微波及超声波的原理及应用

一、微波烹调
微波炉烹调食品,具有方便、快速、营养损失小、产品鲜嫩多汁的特点。因此,家用微波炉的普及速度很快。1992年美国的普及率达到90%,日本的普及率也很高。我国近年普及很快。
微波加热器
微波烹调食品的方法主要有两种,一种是家庭或食堂自己配料烹调,这种方法具有时间短的优点。
另一种是食品公司利用微波炉加热杀菌生产的微波方便食品。食用前只需将罐头丢入热水中稍稍加热即可。
二、微波干燥
由于微波干燥具有一般干燥无法比拟的优点(内部加热,受热均匀,干燥速度快,营养损失小,外表不结壳),因此在食品干燥中发展很快。
实例:将含水量为30%的面条用热风干燥时,需要8小时。但先用微波炉将含水量降低到18%,再用热风干燥到13%,只需1.5小时。
三、微波解冻
1、传统方法解冻的优点
时间长,占地面积小,失水率较高,表面易氧化,易变,消耗大量清洁水。
2、微波解冻的优点
由于内外同时加热,因此解冻快,失水少(但比自然解冻的失水多)。
四、微波杀菌和保鲜
(一)微波杀菌的作用机理
1、热效应
微波作用于食品,食品表里同时吸收微波能,使温度升高。侵入食品的微生物细胞在微波场的作用下,其分子也被激化并作高频振动,产生热效应,温度升高,。食品和微生物温度的快速升高,使其蛋白质结构发生变化,从而失去生物活性,使菌体死亡或受到严重干扰而无法繁殖。
2、非热生化效应
①微波的作用,使微生物在其生命化学过程中所产生的大量电子、离子和其它带电粒子的生物性排列
组合状态和运动规律发生改变,亦即使微生物的生理活性物质发生变化。
②同时,电场也会使细胞膜附近的电荷分布改变,导致膜功能障碍,使细胞的正常代谢功能受到干扰破坏。使微生物细胞的生长受到抑制,甚至停止生长或使之死亡。
③微波能还能使微生物细胞赖以生存的水分活性降低,破坏微生物的生长环境。
④微波还可以导致DNA和RNA分子结构中氢键松弛、断裂和重新组合,诱发基因突变,染体畸变,从而中断细胞的正常繁殖能力。
(二)微波杀菌的应用
1、应用范围
既可以用于固体食品的杀菌,也可用于液态食品的杀菌;
既可用于杀菌,还可用于产品的灭酶;
2、实例:
杀菌实例微波牛奶消毒器采用的是2450MHz的频率,其工艺可以是采用82.2℃左右处理处理一定时间,
也可以是采用微波高温瞬时杀菌工艺,即:200℃,0.13S。
灭酶实例:采用微波灭酶代替果蔬食品加工前的热水热烫,同样可以杀死部分微生物,钝化酶的活性,还可以减少水溶性物质的流失。
五、食品微波焙烤与烘烤
1、微波焙烤的优点
2、微波焙烤的缺点
由于焙烤时产品温度较低,不足以产生足够的美拉德反应,因此产品的表面缺少人们所喜爱的金黄。因此,微波焙烤往往与传统焙烤方法结合起来使用,两中加热方法同时进行或依次进行,或微波加热与红外加热一起使用。一般的做法是,先用微波焙烤,再用传统方法在200-300℃下烘烤4-5min,或再用红外加热上。
3、微波加热实例
实例一微波用于面包的焙烤
由a-淀粉酶含量高的面粉制成的面包一般不能用传统方法焙烤,因为a淀粉酶的作用会引起淀粉的过量分解,使产品的体积减小,弹性变差(即发硬)。但采用微波焙烤,其迅速加热产生的大量蒸汽和二氧化碳可使产品蓬松,也能使a-淀粉酶对淀粉的分解作用减少到最低限度。
实例二微波加热用于坚果类的烘烤
坚果类具有坚硬的外壳,一般方法焙炒比较困难,常常是加热过头,使坚果变脆,不易切片。由于微波具有内部加热的特性,因此可以克服上述缺点。如:国外用20-40kW,915MHz的微波加热器对白瓜子、花生、杏仁和腰果进行焙炒,将含水量35%左右的原料焙炒至含水5%以下,产品的质量比传统方法的好。
六、微波膨化
1、概念
就是利用微波的内部加热特性,使得物料内部迅速受热升温产生大量的蒸汽,内部大量的蒸汽往外冲出,形成无数的微小孔道,使物料组织膨胀、疏散。
2、实例
日本制造出一种微波干燥蛋黄粉的设备将蛋黄浆涂在传送带上,先用远红外线预热到30℃,再用微波加热(16只5kW,2450MHz的磁控管),待膨化至3-5cm厚时,急速冷却至40℃,然后进行破碎和用常规方法干燥。
微波膨化还可用于玉米花等其它方便食品的制造。
2.1 嫩化
超声嫩化是90 年代美国的Solomon 和Long 提出的一种与其它的肉类嫩化原理不同的全新
嫩化技术。它利用在水中引爆,产生声波, 声波在水中传递至肉时,由于声耦作用,肉受迫振动,快速的压缩和收张使肌肉结构破坏,使牛肉嫩度提高了40%~70%。此过程以秒计,嫩化效果明显,不影响其营养和风味。后来国外许多研究发现低频率高能量的超声波(20kHz~100kHz)可用于提高肉品嫩度;Lyng 等指出超声波技术可能使溶酶体破坏,同时肌原纤维蛋白和结缔组织也受破坏,从而起到嫩化作用。特别是溶酶体的破坏使组织蛋白酶和钙蛋白酶体系释放而发挥
嫩化作用。Reynolds等超声波处理火腿肠时也得到类似结果。Roberts 等在室温下用
40kHz,2W/cm2 的超声波处理肉产品2 小时,可以清楚地看到结缔组织的减少。国内也有人开始超声波嫩化肉品的研究,李兰会用频率为40kHz,电功率1000W,强度为1.33W/cm2 的超声波水浴处理山羊肉块3min~5min,发现明显提高了肉块的嫩化速率。超声波处理作为一种加速肉品成熟的新技术,比其它方法更安全,经济,效果明显,有着广阔的应用前景。
2.2 解冻
大块冻结食品在空气或水中的解冻过程是非常缓慢的,这不仅增加了食品的加工成本,而且为饮食的准备工作带来了很多不便。从食品内部加热也许可以加快解冻的速度,但现已采用的微波、
高频、低频解冻方法并不能有效地缩短解冻时间,因为漏热和表面过热的问题限制了解冻速度的提高。
超声解冻方法则不存在这些问题。Shore 等人(1986)发现,超声波在冻结肉制品中比在未冻结组织中衰减程度大,而且这种衰减随着温度显著增加,在起始冷冻点达到最大值。这意味着超声波的大部分能量将被食品中处于解冻临界区域的组织所吸收。利用超声波的这一特性,在食品解冻过程中,用超声波加热食品,可以有效地缩短解冻时间。从超声波的衰减温度曲线来看,超声波比微波更适用于快速稳定地解冻。Miles 等在实验中发现,在500kHz,0.5W/cm2 超声波的辐照下,10~15cm 厚的冷冻牛肉、猪肉以及鳕鱼块在15~25h内即可完全解冻。
2.3 肉品品质检测
利用低能量超声检测技术对产品质量的检测是当前研究的热点。检测关键在于通过对声波信号变化的分析了解产品的成分或组织结构特性,主要考察的参数是声速,在某些特殊情况下也需要辅以声衰减分析和频谱分析。随着人们科学饮食观念的提高,消费者希望肉制品更精瘦、更美味、口感更柔嫩。为了适应这种消费需求,肉制品工业需要寻求快速无损的检测方法对原料肉的品质进行控制。低能量超声检测技术在此显示出突出优势。由于声波在精肉和肥肉中的传播速度存在明显差异,因此能够轻易地检测动物活体或屠宰后的畜体中精肉的厚度。通过简单的超声成像技术还能检测原料肉中肥瘦相间的肉和有特殊组织结构的区间。除了对瘦肉厚度的检测之外,最近有研究者还将超声检测技术用于对成品鱼、鸡肉中的固体脂肪含量进行检测。
3 超声波在乳品中的应用
3.1 作为清洗工具使用
目前,人们对超声波在乳品加工中的应用研究主要集中于其作为清洗工具方面。Stone 和Fryer 推出的间歇式超声波清洗设备(25,35 千赫,40,50w),可用于驱散低温冷藏牛乳中的细菌凝块。该清洗系统能起到与通常的搅拌机同样的效果。Hensen 设计了用于清洗干酪槽的超声波清洗器。Hoistro 则推出了另一种用在干酪加工中的超声波清洗设备。Kivela则在温度65~70℃下,采用强度为12 干瓦的超声波用于清洗干酪槽,效果非常明显,而且能耗可降低25% 。
3.2 在原料乳保鲜中的应用
超声波可钝化乳品中的微生物和酶。Munkacsi 等人对牛乳进行超声波(8.4w/cm2,lmin)-紫外线辐照(20s)处理后,发现细菌总数和大肠菌致死率分别为93.0% 和97.5%。凝乳酶的凝结时间延迟10% ~25%,酶凝时间的延迟是蛋白质变性造成的。虽然经超声波- 紫外线处理可防止辐照牛乳中不良风味的产生,但该牛乳中仍存在微微蒸煮味。超声波对沙门氏菌的纯化效果可以利用0.1%的蛋白胨溶液的薄膜和牛奶巧克力来试验作出评价。研究表明,超声波对蛋白胨溶液中的沙门氏菌的破坏作用远远高于其对巧克力中沙门氏菌的破坏。这是因为超声波在作用于巧克力时,巧克力的物理化学结构较特殊,空化作用受到限制。Ordone 研究了加热(50.3~56.7℃)与超声波(20kHz,3.75w/ml)处理相结合对磷酸缓冲溶液和U H T 全脂乳中葡萄球菌存活的影响。处理后发现磷酸溶液中其D 值减少量为6 3 % ,而
牛乳中则为43%( 这可能是牛乳对细菌裂变的保护作用所致〕。Garcia 分别研究了超声波对水、甘油、牛乳中枯草杆菌的影响,结果表明在70~95℃的条件下,超声波对水中的孢子破坏作用较显著,在这种情况下,D 值减少99.9%。王蕊等人研
究了利用不同杀菌频率、杀菌时间和杀菌温度的超声波对原料进行处理。结果表明,经
50kHz,60s,60℃超声波处理的原料乳,杀菌率达87%,对营养物质无任何破坏作用,在15℃条件下保鲜45h ,仍有优良的感官性能。
3.3 均质
超声波对介质所产生的空化作用以及剪切力,能使乳中脂肪球的直径减小。对乳进行均质处理时,超声波处理时间的延长及流动速度加快,超声波对脂肪球体积减少的作用明显增强。在75.5 ℃用超声波处理102.3s,能使脂肪球的直径从2.78~3.08 μm降低至0.57~0.95 μm。超声波对脂肪球的影响能提高牛乳的贮藏性能及营养性能。将超声波应用于均质牛乳还可提高干酪产量( 至少5%),而改善干酪中水分的分布状况,从而改善干酪的品质。朱海清[13]通过试验对不同频率与功率密度的超声波对牛奶的均质效果进行了研究,得到了较适用的超声频率与功率密度,并设计了一套能用于连续生产的超声波均质设备。
3.4 乳品品质检测
目前国外用超声检测食品成分的研究还限制在对总类物质含量的分析, 如检测牛奶中脂肪含量和非脂固形物含量、检测食品中总糖含量等。仍然不能将目的定位到具体成分含量的检测, 但这必将成为今后一段时间研究的重点。对乳及乳制品物理特性的检测是乳品工业用来确定产品质量的重要手段。低能量超声检测技术在乳制品工业中首先被用于对产品成分含量的检测, 最常见的检测项目是脂肪小液滴含量的检测、非脂乳固体(SNF)含量的检测和总固形物含量的检测。FairleyP.等通过大量的试验建立了乳制品成分与超声特性之间的经验关系式,超声波在水中的传播速度随温度升高而加快,而在脂肪中的传播速度则随温度升高而减慢,当温度在13~14℃左右时, 脂肪中的声速与水的声速基本相同,此时的温度被称为临界温度。在临界温度下,乳中声速的变化均只受到S N F 含量的影响,而与脂肪含量无关,从而能够准确测得非脂乳固体的含量;当温度远离临界温度,脂肪中声速与水中声速差异及其明显,乳中声速的变化主要由脂肪含量变化而产生,由此即可实现对乳脂含量的检测。乳品中声速和声衰减的变化除了依赖于乳品成分含量之外,还与其微结构状态有关。GriffinW等通过对超声衰减的研究成功检测了乳中脂肪和酪蛋白的颗粒大小等利用声衰减对凝乳酶作用导致的乳品凝絮过程实现了无损检测, 并得到加酶时间与衰减系数之间的关系表达式。此外, 超声检测技术还被用于检测冰淇淋和奶酪产品质量, 通过回波声速的检测确定奶酪熟化程度,检测成品乳酪中是否存在裂缝和空穴
3.5 在酸奶生产中的应用
β - 半乳糖苷酶(乳酸菌产生)在酸奶中能分解乳糖。乳糖水解的乳制品(如酸奶)对具有乳糖不耐症的人
来说意义非常重大。超声波处理能使α - 半乳糖苷酶从德氏乳杆菌中释放,乳糖转化率可上升20% 。SAKAKIBARA 成功地应用超声波处理工艺(200 千赫)制造了酸奶。另有研究表明,500C,pH6.5~7.0,200 千赫的超声波处理能使乳糖高度水解。吕嘉枥等还利用超声波降解乳酸菌释放β - 半乳糖酶, 提高酸奶中益生菌存活力。
4  超声波在蛋品中的应用
利用超声波可测定蛋清厚度或利用蛋清和蛋黄不同的组织结构定量其组成[21],甚至在实际操作中还能确定蛋壳的厚度和破裂度。这对使用蛋品为原料的糕点行业不失为有效的原料检测工具和
加工物料质量控制手段。

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