食品的微波加工研究新進展

付婷婷 覃小麗 劉 雄

(西南大學食品科學學院，重慶 400715)

微波是頻率在300 MHz～300 GHz的高頻電磁波，其對應的波長范圍為1 mm～1 m，家用微波設備的工作頻率一般為2.45 GHz，而工業微波系統的工作頻率通常為915 MHz或2.45 GHz[1]。20世紀40年代，微波技術開始應用于食品工業中，因其具有加熱速度快、時間短、操作安全、易于操作和能耗低等優點，目前已被廣泛應用于食品的加熱烹調、干燥、殺菌、輔助提取等食品領域。有研究證實，微波加熱可以較大限度保留食品的生物活性成分，使產品保持良好的色澤，降低抗營養因子，同時提高淀粉和蛋白質的消化率[2]。然而，在大量水存在時進行微波烹飪，會造成營養物質的大量流失[3]。此外，過度加熱通常會導致微波干燥物料焦糊、產生異味，尤其是在干燥的最后階段[4]。微波殺菌不僅能降低食品中微生物含量，還能使酶失活，但其不均勻性會影響產品品質，縮短保質期[5]。本文在閱讀大量文獻的基礎上，對近幾年來國內外微波技術在食品工業應用中的研究進展情況進行綜述，重點闡述微波加熱或烹飪、干燥、殺菌和輔助提取等方面的應用，并分析微波技術對食品的營養成分、顏色、質地等品質的影響，分析目前存在的問題以及今后的研究方向，以期為微波技術在食品工業領域的廣泛推廣應用提供借鑒。

1 微波機理

1.1 微波的熱效應

傳統加熱主要依靠熱傳導和對流傳熱，熱量從物料表面傳導到內部，往往是一個緩慢的過程[2]。而微波加熱是一種依靠物體吸收微波能將其轉換成熱能，使自身整體同時升溫的介電加熱方式。在微波加熱過程中，物料中的極性分子產生定向移動，將電磁波傳遞并轉化為熱能，使物料迅速升溫[6]。食品加工中主要利用微波的熱效應，食品中的水分、蛋白質、碳水化合物和脂肪等都是極性分子，其電偶極矩來源于組成分子的原子(極化)上的分離電荷，當微波電場作用時，分子的電偶極矩與微波電場平行排列，當電場方向變化時就會引起分子偶極的轉動，引起分子間劇烈地摩擦, 使分子熱運動加劇，從而加熱物料[7]。微波加熱效率取決于物料對微波能量的吸收和損失，主要與樣品的幾何形狀、介電性能、涂敷器內部的位置等因素有關。

1.2 微波的非熱效應

微波除普遍存在的熱效應外，已有大量研究證實了微波過程存在非熱效應，即微波與生物體之間存在復雜的生物效應[8]。目前，有多種關于微波非熱效應的理論模型，如電穿孔、細胞膜破裂、磁場耦合等[9]。在微波輻照下，微生物細胞膜的分子結構重新排列，誘導磷脂雙層膜發生不可逆電穿孔，導致孔隙的形成和對離子和分子的滲透性增加，使細胞內物質(DNA、蛋白質等)外漏，細胞膜電位遭到破壞，細胞正常生理功能受損，細胞生長受到抑制甚至死亡[10，11]。微波的非熱效應除了會引起蛋白質構象發生改變，降低化學反應的活化能，提高反應速率；還能誘導細胞基因突變、染色體畸形，阻斷細胞正常繁殖[12，13]。然而，由于食品體系的復雜性，相關微波非熱效應的理論機制仍處于探索假說階段，作用機制仍存在爭議。

2 微波技術在食品工業中的應用

目前，應用微波技術對食品進行加熱、烹調、干燥、殺菌、膨化等已經成為食品行業的重要部分。為適應工業生產的需要，微波爐、微波干燥、殺菌、萃取等設備的發展已日趨成熟。微波蒸汽聯用魚糜制品加工，連續式微波真空萃取，微波茶葉殺青機，間歇式大功率微波干燥機，連續式微波熟化農副產品等新型微波加工設備的研發，能夠縮短生產時間，大幅提升產品品質，降低生產成本[14，15]。

2.1 微波加熱或烹飪

由于微波快速加熱的優勢，對微波加熱的研究也日趨豐富，且主要側重于微波對食品品質的影響研究。在對比高壓烹煮、電飯鍋烹煮、微波烹煮和電蒸鍋烹煮后米飯食味品質的研究中發現，經高壓烹飪的米飯品質最佳，而微波烹飪雖速度快，但是水分蒸發量大，導致米飯較硬，風味物質流失，食味品質最差[16]。微波加熱過程中，淀粉顆粒表面變粗糙、出現凹陷或皺褶，隨微波時間的延長，顆粒內部的無定型區域和結晶區域開始被破壞，從而導致顆粒破裂。傳統加熱食品的溫度上升緩慢，淀粉顆粒有足夠的時間糊化，而微波處理使得淀粉顆粒溫度急劇增加，從而限制了淀粉顆粒的膨脹和破裂；但微波并未改變淀粉分子中化學基團的類型，也未改變淀粉顆粒的結晶類型[17，18]。有研究發現，微波焙烤蛋糕的失重率、硬度和比體積高于傳統焙烤，加工時間短蛋糕的顏色缺乏；添加乳化劑、黃原膠、瓜爾膠等品質改良劑有利于消除微波焙烤對蛋糕品質的不利影響[19，20]。

2.2 微波干燥

微波干燥是以體積加熱為基礎的傳熱傳質的復雜過程，具有收縮率低、容重小、干燥效率高、比傳統干燥節能等優點，多用于化工、食品、農副產品、木材類、建材類、紙品等行業的干燥。干燥過程中，高頻電場能轉換成熱能，從而使物料內部的液態水分大量蒸發，然后通過內部壓力梯度擴散到表面，使物料迅速脫水[1]。但由微波引起的受熱不均，通常會導致物料局部焦糊、產生異味，尤其是在干燥的最后階段[4]。為提高干燥速率，保證產品品質，常采用微波與其他傳統干燥相結合的方法，包括真空微波干燥、熱風-微波干燥、微波-遠紅外復合干燥、微波-對流干燥、微波-冷凍干燥等。干燥過程中水分的遷移和分布通過核磁共振技術來監測(圖1)，干燥開始階段，游離水(T23)向細胞質體積水(T22)轉移，隨后細胞質體積水向結合水(T21)轉移，水分子的流動性降低；微波功率越大變化越明顯，可能與高功率條件下樣品加熱過快，導致細胞膜破壞有關[21，22]。

圖1 微波真空干燥過程中不同微波功率密度處理對樣品T2弛豫時間的影響[2]

微波干燥過程中，水分有效擴散系數(effective moisture diffusivity，Deff)起著重要作用，一般微波功率越大，水分流失越快，Deff值也越大，干燥所需時間就越短。與其他干燥方式相比，微波膨化效應能使食品組織膨脹，形成多孔結構，孔隙度增大，復水性提高。隨著微波功率的增加，收縮率降低，復水率顯著增加；但過高的微波功率會使物料溫度升高，導致細胞膜變性和相變，且物料在干燥初期可能發生較大程度的收縮，表面硬化起蒸發屏障的作用，從而延長干燥時間[23，24]。

表1 不同食品微波干燥的干燥動力學[21,28-32]

ZHANG等[25]對比了不同干燥方法對板栗品質的影響結果表明，微波冷凍干燥的干燥速度快、能耗低、板栗產品質量好，是板栗工業化生產最適宜的脫水方法。PONGPICHAIUDOM等[26]比較了油炸與微波干燥、紅外干燥、熱風干燥對方便面品質的影響，微波干燥方便面內部孔隙率大，復水能力增強，且較油炸的脂肪含量降低了80%以上，可替代傳統的油炸工藝，且成本較低。國內學者采用微波干燥技術對茶葉、藥材等的干燥研究發現，微波干燥更省時省力且茶葉的形態完整、色澤均勻、綜合品質較好，Page模型更適合于評價茶葉的微波干燥過程[5]。近年來對食品微波干燥特性及動力學的相關研究歸納見表1。

2.3 微波殺菌

與傳統殺菌相比，微波殺菌能使食品中的微生物(沙門氏菌、李斯特菌、大腸桿菌等)在較短時間內失活，主要包括糧油制品、果蔬制品、肉制品、乳制品等。一般來說，微波功率越大或時間越長，對微生物的殺滅效果越好，且細菌數量與樣品溫度之間存在顯著的相關性[33]。表2總結了微波殺菌過程中食物病原體的失活作用，可以看出，微波對不同原料中的同種病原菌、同種原料的不同病原菌的致死作用均存在差異，且同一病原菌在不同殺菌條件的殺菌效果不同。BENLLOCH等[36]的研究表明，微波加熱使獼猴桃中單核李斯特菌失活速度高于傳統加熱，證明了微波殺菌能有效替代傳統殺菌。目前，用于食品的微波殺菌工藝主要包括連續微波殺菌、脈沖微波殺菌、多次加熱和冷卻微波殺菌以及微波殺菌與常規殺菌相結合等[37]。連續微波殺菌要求物料有良好的耐熱性，殺菌設備以隧道或箱型為主；脈沖微波殺菌技術主要因其非熱效應，能在較低溫度條件下有效殺滅病原菌，對于熱敏性物料尤為適用，但設備的成本較高；針對熱敏性液體物料多采用多次加熱和冷卻(間歇加熱)的微波殺菌工藝，反復迅速變化的溫度致使細胞死亡，同時避免物料長時間處于高溫狀態而失去風味以及營養成分。此外，微波殺菌與常規殺菌相結合不僅能縮短常規殺菌時間，還可以避免微波的不均勻性。

表2 微波殺菌過程中食物病原體的失活[3,33,38]

2.4 微波輔助提取(microwave-assistant extract，MAE)

MAE過程中，極性分子與電磁波相互作用產生了快速的內部加熱，導致植物組織細胞的損傷，具有提取效率高、操作簡單、時間短等優點[39，40]。目前，MAE在提取食品中的多糖、黃酮、多酚、生物堿、油脂和色素等方面的報道較多，大多針對液料比、溶劑濃度、微波功率、提取時間等工藝條件的優化。表3列舉了一些食品成分MAE工藝的優化情況，MAE的產物提取率均高于傳統提取法，部分文獻還報道了微波處理可有效提高酚類提取物的產量和抗氧化能力[40，41]。DANG等[40]報道了在乙醇體積分數為70%，微波時間為75 s，功率為80%條件下提取馬尾藻總酚類化合物的提取率明顯優于常規提取法和超聲波提取法(ultrasound assistant extract，UAE)，且提取液的抗氧化能力顯著提高，見表4。IBRAHIM等[42]采用微波輔助溶劑萃取蓖麻籽油，并對蓖麻油的理化性質和氧化穩定性進行了研究。結果表明，在微波功率為330 W，液固比為20 mL/g時，最大產油率為37%，其加工時間可縮短86%。但與索氏提取相比，MAE提取的蓖麻籽油具有更高的粘度和酸值，可能是由于微波水解甘油三酯產生更多的游離脂肪酸。

表3 食品中有效成分的微波提取工藝[41,43-46]

表4 不同提取方法下多酚提取率和抗氧化能力比較[40]

注：不同小寫字母代表不同處理組間各指標差異的顯著性(P<0.05)。

3 微波加工對食品品質的影響

食品在微波加工中會發生品質變化，這些變化包括感官屬性、營養成分、生物活性成分、抗氧化活性、酶活性、孔隙度、比體積以及復水性等。

3.1 微波加工對食品營養成分的影響

微波處理過程中，與食品營養品質有關的變化主要包括水分流失、蛋白質變性、酶失活、脂肪氧化降解、維生素和礦物質的損失等。由于微波加熱時間較短，蛋白質的變性程度較輕，從肌肉中釋放的水分較少，肉汁損失較少[47]；烹飪過程蔬菜中的維生素C的損失率也明顯低于傳統烹飪[48]。ZHONG等[49]的研究表明，微波處理對牛肉肌原纖維蛋白的結構特性有明顯的影響。隨著微波照射時間的增加，肌原纖維蛋白結構展開，更多疏水性和巰基結合位點暴露，使得總巰基和表面疏水性增加，肌原纖維蛋白與酮的結合能力得到提高，有利于風味化合物的形成。由于脂肪酶對脂肪的降解和氧化作用，食品中的游離脂肪酸含量在貯藏過程中呈上升趨勢，微波處理可降低脂肪酶活性，延緩食品在貯藏過程中游離脂肪酸含量的增加[50]。

3.2 微波加工對食品中活性成分及功能的影響

目前，文獻主要報道了微波對食品中的多酚和黃酮等生物活性成分以及抗氧化活性的影響。傳統的熱加工方法時間長，蔬菜中營養、有益的生物活性成分難以較好的保留。微波加工后食品中的總多酚、花青素、黃酮等化學成分的損失率均低于傳統處理，能較好的保持食品的活性物質和抗氧化活性[5,51-52]。研究發現高功率微波條件下，隨著干燥時間的延長，物料中的多酚和黃酮類含量呈現先降低后升高的趨勢。微波功率的增加會導致溫度的迅速升高，熱降解導致總酚和黃酮含量降低；隨后美拉德反應新產物和非酶褐變中間產物的形成，提高了多酚和黃酮含量，抗氧化活性增強[53]。

3.3 微波加工對食品顏色的影響

顏色是食品感官屬性的重要指標之一，熱加工過程中食品顏色的變化主要可以通過色素的降解、蛋白質的變性、抗壞血酸的氧化、酶促褐變和非酶促褐變等機理來解釋。由于微波加熱速度快，降低了肌紅蛋白和氧合肌紅蛋白向氧化肌紅蛋白轉化的程度，微波烹飪后肉的顏色變淺[47]。也有研究報道了由于葉綠素、類胡蘿卜素等色素的降解作用，導致微波處理后物料的顏色變淺[3,21]。而含糖量高的食品物料，微波熱處理過程中發生了非酶褐變反應，美拉德反應產物的積累導致物料顏色變深，且微波功率增大褐變程度加重[28,30]。

3.4 微波加工對食品質構的影響

食品質構是由食品成分及組織結構共同決定的物理性質，包括硬度、彈性、粘性和咀嚼性等參數。研究發現，與傳統水浴加熱相比，微波加熱后魚糜的蛋白質網絡更緊密，持水力和凝膠強度明顯提高，凝膠更有彈性[54]。YILDIZ等[19]采用實時核磁共振監測焙烤方式對蛋糕品質的影響，結果表明，微波紅外焙烤的蛋糕水分損失較高，淀粉分子排列結構的改變提高了淀粉的糊化溫度，淀粉糊化不足，硬度顯著高于傳統焙烤。食品物料干燥過程伴隨著水分流失，樣品收縮，其中微波干燥物料的硬度顯著高于新鮮物料，但低于熱風干燥、自然干燥等方式。這可能是由于微波干燥過程中細胞粘附強度的降低以及細胞間隙或膨化結構的增加；熱風干燥過程中，水分遷移速率較低，形成了具有褶皺外觀的硬殼，細胞嚴重破壞，造成硬度增加[55]。另外，適當的微波殺菌條件一般不會破壞食品的組織結構，但微波功率過高或作用時間過長，食品組織細胞膜的破壞和細胞壁的降解導致其硬度極具下降[38]。

3.5 微波加工對食品風味的影響

食品中的風味化合物是具有一定揮發性和不穩定性的一系列低沸點的醇、醛、酸、酯和芳香族雜環化合物等。在糕點、咖啡、茶和肉類的焙烤中，美拉德反應賦予了產品特有的風味。研究發現，由于微波加熱時間短，產品表面溫度低，化學反應不充分造成風味弱化，可添加氨基酸及補充糖類來強化微波食品的風味。醛類化合物(己醛、壬醛和辛醛等)為熟牦牛肉的特征風味，微波加熱形成的風味種類高于高壓燉煮和常溫水煮，且牛肉硬度低、彈性高，品質最優[56]。

4 展望

近年來，微波技術在食品加工中的應用研究成果豐碩，但目前仍存在不足：1)微波場的不均勻性所導致的食品冷熱點，通常會使微生物失活不完全，從而引發食品安全問題。2)微波的非熱效應理論仍存在爭議，并缺乏快速有效的溫度檢測和控制系統。3)復雜的食品體系與微波之間的相互作用機制不成熟。4)大多數相關研究仍處在實驗階段，很少有關于中試與規模化工業應用的報道。

針對上述問題，今后的深入研究方向應如下：1)尋找新的溫度檢測方法，為改善微波的不均勻性尋找新的途徑。2)加強對各類物料性質的綜合研究，完善微波與物料間相互作用與影響的理論，并實現量化研究。3)加強對不同食品微波加工工藝與設備的綜合研究與開發，實現物料加工過程的在線檢測與控制，有利于加快微波技術的工業化進程。4)進一步研發新的組合加工技術，充分發揮各自的優勢，在保證產品質量和安全的同時提高加工效率。