微波杀菌研究进展及其在食品工业中的应用现状

摘要:综述了微波杀菌研究进展及其在食品工业中的应用现状.微波加热对微生物和酶的热力效应,目前已深入到对杀菌对象不同种类微生物的致死和酶的钝化作用机理研究,而非热力效应还难以量化.微波杀菌还必须对内容物以及包装材料进行研究.微波杀菌技术在食品工业中的应用受到技术、经济和商业因素的制约,杀菌过程缺乏有效的在线温度测定和控制的手段,目前还难以建立一套可靠的程序和依据来评估微波杀菌的效果和安全性.
微波技术在食品工业领域的应用可追溯到二十世纪四十年代末,美国雷声公司的Percy Spencer博士在雷达试验中偶然发现袋里糖果因泄漏的微波作用而发热融化,提出把当时主要用语军事上的微波技术应用于食品物料的加热.根据其可提供快速加热的特性,微波在食品工业中主要应用于加热、干燥、解冻回温、杀菌、焙烤、膨化、成分萃取等领域.与传统的加热方法相比,微波具有加热所需时间短的优点,可减少在加热过程中食品营养成分、风味物质的损失和质地的劣变.对于食品加工,在保证食品安全（货架寿命和品质）的前提下如何zui大限度保留食品的营养成分、风味物质和质地正是其主要研究目标.
本文拟对微波杀菌研究进展进行综述,探讨目前主要存在的问题,并对其在食品工业中应用的现状和存在的问题进行分析,为进一步应用提供参考.
  1 、微波加热对杀菌对象的效应
   传统的热力杀菌工艺利用高温长时间处理杀灭食品中的有害微生物和钝化酶的活性,同时对食品中的营养成分、风味物质和质地产生不同程度的破坏.按照商业无菌的要求,杀菌温度要达到85~100℃（巴氏杀菌,对象为酸性罐头食品、果汁等）或116~129℃（高温杀菌,对象为低酸性罐头食品）并保持一定的时间.由于传统加热过程的传热过程的传热方式是对流和传导,传热速度慢,并存在热力滞后现象,造成食品中部分区域产生过热现象.虽然高温瞬时杀菌技术可以减轻热对食品的不利影响,但目前只适合对液态食品和粉体食品的杀菌.食品生产中,要使加工的固态食品物料达到高温需要一定时间的升温过程,导致食品品质损失.而微波加热的速度是传统加热方式的3~5倍,因此可以在保证杀菌效果的同时有效降低产品的质量损耗.尤其在固体和半固体食品中应用微波杀菌的效果可与高温瞬时杀菌技术相媲美.
微波对微生物的影响除热力效应外,还存在非热力效应作用.非热力效应是指在温度没有明显变化的情况下,细胞所发生的生理、生化和功能上的变化,又称生物效应.微波加热过程是交变电磁场对物料中水、蛋白质、核酸等极性分子发生作用,使极性分子产生高速取向运动,相互摩擦,导致内部温度急剧升高,使微生物细胞内的蛋白质、核酸等分子结构改性或失活,对微生物产生破坏作用.在升温的同时,微波会使细胞膜破裂和改变脂质体的渗透性,对微生物细胞赖以与外界交换能量和信息的保持其正常生态活动的离子通道产生影响,使微生物细胞出现调节功能严重障碍,达到灭菌的目的.此外,微波具有选择加热的特性,对微生物的作用的作用要大于对微生物生长介质的作用.曾经有人对灭菌过程中是否存在非热力效应提出疑问,但已有不少实验结果表明,微波杀菌中确实有非热力效应存在.但由于无法对非热力效应对杀菌效果的增强作用进行量化,为保证加工食品的微生物学安全性,在工艺设计过程中通常只考虑热力效应.
  1.1  对微生物对象菌的致死作用
   微波对食品中的致病微生物杀灭作用的研究主要集中在两个方面:一是利用微波杀菌技术处理不同的食品材料,对其杀菌效果和传统的热力杀菌进行对比.所见报道采用的食品包括肉类、乳制品、酒类、果汁类、水产品、方便食品、糕点类、调味品等等.这些研究的结论表明,微波杀菌具有与传统热力杀菌同样的效果;另一方面则集中于微波对莫一特定对象菌的作用机理进行研究.已见报道的研究对象菌包括蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、空肠弯曲杆菌（Campylobacter jejuni）、氧气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）、大肠杆菌（Escherichia Coli）、肠球菌（Enterococcus）、单核细胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、沙门氏菌（Salmonella）、粪链球菌（Sterptococcus faecalis）、小肠结肠炎菌（Yersima enterocolitica）等.Im-Sun Woo等利用微波处理大肠杆菌和枯草芽孢杆菌,发现随着升温过程细胞释放DNA和蛋白质,活菌数随着DNA和蛋白质释放数量的增加而减少,但是细胞的密度无明显变化,原因是微波处理的细菌的细胞并无出现渗漏显现,扫描电镜观察的结果显示大部分大肠杆菌的细胞壁受到了严重的破坏,而枯草杆菌的细胞形态则无明显变化.傅大放生物固体的微波杀菌及机理的研究指出,微波通过抑制或破坏细胞内乳酸脱氢酶、辅酶Ⅱ与细胞色素氧化酶等与生物氧化、呼吸代谢及能量产生有关的酶的活性,导致细菌死亡.
微波杀菌还可以有效杀灭芽孢.Welt等人使用专门设计的微波装置处理生芽孢梭状芽孢杆菌（Clostridium sporogenes）芽孢,认为并不存在热力效应.但是zui近F.Celandroni等使用专门的微波波导设备,对微波处理和传统热力方式作用于枯草芽孢杆菌（Bacillus Subtilis）芽孢的效果进行比较,认为微波杀菌可以达到与传统热力杀菌相同的效果,但是不同处理对芽孢的结构有明显不同的影响:传统热力杀菌使芽孢的皮层机构松弛,其宽度是为经处理的芽孢皮层的十倍;微波处理的芽孢结构中皮层无明显变化.此外,热力杀菌处理后的芽孢会释放出大量的砒啶二氧酸（dipicolinic acid,DPA）,而微波处理后的芽孢并没有检测到相应的DPA释放现象.其原因可能是与微波会有利于DPA与芽孢中的其他成分,如钙离子等结合形成稳定的复合物.由于芽孢的耐热机制主要包括三个方面:酸溶性芽孢蛋白、皮层和DPA-Ca之间的状态.而微波处理后的芽孢的皮层结构和DPA释放与传统加热处理后有所不同,因此该项研究的结果对于探讨微波杀菌的机理有十分重要的意义.
目前很多微波研究采用家用微波炉作为微波发生器,所产生的电磁场分布并不均匀,并且难以对样本进行准确的在线温度测量,为研究的深入带来一定的困难,也使实验中所获得的数据重现性无法得到保证,限制了对机理研究的深入进行.
   1.2  对酶活性的钝化
   食品工业中杀菌处理了杀灭和抑制微生物生长以外,还必须起到钝化酶活性的作用（这对巴氏杀菌尤为重要）.由于酶蛋白分子属于极性分子,因此微波杀菌过程中的交变电场作用下进行高速的取向运动,产生摩擦热使蛋白质变质,从而使酶失活.M.Porcelli等人选用两种具有热稳定性的水解酶和磷酸化酶研究微波对蛋白质的非热效应,结果表明微波能引起蛋白质产生与温度无关的结构变化,证明了非热效应的存在.S.Tajchakavit等人比较了柑橘果汁生产过程中采用传统热力杀菌和微波杀菌对果汁中的果胶甲基酯酶的钝化效果,指出微波杀菌由于具有非热力因素的存在,对比传统杀菌具有更明显的对酶的抑制作用.日本东洋大学对使用微波应用于速冻蔬菜的钝化酶活性处理,所需要的温度比通常的加热法要低.可见,在微波杀菌处理抑制酶活性的过程中存在着非热力因素.
微波加热升温过程具有*的机理,其温度分布是否均匀受到众多因素的影响,而温度分布的均匀性对钝化酶活性是否*有很大影响.M.H.Lau等人利用915MHz的微波对芦笋进行巴氏杀菌处理,结果显示 1kw的微波处理使过氧化物酶*失活,而2kw的微波处理只能使70%的过氧化物酶失活,原因是2kw的微波处理样品的温度分布的均匀性较1kw微波处理差.
   2、   微波杀菌对物料品质的影响
   微波杀菌技术的研究主要是寄希望于微波杀菌在达到与传统热力杀菌相同的杀菌和钝化酶活性效果的同时,缩短加热升温的时间,减少热损害而保持食品原有的质地、风味和营养成分.根据已有报道,未见微波杀菌处理对食品的品质造成严重的负面影响.多项研究表明,微波杀菌对保持蛋白质、淀粉、维生素、氨基酸、微量元素与传统热力杀菌相近或更佳.
微波加热可以更好的保持原料中的色素成分.Ancos等使用微波加热有效的抑制番木瓜、草莓和猕猴桃的过氧化物酶和多酚氧化酶,并且主要的色素物质,如草莓中的花青素和番木瓜中的胡萝卜素等在数量和结构上仅有微小的变化,对原由的颜色并无大的影响,而对猕猴桃中叶绿素仅有少量降解,而果浆仅有轻微的颜色变化.对于具有细胞组织结构的植物性原料,微波加热对其质地的影响的研究还不多见.有报道马铃薯在微波加热下更快的使质地变软,所需的时间是是常规沸水加热的三分之一,或获得更加粉状的质地,意味着微波加热比常规加热可能产生更*的细胞破裂和分离.从微波萃取技术研究物料的细胞结构变化时也证实了有细胞破裂的现象.Marconi等使用微波加热赢嘴豆和刀豆,加热时间与传统加热方式相比,分别从110min和55min缩短到10min和9min,减少了固形物的损失,更好地保持了细胞的原有疏松结构和胞外物质的原有形态.利用微波钝化食用菌中多酚氧化酶活性,会破坏真菌的质地,因而需要设计的微波设备.
   3   微波杀菌对包装材料作用的影响
   对袋包装食品进行微波加热时,其包装除符合常规加热所用容器的要求外,关键是包装材料透过微波同时不能因微波作用分解产生有害物质,这是微波食品的包装材料微波加热的安全性问题.不适合的包装材料在微波加热下产生有害物质的问题已受到关注.常用的金属罐一般不适合微波杀菌时作为包装容器使用,但在包装材料中加入金属成分（铝箔和微波感受材料）的包装设计,可以改变微波能量的分布,使包装内食品达到均匀的温度分布.常用的玻璃对微波的吸收率仅在3%以下,并且具有刚性结构,有良好的隔热性能,而更重要的是微波加热不会出现包装材料分解的问题,是目前微波杀菌适宜采用的容器之一.此外,在微波领域使用的主要包装材料是聚酯材料,聚酯使用zui广泛的形式是作为冷冻和冷藏套餐类以及主菜类食品包装的封口膜.结晶聚酯（CPET）是聚酯的晶体形式,可以承受高达230℃的温度,是目前生产具有双重烹调性能餐具的主要材料.聚丙烯（PP）容器也是目前常用的微波食品包装容器,可耐110～130℃的高温.其他不耐高温的塑料不宜用作微波包装,否则存在安全性问题.
   4 、  微波杀菌过程的温度
   传统的热力杀菌工艺中,根据冷点温度作为判断杀菌程度的依据.由于微波加热的*机理,对象食品的温度分布和冷点的位置会随着加热的食品材料和杀菌容器的不同而有所差异.而缺乏快速有效的温度探测的控制系统以保证微生物学意义上的安全性,正是微波杀菌在食品（罐头）工业中广泛应用必须解决的一道难题.
   4.1 微波杀菌过程的温度测定
   目前有多种方法可以实现对微波杀菌过程中的温度进行设定,其中包括热电偶测定、红外线探测、光纤感应探头测定、磁共振成像技术、液态晶体、时间-温度指示物等.热电偶在非传导性的介质中加热会改变电磁场,导致金属探头产生大的电流而产生错误的温度信号及造成设备损坏;红外线探测装置只能测定表面温度;光纤探头不受电磁场的影响,是目前微波加热温度在线测定主要可靠手段,但是也只能也只能测定有限的不同部位（点）的温度,而且设备昂贵和容易受到损坏;在医学上得到广泛应用的磁共振成像技术能够对三维空间的温度分布进行准确快速的测量,但对组成成分复杂的食品原料在加工过程中的温度变化进行测定仍存在一定的问题;利用液态晶体可以根据晶体在加热过程中颜色的变化,间接对温度的变化进行定性和定量的测定,但其对测定对象物料有严格的要求.时间-温度指示物温度技术能够反映在热处理过程中温度随时间变化的过程,其原理是利用化学标记物、微生物或者酶作为时间-温度标记物,结合现代分析方法,建立标记物含量和微波加热温度的关系模型,进而获得关于微波加热过程中温度变化的信息.使时间-温度指示物测温技术可以对密封在包装容器内的食品进行微波加热在线温度测定,但是由于其对分析手段要求较高,目前仅适合于研究用途.
   4.2 影响微波杀菌温度的重要因素
   杀菌是否*的关键在于物料中的温度分布是否存在未达到杀菌温度的冷点.微波杀菌升温的过程热量传递的机理不同于传统的热力传递方式,因而物料在微波加热过程中的温度分布状况也与传统的热力杀菌有所不同.食品成分的介电常数决定食品在微波场中的受热特性.微波是一种电磁波,对物料具有穿透性,可以是物料内部和外部同时受热升温.升温的效率主要由微波对物料的穿透深度决定, 而穿透深度又和食品本身的介电常数有关.由于食品往往由多种成分或不同配料组成,而组成食品的不同成分之间的介电常数相互关系十分复杂,不可以简单的通过各种物质各自的介电常数推算出食品的介电常数.因此,在微波杀菌过程中,要通过工艺设计得到理想的杀菌效果,必须考虑食品中不同组分在微波场中的作用特性.由于食品的介电常数对于微波杀菌效果以及相应设备的设计有着重要影响,因此目前有不少研究集中于该领域.
   食品的形状也会对微波杀菌的效果造成影响.由于电场存在”棱角效应”,在食品的边缘和尖角部位会形成较高的电场强度,使这些 部位的温度会较其他部位高.在微波杀菌处理食品的过程中,需要考虑到食品的几何形状,以在保证杀菌效果的同时防止因局部过热造成对食品品质的影响.为防止局部温度过热,可以利用覆盖铝箔等手段起到屏蔽作用,减少微波的过度吸收造成温度的过高.微波设备的特性和设计决定其能否提供较均匀的微波场分布,影响食品在该微波场对微波的吸收,进而影响杀菌食品的温度分布.
   5、 微波杀菌技术在食品工业中的应用现状及前景
    经过近六十年的发展,微波技术的工业规模和商业应用有不少成功的例子,主要集中于冷冻肉类解冻回温、面制品焙烤、干燥等方面.尽管研究表明微波杀菌与传统的热力杀菌相比有不少优点,但微波杀菌技术在国内外工业化的成功应用还较为少见,美国目前仅有2～3项运用微波杀菌技术对产品进行巴氏杀菌处理的例子,还没有高温微波杀菌设备应用在生产之中.在欧洲,微波杀菌的商业化应用亦寥寥可数.我国虽早在1975年便由上海儿童食品厂应用隧道式微波炉于乳儿糕的生产,但是发展至今还没有大范围在食品工业生产中普及.目前,广州果子食品厂已得到有关*门的支持和资助，应用国产微波杀菌设备，进行糖水荔枝罐头微波杀菌的中试研究，并已取得预期效果。
    造成微波杀菌技术在食品工业中难以广泛应用的原因主要包括技术政策、经济和商业三个方面的因素：a.技术政策因素。由于微波加热所具有的*机理，其杀菌过程中需要一套可靠的评估程序评价杀菌效果，以保证产品的安全。但目前还缺乏一套行之有效的行业标准，其中重要的原因是缺乏微波在线测温技术的配合，提供可靠的温度-时间-微生物之间的科学依据。故美国FDA仍未允许微波杀菌作为一项高温杀菌工序在美国的合法应用。b.经济因素。微波设备必须能根据各类食品的特点进行设计，使其得到充分的处理，且整个处理过程必须符合杀菌的要求，所以用于杀菌的设备必须是专门设备。这就意味着食品生产商需要投入一笔资金对现有设备进行改造，而对于所获得的收益是否能够收回投资具有一定的风险。c.商业因素。从商业竞争角度，运用微波杀菌获得成功的公司并不原因推广这一生产过程，以使其产品在激烈的市场竞争中占有微波杀菌技术所带来的*优势。变化进行测定仍存在一定的问题;利用液态晶体可以根据晶体在加热过程中颜色的变化,间接对温度的变化进行定性和定量的测定,但其对测定对象物料有严格的要求.时间-温度指示物温度技术能够反映在热处理过程中温度随时间变化的过程,其原理是利用化学标记物、微生物或者酶作为时间-温度标记物,结合现代分析方法,建立标记物含量和微波加热温度的关系模型,进而获得关于微波加热过程中温度变化的信息.使时间-温度指示物测温技术可以对密封在包装容器内的食品进行微波加热在线温度测定,但是由于其对分析手段要求较高,目前仅适合于研究用途.
    4.2 影响微波杀菌温度的重要因素
   杀菌是否*的关键在于物料中的温度分布是否存在未达到杀菌温度的冷点.微波杀菌升温的过程热量传递的机理不同于传统的热力传递方式,因而物料在微波加热过程中的温度分布状况也与传统的热力杀菌有所不同.食品成分的介电常数决定食品在微波场中的受热特性.微波是一种电磁波,对物料具有穿透性,可以是物料内部和外部同时受热升温.升温的效率主要由微波对物料的穿透深度决定, 而穿透深度又和食品本身的介电常数有关.由于食品往往由多种成分或不同配料组成,而组成食品的不同成分之间的介电常数相互关系十分复杂,不可以简单的通过各种物质各自的介电常数推算出食品的介电常数.因此,在微波杀菌过程中,要通过工艺设计得到理想的杀菌效果,必须考虑食品中不同组分在微波场中的作用特性.由于食品的介电常数对于微波杀菌效果以及相应设备的设计有着重要影响,因此目前有不少研究集中于该领域.
    食品的形状也会对微波杀菌的效果造成影响.由于电场存在”棱角效应”,在食品的边缘和尖角部位会形成较高的电场强度,使这些 部位的温度会较其他部位高.在微波杀菌处理食品的过程中,需要考虑到食品的几何形状,以在保证杀菌效果的同时防止因局部过热造成对食品品质的影响.为防止局部温度过热,可以利用覆盖铝箔等手段起到屏蔽作用,减少微波的过度吸收造成温度的过高.微波设备的特性和设计决定其能否提供较均匀的微波场分布,影响食品在该微波场对微波的吸收,进而影响杀菌食品的温度分布.
   5 微波杀菌技术在食品工业中的应用现状及前景
   经过近六十年的发展,微波技术的工业规模和商业应用有不少成功的例子,主要集中于冷冻肉类解冻回温、面制品焙烤、干燥等方面.尽管研究表明微波杀菌与传统的热力杀菌相比有不少优点,但微波杀菌技术在国内外工业化的成功应用还较为少见,美国目前仅有2～3项运用微波杀菌技术对产品进行巴氏杀菌处理的例子,还没有高温微波杀菌设备应用在生产之中.在欧洲,微波杀菌的商业化应用亦寥寥可数.我国虽早在1975年便由上海儿童食品厂应用隧道式微波炉于乳儿糕的生产,但是发展至今还没有大范围在食品工业生产中普及.目前,广州果子食品厂已得到有关*门的支持和资助，应用国产微波杀菌设备，进行糖水荔枝罐头微波杀菌的中试研究，并已取得预期效果。
    造成微波杀菌技术在食品工业中难以广泛应用的原因主要包括技术政策、经济和商业三个方面的因素：a.技术政策因素。由于微波加热所具有的*机理，其杀菌过程中需要一套可靠的评估程序评价杀菌效果，以保证产品的安全。但目前还缺乏一套行之有效的行业标准，其中重要的原因是缺乏微波在线测温技术的配合，提供可靠的温度-时间-微生物之间的科学依据。故美国FDA仍未允许微波杀菌作为一项高温杀菌工序在美国的合法应用。b.经济因素。微波设备必须能根据各类食品的特点进行设计，使其得到充分的处理，且整个处理过程必须符合杀菌的要求，所以用于杀菌的设备必须是专门设备。这就意味着食品生产商需要投入一笔资金对现有设备进行改造，而对于所获得的收益是否能够收回投资具有一定的风险。c.商业因素。从商业竞争角度，运用微波杀菌获得成功的公司并不原因推广这一生产过程，以使其产品在激烈的市场竞争中占有微波杀菌技术所带来的*优势。微波技术界的专家Robert F.Schiffman在1992年就微波技术在工业中应用的问题提出了微波工艺获得成功的18条原则，其中关键的是产品的生产没有其他的替代方法，明显提高产品的质量和产量，降低成本和增加利润。就这18条原则而言，微波技术在食品工业中规模和商业应用zui为成功的领域是微波对冷冻肉类进行解冻回温，而微波杀菌技术目前的发展仍不能*上述标准。微波杀菌要在食品工业中获得规模和商业成功应用，还有很多问题有待研究和解决，例如在低酸性罐头加工中要采用高温微波杀菌，还没有很好的解决在线测温以及包装容器问题。而微波巴氏杀菌，对于一些常规加热容易造成质量劣变的而且价值较高的地方特产食品（如荔枝），采用微波杀菌是具有成功希望的领域。另外，方便套餐食品，包括了米饭、肉类、蔬菜，以及其他不同的组分，通过屏蔽手段可以直接连包装进行快速的杀菌处理，是目前微波杀菌技术应用较为广泛的领域。荷兰阿姆斯特丹Schiphol机场附近的一家生产供应飞机套餐的工厂就是采用微波设备对方便套餐进行巴氏杀菌处理的。而在微波加工设备方面，使用变频微波加工设备和微波相控制加热设备（micromave phase control heating），能够提供更为均匀的加热效果，具有在工业中应用的潜力。