微波技術在食品殺菌與保鮮中的應用

微波技術在食品殺菌與保鮮中的應用

1.微波殺菌機理

    微波殺菌主要使食品中的微生物在微波熱效應和非熱效應的作用下，使其內部的蛋白質和生理活性物質發生變異或破壞，從而導致生物體生長發育異常，直至殺滅。

1.1微波殺菌的熱效應理論

    微波是一種電磁波，可產生高頻電場。當微波進入介質內部時，介質內部的極性分子，如水、蛋白質及核酸等隨著電磁場的頻率不斷改變極性方向，使分子來回劇烈轉動，相互摩擦產生熱。由于電磁場頻率很高（如常用的微波爐頻率為2450MHz，相當于使水分子在1s內發生180度來回轉動2415億次），導致介質溫度急劇升高，微生物體內的蛋白質、核酸等極性分子變性，從而達到殺菌效果。

1.2微波殺菌的非熱效應理論

    細菌、酵母菌等微生物都是由水、蛋白質、碳水化合物、脂肪和無機物等復雜化合物構成的一種凝聚態物質。其中水是生物細胞的主要成分，含量為75%～85%，細菌的各種生理活動都有水參加，如細胞的生長繁殖過程，對各種營養物質的吸收，細胞質的擴散、滲透及吸附等。在一定微波場的作用下，食品中的菌體也會因自身水分的極化而同時吸收微波能升溫。由于它們是凝聚態介質，分子間的強作用力加強了微波能的能量轉化，從而使體內蛋白質、核酸等物質同時受到無極性熱運動和極性轉變兩方面的作用，使其空間結構變化或破壞而導致變性。蛋白質變性后，其溶解度、粘度、膨脹性、滲透性及穩定性都會發生明顯變化， 從而使細胞失去生物活性。

    1966年，Olsen等人揭示了微波對鐮刀霉芽孢的非熱效應，提出了微波殺菌的非熱效應理論。此后，許多研究人員展開類似研究，出現了不同的解釋模型。

    從生物物理學角度來看，組成微生物的蛋白質、核酸等生物大分子和作為極性分子的水在高頻率、強電場強度的微波場中將被極化，并隨著微波場極性的迅速改變而引起蛋白質等極性分子集團電性質變化。它們同樣能將微波能轉換成熱能而使自身溫度升高，電性、能量的變化將引起蛋白質等生物大分子變性。

    從能量角度考慮，盡管微波量子能量不能破壞生物體內的共價鍵，但對氫鍵、范德化力、疏水相互作用、鹽鍵等賴以維持核酸、蛋白質等生物大分子高級結構的次級鍵具有一定的破壞作用，這些次級鍵是維持核酸、蛋白質空間構象，生物膜結構的作用力。這些次級鍵一旦遭到破壞，將危及生物大分子的空間結構，影響其正常生理功能。

    從細胞生物學角度分析，微波對微生物（以細菌為例）也具有生物學效應。

    一是細菌的細胞壁的主要成分不是纖維素，而是肽聚糖（N-乙酰葡萄糖胺與N-乙酰胞壁酸通過α-1，4糖苷鍵連接而成）。特別是革蘭氏陰性菌細菌壁內蛋白質含量較高，在微波場中，細胞壁發生機械性損傷，使細胞質外漏，影響其正常生理活動。

    二是細菌的細胞膜是由膦脂和蛋白質組成的具有選擇性的半透性膜，它是細菌細胞與外界環境進行物質、能量、信息交換的場所。細菌細胞內外存在著離子濃度梯度差，如細胞內是高K+、低Na+，而外界環境則是高Na+，低K+，這種離子梯度是由分布在細胞膜上的Na+，K+泵逆濃度梯度主動運輸來維持的，其它的離子如Ca2+，細胞內外也存在著明顯的離子濃度梯度差，由Ca2+泵來維持。這些生物離子泵在高頻率的微波場中，將不能正常發揮其生理功能。按照細胞離子通道學說，細胞與外界聯系進行一系列復雜的生理過程是依靠細胞膜內外電位差控制的，即膜電位的改變能激活（開放）或關閉與外界聯系的通道，若細胞正常膜電位狀態遭到破壞，必然會影響其正常生理活動，以致危及細菌的存活。

    三是細菌細胞內的酶，在高頻率、強電場強度的微波場中，其功能可能紊亂或失活，特別是那些以金屬離子為輔助因子的金屬酶在微波場的作用下，金屬離子所處的環境可能發生變化，影響這些酶的活性。四是細胞內沒有核膜和細胞核，只有擬核區。在擬核區內，其遺傳物質的載體——染色體是裸露的環狀DNA，沒有或結合極少量組蛋白，其DNA雙螺旋結構中A=T，CµG堿基對間的氫鍵易受到微波的沖擊而破壞。

2.微波對食品的殺菌作用

    國外利用微波殺菌已應用于食品工業生產，如日本的磨菇小包裝,，荷蘭和美國的熟食品蔬菜、飲料小包裝，匈牙利的方便食品，都經過微波殺菌后在市場上流通。國內用微波對食品殺菌也有了初步研究。有研究者對啤酒采用中高功率殺菌后，菌落總數小于14個/mL， 大腸菌群未檢出，都符合國標GB 4927-85（菌落總數和大腸菌群數分別小于50和3個/mL）。有人用微波照射月餅，研究對霉菌的殺滅作用。

    結果表明，在實驗條件下，經微波照射30s， 溫度僅升高5414℃，根本達不到霉菌的熱致死點（一般霉菌的熱致死點為6215℃）但對霉菌的殺滅率已達70%，這說明微波殺菌除熱效應外，應有非熱效應存在，許多文獻都支持上述觀點，其他研究者在實驗中也證實了上述結論，經微波照射2min，對曲霉的殺滅率達100%，對青霉的殺滅率達99199%，同時微波具有作用時間短,，升溫快和殺菌效果好的優點。

    有研究者用微波設備對魚丸、魚片、熏魚、醬油、香腸、牛肉干、火腿、及糕點等數十種物料進行廣泛地試驗，并根據食品的介電常數、含水量，確定其殺菌時間、功率密度等工藝參數，得到了食品物料的介電機理及在微波場中升溫的理論模型，證實了微波對食品滅菌具有一定的非熱作用。

    后來，其它研究者還發現，醬油經微波處理后，可以抑制霉菌的生長及殺滅腸道致病菌， 但對氨基酸態氮無破壞作用。此外，用微波對牛奶殺菌消毒后，細菌和大腸桿菌數完全達到衛生標準要求，不僅營養成份保持不變，而且脂肪球直徑變小，提高了產品的穩定性，有利于人體消化和吸收。

    食品包裝用紙消毒的常規方法為化學或物理方法，但會損傷紙的品質，尤其是化學方法， 因其會產生臭味而降低紙的使用價值。而紫外線殺菌，僅能殺滅包裝紙表面的大部分細菌， 效果也不理想。有研究者用微波對質量3kg、體積為15cm×12cm×25cm的冰棍紙和60g糖紙殺菌，僅用5s即能殺滅包括紙面表層的試驗微生物，無菌實驗也證明效果是好的。

    最近，楊紅旗等人對微波和紫外線協同殺菌作用作了研究。研究表明，其作用明顯優于單獨采用微波殺菌或紫外線殺菌的作用。

3.微波對食品的保鮮作用

    國外對食品使用防腐劑有嚴格要求，微波殺菌的顯著效果可以使食品不添加防腐劑而延長保鮮期。例如，瑞典、德國和丹麥均使用微波對切片面包殺菌防霉保鮮的工業化生產，其保鮮期由原來的3～4d延長到30～60d 。意大利的OMAC公司的袋裝生面條微波殺菌防霉裝置，每小時加工量為500kg，能很好地解決生面條的保鮮問題。

    1988年荷蘭的三角洲每日公司將盒裝魚等肉食品用微波處理后在0～4℃下可保存6個星期，原味不變,新鮮如初。

    國內，研究利用微波保鮮食品也有了一定的進展。吳暉等人研究了微波處理對豆腐保鮮期的影響。結果表明，豆腐經微波處理315min，在25℃下可保鮮3d，而對照樣組僅保鮮015d王盛良等人將普通市售月餅用微波照射后于28℃恒溫箱中培養觀察其霉變情況，同時設置實驗對照組。結果，對照組第6天開始霉變，第12天全部霉變，而試驗組至第40天未見長霉，隨后放置室溫繼續觀察40天，仍完好如初。

    有研究者將保鮮難度較大水產品和牛奶進行微波殺菌，結果表明，在包裝材料和封口工藝符合一定技術要求的條件下，保藏期可以根據不同的要求確定為10日、1個月、3個月、6個月四個檔次。在同樣保藏條件下，保鮮期是不經微波處理的幾十倍長，而且色香味和營養成分保存方面都比一般熱力殺菌食品好。

    此外，用微波處理蜂王漿、口服液和香菇，不僅可延長保存期，而且可有效保存其中的生物活性物質。這是傳統加熱法所不能比擬的。

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