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1.微波殺菌機(jī)理
微波殺菌主要使食品中的微生物在微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的作用下,使其內(nèi)部的蛋白質(zhì)和生理活性物質(zhì)發(fā)生變異或破壞,從而導(dǎo)致生物體生長發(fā)育異常,直至殺滅。
1.1微波殺菌的熱效應(yīng)理論
微波是一種電磁波,可產(chǎn)生高頻電場。當(dāng)微波進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部時,介質(zhì)內(nèi)部的極性分子,如水、蛋白質(zhì)及核酸等隨著電磁場的頻率不斷改變極性方向,使分子來回劇烈轉(zhuǎn)動,相互摩擦產(chǎn)生熱。由于電磁場頻率很高(如常用的微波爐頻率為2450MHz,相當(dāng)于使水分子在1s內(nèi)發(fā)生180度來回轉(zhuǎn)動2415億次),導(dǎo)致介質(zhì)溫度急劇升高,微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等極性分子變性,從而達(dá)到殺菌效果。
1.2微波殺菌的非熱效應(yīng)理論
細(xì)菌、酵母菌等微生物都是由水、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪和無機(jī)物等復(fù)雜化合物構(gòu)成的一種凝聚態(tài)物質(zhì)。其中水是生物細(xì)胞的主要成分,含量為75%~85%,細(xì)菌的各種生理活動都有水參加,如細(xì)胞的生長繁殖過程,對各種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,細(xì)胞質(zhì)的擴(kuò)散、滲透及吸附等。在一定微波場的作用下,食品中的菌體也會因自身水分的極化而同時吸收微波能升溫。由于它們是凝聚態(tài)介質(zhì),分子間的強(qiáng)作用力加強(qiáng)了微波能的能量轉(zhuǎn)化,從而使體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)同時受到無極性熱運(yùn)動和極性轉(zhuǎn)變兩方面的作用,使其空間結(jié)構(gòu)變化或破壞而導(dǎo)致變性。蛋白質(zhì)變性后,其溶解度、粘度、膨脹性、滲透性及穩(wěn)定性都會發(fā)生明顯變化,從而使細(xì)胞失去生物活性。1966年,Olsen等人揭示了微波對鐮刀霉芽孢的非熱效應(yīng),提出了微波殺菌的非熱效應(yīng)理論。此后,許多研究人員展開類似研究,出現(xiàn)了不同的解釋模型。
從生物物理學(xué)角度來看,組成微生物的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子和作為極性分子的水在高頻率、強(qiáng)電場強(qiáng)度的微波場中將被極化,并隨著微波場極性的迅速改變而引起蛋白質(zhì)等極性分子集團(tuán)電性質(zhì)變化。它們同樣能將微波能轉(zhuǎn)換成熱能而使自身溫度升高,電性、能量的變化將引起蛋白質(zhì)等生物大分子變性。
從能量角度考慮,盡管微波量子能量不能破壞生物體內(nèi)的共價鍵,但對氫鍵、范德化力、疏水相互作用、鹽鍵等賴以維持核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子結(jié)構(gòu)的次級鍵具有一定的破壞作用,這些次級鍵是維持核酸、蛋白質(zhì)空間構(gòu)象,生物膜結(jié)構(gòu)的作用力。這些次級鍵一旦遭到破壞,將危及生物大分子的空間結(jié)構(gòu),影響其正常生理功能。 從細(xì)胞生物學(xué)角度分析,微波對微生物(以細(xì)菌為例)也具有生物學(xué)效應(yīng)。
一是細(xì)菌的細(xì)胞壁的主要成分不是纖維素,而是肽聚糖(N-乙酰葡萄糖胺與N-乙酰胞壁酸通過α-1,4糖苷鍵連接而成)。特別是革蘭氏陰性菌細(xì)菌壁內(nèi)蛋白質(zhì)含量較高,在微波場中,細(xì)胞壁發(fā)生機(jī)械性損傷,使細(xì)胞質(zhì)外漏,影響其正常生理活動。
二是細(xì)菌的細(xì)胞膜是由膦脂和蛋白質(zhì)組成的具有選擇性的半透性膜,它是細(xì)菌細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的場所。細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)外存在著離子濃度梯度差,如細(xì)胞內(nèi)是高K+、低Na+,而外界環(huán)境則是高Na+,低K+,這種離子梯度是由分布在細(xì)胞膜上的Na+,K+泵逆濃度梯度主動運(yùn)輸來維持的,其它的離子如Ca2+,細(xì)胞內(nèi)外也存在著明顯的離子濃度梯度差,由Ca2+泵來維持。這些生物離子泵在高頻率的微波場中,將不能正常發(fā)揮其生理功能。按照細(xì)胞離子通道學(xué)說,細(xì)胞與外界進(jìn)行一系列復(fù)雜的生理過程是依靠細(xì)胞膜內(nèi)外電位差控制的,即膜電位的改變能激活(開放)或關(guān)閉與外界的通道,若細(xì)胞正常膜電位狀態(tài)遭到破壞,必然會影響其正常生理活動,以致危及細(xì)菌的存活。
三是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的酶,在高頻率、強(qiáng)電場強(qiáng)度的微波場中,其功能可能紊亂或失活,特別是那些以金屬離子為輔助因子的金屬酶在微波場的作用下,金屬離子所處的環(huán)境可能發(fā)生變化,影響這些酶的活性。四是細(xì)胞內(nèi)沒有核膜和細(xì)胞核,只有擬核區(qū)。在擬核區(qū)內(nèi),其遺傳物質(zhì)的載體——染色體是裸露的環(huán)狀DNA,沒有或結(jié)合極少量組蛋白,其DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中A=T,CµG堿基對間的氫鍵易受到微波的沖擊而破壞。
2.微波對食品的殺菌作用
國外利用微波殺菌已應(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn),如日本的磨菇小包裝,,荷蘭和美國的熟食品蔬菜、飲料小包裝,匈牙利的方便食品,都經(jīng)過微波殺菌后在市場上流通。國內(nèi)用微波對食品殺菌也有了初步研究。有研究者對啤酒采用中高功率殺菌后,菌落總數(shù)小于14個/mL, 大腸菌群未檢出,都符合國標(biāo)GB 4927-85(菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)分別小于50和3個/mL)。有人用微波照射月餅,研究對霉菌的殺滅作用。
結(jié)果表明,在實驗條件下,經(jīng)微波照射30s, 溫度僅升高5414℃,根本達(dá)不到霉菌的熱致死點(一般霉菌的熱致死點為6215℃)但對霉菌的殺滅率已達(dá)70%,這說明微波殺菌除熱效應(yīng)外,應(yīng)有非熱效應(yīng)存在,許多文獻(xiàn)都支持上述觀點,其他研究者在實驗中也證實了上述結(jié)論,經(jīng)微波照射2min,對曲霉的殺滅率達(dá)100%,對青霉的殺滅率達(dá)99199%,同時微波具有作用時間短,,升溫快和殺菌效果好的優(yōu)點。
有研究者用微波設(shè)備對魚丸、魚片、熏魚、醬油、香腸、牛肉干、火腿、及糕點等數(shù)十種物料進(jìn)行廣泛地試驗,并根據(jù)食品的介電常數(shù)、含水量,確定其殺菌時間、功率密度等工藝參數(shù),得到了食品物料的介電機(jī)理及在微波場中升溫的理論模型,證實了微波對食品滅菌具有一定的非熱作用。
后來,其它研究者還發(fā)現(xiàn),醬油經(jīng)微波處理后,可以抑制霉菌的生長及殺滅腸道致病菌, 但對氨基酸態(tài)氮無破壞作用。此外,用微波對牛奶殺菌消毒后,細(xì)菌和大腸桿菌數(shù)*達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求,不僅營養(yǎng)成份保持不變,而且脂肪球直徑變小,提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性,有利于人體消化和吸收。
食品包裝用紙消毒的常規(guī)方法為化學(xué)或物理方法,但會損傷紙的品質(zhì),尤其是化學(xué)方法, 因其會產(chǎn)生臭味而降低紙的使用價值。而紫外線殺菌,僅能殺滅包裝紙表面的大部分細(xì)菌, 效果也不理想。有研究者用微波對質(zhì)量3kg、體積為15cm×12cm×25cm的冰棍紙和60g糖紙殺菌,僅用5s即能殺滅包括紙面表層的試驗微生物,無菌實驗也證明效果是好的。
zui近,楊紅旗等人對微波和紫外線協(xié)同殺菌作用作了研究。研究表明,其作用明顯優(yōu)于單獨采用微波殺菌或紫外線殺菌的作用。
3.微波對食品的保鮮作用
國外對食品使用防腐劑有嚴(yán)格要求,微波殺菌的顯著效果可以使食品不添加防腐劑而延長保鮮期。例如,瑞典、德國和丹麥均使用微波對切片面包殺菌防霉保鮮的工業(yè)化生產(chǎn),其保鮮期由原來的3~4d延長到30~60d 。意大利的OMAC公司的袋裝生面條微波殺菌防霉裝置,每小時加工量為500kg,能很好地解決生面條的保鮮問題.1988年荷蘭的三角洲每日公司將盒裝魚等肉食品用微波處理后在0~4℃下可保存6個星期,原味不變,新鮮如初。
國內(nèi),研究利用微波保鮮食品也有了一定的進(jìn)展。吳暉等人研究了微波處理對豆腐保鮮期的影響。結(jié)果表明,豆腐經(jīng)微波處理315min,在25℃下可保鮮3d,而對照樣組僅保鮮015d王盛良等人將普通市售月餅用微波照射后于28℃恒溫箱中培養(yǎng)觀察其霉變情況,同時設(shè)置實驗對照組。結(jié)果,對照組第6天開始霉變,第12天全部霉變,而試驗組至第40天未見長霉,隨后放置室溫繼續(xù)觀察40天,仍完好如初。
有研究者將保鮮難度較大水產(chǎn)品和牛奶進(jìn)行微波殺菌,結(jié)果表明,在包裝材料和封口工藝符合一定技術(shù)要求的條件下,保藏期可以根據(jù)不同的要求確定為10日、1個月、3個月、6個月四個檔次。在同樣保藏條件下,保鮮期是不經(jīng)微波處理的幾十倍長,而且色香味和營養(yǎng)成分保存方面都比一般熱力殺菌食品好。 此外,用微波處理蜂王漿、口服液和香菇,不僅可延長保存期,而且可有效保存其中的生物活性物質(zhì)。這是傳統(tǒng)加熱法所不能比擬的。
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