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微波知识 Microwave knowledge

微波杀菌技术

微波杀菌技术

一、概述

 

   微波杀菌是微波加热技术功能的延伸,表现为微波与生物体及其组成的基本单元——细胞之间相互作用后,生物体的细胞生理活动变化和反应。

   与食品等行业的巴氏加热杀菌法比较,实验数据表明微波杀菌有以下显著特点:

   ⑴同样杀菌温度下,所需杀菌时间短;在相同杀菌条件下,菌致死的温度比较低。

   ⑵能同时对被杀菌物料表里实施整体杀菌。极大地缩短杀菌周期,并保证杀菌工艺的一致性。

 

二、微波杀菌机理分析

    微波对生物体作用的结果,生物体作为极性介质吸收微波能量后产生两种效应:热效应和非热效应(也称生物效应)。这两种效应都会影响生物活动变化和反应。微波对生物体的热效应是生物体吸收微波能量在体内转化为热能(热量),使自身温度升高,出现组成生物体的蛋白质产生热变性而凝固(>50℃)的现象。其后果对于细菌来说将致死,这是巴氏杀菌的理论基础。就微波对生物体的热效应而言,这一点与巴氏杀菌效果是相同的。但微波辐射对生物体的影响远不止于这一点。

    1、微波杀菌的物理环境

    微波辐射对生物体相互作用具有双向性,如果微波剂量超过生物体(可以是整体或者是某敏感部位的局部)耐受量阈值,都将对生物体造成伤害。但如果低于阈值,微波辐射对生物体的生理活动却能起到激活、催化作用。

    从哲理来说,杀菌过程是制造一个人为环境,让细菌处于这样一个环境中受到影响来达到不利于细菌的生存而杀灭的目的。巴氏杀菌制造人为环境是热力场(或称温度场),让组成细菌的蛋白质,受热凝固终止其生命。

巴氏杀菌环境为物理性质的。不同的杀菌温度表明细菌处于不同热程度的温度场中得到杀灭,它反映了被杀灭的菌种或芽孢耐热性不同。

微波杀菌的物理环境有三个:一是热力的温度场,另一为电磁力的、频率甚高的电磁场。是两种物理场对微生物作用,其中以电磁力场杀菌为主导作用。

2、微波杀菌机理探索

微波杀菌的机理如下所述。

 ⑴应答说法  即生物系统在一定条件下对电磁场的应答干扰细菌正常生物活动态,从而导致其死亡。这种说法可以从下列实验事实提供佐证,1991年度生物学或医学诺贝尔奖金获得者,德国马克斯·普朗克研究所的两位细胞理学家埃尔温·内尔和贝尔特·扎克曼所发现的“细胞离子通道”及特定功能,可以很形象地说明细菌致死的原因。两位学者的实验记录了细胞特殊的离子通道电流及

其变化,表明外界干扰因素(例如交表磁场)都会妨碍细胞赖以与外界交换物质维持正常生理活动的离子通道的开闭,从而出现细胞生理活动的异常。

⑵极化穿说法  细胞作为介质,在交表电磁场环境中表现出极化现象。

即跟随外加交变电磁场极性变化,细胞的感应偶级矩受到力矩作用而产生交替方向的旋转和摩擦生热。与此同时,外电场使细胞膜渗透性发生改变,导致细胞膜出现击穿性的破裂。实验数据表明,当电磁场辐射时间小于1μs,膜的电位低于1V时,这种击穿是可逆转的。但倘若受到较长时间的电磁辐射,则将形成不可逆性击穿。有学者摄得电子显微镜放大的啤酒酵母细胞膜破裂的照片,显示出常规加热使细胞膜破裂为混乱碎片,而微波辐射下细胞膜壁破裂的边缘界面整齐,两者间破坏的细胞膜壁状况有明显的差别。德国学者也实验指出,当瞬间微波电场强度达2-20kv/m时可将细菌的细胞膜击碎,而物料的温度不会明显地升高。

对于微生物的细胞来说,组成细胞的细胞壁为保护细胞整体的生存界面,如果细胞壁受到损伤(不管何种原因,包括电磁性的损伤)而破裂,细胞内的核酸、蛋白质等体液渗漏体外,这对微生物都是致命的。

总之,无论是应答说法或者是极化击穿说法均反映出细胞的生理活动,在外加微波电磁场环境下出现了异常,都是属于电性质的影响,为微波灭菌所特有的物理环境所造就的。它说明微波杀菌法把常规加热的单一物理环境改为双重的,即热力与电磁力性质的物理环境,并由电磁力为主导作用,强化了杀菌作用,这足微波杀菌优于常规加热杀菌的根本所在。

3、微波杀菌的工艺特点

  与微波加热干燥一样,由于微波能透射入物料,故微波杀菌时对物料也是整体进行的。与常规加热杀菌相比,微波杀菌作用表现具有下列同时性:

⑴物料各部分杀菌同时性  即无论对物料表面或者是物料其他部位(包括物料内部)都能同时得到杀菌作用。这种杀菌各部位同时性十分有利于对厚实物料如食品中的面包、月饼等杀菌和保鲜。以面包为例,常规烘烤面包自身温度上升并不高,为60-70℃左右,其中心的杀菌温度较低,并且中心杀菌温度能维持时间不长,常使面包内部杀菌不彻底,因此,面包的霉变都是又内开始的。国内烤制面包的新鲜度仅能维持二、三天。如果是切片面包——整形面包再加工成切片,其保鲜期更短,因为面包再切片加工过程中会受到刀具及空气中散落的霉菌的二次污染。为此,瑞士卡洛里公司使用一台面包微波杀菌灭菌装置,用于切片面包的杀菌灭霉。其功率为80kw,工作频率为2450MHz,面包片经微波辐照几分钟,温度由室温上升到80℃,保温处理5~6min。

国内微波杀菌保鲜实例,例如对来夹馅面条、月饼、夹心饼(派)等也取得成功。

 物料各部位杀菌的同时性,为缩短总杀菌时间,提高杀菌质量提供了有利条件,能避免因长时间加热杀菌影响食品品质。特别是对不宜在较高温度或较长加热时间情况下进行杀菌的食品,例如,有易挥发香辛成分的姜粉、含水分较多的鲜嫩海蜇等。对于既要保持色泽、香味和口感不变等质量要求又需要杀菌的物料,使用微波杀菌可取得良好效果。

⑵杀菌时间上的同时性。能保证对物料杀菌工艺条件实施一致,无前后滞后,顾此失彼。

4、细菌致死的定量判别

     必须指出,在杀菌过程中,菌致死具有积分效应。众所周知,依靠表面热传导使物料各部分升温的前提决定了常规加热时,物料各部位温度升高有先后,具有有一定时间间隔,并且这段时间间隔长短随其升温速率的快慢而变化的。因此,常规加热杀菌过程中菌致死的环境温度并不是一个单一温度值,而是包括从活菌死亡的最低热杀菌温度起的整个加热杀菌期间所经历的温度。活菌在各特定温度下致死速率(斜率值)是不等的。所以在整个加热杀菌期间,我们无法区分确定活菌是在哪个特定温度下、哪个时刻致死的。而实验检测菌致死数值只能代表在该加热时间段内菌致死个数的累计值,用数学语言来表达的话,该数值只是菌致死对温度和时间的积分效应。从这个意义上也显示了该菌致死积分效应与其经过的途径(温度和时间的选择)有关,有一定的复杂性。显然,在微波加热物料是整体热源的特点,这种积分效应复杂性大大降低了。

    食品灭菌的概念与医学上的灭菌是不同的,食品灭菌仅指商业要求上的灭菌,其含义是要求杀灭在正常贮藏和销售期间能繁殖并导致食品变质腐败的腐败菌、病原菌和霉素菌等,以保证食用者的卫生健康,而不同与医学要求的绝对无菌。必须指出,微波杀菌法在技术上完全可以达到经微波杀菌处理后的食品和其他物流的绝对无菌要求,但是人们在使用微波杀菌法时还是对食品商业灭菌和医学灭菌处理后改变或者说不过多改变食品的风味和品质要求,因此,它的工艺特点是杀菌和保持品质两者兼顾,只要能达到商业杀菌要求就适可而止。但若以医学灭菌要求设计的微波杀菌工艺,必定是以全部杀灭细菌为最终目标而确定的

三、工业微波杀菌设备的设计

     根据客户的需求,可设计不同的微波杀菌工业装备。请您来电咨询:18898718843!

微波干燥机

 

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