸1.001.00 缬氨酸缬氨酸5.094.97 苯丙氨酸酪氨酸苯丙氨酸酪氨酸7.887.87 表表6-4 微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化 微波加热的自动平衡性微波加热的自动平衡性 当微波频率和电场强度一定时，物

17、料在加热或当微波频率和电场强度一定时，物料在加热或 干燥的过程中对微波功率的吸收，主要决定于干燥的过程中对微波功率的吸收，主要决定于 物料的损耗因数物料的损耗因数( tan)，不同物料的损耗因，不同物料的损耗因 数是不同的，参见数是不同的，参见表表6-1。例如，物料中水的。例如，物料中水的 损耗因数比其他物质的大，物料中较湿的地方损耗因数比其他物质的大，物料中较湿的地方 ，水分多，吸收的能量多，温升快，水分蒸蒸，水分多，吸收的能量多，温升快，水分蒸蒸 发就快。湿地方变干后，水分少，吸收的能量发就快。湿地方变干后，水分少，吸收的能量 少，温升就变慢。也就是说，微波能不会集中少，温升就变慢。也就是

18、说，微波能不会集中 在已干的物质部分，避免了已干物质的过热现在已干的物质部分，避免了已干物质的过热现 象，具有自动平衡的性能。象，具有自动平衡的性能。 缺点：缺点： 微波加热最主要的缺点是微波加热最主要的缺点是电能消耗电能消耗 大大。 二、微波技术在食品工业中的应用情二、微波技术在食品工业中的应用情 况及最新发展况及最新发展 参见参见表表6-5、6-6、6-7 加工方式加工方式应用状况应用状况制制 品品 软化软化/解冻解冻实用阶段实用阶段冻鱼、冻肉、牛油、浆果、巧克力、蛋黄膏制品冻鱼、冻肉、牛油、浆果、巧克力、蛋黄膏制品 烹烹 调调实用阶段实用阶段鸡、烟熏肉、夹肉馅饼、土豆食品、米饭鸡、烟熏肉

19、、夹肉馅饼、土豆食品、米饭 干干 燥燥实用阶段实用阶段面食、洋葱、米糕、海藻面食、洋葱、米糕、海藻 试验阶段试验阶段快餐食品、鸡蛋黄、水果、蜂蜜快餐食品、鸡蛋黄、水果、蜂蜜 真空干燥真空干燥试验试验/实用实用柑桔汁、粮谷、种子、花生、热敏食品柑桔汁、粮谷、种子、花生、热敏食品 冷冻干燥冷冻干燥试验阶段试验阶段肉、蔬菜、水果肉、蔬菜、水果 焙焙 烤烤试验阶段试验阶段面包、甜面包圈面包、甜面包圈 烘烘 烤烤试验试验/实用实用坚果、咖啡豆、可可豆坚果、咖啡豆、可可豆 巴氏杀菌巴氏杀菌实用阶段实用阶段面包、酸奶、饮料、豆腐、馅饼面包、酸奶、饮料、豆腐、馅饼 消消 毒毒试验阶段试验阶段牛奶、预处理过的食

20、品牛奶、预处理过的食品 去壳去皮去壳去皮试验阶段试验阶段谷物、马铃薯、水果谷物、马铃薯、水果 熬熬 制制试验阶段试验阶段猪油、其它动物油脂猪油、其它动物油脂 陈陈 化化试验试验/实用实用酒类酒类 表表6-5 微波技术在食品加工上的应用微波技术在食品加工上的应用 品品 名名微波设备的微波设备的规规 模模目的效果目的效果 功率、频率功率、频率(1)批量生产批量生产 (2)样机样机(1)干燥干燥 (2)杀菌杀菌 (3)杀虫杀虫 乳儿糕乳儿糕5kW10 2450MHz(1)(1) (2) (3) 营养松营养松5kW10 2450MHz(1)(1) (2) (3) 甘露醇甘露醇10kW 2450MHz(

21、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) 无壳瓜子无壳瓜子10kW2 915MHz(1)焙烤焙烤 脆饼脆饼10kW 2450MHz(1)焙烤焙烤 鱼片干鱼片干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6-6 国内食品加工中微波的应用项目统计国内食品加工中微波的

22、应用项目统计(一一) 品品 名名微波设备的微波设备的规规 模模目的效果目的效果 功率、频率功率、频率(1)批量生产批量生产 (2)样机样机(1)干燥干燥 (2)杀菌杀菌 (3)杀虫杀虫 中药材、中成药中药材、中成药20kW 915MHz(1)(1) (2) (3) 乳珍乳珍 (1)低温灭菌，保持活性低温灭菌，保持活性 鹿茸鹿茸5kW 915MHz(2)(1) (2) 槟榔芋槟榔芋20kW3 915MHz(1)(1) (2) 魔芋魔芋5kW 915MHz(2)(1) (2) 米酒米酒 (2)保鲜保鲜 牛奶牛奶25kW 915MHz(1)(2) 油炸方便面油炸方便面 (1)节油节油 猪胴体猪胴体2

23、0kW5 915MHz(1)解冻回温解冻回温 咖啡豆咖啡豆10kW 2450MHz(2)焙烤焙烤 小包装榨菜小包装榨菜15kW 2450MHz(2)(2) 虾粉汤料虾粉汤料20kW 915MHz(1)(1) (2) 鸡粪饲料鸡粪饲料60kW 915MHz(1)(1) (2) (3) 表表6-7 国内食品加工中微波的应用项目统计国内食品加工中微波的应用项目统计(二二) (一一) 食品的解冻和软化食品的解冻和软化 国外已有使用国外已有使用915和和2450MHz微波解冻设备进微波解冻设备进 行食品的软化、解冻，见行食品的软化、解冻，见图图6-6、6-7。 图图6-6 915MHz，120kW连续式

24、微波软化连续式微波软化/解冻装置解冻装置 图图6-7 2450MHz，30kW连续式微波软化连续式微波软化/解冻装置解冻装置 (二二) 微波用于一些食品的烹调及预加工微波用于一些食品的烹调及预加工 (参见参见图图6-8、6-9) 图图6-8 2450MHz，5080kW流动式切块禽肉微波处理设备流动式切块禽肉微波处理设备 图图6-9 915MHz， 60kW面食、酱料面食、酱料 微波处理设备微波处理设备 (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、 冷冻干燥冷冻干燥) 微波加热可用于诸如通心粉、谷物、水果、海微波加热可用于诸如通心粉、谷物、水果、海 藻类食品等干

25、燥。藻类食品等干燥。图图6-10、6-11分别为国外中分别为国外中 试用微波真空干燥机和微波冷冻干燥机。试用微波真空干燥机和微波冷冻干燥机。 图图6-10 中试用微波真空干燥机中试用微波真空干燥机 图图6-11 中试用微波冷冻干燥机中试用微波冷冻干燥机 (四四) 微波还可用于食品的杀菌消毒微波还可用于食品的杀菌消毒 微波杀菌消毒处理时间短，容易实现连微波杀菌消毒处理时间短，容易实现连 续化生产，不影响食品的原有风味和营续化生产，不影响食品的原有风味和营 养成分。并且由于微波的穿透特性，食养成分。并且由于微波的穿透特性，食 品可在包装后进行杀菌消毒。品可在包装后进行杀菌消毒。 参见参见表表6-8

26、 菌种菌种菌浓度菌浓度致死时间致死时间(min) (104个个 /ml) 234561015202530 金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌10 A群溶血性链球菌群溶血性链球菌10 鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌10 宋耐氏志贺氏菌宋耐氏志贺氏菌10 埃希氏大肠杆菌埃希氏大肠杆菌10 枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌10 表表6-8 微波对纯菌肉汤的致死试验微波对纯菌肉汤的致死试验 (五五) 微波用于焙烤与烘烤微波用于焙烤与烘烤 雀巢公司已利用雀巢公司已利用5kW，2450MHz的微波烘烤设的微波烘烤设 备烘烤可可豆，生产能力根据豆的含水量可达备烘烤可可豆，生产能力根据豆的含水量可达 70120kgh-1，时

27、间在，时间在510min，烘烤时可可豆，烘烤时可可豆 温度为温度为105。 (六六) 微波用于食品物料的去壳去皮微波用于食品物料的去壳去皮 美国曾有公司利用一台美国曾有公司利用一台150kW，915MHz的微的微 波干燥设备干燥大豆并去壳，该设备生产能力波干燥设备干燥大豆并去壳，该设备生产能力 可达可达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 微波设备，每次把微波设备，每次把4kg土豆的温度从土豆的温度从50加热加热 到到85并去皮，生产速率为并去皮，生产速率为600kgh-1，产品在，产品在 8

28、下可保存下可保存6周。周。 (七七) 微波用于动物油脂的熬制微波用于动物油脂的熬制 国外已有国外已有30kW，2450MHz的微波处理设的微波处理设 备用于熬制动物油脂。备用于熬制动物油脂。 (八八) 微波用于酒类的陈化微波用于酒类的陈化 微波催陈酒类技术是我国科技工作者在微波技术微波催陈酒类技术是我国科技工作者在微波技术 应用与食品工业方面的首创。目前不仅有大功率应用与食品工业方面的首创。目前不仅有大功率 (5kW)的，也有中等功率的，也有中等功率(800W)的老熟设备。的老熟设备。 节省存坛厂房或仓库面积和设备节省存坛厂房或仓库面积和设备 减少存坛期的挥发损失减少存坛期的挥发损失 (九九) 其他其他 微波技术还可用于包装封口、榨油微波技术还可用于包装封口、榨油(油脂提取油脂提取) 、速冻食品的加热、鱼饲料的加工、膨化食品、速冻食品的加热、鱼饲