微波技術(shù)在食品殺菌與保鮮中的應(yīng)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(yīng)和非熱效應(yīng)的作用下，使其內(nèi)部的蛋白質(zhì)和生理活性物質(zhì)發(fā)生變異或破壞，從而導(dǎo)致生物體生長發(fā)育異常，直至殺滅。

1.1微波殺菌的熱效應(yīng)理論

    微波是一種電磁波，可產(chǎn)生高頻電場。當微波進入介質(zhì)內(nèi)部時，介質(zhì)內(nèi)部的極性分子，如水、蛋白質(zhì)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(zhuǎn)動，相互摩擦產(chǎn)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(nèi)發(fā)生180度來回轉(zhuǎn)動2415億次），導(dǎo)致介質(zhì)溫度急劇升高，微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、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(yīng)理論

    細菌、酵母菌等微生物都是由水、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪和無機物等復(fù)雜化合物構(gòu)成的一種凝聚態(tài)物質(zhì)。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(yǎng)物質(zhì)的吸收，細胞質(zhì)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(tài)介質(zhì)，分子間的強作用力加強了微波能的能量轉(zhuǎn)化，從而使體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)同時受到無極性熱運動和極性轉(zhuǎn)變兩方面的作用，使其空間結(jié)構(gòu)變化或破壞而導(dǎo)致變性。蛋白質(zhì)變性后，其溶解度、粘度、膨脹性、滲透性及穩(wěn)定性都會發(fā)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(yīng)，提出了微波殺菌的非熱效應(yīng)理論。此后，許多研究人員展開類似研究，出現(xiàn)了不同的解釋模型。

    從生物物理學(xué)角度來看，組成微生物的蛋白質(zhì)、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(zhì)等極性分子集團電性質(zhì)變化。它們同樣能將微波能轉(zhuǎn)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(zhì)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(nèi)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(zhì)等生物大分子高級結(jié)構(gòu)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(zhì)空間構(gòu)象，生物膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，影響其正常生理功能。

    從細胞生物學(xué)角度分析，微波對微生物（以細菌為例）也具有生物學(xué)效應(yīng)。

    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(nèi)蛋白質(zhì)含量較高，在微波場中，細胞壁發(fā)生機械性損傷，使細胞質(zhì)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(zhì)組成的具有選擇性的半透性膜，它是細菌細胞與外界環(huán)境進行物質(zhì)、能量、信息交換的場所。細菌細胞內(nèi)外存在著離子濃度梯度差，如細胞內(nèi)是高K+、低Na+，而外界環(huán)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(nèi)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(fā)揮其生理功能。按照細胞離子通道學(xué)說，細胞與外界聯(lián)系進行一系列復(fù)雜的生理過程是依靠細胞膜內(nèi)外電位差控制的，即膜電位的改變能激活（開放）或關(guān)閉與外界聯(lián)系的通道，若細胞正常膜電位狀態(tài)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(nèi)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(huán)境可能發(fā)生變化，影響這些酶的活性。四是細胞內(nèi)沒有核膜和細胞核，只有擬核區(qū)。在擬核區(qū)內(nèi)，其遺傳物質(zhì)的載體——染色體是裸露的環(huán)狀DNA，沒有或結(jié)合極少量組蛋白，其DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn)，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(jīng)過微波殺菌后在市場上流通。國內(nèi)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(shù)小于14個/mL， 大腸菌群未檢出，都符合國標GB 4927-85（菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)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(jié)果表明，在實驗條件下，經(jīng)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(yīng)外，應(yīng)有非熱效應(yīng)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(jié)論，經(jīng)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(yōu)點。

    有研究者用微波設(shè)備對魚丸、魚片、熏魚、醬油、香腸、牛肉干、火腿、及糕點等數(shù)十種物料進行廣泛地試驗，并根據(jù)食品的介電常數(shù)、含水量，確定其殺菌時間、功率密度等工藝參數(shù)，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(fā)現(xiàn)，醬油經(jīng)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(tài)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(shù)完全達到衛(wèi)生標準要求，不僅營養(yǎng)成份保持不變，而且脂肪球直徑變小，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，有利于人體消化和吸收。

    食品包裝用紙消毒的常規(guī)方法為化學(xué)或物理方法，但會損傷紙的品質(zhì)，尤其是化學(xué)方法， 因其會產(chǎn)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(zhì)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(xié)同殺菌作用作了研究。研究表明，其作用明顯優(yōu)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(yè)化生產(chǎn)，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(nèi)，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(jié)果表明，豆腐經(jīng)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(yǎng)觀察其霉變情況，同時設(shè)置實驗對照組。結(jié)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(xù)觀察40天，仍完好如初。

    有研究者將保鮮難度較大水產(chǎn)品和牛奶進行微波殺菌，結(jié)果表明，在包裝材料和封口工藝符合一定技術(shù)要求的條件下，保藏期可以根據(jù)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(jīng)微波處理的幾十倍長，而且色香味和營養(yǎng)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(zhì)。這是傳統(tǒng)加熱法所不能比擬的。

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