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    應用案例

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    微波殺菌技術
    時間:2016年11月24日 閱讀:

    一、概述

       微波殺菌是微波加熱技術功能的延伸,表現為微波與生物體及其組成的基本單元——細胞之間相互作用后,生物體的細胞生理活動變化和反應。

       與食品等行業的巴氏加熱殺菌法比較,實驗數據表明微波殺菌有以下顯著特點:

       ⑴同樣殺菌溫度下,所需殺菌時間短;在相同殺菌條件下,菌致死的溫度比較低。

       ⑵能同時對被殺菌物料表里實施整體殺菌。極大地縮短殺菌周期,并保證殺菌工藝的一致性。

    二、微波殺菌機理分析

        微波對生物體作用的結果,生物體作為極性介質吸收微波能量后產生兩種效應:熱效應和非熱效應(也稱生物效應)。這兩種效應都會影響生物活動變化和反應。微波對生物體的熱效應是生物體吸收微波能量在體內轉化為熱能(熱量),使自身溫度升高,出現組成生物體的蛋白質產生熱變性而凝固(>50℃)的現象。其后果對于細菌來說將致死,這是巴氏殺菌的理論基礎。就微波對生物體的熱效應而言,這一點與巴氏殺菌效果是相同的。但微波輻射對生物體的影響遠不止于這一點。

        1、微波殺菌的物理環境

        微波輻射對生物體相互作用具有雙向性,如果微波劑量超過生物體(可以是整體或者是某敏感部位的局部)耐受量閾值,都將對生物體造成傷害。但如果低于閾值,微波輻射對生物體的生理活動卻能起到激活、催化作用。

        從哲理來說,殺菌過程是制造一個人為環境,讓細菌處于這樣一個環境中受到影響來達到不利于細菌的生存而殺滅的目的。巴氏殺菌制造人為環境是熱力場(或稱溫度場),讓組成細菌的蛋白質,受熱凝固終止其生命。

    巴氏殺菌環境為物理性質的。不同的殺菌溫度表明細菌處于不同熱程度的溫度場中得到殺滅,它反映了被殺滅的菌種或芽孢耐熱性不同。

    微波殺菌的物理環境有三個:一是熱力的溫度場,另一為電磁力的、頻率甚高的電磁場。是兩種物理場對微生物作用,其中以電磁力場殺菌為主導作用。

    2、微波殺菌機理探索

    微波殺菌的機理如下所述。

     ⑴應答說法  即生物系統在一定條件下對電磁場的應答干擾細菌正常生物活動態,從而導致其死亡。這種說法可以從下列實驗事實提供佐證,1991年度生物學或醫學諾貝爾獎金獲得者,德國馬克斯·普朗克研究所的兩位細胞理學家埃爾溫·內爾和貝爾特·扎克曼所發現的“細胞離子通道”及特定功能,可以很形象地說明細菌致死的原因。兩位學者的實驗記錄了細胞特殊的離子通道電流及

    其變化,表明外界干擾因素(例如交表磁場)都會妨礙細胞賴以與外界交換物質維持正常生理活動的離子通道的開閉,從而出現細胞生理活動的異常。

    ⑵極化穿說法  細胞作為介質,在交表電磁場環境中表現出極化現象。

    即跟隨外加交變電磁場極性變化,細胞的感應偶級矩受到力矩作用而產生交替方向的旋轉和摩擦生熱。與此同時,外電場使細胞膜滲透性發生改變,導致細胞膜出現擊穿性的破裂。實驗數據表明,當電磁場輻射時間小于1μs,膜的電位低于1V時,這種擊穿是可逆轉的。但倘若受到較長時間的電磁輻射,則將形成不可逆性擊穿。有學者攝得電子顯微鏡放大的啤酒酵母細胞膜破裂的照片,顯示出常規加熱使細胞膜破裂為混亂碎片,而微波輻射下細胞膜壁破裂的邊緣界面整齊,兩者間破壞的細胞膜壁狀況有明顯的差別。德國學者也實驗指出,當瞬間微波電場強度達2-20kv/m時可將細菌的細胞膜擊碎,而物料的溫度不會明顯地升高。

    對于微生物的細胞來說,組成細胞的細胞壁為保護細胞整體的生存界面,如果細胞壁受到損傷(不管何種原因,包括電磁性的損傷)而破裂,細胞內的核酸、蛋白質等體液滲漏體外,這對微生物都是致命的。

    總之,無論是應答說法或者是極化擊穿說法均反映出細胞的生理活動,在外加微波電磁場環境下出現了異常,都是屬于電性質的影響,為微波滅菌所特有的物理環境所造就的。它說明微波殺菌法把常規加熱的單一物理環境改為雙重的,即熱力與電磁力性質的物理環境,并由電磁力為主導作用,強化了殺菌作用,這足微波殺菌優于常規加熱殺菌的根本所在。

    3、微波殺菌的工藝特點

      與微波加熱干燥一樣,由于微波能透射入物料,故微波殺菌時對物料也是整體進行的。與常規加熱殺菌相比,微波殺菌作用表現具有下列同時性:

    ⑴物料各部分殺菌同時性  即無論對物料表面或者是物料其他部位(包括物料內部)都能同時得到殺菌作用。這種殺菌各部位同時性十分有利于對厚實物料如食品中的面包、月餅等殺菌和保鮮。以面包為例,常規烘烤面包自身溫度上升并不高,為60-70℃左右,其中心的殺菌溫度較低,并且中心殺菌溫度能維持時間不長,常使面包內部殺菌不徹底,因此,面包的霉變都是又內開始的。國內烤制面包的新鮮度僅能維持二、三天。如果是切片面包——整形面包再加工成切片,其保鮮期更短,因為面包再切片加工過程中會受到刀具及空氣中散落的霉菌的二次污染。為此,瑞士卡洛里公司使用一臺面包微波殺菌滅菌裝置,用于切片面包的殺菌滅霉。其功率為80kw,工作頻率為2450MHz,面包片經微波輻照幾分鐘,溫度由室溫上升到80℃,保溫處理5~6min。

    國內微波殺菌保鮮實例,例如對來夾餡面條、月餅、夾心餅(派)等也取得成功。

     物料各部位殺菌的同時性,為縮短總殺菌時間,提高殺菌質量提供了有利條件,能避免因長時間加熱殺菌影響食品品質。特別是對不宜在較高溫度或較長加熱時間情況下進行殺菌的食品,例如,有易揮發香辛成分的姜粉、含水分較多的鮮嫩海蜇等。對于既要保持色澤、香味和口感不變等質量要求又需要殺菌的物料,使用微波殺菌可取得良好效果。

    ⑵殺菌時間上的同時性。能保證對物料殺菌工藝條件實施一致,無前后滯后,顧此失彼。

    4、細菌致死的定量判別

         必須指出,在殺菌過程中,菌致死具有積分效應。眾所周知,依靠表面熱傳導使物料各部分升溫的前提決定了常規加熱時,物料各部位溫度升高有先后,具有有一定時間間隔,并且這段時間間隔長短隨其升溫速率的快慢而變化的。因此,常規加熱殺菌過程中菌致死的環境溫度并不是一個單一溫度值,而是包括從活菌死亡的最低熱殺菌溫度起的整個加熱殺菌期間所經歷的溫度。活菌在各特定溫度下致死速率(斜率值)是不等的。所以在整個加熱殺菌期間,我們無法區分確定活菌是在哪個特定溫度下、哪個時刻致死的。而實驗檢測菌致死數值只能代表在該加熱時間段內菌致死個數的累計值,用數學語言來表達的話,該數值只是菌致死對溫度和時間的積分效應。從這個意義上也顯示了該菌致死積分效應與其經過的途徑(溫度和時間的選擇)有關,有一定的復雜性。顯然,在微波加熱物料是整體熱源的特點,這種積分效應復雜性大大降低了。

        食品滅菌的概念與醫學上的滅菌是不同的,食品滅菌僅指商業要求上的滅菌,其含義是要求殺滅在正常貯藏和銷售期間能繁殖并導致食品變質腐敗的腐敗菌、病原菌和霉素菌等,以保證食用者的衛生健康,而不同與醫學要求的絕對無菌。必須指出,微波殺菌法在技術上完全可以達到經微波殺菌處理后的食品和其他物流的絕對無菌要求,但是人們在使用微波殺菌法時還是對食品商業滅菌和醫學滅菌處理后改變或者說不過多改變食品的風味和品質要求,因此,它的工藝特點是殺菌和保持品質兩者兼顧,只要能達到商業殺菌要求就適可而止。但若以醫學滅菌要求設計的微波殺菌工藝,必定是以全部殺滅細菌為最終目標而確定的

    三、工業微波殺菌設備的設計

         根據客戶的需求,可設計不同的微波殺菌工業裝備。請您來電咨詢。



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