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微波技术在食品杀菌与保鲜中的应用

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微波技术在食品杀菌与保鲜中的应用
时间:2020年6月21日 阅读: 222 次

1.微波杀菌机理

微波杀菌主要使食品中的微生物在微波热效应和非热效应的作用下,使其内部的蛋白质和生理活性物质发生变异或破坏,从而导致生物体生长发育异常,直至杀灭。

1.1微波杀菌的热效应理论

微波是一种电磁波,可产生高频电场。当微波进入介质内部时,介质内部的极性分子,如水、蛋白质及核酸等随着电磁场的频率不断改变极性方向,使分子来回剧烈转动,相互摩擦产生热。由于电磁场频率很高(如常用的微波炉频率为2450MHz,相当于使水分子在1s内发生180度来回转动2415亿次),导致介质温度急剧升高,微生物体内的蛋白质、核酸等极性分子变性,从而达到杀菌效果。

微波技术在食品杀菌与保鲜中的应用

1.2微波杀菌的非热效应理论

细菌、酵母菌等微生物都是由水、蛋白质、碳水化合物、脂肪和无机物等复杂化合物构成的一种凝聚态物质。其中水是生物细胞的主要成分,含量为75%~85%,细菌的各种生理活动都有水参加,如细胞的生长繁殖过程,对各种营养物质的吸收,细胞质的扩散、渗透及吸附等。在一定微波场的作用下,食品中的菌体也会因自身水分的极化而同时吸收微波能升温。由于它们是凝聚态介质,分子间的强作用力加强了微波能的能量转化,从而使体内蛋白质、核酸等物质同时受到无极性热运动和极性转变两方面的作用,使其空间结构变化或破坏而导致变性。蛋白质变性后,其溶解度、粘度、膨胀性、渗透性及稳定性都会发生明显变化, 从而使细胞失去生物活性。

1966年,Olsen等人揭示了微波对镰刀霉芽孢的非热效应,提出了微波杀菌的非热效应理论。此后,许多研究人员展开类似研究,出现了不同的解释模型。

从生物物理学角度来看,组成微生物的蛋白质、核酸等生物大分子和作为极性分子的水在高频率、强电场强度的微波场中将被极化,并随着微波场极性的迅速改变而引起蛋白质等极性分子集团电性质变化。它们同样能将微波能转换成热能而使自身温度升高,电性、能量的变化将引起蛋白质等生物大分子变性。

从能量角度考虑,尽管微波量子能量不能破坏生物体内的共价键,但对氢键、范德化力、疏水相互作用、盐键等赖以维持核酸、蛋白质等生物大分子结构的次级键具有一定的破坏作用,这些次级键是维持核酸、蛋白质空间构象,生物膜结构的作用力。这些次级键一旦遭到破坏,将危及生物大分子的空间结构,影响其正常生理功能。

从细胞生物学角度分析,微波对微生物(以细菌为例)也具有生物学效应。

一是细菌的细胞壁的主要成分不是纤维素,而是肽聚糖(N-乙酰葡萄糖胺与N-乙酰胞壁酸通过α-1,4糖苷键连接而成)。特别是革兰氏阴性菌细菌壁内蛋白质含量较高,在微波场中,细胞壁发生机械性损伤,使细胞质外漏,影响其正常生理活动。

二是细菌的细胞膜是由膦脂和蛋白质组成的具有选择性的半透性膜,它是细菌细胞与外界环境进行物质、能量、信息交换的场所。细菌细胞内外存在着离子浓度梯度差,如细胞内是高K+、低Na+,而外界环境则是高Na+,低K+,这种离子梯度是由分布在细胞膜上的Na+,K+泵逆浓度梯度主动运输来维持的,其它的离子如Ca2+,细胞内外也存在着明显的离子浓度梯度差,由Ca2+泵来维持。这些生物离子泵在高频率的微波场中,将不能正常发挥其生理功能。按照细胞离子通道学说,细胞与外界联系进行一系列复杂的生理过程是依靠细胞膜内外电位差控制的,即膜电位的改变能激活(开放)或关闭与外界联系的通道,若细胞正常膜电位状态遭到破坏,必然会影响其正常生理活动,以致危及细菌的存活。

三是细菌细胞内的酶,在高频率、强电场强度的微波场中,其功能可能紊乱或失活,特别是那些以金属离子为辅助因子的金属酶在微波场的作用下,金属离子所处的环境可能发生变化,影响这些酶的活性。四是细胞内没有核膜和细胞核,只有拟核区。在拟核区内,其遗传物质的载体——染色体是裸露的环状DNA,没有或结合极少量组蛋白,其DNA双螺旋结构中A=T,C?G碱基对间的氢键易受到微波的冲击而破坏。

2.微波对食品的杀菌作用

国外利用微波杀菌已应用于食品工业生产,如日本的磨菇小包装,,荷兰和美国的熟食品蔬菜、饮料小包装,匈牙利的方便食品,都经过微波杀菌后在市场上流通。国内用微波对食品杀菌也有了初步研究。有研究者对啤酒采用中高功率杀菌后,菌落总数小于14个/mL, 大肠菌群未检出,都符合国标GB 4927-85(菌落总数和大肠菌群数分别小于50和3个/mL)。有人用微波照射月饼,研究对霉菌的杀灭作用。

结果表明,在实验条件下,经微波照射30s, 温度仅升高5414℃,根本达不到霉菌的热致死点(一般霉菌的热致死点为6215℃)但对霉菌的杀灭率已达70%,这说明微波杀菌除热效应外,应有非热效应存在,许多文献都支持上述观点,其他研究者在实验中也证实了上述结论,经微波照射2min,对曲霉的杀灭率达100%,对青霉的杀灭率达99.199%,同时微波具有作用时间短,,升温快和杀菌效果好的优点。

有研究者用微波设备对鱼丸、鱼片、熏鱼、酱油、香肠、牛肉干、火腿、及糕点等数十种物料进行广泛地试验,并根据食品的介电常数、含水量,确定其杀菌时间、功率密度等工艺参数,得到了食品物料的介电机理及在微波场中升温的理论模型,证实了微波对食品灭菌具有一定的非热作用。

后来,其它研究者还发现,酱油经微波处理后,可以抑制霉菌的生长及杀灭肠道致病菌, 但对氨基酸态氮无破坏作用。此外,用微波对牛奶杀菌消毒后,细菌和大肠杆菌数完全达到卫生标准要求,不仅营养成份保持不变,而且脂肪球直径变小,提高了产品的稳定性,有利于人体消化和吸收。

食品包装用纸消毒的常规方法为化学或物理方法,但会损伤纸的品质,尤其是化学方法, 因其会产生臭味而降低纸的使用价值。而紫外线杀菌,仅能杀灭包装纸表面的大部分细菌, 效果也不理想。有研究者用微波对质量3kg、体积为15cm×12cm×25cm的冰棍纸和60g糖纸杀菌,仅用5s即能杀灭包括纸面表层的试验微生物,无菌实验也证明效果是好的。

近,杨红旗等人对微波和紫外线协同杀菌作用作了研究。研究表明,其作用明显优于单独采用微波杀菌或紫外线杀菌的作用。

3.微波对食品的保鲜作用

国外对食品使用防腐剂有严格要求,微波杀菌的显著效果可以使食品不添加防腐剂而延长保鲜期。例如,瑞典、德国和丹麦均使用微波对切片面包杀菌防霉保鲜的工业化生产,其保鲜期由原来的3~4d延长到30~60d 。意大利的OMAC公司的袋装生面条微波杀菌防霉装置,每小时加工量为500kg,能很好地解决生面条的保鲜问题。

1988年荷兰的三角洲每日公司将盒装鱼等肉食品用微波处理后在0~4℃下可保存6个星期,原味不变,新鲜如初。

国内,研究利用微波保鲜食品也有了一定的进展。吴晖等人研究了微波处理对豆腐保鲜期的影响。结果表明,豆腐经微波处理315min,在25℃下可保鲜3d,而对照样组仅保鲜015d王盛良等人将普通市售月饼用微波照射后于28℃恒温箱中培养观察其霉变情况,同时设置实验对照组。结果,对照组第6天开始霉变,第12天全部霉变,而试验组至第40天未见长霉,随后放置室温继续观察40天,仍完好如初。

有研究者将保鲜难度较大水产品和牛奶进行微波杀菌,结果表明,在包装材料和封口工艺符合一定技术要求的条件下,保藏期可以根据不同的要求确定为10日、1个月、3个月、6个月四个档次。在同样保藏条件下,保鲜期是不经微波处理的几十倍长,而且色香味和营养成分保存方面都比一般热力杀菌食品好。

此外,用微波处理蜂王浆、口服液和香菇,不仅可延长保存期,而且可有效保存其中的生物活性物质。这是传统加热法所不能比拟的。


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