工业微波食品杀菌设备

杀菌是食品加工的一个重要操作单元。常用的巴氏杀菌并不能将食品中一些耐热的芽孢杆菌全部杀灭，而目前使用较多的杀菌方法是热力杀菌，它是通过传导、对流等传热方法将热量传递给食品，使之温度升高，达到预定杀菌温度并保持一定杀菌时间从而达到杀菌目的，同时加热也会不同程度地破坏食品中的营养成分和食品的**特性。微波技术是一种较为理想的杀菌途径，具有快速、高效、安全、保鲜等优点。微波是指频率在300MHz-300GHz范围内的电磁波，波长1mm-1m。微波具有电磁波的很多特性，如放射、透射、干涉、衍射、偏振以及伴随着电磁波进行能量传输等波动特性。因此，关注微波杀菌技术对于提高食品杀菌效果和提高杀菌后食品的质量有着重要的意义。
    食品微波杀菌机理
微波与生物体的相互作用是一个很复杂的过程，分为热效应和非热效应两种。它是当生物体受到微波辐射时，微波透射生物体被吸收后所产生的综合生物效应结果。而且在相同条件下，微波杀菌致死温度比传统加热杀菌低。
热效应
微波是由交变的电厂产生交变的磁场，当它穿透极性介质时，这些极性分子会随着交变电场方向的改变而改变，在快速转变过程中，分子之间相互摩擦产生热量，从而导致温度升高，使微生物内的蛋白质等分子结构改性或者失活，从而杀灭微生物。例如：当食品处于微波场中，由于磁场作用，使原来食品中一端带正电、一端带负电的排列无序的极性分子变成有序排列，即带正电的一较朝电场的负极，而带负电的一较朝电场的正极，电场极性的改变导致偶较子朝向的改变。极性改变的速度越快，偶较子转变得也越快，在快速转变的过程中，分子之间互相摩擦产生热量。微波的频率很高，剧烈的分子摩擦可使被处理物品产生大量的热量，从而达到灭菌的效果。目前这方面的研究工作及其应用已基本完善。
非热效应
较新研究认为，微波杀菌时，除了热效应外，还有非热力的生物效应，二者具有协同增效作用、杀死微生物的效果。微波非热效应指生物体内部不产生明显的升温，却可以产生强烈的生物响应，使生物体内发生各种生理、生化和功能的变化，导致细菌死亡，达到杀菌目的。其机理主要有以下几种：（1）在微波内，食品主要成分核酸和蛋白质可产生变异，促进微生物死亡；（2）医学研究发现，微波可影响、干扰DNA正常的复制、转移、合成和修饰等活动；（3）食品有人发现，食品中常见的酶类对微波较为敏感；（4）从细胞生物学角度分析，在微波场中，细胞膜可以发生机械性损伤，使细胞内物质外漏，影响其生长繁殖；（5）降低水分活度，破坏微生物的生存环境；偶较分子旋转和在交互沉淀池中趋向线形排列，从而引起蛋白质二级、三级结构的改变，导致细菌问生物死亡。
总的来说，微波的热效应主要是快速升温及杀菌，而非热效应则使微生物体蛋白质和生理活性物质发生变异，从而丧失活力或者死亡。
食品微波杀菌的特点
（1）时间短且速度快   微波利用其选择透射作用，使食品内外均匀，迅速升温杀灭细菌。处理时间大大缩短。在强功率密度强度下，仅仅需要几秒或几十秒即能达到效果。
（2）低温杀菌可保证食品质量   微波热效应的快速升温和非热效应的升华作用，增强了杀菌功能。相比常规热力杀菌在较低温度、较短的时间内就能获得效果，一般杀菌温度在75~80℃，处理时间大概3~5分钟。微波特有的加工方式能保留更多的有小成分，保持原有的色、香、味、形等特征。
（3）杀菌彻底   常规热力杀菌是从物料表面开始，通过热传导，由表及里渐次加热，这样存在一定的漏洞。而微波的穿透性使表面与内部同时受热，并且热效应和非热效应的共同作用，杀菌效果更好。
（4）食品成分对微波具有选择吸收性    用微波干燥谷物，由于谷物的主要成分淀粉、蛋白质等对微波的吸收率比较小，谷物本身升温较慢。但谷物中的害虫及问生物一般含水分较多，某些介质易吸收微波能，可使内部升温而杀死。这样，既能达到杀菌效果，又可以保持谷物原有的营养成分。
（5）效率高，节约能源，操控方便    微波可直接使食品内部介质分子产生热效应，装置本身不被加热，也不需要传热的媒介。因此，能量损失少，效率又比普通的杀菌方法高。另外，设备制成隧道式使得生产过程实现自动化，减轻劳动强度并有利于标准化生产。
    脉冲微波杀菌技术研究现状
    传统微波杀菌利用连续微波处理食品，主要是利用微波的热效应。而脉冲微波杀菌主要是利用非热效应，它是生物电磁学上一个较新的研究领域。脉冲微波杀菌技术能利用较低的温度、较小的温升对食品进行杀菌，这是其他杀菌方法所没有的优势，有十分广阔的研究和应用前景。到现在为止，脉冲微波杀菌有两条途径。a.脉冲电场产生非热生物效应的机理主要是由于细胞膜在脉冲电场的作用下，在气双脂层上形成穿孔，发生所谓的“电穿孔”效应，使细胞膜的通透性异常增加。在低强场情况下，电穿孔效应是可逆的，并能自行修复，但在高强场的作用下，膜的破坏是长期的、不可逆的，导致膜的不可逆击穿；b.在脉冲微波的作用下，在细胞膜上将在原有静电位的基础上产生跨膜电位，这使嵌入膜中的大分子受到这个膜电位的影响。成千上万的大分子保持着带电的组团，在跨膜电位的作用下，发生少量的构形变化，造成细胞功能的改变。
   微波杀菌技术在食品工业中的应用
   微波杀菌技术能够很大程度的保持食品的营养成分，杀菌效果明显，可以是食品不添加各种有害人们身心健康的防腐剂并且延长保质期。它的应用十分广泛，应用领域主要有粮油制品、豆制品、奶制品、调味品、果树杀菌保鲜、水产品以及医疗器械的杀菌等方面。微波杀菌效果很好，是企业节约成本、提高产品质量的有效途径，因此，这个技术受到了很多人们的重视。
   微波杀菌设备及设计
   微波杀菌之所以这么有效，它的设备一定很是重要。主要由直流电源、磁控管、加热器、控制器和冷却系统组成，消毒杀菌用的加热器主要是驻波场谐振控加热器。微波加热杀菌设备以结构划分的话，有很多种形式。如：平板式、曲折波导式、箱型隧道式、圆柱型直立式或卧式、管道式和传送带式等等。这其中每一种设备都有它们特有的特点及优势。在工业上，连续生产可用传送带式，小批量消毒试验可用箱式。另外，圆柱腔式微波食品机械的应用较为广泛，功能多，模式丰富，高效率，高可靠性，适合多种包装形式的食品杀菌，且非热效应杀菌效果较为明显。微波杀菌设备所选用的物料状态和物料的包装工序有关，这个及其重要。物料包装工序可分为物料包装前和包装后杀菌两种。
   影响微波杀菌效果的因素
   影响微波杀菌效果的因素主要有两个方面。（1）食品的介电性质对杀菌效果的影响。介电性质对微波杀菌效果及其设备的设计有着较为重要的影响。食品的介电性质与食品各组成成分的状态及相互作用有关。其中较为重要的是食品中的水分含量和状态。水分子是极性分子，水分含量越大，食品的介电损耗因子越大，吸收微波越强，杀菌能力就越好。此外，物料的密度也会影响介质的损失值。（2）主要是微波的功率、处理时间和温度。微波杀菌赢根据食品介质的性质来确定杀菌所需要的时间、温度、功率等工艺参数。但是在这些因素还是有很多地方没有研究到很深入透彻。
展望
微波杀菌技术与传统食品杀菌方式相比已有了**的优势，应用也日渐广泛。它是一种现代**，利用微波对食品进行杀菌处理，有着很多优点，应进一步研究使其更加成熟、可靠、节能、安全。由于脉冲微波杀菌主要是利用非热效应，因此应大力加强对脉冲微波杀菌的非热生物效应机理以及其应用的研究，探索脉冲微波低温杀菌更高的工艺技术和设备，研制性能优越全满的脉冲微波杀菌设备。随着研究的进展和深入，微波杀菌技术一定能够给食品加工业带来新发展和转变。