閻若萍,王易芬,涂桂飛,欒東磊,*

(1.上海海洋大學食品熱加工工程技術中心,上海 201306; 2.上海海洋大學食品學院,上海 201306; 3.奧本大學生物系統(tǒng)工程系,美國阿拉巴馬州奧本市 AL 36849)

傳統(tǒng)滅菌技術因其傳熱速率慢，滅菌時間長,已經(jīng)不能滿足消費者對高品質(zhì)、強化營養(yǎng)、長貨架期等方便食品的需求[1]。因此食品工業(yè)不斷致力于新型滅菌技術[2-3]的研發(fā),以降低滅菌過程中對食品的營養(yǎng)成分及感官品質(zhì)的損害,提高滅菌產(chǎn)品的品質(zhì)。

在近幾十年出現(xiàn)的各種新型食品殺菌技術中,微波滅菌是唯一獲得美國食品藥品監(jiān)管局(FDA)許可的技術,用于長貨架期食品生產(chǎn)的工業(yè)滅菌技術[4]。微波的非熱效應是指除熱效應以外的其他效應,如電效應、磁效應及化學效應等,由于微波的非熱效應對微生物滅活存在爭議,所以微波的非熱效應在食品滅菌工藝中不被考慮,僅僅作為熱效應的安全強化,因此微波滅菌技術的研發(fā)主要是基于微波的熱效應。目前微波加熱已經(jīng)成功運用到解凍魚肉、烘焙面包、預熱熏肉、制作香腸、干燥果蔬等方面[5-9]。在這些應用中,微波加熱大大縮短了熱加工時間、提高了食品品質(zhì),微波滅菌技術應用于包裝食品可以克服傳統(tǒng)罐裝食品風味品質(zhì)低的缺陷,并可在常溫下長期貯存。因此微波滅菌技術是應對快速發(fā)展的航空、鐵道運輸,國家應急救災食品儲備,深潛、航天、占地等特殊食品研發(fā)的理想技術,被美國FDA視為食品加工業(yè)最有發(fā)展前景的前沿技術[4]。目前該技術正在工業(yè)放大研究中,本文主要闡述微波滅菌技術的工業(yè)化研究進展、面臨的問題及今后的研究方向。

1 微波的定義

微波是頻率范圍為300 MHz～300 GHz之間的電磁波,其對應的波長范圍為1 m～1 mm。微波最初主要應用于雷達通信領域,其熱效應由美國雷達工程師Percy Spencer發(fā)現(xiàn),并于1945年申請了微波加熱食品的專利[4]。為了避免微波加熱與雷達通訊領域的微波信號產(chǎn)生干擾,很多國家和地區(qū)制定出相關法規(guī),規(guī)范非通信用的微波頻率波段,如美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)規(guī)定用以工業(yè),科研,醫(yī)療(ISM)領域的微波波段為:(915±13)和(2450±50) MHz。

1.1 微波加熱的原理

微波的熱效應源于交變電場與食品的相互作用,食品內(nèi)的水、蛋白質(zhì)、核酸等極性分子在電場作用下,由隨機排列方式轉為沿電場方向有序排列,當電場方向改變時,極性分子的排列方向也隨之發(fā)生改變,因此在交變電場的作用下,食品內(nèi)部極性分子高速旋轉振動,導致分子碰撞摩擦生熱。液相中的離子在交變電場中不斷隨電場方向的改變而移動,在該過程中與附近的原子、分子不斷發(fā)生碰擊,也可以將電磁能轉換成熱能[10-12]。因此微波可以在分子水平上加熱食品,具有快速整體加熱的特點。

1.2 微波的加熱速率

微波加熱食品時,單位時間內(nèi)輸入的微波能量等于食品單位時間內(nèi)升溫吸收的熱量,可以用如下公式表示[10]:

式(1)

1.3 微波加熱的均勻性

式(2)

同一頻率的微波在介電特性不同的食品中的穿透深度不同,一般來講穿透深度隨介質(zhì)損耗的增加而降低。不同頻率的微波在同一食品中的穿透深度也不同,穿透深度隨微波頻率的升高而降低[4]。915 MHz的微波穿透深度約為8～22 cm,而2450 MHz的穿透深度約為3～8 cm[14]。

此外,由于食品的介電常數(shù)(一般>40)和空氣的介電常數(shù)(≈1)之間的巨大差異,導致食品的邊緣棱角部分電場集中,電場強度增強,加熱速率明顯高于其他部位,因此產(chǎn)生邊緣過度加熱的棱角效應,該效應嚴重影響微波加熱的均勻性[9]。

1.4 微波加熱的安全性

微波加熱已經(jīng)廣泛應用到家庭及工業(yè)領域中的食品加熱,給人們的生活帶來了極大的便利,但是越來越多的消費者更加注意微波加熱的安全性問題,主要包括微波加熱是否會導致有害化學物質(zhì)的產(chǎn)生和微波泄露兩方面。1900年普朗克提出輻射量子假說,電磁場和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式(量子)實現(xiàn)的,量子所含能量的大小同輻射頻率成正比,通過計算可知微波量子的能量比可見光低5個數(shù)量級,且其波長比化學鍵的長度高10個數(shù)量級[4],因此微波加熱食品時不會產(chǎn)生自由基或者打開物質(zhì)的化學鍵,因此微波加熱食品與傳統(tǒng)加熱一樣,都是基于熱效應,不會產(chǎn)生有害物質(zhì)。消費者關注的另一個微波加熱安全的問題是微波輻射,包括食品中的殘留和微波泄露兩方面。首先微波在食品中快速耗散,不會殘留任何形式的輻射;此外在微波加熱過程中微波泄漏的問題,國家對微波設備的泄漏做出了嚴格標準,微波爐的設計必須保證5 cm距離以外,微波泄漏的能量不得高于1 mW/cm2,而且泄露的微波能量隨遠離微波源的距離以指數(shù)形式迅速衰減,因此只要生產(chǎn)合格的微波設備,就不會產(chǎn)生微波泄露導致的安全性問題。

2 工業(yè)微波滅菌技術的研究進展

2.1 工業(yè)微波滅菌工藝的研究進展

微波滅菌工藝同傳統(tǒng)滅菌工藝相同,需保證食品最冷點達到工業(yè)滅菌要求。傳統(tǒng)滅菌處理方式,冷點位置一般在食品的幾何中心。而微波加熱時,微波可以穿透到食品內(nèi)部對其進行整體加熱,其加熱效果受電場分布的影響,電場強度高的地方為熱點,電場強度低的位置為冷點,冷點位置受電場分布影響。因此微波滅菌工藝設計,首先要保證微波加熱的冷熱點位置固定,滅菌處理過程可重復;其次要找到微波加熱的冷點位置,并且記錄冷點位置的時間溫度曲線來計算目標菌群的致死率,以保證滅菌食品的安全性。基于此,微波滅菌的研發(fā)流程包括:滅菌系統(tǒng)的設計、微波加熱熱形的確定、微波加熱時冷點位置溫度的監(jiān)控、微波滅菌工藝設計、產(chǎn)品的微生物驗證、最后是品質(zhì)分析和市場推廣。

2.1.1 傳統(tǒng)熱滅菌工藝的基本原理 工業(yè)熱處理是基于微生物熱失活動力學和食品內(nèi)部的加熱速率來達到商業(yè)滅菌標準或者是滿足商品貨架期要求。微生物的滅活動力曲線一般用兩個參數(shù)來描述,一個是D值,另一個是Z值。D值定義為:在一定溫度下將目標微生物滅活90%所需要的時間(min)[1],

式(3)

式中teff指的是食品的有效滅菌時間(min),P0和P分別表示食品有效滅菌時間前后目標微生物的數(shù)量。將微生物的D值降低90%所需要的溫度定義為Z值(℃)[1],

式(4)

式中D1和D2分別代表T1和T2溫度(℃)所對應的微生物D值(min)。Z一般稱為微生物的耐熱性指標,其范圍一般為8～15 ℃[1]。

基于目標微生物的Z值和滅菌過程中食品冷點的溫度曲線,可以計算目標微生物的熱致死時間F值[1],

式(5)

F值是指食品在熱處理過程中,冷點位置的熱致死時間,T(t)是指冷點位置的時間溫度曲線,Tref是指滅菌參考溫度,即目標滅菌溫度,一般情況下高溫滅菌的目標溫度為121.1 ℃(250℉),在這種情況下,F一般記為F0。

取電流倍率從0.2倍～2倍速對鋰離子電池施行放電實驗,測量在執(zhí)行負脈沖電流放電前后的鋰離子電池溫度增高的值和電池兩端電壓的下降值,實驗對比結果如表4所示。

食品中營養(yǎng)成分的熱損失規(guī)律同微生物失活一樣,符合一級反應動力學。以此為基礎定義食品的熱損失值C(Cook Value)[1],

式(6)

式中Zc中的c指的是食品營養(yǎng)成分的Z值,食品中不同營養(yǎng)成分Z值的變化范圍為18～45 ℃[1]。一般定義目標溫度為100 ℃,當Zc為33.1 ℃時,C值記為C0。

由耐熱性指標Z值可以看出,食品營養(yǎng)成分的耐熱性遠大于微生物的耐熱性,因此高溫下食品中營養(yǎng)成分的熱損失速率低于微生物數(shù)量的減少速率。如圖1為不同恒溫處理條件下,保證食品安全和品質(zhì)所需的熱處理時間隨溫度的變化規(guī)律。圖1(a)為滿足F0=6 min(Z=10 ℃)、C0=100 min(Zc=33.1 ℃)等所需熱處理時間隨溫度的變化?？梢钥吹诫S著溫度的升高,所需熱處理時間急劇下降。由于食品營養(yǎng)成分的C0下降速率小于微生物,提高滅菌的溫度可以在保證食品微生物安全的同時提高產(chǎn)品的品質(zhì)。圖1(b)是在不同恒溫條件下滿足F0=6 min(Z=10 ℃)時,食品的C0值變化(Zc=33.1 ℃),可以看到隨著溫度的升高,食品的熱損失值是快速下降的。因此從理論上講,提高滅菌溫度,降低滅菌時間,即高溫瞬時處理(HTST)可以大幅提高滅菌產(chǎn)品的品質(zhì)[4]。

圖1 不同恒溫條件下時間值及C0值Fig.1 The value of time and C0 for different constant temperature

在傳統(tǒng)食品熱加工中,液體產(chǎn)品可以通過快速對流加熱實現(xiàn)高溫瞬時滅菌處理,提高產(chǎn)品品質(zhì);但是對于固體、半流體食品,受限于食品本身較慢的傳熱速率,無法實現(xiàn)高溫瞬時滅菌處理[1]。為了提高產(chǎn)品品質(zhì),研究者對傳統(tǒng)滅菌工藝進行了大量的優(yōu)化改進,包括滅菌的溫度,包裝的尺寸等[4,15],這些設計在一定程度上,提高了加熱速率,從而提高了產(chǎn)品品質(zhì)。但是在傳熱機理上始終受限于食品本身低熱傳導速率,無法從根本上大幅提高食品品質(zhì)。因此滅菌產(chǎn)品品質(zhì)的大幅提高,需要新的滅菌技術的支持。微波滅菌技術可以實現(xiàn)整體快速加熱,解決了熱傳導速率低、加熱緩慢的難題,成為加工高品質(zhì)滅菌產(chǎn)品的研究熱點。

2.1.2 微波滅菌工藝的研發(fā)流程 穩(wěn)定可重復的冷點是滅菌系統(tǒng)設計的基石。因此,微波滅菌系統(tǒng)需為駐波模式不受頻率的單模系統(tǒng)。為了保證單模設計,微波加熱腔的尺寸需小于等于微波的波長[4],由于2450 MHz微波爐對應的波長約為12.2 cm,不能滿足工業(yè)生產(chǎn)腔體所需容積,因此波長更長的915 MHz的微波被用于工業(yè)微波加熱系統(tǒng)的設計。美國華盛頓州立大學依據(jù)該理論設計了915 MHz單模微波滅菌系統(tǒng),經(jīng)過該系統(tǒng)加熱的食品內(nèi)部溫度分布在頻率波段(915±13) MHz內(nèi)是穩(wěn)定不變的。并且該熱形不隨食品的形狀、尺寸及介電特性的改變而改變,這為工業(yè)滅菌工藝的研發(fā)提供了裝備支持[4]。在得到穩(wěn)定的熱形后,為了進一步推進微波滅菌工藝的研發(fā),需要確定食品內(nèi)部的三維溫度分布及對冷熱點的溫度進行監(jiān)控。

傳統(tǒng)分析食品溫度分布的方法包括紅外熱像儀,或者通過設置多個點來測量以獲取不同位置的溫度數(shù)據(jù)。在微波環(huán)境下,紅外熱像儀受限于微波的影響而不能使用,只能在微波加熱完成后對食品進行分析。然而對于包裝食品,滅菌完成后往往伴隨著降溫處理過程,因此這種方法在無法用以分析微波滅菌產(chǎn)品的溫度分布。另外,通過在食品中設置單一或多個溫度點測量加熱后食品的溫度分布,不足以獲得完整的溫度分布?；瘜W標記法可以記錄微波熱處理的過程,化學標記法的原理是在高溫下糖和氨基酸反應生成棕色物質(zhì)的美拉德反應,溫度越高,加熱時間越長反應生成物越多,顏色越深。由于該反應為不可逆反應,可以記錄食品中不同位置熱處理程度,在熱處理完成后對樣品進行切片,以分析不同位置的生成物濃度,通過顏色的深淺程度獲得微波滅菌過程中食品受熱分布[16-17]。Pandit發(fā)現(xiàn)化學指示劑的形成量越大微生物致死率越高,建立出化學指示劑的形成量和致死率的關系[18-19],證明了化學標記物的形成量可以作為熱處理程度的評價指標。Kim and Taub[17]發(fā)現(xiàn)3種化學指示劑(M-1(2,3-dihydro-3,5-dihydroxy-6-methyl-(4H)-pyran-4-one)、M-2(4-hydroxy-5-methyl-3(2H)-furanone)、M-3(5-hydroxymethylfurfural)),通過研究發(fā)現(xiàn),M-1適用于長時間加熱;而M-2可以快速形成,并且在短時間內(nèi)可以達到飽和點適用于高溫瞬時殺菌[20-21]。

在利用化學標記法分析熱形時,一般用模擬食品作為美拉德反應的載體,為了提高反應速率獲得清晰的溫度分布,模擬食品中通常會添加糖、氨基酸等反應物加快反應速率[21]。模擬食品需具有一定的持水性和良好的穩(wěn)定性,且由于化學標記法反應后的顏色為棕色,因此模擬食品的顏色需為無色或者白色。模擬食品最基本的要求是與要被微波加熱的食物物理特性相匹配,其中最重要的是介電特性,通常通過調(diào)節(jié)蔗糖和鹽的含量來分別調(diào)劑食品中的介電常數(shù)和介電損耗[23]。高毅等[22]發(fā)現(xiàn)魔芋葡甘聚糖凝膠由于熱不可逆性可以作為模擬食品,Zhang等[23]通過研究發(fā)現(xiàn)低?；z凝糖膠(low-acyl gellan gel)可以作為加熱溫度低于70 ℃的巴氏殺菌的模擬食品等。

化學指示劑的形成量與熱處理程度相關,因此需要定量分析化學指示劑的形成量,以確定加熱的冷熱點位置。最初研究者采用高效液相色譜法(HPLC)來定量分析化學指示劑的形成量,但這種測量方式耗時相對較長,不利于高效快速研究[24-25]。隨著計算機水平的提高,電腦成像技術已被廣泛應用。Pandit[18-19]建立了通過化學指示劑和計算機視覺系統(tǒng)相結合的方法獲取微波加熱后食品熱形的方法,該方法利用圖片處理軟件IMAQ處理微波加熱后的食品切片圖片,將棕色圖片轉換為彩色圖片,更清晰的顯示食品的熱形,并且可以通過對色素的分析快速準確的確定冷熱點位置。計算機視覺系統(tǒng)中圖像轉換的方法也可以利用其他軟件實現(xiàn),如圖2所示[19]。圖2(a)為加熱土豆泥后得到的原始圖片,圖2(b)為經(jīng)過圖像處理技術處理后所得的圖,因此可以發(fā)現(xiàn)通過MATLAB處理后的圖片可以更容易準確的找到冷熱點。

圖2 土豆泥圖片F(xiàn)ig.2 The picturre or potatos

冷點溫度的準確測量是建立微波滅菌工藝的基礎,光纖溫度傳感器與電場不發(fā)生相互作用,是微波環(huán)境下最常用的溫度測量工具。但是在工業(yè)微波滅菌系統(tǒng)中,溫度測量需在高溫高壓密閉的環(huán)境中,而光纖傳感器需要與外界相連接,限制了其在連續(xù)微波加熱系統(tǒng)的使用[26]。熱電偶作為另一種較常用的溫度傳感器,因電場對傳感器內(nèi)部的金屬組件有影響,誤差較大,且有可能產(chǎn)生電火花產(chǎn)生安全問題,不適用于微波環(huán)境下的溫度測量。為了將熱電偶能夠被用于微波加熱中,研究人員采用鋁片將熱電偶包裹的設計,減少電場對熱電偶測溫的干擾,并且將金屬鋁與波腔相連并接地,保證其安全性,使熱電偶在微波加熱系統(tǒng)中測溫成為可能[27],但是與光纖溫度傳感器相同,對于封閉系統(tǒng)中的移動樣品而言,改進后的熱電偶同樣不適用。因為這些溫度傳感器的使用需要在開放的環(huán)境中,使內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集單元與外部顯示元件相連接。為了測量連續(xù)加熱系統(tǒng)內(nèi)食品的溫度曲線,一種移動式金屬溫度傳感器被應用到連續(xù)的微波加熱系統(tǒng)中,該移動金屬傳感器包括兩部分:探頭用來測量溫度,底座部分用來儲存采集的數(shù)據(jù)。使用時將傳感器放置在食品內(nèi)部與食品一同包裝,然后進行熱處理,加熱結束后將其取出,下載測量點的時間溫度曲線。Luan[28-29]利用計算機模擬研究了該溫度傳感器對微波加熱中電場的影響及其微波環(huán)境下的測量誤差,結果表明其存在不影響食品加熱后的熱形分布,同時為了保證測量精度,移動金屬器的設計和使用應注意:探頭盡量設計為球形或者類似的光滑曲面并且盡可能減少探頭的直徑大小;使用時,移動金屬傳感器應該與系統(tǒng)中主電場分量垂直[29]。

經(jīng)過多年的研發(fā),美國華盛頓州立大學微波實驗室解決了系統(tǒng)設計、熱形分析、溫度測量的難題,于2009年用中試微波加熱系統(tǒng)對土豆泥進行滅菌處理的工藝,首次通過FDA的認證,開啟了利用微波生產(chǎn)高品質(zhì)、長貨架期包裝食品的里程碑。目前微波滅菌技術的工業(yè)化正在研發(fā)中,由于微波加熱的效率與電場強度的平方成正比,功率的大幅增加將導致微波加熱均勻性的急劇惡化,影響滅菌工藝的安全性和滅菌產(chǎn)品的品質(zhì)。因此微波加熱不均勻性是微波滅菌工業(yè)放大面臨的主要問題。

2.2 工業(yè)微波滅菌系統(tǒng)的研究進展

在過去幾十年中,微波加熱一直是各食品企業(yè)和研究所的研究熱點。但是目前微波滅菌的商業(yè)化應用非常少,僅僅在歐洲和日本有少量2450 MHz商業(yè)滅菌系統(tǒng)成功應用在航空食品和高檔工作餐等生產(chǎn)領域[5]。這些系統(tǒng)以多個小功率的2450 MHz磁控管作為微波源,包裝食品經(jīng)傳送帶依次通過不同的微波加熱腔,為了避免因局部過熱導致的脹包,在微波加熱腔內(nèi)利用壓縮空氣加壓。該工藝存在較嚴重的邊緣加熱問題,為了成功實現(xiàn)滅菌操作,需采取小功率緩慢加熱的方式提高加熱均勻性,這導致滅菌成本較高,不易大規(guī)模推廣。在美國,至今沒有微波滅菌工業(yè)化應用的實例,歐洲或者日本的2450 MHz微波滅菌系統(tǒng)并沒有被研發(fā)或者引進成功。

當前,在美國華盛頓州立大學研發(fā)的915 MHz單模微波輔助滅菌系統(tǒng)是首個通過FDA認證的微波滅菌系統(tǒng)。盡管通過了FDA的認證,華盛頓州立大學的微波滅菌系統(tǒng)僅處于中試規(guī)模,單腔的最大功率為6 kW。該功率遠遠不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要,但是在現(xiàn)有電場及溫度場分布下,功率的增加導致冷熱點溫差急劇增大,包裝食品內(nèi)的熱點會因溫度過高,蒸汽壓力過大,導致食品包裝的破裂,從而無法實現(xiàn)滅菌過程。因此,在通過FDA認證后,微波滅菌技術的工業(yè)放大研究一直是各國食品工程領域研究的熱點和難點。目前,為美國陸軍提供軍需食品的Ameriqual Foods公司正在進行該系統(tǒng)的工業(yè)化研究,此外,工業(yè)微波滅菌裝備及工藝的研發(fā)在國內(nèi)也逐漸開展。上海海洋大學熱加工工程技術研究中心，研發(fā)了用以包裝食品的滅菌的896 MHz，75 kW工業(yè)微波滅菌系統(tǒng)，為該技術在國內(nèi)的應用研究提供了裝備支持。

2.3 微波加熱均勻性的改進措施

微波滅菌工業(yè)放大面臨的主要問題是加熱不均勻,主要原因包括以下兩點:一方面由于電場分布不均勻,導致食品中不同位置所接受的微波能量不同;另一方面受食品本身影響,不同的介電特性的食品對微波能量的轉化和吸收的能力不同,影響其穿透深度等[9]。針對加熱不均勻的問題,研究者提出了多種改進方法,包括改變諧振腔的尺寸、改變微波能量的分布、改變食品的形狀尺寸等。

2.3.1 提高電場分布的均勻性 微波加熱的不均勻性主要是由于電場能量分布不均勻導致的,提高電場均勻性是提高微波加熱均勻性最根本的方法。在微波爐中通過微波源產(chǎn)生的微波經(jīng)過波導進入諧振腔,當微波進入腔體時,受腔體尺寸的影響,會形成不同的駐波模式,駐波模式?jīng)Q定著電場的分布。首先可以對諧振腔的尺寸進行合理設計,來提高加熱的均勻性[30]。另外在家用微波爐可以利用模式攪波器或者天線來不斷改變諧振腔里微波的分布來增加電場分布的均勻性[31-32]。但是利用天線和攪波器來提高微波加熱均勻性的方式無法在工業(yè)微波滅菌系統(tǒng)中應用,這是由于多模腔體及不斷改變的模式無法保證食品冷點位置的穩(wěn)定性。因此從理論上對腔體進行設計,以獲得最佳的電場分布是最常用的方式,此外也可以通過添加金屬附件對電場分布進行細微調(diào)節(jié)以適用于不同的產(chǎn)品。

2.3.2 改變食品的形狀尺寸 微波加熱后的食品熱形隨食品的形狀、尺寸改變[33]。Vilayannur等[33]通過實驗得出長方體食品熱點出現(xiàn)在邊角,圓柱形食品熱點出現(xiàn)在中心,棱柱形食品熱點出現(xiàn)在棱邊,并且棱柱型食品形成的熱形相對于長方體和圓柱食品更加均勻。范大明等[34]研究了微波加熱過程中尺寸對冷藏方便米飯溫度分布的影響,以圓柱型米飯為實驗對象,在相同半徑下,隨高度與直徑比(L/D)的增加,米飯內(nèi)部高溫點由中心向四周轉移。這是由于半徑較小導致微波能量在中心聚集,隨著高度增加,穿透深度小于高度時,能量聚集點向表面遷移。Soto-reyes等[35]研究了不同形狀和尺寸的瓊脂凝膠的微波加熱溫度分布,發(fā)現(xiàn)核心溫度到達50 ℃時,形狀為大平板的食品較圓形和圓柱體的食品需要的加熱時間少且溫度分布更加均勻。因此在已有的微波加熱腔內(nèi),通過適當調(diào)整食品的形狀和尺寸會提高微波加熱食品的均勻性。

2.3.3 其他 除了改變電場的分布和改變食品的形狀及尺寸之外,還可以通過其他方式來提高均勻性。轉盤是提高微波加熱食品均勻性最簡單的方式,研究表明相比于不旋轉,旋轉加熱的食品溫度場的均勻性大約可提高40%[36]。在連續(xù)微波加熱系統(tǒng)中,通過移動食品也可以提高微波加熱的均勻性[37-38],Koskiniemi等[38]將包裝好的蔬菜利用915 MHz連續(xù)微波巴氏殺菌,采用兩級旋轉方式進行熱處理,得到較均勻的加熱熱形。此外,研究表明將微波加熱的包裝食品放在水中進行,可以降低邊緣加熱和過熱[4],這是因為水的介電常數(shù)同食品相近,降低了食品邊緣對電場的聚集效應。在工業(yè)微波加熱中,為了提高效率,微波功率的增加是導致微波加熱均勻性惡化的最重要的原因,因此研究者通過設置多個微波腔,降低每個波腔的功率,來提高微波加熱的均勻性,這種方法的缺點是設備成本過高。另外,利用金屬化的包裝減少邊緣加熱,也可以提高微波加熱的均勻性[39]。雖然目前微波加熱的不均勻性只能相應改善并未能完全消除,但相比于傳熱速率慢、加熱不均勻的傳統(tǒng)滅菌,微波滅菌仍然有很大的潛力。

2.4 微波加熱的計算機模擬

微波加熱的傳統(tǒng)研究方法,主要是通過多次實驗對結果進行分析,缺點是成本高、耗時長、效率低。隨著計算機運算能力的提高,數(shù)值計算方法的改進,越來越多的學者把計算機模擬應用于微波加熱研究[40-41]。目前應用于微波加熱的數(shù)值模擬方法主要包括有限時域差分法和有限元法,其中有限時域差分法所需計算內(nèi)存小、仿真時間短。應用較多。目前應用較為成熟的微波加熱計算機模擬商業(yè)軟件,包括有限元軟件COMSOL[42-43]和有限時域差分法軟件QuickWave(QW-BHM)[44-45]等。

數(shù)值模擬不僅可以幫助研究者了解微波加熱時的電場變化,且可以對食品在微波加熱過程的溫度分布進行預測,因此國內(nèi)外學者利用數(shù)值模擬軟件對微波加熱過程進行了大量研究。例如張珂用COMSOL軟件模擬金屬化包裝改善食品微波加熱效果,發(fā)現(xiàn)利用金屬化包裝的包裝食品在微波加熱可以屏蔽邊緣過熱,從而提高食品加熱后的均勻性[39]。Resurreccion[44]建立了微波輔助殺菌計算機模擬系統(tǒng)(MATS-CSM),通過模擬發(fā)現(xiàn)微波輔助殺菌系統(tǒng)內(nèi)食品的熱形不隨頻率的改變而改變。Luan等[45]用計算機模擬的方法分析微波加熱的電場,得出微波加熱的均勻性主要受主電場分量的影響。由此可見,計算機模擬在微波加熱的研究起到了重大作用,也將是今后微波加熱研究中不可或缺的手段之一。

3 總結和展望

微波可以對食品進行整體加熱,從而實現(xiàn)固體、半流體食品的高溫瞬時滅菌,大幅提高包裝食品的品質(zhì),是應對快速發(fā)展的航空、鐵道運輸、國家應急救災等特殊食品研發(fā)的理想技術。影響微波加熱的主要因素包括電場強度、微波頻率和食品的介電特性、密度、比熱等。

工業(yè)微波滅菌工藝流程已經(jīng)較完善,工業(yè)微波滅菌的微生物安全問題已經(jīng)得到解決,首先是通過單模系統(tǒng)的設計;然后利用化學指示劑和計算機視覺系統(tǒng)相結合的技術顯示微波加熱后的溫度分布,從而確定微波加熱后食品的冷點位置;最后根據(jù)移動金屬傳感器記錄冷點位置的時間溫度曲線設計滅菌參數(shù),確保食品的安全。目前微波滅菌技術工業(yè)化推廣的最大難題是仍是微波加熱的不均勻,且在工業(yè)化應用中為了提高生產(chǎn)效率,大功率微波快速加熱方法將被采用,這將會加劇微波加熱的不均勻性。因此為了實現(xiàn)微波滅菌的工業(yè)化應用,研究提高微波加熱均勻性的方法仍是今后的難點和重點。

相比于傳統(tǒng)加熱方式,微波加熱技術仍處于初期,對微波加熱食品的機理研究已經(jīng)很成熟,對不同食品的工藝優(yōu)化不夠完善。今后需將系統(tǒng)設備的研制、微波加熱工藝的設計及后期產(chǎn)品的品質(zhì)及安全檢測結合起來,為該技術的工業(yè)化推廣奠定基礎。

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