微波技術(shù)在食品殺菌與保鮮中的應(yīng)用

1.微波殺菌機(jī)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(zhǎng)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(chǎng)。當(dāng)微波進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部時(shí)，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(chǎng)的頻率不斷改變極性方向，使分子來(lái)回劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)，相互摩擦產(chǎn)生熱。由于電磁場(chǎng)頻率很高（如常用的微波爐頻率為2450MHz，相當(dāng)于使水分子在1s內(nèi)發(fā)生180度來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到殺菌效果。

1.2微波殺菌的非熱效應(yīng)理論

    細(xì)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(wú)機(jī)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(xì)胞的主要成分，含量為75%～85%，細(xì)菌的各種生理活動(dòng)都有水參加，如細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖過(guò)程，對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，細(xì)胞質(zhì)的擴(kuò)散、滲透及吸附等。在一定微波場(chǎng)的作用下，食品中的菌體也會(huì)因自身水分的極化而同時(shí)吸收微波能升溫。由于它們是凝聚態(tài)介質(zhì)，分子間的強(qiáng)作用力加強(qiáng)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(shí)受到無(wú)極性熱運(yùn)動(dòng)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(huì)發(fā)生明顯變化， 從而使細(xì)胞失去生物活性。

    1966年，Olsen等人揭示了微波對(duì)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(lái)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(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度的微波場(chǎng)中將被極化，并隨著微波場(chǎng)極性的迅速改變而引起蛋白質(zhì)等極性分子集團(tuán)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(jià)鍵，但對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵具有一定的破壞作用，這些次級(jí)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(jí)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(xì)胞生物學(xué)角度分析，微波對(duì)微生物（以細(xì)菌為例）也具有生物學(xué)效應(yīng)。

    一是細(xì)菌的細(xì)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(guò)α-1，4糖苷鍵連接而成）。特別是革蘭氏陰性菌細(xì)菌壁內(nèi)蛋白質(zhì)含量較高，在微波場(chǎng)中，細(xì)胞壁發(fā)生機(jī)械性損傷，使細(xì)胞質(zhì)外漏，影響其正常生理活動(dòng)。

    二是細(xì)菌的細(xì)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(xì)菌細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的場(chǎng)所。細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)外存在著離子濃度梯度差，如細(xì)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(xì)胞膜上的Na+，K+泵逆濃度梯度主動(dòng)運(yùn)輸來(lái)維持的，其它的離子如Ca2+，細(xì)胞內(nèi)外也存在著明顯的離子濃度梯度差，由Ca2+泵來(lái)維持。這些生物離子泵在高頻率的微波場(chǎng)中，將不能正常發(fā)揮其生理功能。按照細(xì)胞離子通道學(xué)說(shuō)，細(xì)胞與外界聯(lián)系進(jìn)行一系列復(fù)雜的生理過(guò)程是依靠細(xì)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(xì)胞正常膜電位狀態(tài)遭到破壞，必然會(huì)影響其正常生理活動(dòng)，以致危及細(xì)菌的存活。

    三是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的酶，在高頻率、強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度的微波場(chǎng)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(chǎng)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(xì)胞內(nèi)沒(méi)有核膜和細(xì)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(méi)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(duì)間的氫鍵易受到微波的沖擊而破壞。

2.微波對(duì)食品的殺菌作用

    國(guó)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(guó)的熟食品蔬菜、飲料小包裝，匈牙利的方便食品，都經(jīng)過(guò)微波殺菌后在市場(chǎng)上流通。國(guó)內(nèi)用微波對(duì)食品殺菌也有了初步研究。有研究者對(duì)啤酒采用中高功率殺菌后，菌落總數(shù)小于14個(gè)/mL， 大腸菌群未檢出，都符合國(guó)標(biāo)GB 4927-85（菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)分別小于50和3個(gè)/mL）。有人用微波照射月餅，研究對(duì)霉菌的殺滅作用。

    結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)微波照射30s， 溫度僅升高5414℃，根本達(dá)不到霉菌的熱致死點(diǎn)（一般霉菌的熱致死點(diǎn)為6215℃）但對(duì)霉菌的殺滅率已達(dá)70%，這說(shuō)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(xiàn)都支持上述觀點(diǎn)，其他研究者在實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了上述結(jié)論，經(jīng)微波照射2min，對(duì)曲霉的殺滅率達(dá)100%，對(duì)青霉的殺滅率達(dá)99199%，同時(shí)微波具有作用時(shí)間短,，升溫快和殺菌效果好的優(yōu)點(diǎn)。

    有研究者用微波設(shè)備對(duì)魚丸、魚片、熏魚、醬油、香腸、牛肉干、火腿、及糕點(diǎn)等數(shù)十種物料進(jìn)行廣泛地試驗(yàn)，并根據(jù)食品的介電常數(shù)、含水量，確定其殺菌時(shí)間、功率密度等工藝參數(shù)，得到了食品物料的介電機(jī)理及在微波場(chǎng)中升溫的理論模型，證實(shí)了微波對(duì)食品滅菌具有一定的非熱作用。

    后來(lái)，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(zhǎng)及殺滅腸道致病菌， 但對(duì)氨基酸態(tài)氮無(wú)破壞作用。此外，用微波對(duì)牛奶殺菌消毒后，細(xì)菌和大腸桿菌數(shù)完全達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，不僅營(yíng)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(huì)損傷紙的品質(zhì)，尤其是化學(xué)方法， 因其會(huì)產(chǎn)生臭味而降低紙的使用價(jià)值。而紫外線殺菌，僅能殺滅包裝紙表面的大部分細(xì)菌， 效果也不理想。有研究者用微波對(duì)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(yàn)微生物，無(wú)菌實(shí)驗(yàn)也證明效果是好的。

    最近，楊紅旗等人對(duì)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(dú)采用微波殺菌或紫外線殺菌的作用。

3.微波對(duì)食品的保鮮作用

    國(guó)外對(duì)食品使用防腐劑有嚴(yán)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(zhǎng)保鮮期。例如，瑞典、德國(guó)和丹麥均使用微波對(duì)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(lái)的3～4d延長(zhǎng)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(shí)加工量為500kg，能很好地解決生面條的保鮮問(wèn)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(gè)星期，原味不變,新鮮如初。

    國(guó)內(nèi)，研究利用微波保鮮食品也有了一定的進(jìn)展。吳暉等人研究了微波處理對(duì)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(duì)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(shí)設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)照組。結(jié)果，對(duì)照組第6天開始霉變，第12天全部霉變，而試驗(yàn)組至第40天未見(jiàn)長(zhǎng)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(jìn)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(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月四個(gè)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(zhǎng)，而且色香味和營(yíng)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(zhǎng)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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