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工業微波技術在食品加工中的應用

隨著科學技術的發展,紫外線、遠紅外線、微波等電磁波在食品加工中的應用日益廣泛。其中工業微波技術在食品工業中的應用雖然起步較晚,但近年來發展很快。在我國,利用微波技術加工食品的熱潮已經興起。微波是頻率在300兆赫到300千兆赫波長1毫米~1米的高頻電磁波。微波能技術作為應用科學主要產生于20世紀40年代,并在之后的20年間,在微博能的應用上掀起了一場新的“能源革命行動”,微波能逐步應用于食品、醫學等領域中。我國從20世紀70年代開始進行微波技術的研究和開發,目前在冶金、化工、食品加工等領域已被廣泛應用。


1、工業微波技術在食品加工中的應用原理

1.1微波加熱原理
微波主要作用于物料中的極性分子,使其由于電場方向的交替變化而以高速改變方向產生擺振,在這種高速擺振狀態下,造成分子間的急劇摩擦、碰撞,從而產生大量的熱量,這也就是微波加熱的原理[2]。
與此同時,在微波的作用下,食物中的有害菌、蟲害等同樣受到無極性熱運動和極性轉動兩方面的作用而改變其排列組合狀態及運動規律,即使得生物體因蛋白質變性而失活并使得細胞中核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)的若干氫鍵松弛、斷裂或重組,干擾或破壞其正常的代謝、遺傳和增殖,抑制或致死菌體或害蟲的生長,達到殺蟲、滅菌、保鮮的效果[3]。
1.2微波加熱的特性
1.2.1選擇性加熱
微波可以加熱食品中的水、蛋白質、脂肪和碳水化合物等成分,微波是一種能量,只有當與物質接觸,才能發生能量轉移,所以物質不同,產生的熱效果不同。
每種物質有其自己的損耗因數,損耗因數的不同,使微波具有選擇性加熱的特點,即不同的物質,在同樣磁場中加熱時,所吸收的熱量是不同的。對于食品來說,含水量對微波加熱的效果影響很大。因為水的介電常數大,而蛋白質、碳水化合物等的介電常數相對較小,即后者對微波的吸收能力比水小得多。水分含量低的食品熱容小,更容易受熱均勻。由于熱擴散速度決定于熱傳遞,食品中的水分和溫度對熱傳遞的速度也有影響。
1.2.2穿透性
因為微波比其他用于輻射加熱的電磁波,如紅外線、遠紅外線等波長更長,因此具有更好的穿透性。半衰深度是表示微波穿透深度性的指標,受材料性質、溫度及狀態的影響。由于其獨特的加熱性質,因此應用在食品工業中顯示出很好的優越性,如省時、快速、加熱效率高、加熱過程具有自動平衡性能、加熱均勻、高度保存食品營養成分和風味及無污染等優點。但它也具有缺點,除了因微波加熱的選擇性和穿透性造成的加熱不均勻外,它消耗的電能也大[4]。


2、工業微波在食品加工中的應用

2.1微波技術在食品干燥中的應用
2.1.1微波/熱風干燥
微波的加熱特性和干燥原理與其他干燥技術不同,尤其適用于低水分含量(<20g/100g)物料的干燥。此時水分遷移率低,但微波能將物料內的水分驅出。若食品過濕,應用微波加熱將導致食品過熱。常規熱風干燥要用加工時間的2/3來除去最后1/3水分含量,并且會對熱敏性物質造成破壞。若采用微波熱風干燥技術可以大大縮短加熱時間。用這項技術可加工干燥土豆片、薯片、香菇、玉米片、乳糕、豆類等。
2.1.2微波/真空干燥技術
微波/真空干燥技術是把微波干燥和真空干燥兩項技術結合起來,充分發揮微波干燥和真空干燥各自優點的一項綜合干燥技術.其原理是在低溫下加快水分的散失速度,這種干燥方式尤其適合熱敏性高的物質,如水果、蔬菜等。此外,微波真空干燥還可加工生產蔬菜粉、蛋黃粉及脫水葡萄。
2.1.3微波/冷凍干燥技術
冷凍干燥時需要外部提供冰塊升華所需的熱量,升華的速率則取決于熱源所能提供的能量多少。微波可克服常規干燥熱傳導率低的缺點,從物料內部開始升溫,并且由于蒸發作用使冰塊內層溫度高于外層,對升華的排濕通道無阻礙作用。微波還可以選擇性的針對冰塊加熱而干燥部分卻很少吸收微波能,從而使干燥速率大大增加,干燥時間比常規干燥縮短1倍以上。由于物料內部冰塊迅速升華,物料呈多孔性結構,更易復水和壓縮。微波冷凍干燥適合于處理那些具有較低的熱降解溫度或高附加值的物料[5]。


2.2工業微波技術在食品殺菌中的應用

微波殺菌基于食品中微生物同時受到微波熱效應和非熱效應的共同作用,在極短的時間內達到殺菌效果,不影響產品的色/香/味/形,顯示出較常規殺菌的優越性[6]。
2.2.1連續微波殺菌工藝
連續微波殺菌在國內外食品殺菌中已得到廣泛研究。對于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的研究已十分深入;對于食品物料的介電機理及在微波場中升溫殺菌理論模型也有較多的研究。連續微波殺菌既可用于食品的巴氏殺菌。目前已進行的應用和研究對象包括液態食品如啤酒/乳制品/果蔬汁飲料/醬油和黃酒等。
2.2.2脈沖微波殺菌技術
    傳統微波殺菌主要是利用微波的熱效應殺菌,而使用脈沖微波殺菌主要是利用其非熱效應殺菌。脈沖微波殺菌技術能在較低的溫度/較少的溫升條件下對食品進行殺菌,對于熱敏性物料來說具有其他方法不可比擬的優勢。因此,對脈沖微波殺菌技術進行研究,在食品加工中充分利用其非熱效應具有十分廣闊的應用前景。
2.2.3多次快速加熱和冷卻的微波殺菌工藝
多次快速加熱和冷卻的微波殺菌工藝適合于對溫度敏感的液體食品殺菌,例如飲料和米酒的殺菌保鮮。其目的是快速改變微生物生態環境的溫度,并且多次進行微波輻照殺菌,從而避免物料較長時間連續性地處于高溫狀態,為保持物料的色/香/味及營養成分提供有利條件。
2.2.4微波加熱與常規熱力殺菌相結合的殺菌工藝
微波加熱與常規熱力殺菌相結合,可以充分發揮2種殺菌方式的優點,縮短常規熱力殺菌時間,同時也可以避免有些成分復雜/水分含量不均勻的食品在微波殺菌時的加熱不均勻[7]。


2.3工業微波技術在食品膨化中的應用

微波膨化技術是微波加熱干燥的一個特殊應用。其原理是微波能量到達物料深層轉換成熱能,將使物料深層水分迅速蒸發形成較高的內部蒸汽壓力,迫使物料膨化,并依靠氣體的膨脹力帶動組分中高分子物質的結構變性,從而使之成為具有網狀組織結構特征,定型成為多孔物質的過程。
微波膨化加工時間短,節能省時,營養成分保存率高,且膨化/殺菌/干燥同時完成。因此,微波應用于膨化食品生產能克服傳統油炸膨化含量高/能耗大等缺點,在食品工業生產中具有十分廣闊的應用前景。目前,微波膨化食品的加工應用有三個方面:淀粉膨化食品加工/蛋白質食品膨化和瓜果蔬菜類物料的膨化[8]。


2.4工業微波技術在食品分離提取中的應用

微波萃取技術在國外發展很快,已在許多方面得到應用,并申請了專利。微波分離技術可應用于植物天然成分的提取和食品添加劑制備工藝的提取單元操作。
在微波的作用下用水提取天然色素,比傳統方法提取率高/節省時間/能耗小。張海德采用微波輻射功率525W,輻射時間7min,有助于柚皮中抗氧化物質的提取,浸提率提高12.5%。此外,微波萃取在制備果膠/高粘度殼聚糖和植物香精油等方面已有深入研究,并在生產中得到應用。


2.5工業微波技術在微量元素測定中的應用

現代分析儀器的發展創造了快速準確的微量元素測定儀器,需要相應的高效樣品預處理技術與這相匹配。作為微量元素測定,微波消解是一種很好的預處理技術。水是典型的極性分子,以水作溶液和反映體系,通常均可以在微波作用下促進其化學反應。具有密閉性操作的微波消解與常規消解法相比有以下優點:(1)快速溶樣,比常規方法快4~100倍;(2)顯著地節省能源,提高消解樣品的效率;(3)大大減少所用的樣品和試劑量;(4)由于密閉操作,減少了交叉污染及揮發性物質的損失;(5)實現樣品的消解自動化,提高工作效率和結果的重現性;(6)由于獨特的消解條件,可用硝酸取代價格昂貴的易爆的高氯酸,降低成本。
Koirtyhnne用微波消解一化學法測定食品中的AS/Mn,結果AS的回收率為90%~115%,CV1.7%~4.2%;Mn的回收率為94.0%~98.8,CV1.0%,達到了分析的要求。李小麗等采用微波消解技術消化奶粉,氫化物原子吸收法測定砷含量,其檢出限為0.1mg/kg[10]。


3、微波技術的前景與展望

微波以其獨特的加熱特點和干燥機理為食品的開發與加工開辟一條新的途徑,應用前景十分廣闊。微波技術將在完善自身技術方法和設備的同時,不斷與其它技術相結合,向著更廣更深的方向發展,新興的干燥技術/微波殺菌保鮮技術/微波膨化技術/微波分離提取技術/微波微量元素測定技術等都將在理論的建立/完善和應用中不斷發展。
關鍵詞:工業微波技術在食品加工中的應用
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