張超，任凡，吳聲敏

（中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

0 引言

近年來，隨著我國海軍艦船駛向遠洋，艦船生活垃圾處理問題受到了普遍的重視，其中餐廚垃圾因其產(chǎn)量大、易產(chǎn)生二次污染、不易處理等特點，逐漸成為艦船生活垃圾處理的難點。早在20世紀70年代，國際上為了防止船舶垃圾污染海洋環(huán)境，制定了“73/ 78防污公約”（CMARPOL73/78）［1］，公約規(guī)定“食品廢棄物應(yīng)該在盡可能遠離陸地處入海，禁止在距最近的陸地12 n mile以內(nèi)處理入海?！币?guī)定中的食品廢棄物就是餐廚垃圾，包括剩飯、剩菜、蔬菜根葉、瓜果皮核、廢棄的動物組織等產(chǎn)生于餐廳、廚房的廢棄物，其成分主要是水、糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、食鹽等，由于含有豐富的有機營養(yǎng)成分，極易腐敗、變臭，滋生蟲害，污水橫流。在艦船這個特殊的環(huán)境下，餐廚垃圾的處理問題更加突出，因為餐廚垃圾不僅產(chǎn)量大、難處理，而且隨意拋灑又會在海面上留下大量的漂浮物，留下“尾跡”，因此為了保護海洋環(huán)境，同時為了維護我們國家負責任的大國形象，艦船餐廚垃圾應(yīng)該進行防腐處理，實現(xiàn)長時間無污染存放的目的。

為了解決艦船餐廚垃圾處理的難題，各國海軍都積極采取措施防治餐廚垃圾污染［2］，歸納這些措施的性質(zhì)，可以將其分類為物理法（如焚燒、冷藏、高溫殺菌、輻照殺菌）、化學法（如腌制、加防腐劑）、生物法（如微生物降解）等。結(jié)合艦船餐廚垃圾處理的特殊要求，我們提出應(yīng)用微波殺菌技術(shù)來處理餐廚垃圾，這是一種在食品保鮮行業(yè)廣泛應(yīng)用的殺菌技術(shù)，具有能耗低、效率高、殺菌均勻等特點，比較適用于艦船餐廚垃圾的防腐處理。

1 微波殺菌概述

1．1 微波殺菌機理

微波是頻率為300 MHz～300 GHz非電離輻射電磁波，微波加熱技術(shù)在食品的滅酶、燙漂、解凍、干燥和殺菌保鮮方面得到了廣泛應(yīng)用［3］。

食品等有機物腐敗的主要原因是由于其中含有霉菌類、細菌類、有芽抱的桿菌等微生物，若要對餐廚垃圾進行防腐處理必須消滅這些微生物。微波殺菌過程是微波對微生物體的熱效應(yīng)和非熱力生物效應(yīng)共同作用的結(jié)果。一方面，生物體受微波（較高頻率）輻射后會吸收微波能而產(chǎn)生熱效應(yīng)，溫度的快速升高使微生物體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)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;另一方面，微波的非熱力生物效應(yīng)能破壞微生物的機體，使活體組織變性，最終導致微生物死亡［4］。

盡管目前對微波殺菌機理的解釋仍然存在爭議，但是人們普遍認為，與一般的加熱殺菌法相比，微波殺菌的有效溫度比常規(guī)加熱殺菌的有效溫度低，且在一定的溫度條件下，微波殺菌縮短了細菌致死的時間。因此，無論是微波輻射能使蛋白質(zhì)變性、細胞膜機械性損傷還是酶功能的紊亂與失活，它們都不依賴于較高的溫度，這是微波殺菌與傳統(tǒng)加熱殺菌最重要的區(qū)別，也是其優(yōu)勢所在。

1．2 微波殺菌在各行業(yè)中的應(yīng)用

目前，隨著研究越來越深入，微波殺菌法已被廣泛應(yīng)用在果蔬保鮮、食品加工、中藥制劑等領(lǐng)域［5］，尤其是在美國、歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(qū)發(fā)展較快，例如瑞士某公司研制的面包微波殺菌防霉裝置，其頻率為2 450 MHz，功率80 kW，面包片經(jīng)微波照射1～2 min后，保質(zhì)期由原來的3～4天延長至30～40天;意大利用微波技術(shù)對面條進行殺菌防霉處理。我國食品工業(yè)微波應(yīng)用技術(shù)始于20世紀70年代，近年來得到了迅速的發(fā)展。

餐廚垃圾是廢棄的食品，因此在食品防腐保鮮行業(yè)廣泛應(yīng)用的微波殺菌法也可以用于餐廚垃圾的防腐處理，尤其在艦船的環(huán)境下，應(yīng)用微波殺菌技術(shù)防治餐廚垃圾腐敗帶來的污染更加適合，不僅節(jié)能環(huán)保，而且簡便高效。

2 餐廚垃圾微波殺菌工藝

2.1 微波殺菌效果的影響因素

微波殺菌有很多優(yōu)點，但若不能全面掌握它的特性，則很難獲得最佳的殺菌效果，影響餐廚垃圾微波殺菌效果的主要因素如下:

1）微波功率。微波功率越大，殺菌效果越好，所需的殺菌時間越短。

2）微波殺菌時間。微波殺菌時間越長，溫度上升越高，殺菌效果越好。

3）餐廚垃圾的包裝材料。為了防止經(jīng)過殺菌處理的餐廚垃圾被二次污染，要求將餐廚垃圾用塑料袋真空包裝后再進行處理;

4）餐廚垃圾的水分含量。餐廚垃圾的水分含量太高，加熱后水分汽化嚴重;水分含量太低又會降低微波殺菌的效果。濾除游離態(tài)污水并保持濕潤的餐廚垃圾可以取得微波殺菌的良好效果。

2.2 餐廚垃圾微波殺菌工藝條件

在微波殺菌的諸多工藝參數(shù)中，微波加熱溫度和加熱時間的設(shè)定最為關(guān)鍵。受到功率限制和包裝材料最高耐受溫度的制約，餐廚垃圾微波殺菌效果和微波殺菌的功率和時間必須找到一個最佳結(jié)合點，需由試驗來設(shè)定微波殺菌的技術(shù)條件。

微波殺菌時，1 min照射時間內(nèi)各種微生物致死的必須最低溫度是已知的，如霉菌類是50～60℃，大腸桿菌是70℃，耐熱菌是85℃，以此為標準做等溫線B;包裝材料受熱破損的最低溫度的等溫線為A。圖1中A線和B線之間的區(qū)域即為實用區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)可選擇照射功率和照射時間的組合［6］。

圖1 微波殺菌工藝條件Fig．lMicrowave sterilization technological conditions

2.3 餐廚垃圾微波殺菌工藝流程

為了防止餐廚垃圾在殺菌處理后被二次污染，必須首先對餐廚垃圾進行真空密封包裝，而在真空包裝之前，需要對餐廚垃圾進行濾水、粉碎處理，以去除其中的污水，并將骨頭等尖銳粉碎成小顆粒，防止其刺穿包裝袋。餐廚垃圾在殺菌處理后能在艙室環(huán)境下存放而不產(chǎn)生污染。餐廚垃圾微波殺菌處理的工藝流程如圖2所示。

3 餐廚垃圾微波殺菌試驗

3.1 材料與方法

3.1.1 材料

某單位食堂當日產(chǎn)生的餐廚垃圾（成分包括蔬菜、米飯、肉類、雞魚骨頭等，并濾除污水），塑料包裝袋。

3.1.2 設(shè)備與儀器

餐廚垃圾處理裝置，寧波阿勒法公司產(chǎn)品;恒溫培養(yǎng)箱，西門子公司產(chǎn)品;快速檢測探針溫度計，美國Deltatrak公司產(chǎn)品。

3.1.3 方法

1）將餐廚垃圾在餐廚垃圾處理裝置中處理，粉碎后進行真空包裝，然后進行微波殺菌，每袋包裝6 L餐廚垃圾，同批次包裝多袋垃圾備用;

2）微波殺菌環(huán)節(jié)采用不同功率、不同時間的條件組合，并分別測量微波殺菌后餐廚垃圾的溫度和菌落總數(shù)（菌落總數(shù)測量按照GB4789.2－1994）;同時為了做對比試驗，采用水浴加熱殺菌（90℃，4 min）的方法處理餐廚垃圾;

3）將處理后的垃圾袋置于28℃恒溫培養(yǎng)箱中，每天測量其中的菌落總數(shù)變化，觀察垃圾袋鼓脹情況。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 微波功率與溫度及殺菌效果的關(guān)系

為了比較不同的微波功率的效果，本試驗設(shè)置了500 W，650 W，800 W，950 W四個不同的功率等級，殺菌時間為5 min，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，微波殺菌功率對餐廚垃圾的溫度變化和殺菌效果有著顯著的影響，微波功率越高，溫度上升越快，殺菌效果也越好。當采用950 W微波功率殺菌5 min時，溫度上升至85℃，菌落總數(shù)小于1×l0 CFU，達到了國家食品衛(wèi)生的相關(guān)標準。

3.2.2 微波殺菌時間與溫度及殺菌效果的關(guān)系

在950 W的微波功率下，設(shè)置不同的加熱時間分別為3 min，4 min，5 min和6 min。測量微波殺菌時間與溫度、菌落總數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，微波殺菌時間越長，餐廚垃圾的溫度越高，殺菌效果越好;采用950 W微波殺菌5 min時測得菌落總數(shù)即小于1×10 CFU，表明此時已經(jīng)取得了理想的殺菌效果;當采用950 W微波功率殺菌6 min時，溫度上升至93℃，塑料垃圾袋內(nèi)殘余水分有汽化現(xiàn)象，垃圾袋體局部軟化起皺。分析認為，殺菌時間過長會使溫度過高，導致包裝材料損傷。同單純加熱殺菌相比，微波的非熱力生物效應(yīng)可在較低溫度下短時間內(nèi)殺滅細菌，因此要合理的設(shè)置微波加熱的時間。

3.2.3 微波殺菌與水浴殺菌方法的效果對比

在26℃恒溫培養(yǎng)箱中，微波殺菌、水浴加熱殺菌后的餐廚垃圾每日菌落總數(shù)變化情況如表3所示。

從表3可以看出，水浴加熱殺菌的初始殺菌效果不理想（1.5×102CFU），分析原因可能是在5 min的殺菌時間內(nèi)對餐廚垃圾的加熱不夠均勻所致。水浴加熱后的餐廚垃圾在26℃恒溫儲存過程中菌落總數(shù)始終高于微波殺菌處理法，而微波殺菌法的菌落總數(shù)增長相對較慢;同時觀察發(fā)現(xiàn)，在第4天水浴加熱處理的餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的氣體使垃圾袋鼓脹，在第6天時將密封的垃圾袋脹破;微波殺菌法垃圾袋第6天時僅略有鼓脹。對比實驗證明了微波殺菌法的殺菌效果更好，繼續(xù)存放試驗證明可以將餐廚垃圾在室溫下密封存放10天以上。

4 結(jié)語

1）餐廚垃圾處理采用微波殺菌法可以取得良好的殺菌效果，同傳統(tǒng)的加熱殺菌法相比，具有殺菌均勻、殺菌時間短、簡便高效的優(yōu)點，比較適用于艦船環(huán)境下的餐廚垃圾處理;

2）微波功率和殺菌時間對餐廚垃圾的殺菌效果有著顯著的影響，微波功率越大、殺菌時間越長，殺菌效果越好，綜合考慮下采用微波功率950 W、殺菌時間5 min的工藝條件較為適當;

3）艦船環(huán)境下餐廚垃圾處理圍繞微波殺菌這一核心技術(shù)，采用“粉碎—真空包裝—微波殺菌”處理流程，可以實現(xiàn)對餐廚垃圾的殺菌防腐，處理后的餐廚垃圾能在室溫下密封存放10天以上，這期間不會腐爛發(fā)酵。

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YIN Yong-guang，et al．Thetechnologyandequipment germ-free food processing［M］．Beijing:Chenical Industry Press，2006．