艦船餐廚垃圾的微波殺菌處理

張超，任凡，吳聲敏

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)海軍艦船駛向遠(yuǎn)洋，艦船生活垃圾處理問(wèn)題受到了普遍的重視，其中餐廚垃圾因其產(chǎn)量大、易產(chǎn)生二次污染、不易處理等特點(diǎn)，逐漸成為艦船生活垃圾處理的難點(diǎn)。早在20世紀(jì)70年代，國(guó)際上為了防止船舶垃圾污染海洋環(huán)境，制定了“73/ 78防污公約”（CMARPOL73/78）［1］，公約規(guī)定“食品廢棄物應(yīng)該在盡可能遠(yuǎn)離陸地處入海，禁止在距最近的陸地12 n mile以?xún)?nèi)處理入海?！币?guī)定中的食品廢棄物就是餐廚垃圾，包括剩飯、剩菜、蔬菜根葉、瓜果皮核、廢棄的動(dòng)物組織等產(chǎn)生于餐廳、廚房的廢棄物，其成分主要是水、糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、脂肪、食鹽等，由于含有豐富的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分，極易腐敗、變臭，滋生蟲(chóng)害，污水橫流。在艦船這個(gè)特殊的環(huán)境下，餐廚垃圾的處理問(wèn)題更加突出，因?yàn)椴蛷N垃圾不僅產(chǎn)量大、難處理，而且隨意拋灑又會(huì)在海面上留下大量的漂浮物，留下“尾跡”，因此為了保護(hù)海洋環(huán)境，同時(shí)為了維護(hù)我們國(guó)家負(fù)責(zé)任的大國(guó)形象，艦船餐廚垃圾應(yīng)該進(jìn)行防腐處理，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)污染存放的目的。

為了解決艦船餐廚垃圾處理的難題，各國(guó)海軍都積極采取措施防治餐廚垃圾污染［2］，歸納這些措施的性質(zhì)，可以將其分類(lèi)為物理法（如焚燒、冷藏、高溫殺菌、輻照殺菌）、化學(xué)法（如腌制、加防腐劑）、生物法（如微生物降解）等。結(jié)合艦船餐廚垃圾處理的特殊要求，我們提出應(yīng)用微波殺菌技術(shù)來(lái)處理餐廚垃圾，這是一種在食品保鮮行業(yè)廣泛應(yīng)用的殺菌技術(shù)，具有能耗低、效率高、殺菌均勻等特點(diǎn)，比較適用于艦船餐廚垃圾的防腐處理。

1 微波殺菌概述

1．1 微波殺菌機(jī)理

微波是頻率為300 MHz～300 GHz非電離輻射電磁波，微波加熱技術(shù)在食品的滅酶、燙漂、解凍、干燥和殺菌保鮮方面得到了廣泛應(yīng)用［3］。

食品等有機(jī)物腐敗的主要原因是由于其中含有霉菌類(lèi)、細(xì)菌類(lèi)、有芽抱的桿菌等微生物，若要對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行防腐處理必須消滅這些微生物。微波殺菌過(guò)程是微波對(duì)微生物體的熱效應(yīng)和非熱力生物效應(yīng)共同作用的結(jié)果。一方面，生物體受微波（較高頻率）輻射后會(huì)吸收微波能而產(chǎn)生熱效應(yīng)，溫度的快速升高使微生物體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而失去生物活性，使菌體死亡或受到嚴(yán)重干擾而無(wú)法繁殖;另一方面，微波的非熱力生物效應(yīng)能破壞微生物的機(jī)體，使活體組織變性，最終導(dǎo)致微生物死亡［4］。

盡管目前對(duì)微波殺菌機(jī)理的解釋仍然存在爭(zhēng)議，但是人們普遍認(rèn)為，與一般的加熱殺菌法相比，微波殺菌的有效溫度比常規(guī)加熱殺菌的有效溫度低，且在一定的溫度條件下，微波殺菌縮短了細(xì)菌致死的時(shí)間。因此，無(wú)論是微波輻射能使蛋白質(zhì)變性、細(xì)胞膜機(jī)械性損傷還是酶功能的紊亂與失活，它們都不依賴(lài)于較高的溫度，這是微波殺菌與傳統(tǒng)加熱殺菌最重要的區(qū)別，也是其優(yōu)勢(shì)所在。

1．2 微波殺菌在各行業(yè)中的應(yīng)用

目前，隨著研究越來(lái)越深入，微波殺菌法已被廣泛應(yīng)用在果蔬保鮮、食品加工、中藥制劑等領(lǐng)域［5］，尤其是在美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)發(fā)展較快，例如瑞士某公司研制的面包微波殺菌防霉裝置，其頻率為2 450 MHz，功率80 kW，面包片經(jīng)微波照射1～2 min后，保質(zhì)期由原來(lái)的3～4天延長(zhǎng)至30～40天;意大利用微波技術(shù)對(duì)面條進(jìn)行殺菌防霉處理。我國(guó)食品工業(yè)微波應(yīng)用技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。

餐廚垃圾是廢棄的食品，因此在食品防腐保鮮行業(yè)廣泛應(yīng)用的微波殺菌法也可以用于餐廚垃圾的防腐處理，尤其在艦船的環(huán)境下，應(yīng)用微波殺菌技術(shù)防治餐廚垃圾腐敗帶來(lái)的污染更加適合，不僅節(jié)能環(huán)保，而且簡(jiǎn)便高效。

2 餐廚垃圾微波殺菌工藝

2.1 微波殺菌效果的影響因素

微波殺菌有很多優(yōu)點(diǎn)，但若不能全面掌握它的特性，則很難獲得最佳的殺菌效果，影響餐廚垃圾微波殺菌效果的主要因素如下:

1）微波功率。微波功率越大，殺菌效果越好，所需的殺菌時(shí)間越短。

2）微波殺菌時(shí)間。微波殺菌時(shí)間越長(zhǎng)，溫度上升越高，殺菌效果越好。

3）餐廚垃圾的包裝材料。為了防止經(jīng)過(guò)殺菌處理的餐廚垃圾被二次污染，要求將餐廚垃圾用塑料袋真空包裝后再進(jìn)行處理;

4）餐廚垃圾的水分含量。餐廚垃圾的水分含量太高，加熱后水分汽化嚴(yán)重;水分含量太低又會(huì)降低微波殺菌的效果。濾除游離態(tài)污水并保持濕潤(rùn)的餐廚垃圾可以取得微波殺菌的良好效果。

2.2 餐廚垃圾微波殺菌工藝條件

在微波殺菌的諸多工藝參數(shù)中，微波加熱溫度和加熱時(shí)間的設(shè)定最為關(guān)鍵。受到功率限制和包裝材料最高耐受溫度的制約，餐廚垃圾微波殺菌效果和微波殺菌的功率和時(shí)間必須找到一個(gè)最佳結(jié)合點(diǎn)，需由試驗(yàn)來(lái)設(shè)定微波殺菌的技術(shù)條件。

微波殺菌時(shí)，1 min照射時(shí)間內(nèi)各種微生物致死的必須最低溫度是已知的，如霉菌類(lèi)是50～60℃，大腸桿菌是70℃，耐熱菌是85℃，以此為標(biāo)準(zhǔn)做等溫線B;包裝材料受熱破損的最低溫度的等溫線為A。圖1中A線和B線之間的區(qū)域即為實(shí)用區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)可選擇照射功率和照射時(shí)間的組合［6］。

圖1 微波殺菌工藝條件Fig．lMicrowave sterilization technological conditions

2.3 餐廚垃圾微波殺菌工藝流程

為了防止餐廚垃圾在殺菌處理后被二次污染，必須首先對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行真空密封包裝，而在真空包裝之前，需要對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行濾水、粉碎處理，以去除其中的污水，并將骨頭等尖銳粉碎成小顆粒，防止其刺穿包裝袋。餐廚垃圾在殺菌處理后能在艙室環(huán)境下存放而不產(chǎn)生污染。餐廚垃圾微波殺菌處理的工藝流程如圖2所示。

3 餐廚垃圾微波殺菌試驗(yàn)

3.1 材料與方法

3.1.1 材料

某單位食堂當(dāng)日產(chǎn)生的餐廚垃圾（成分包括蔬菜、米飯、肉類(lèi)、雞魚(yú)骨頭等，并濾除污水），塑料包裝袋。

3.1.2 設(shè)備與儀器

餐廚垃圾處理裝置，寧波阿勒法公司產(chǎn)品;恒溫培養(yǎng)箱，西門(mén)子公司產(chǎn)品;快速檢測(cè)探針溫度計(jì)，美國(guó)Deltatrak公司產(chǎn)品。

3.1.3 方法

1）將餐廚垃圾在餐廚垃圾處理裝置中處理，粉碎后進(jìn)行真空包裝，然后進(jìn)行微波殺菌，每袋包裝6 L餐廚垃圾，同批次包裝多袋垃圾備用;

2）微波殺菌環(huán)節(jié)采用不同功率、不同時(shí)間的條件組合，并分別測(cè)量微波殺菌后餐廚垃圾的溫度和菌落總數(shù)（菌落總數(shù)測(cè)量按照GB4789.2－1994）;同時(shí)為了做對(duì)比試驗(yàn)，采用水浴加熱殺菌（90℃，4 min）的方法處理餐廚垃圾;

3）將處理后的垃圾袋置于28℃恒溫培養(yǎng)箱中，每天測(cè)量其中的菌落總數(shù)變化，觀察垃圾袋鼓脹情況。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 微波功率與溫度及殺菌效果的關(guān)系

為了比較不同的微波功率的效果，本試驗(yàn)設(shè)置了500 W，650 W，800 W，950 W四個(gè)不同的功率等級(jí)，殺菌時(shí)間為5 min，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，微波殺菌功率對(duì)餐廚垃圾的溫度變化和殺菌效果有著顯著的影響，微波功率越高，溫度上升越快，殺菌效果也越好。當(dāng)采用950 W微波功率殺菌5 min時(shí)，溫度上升至85℃，菌落總數(shù)小于1×l0 CFU，達(dá)到了國(guó)家食品衛(wèi)生的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 微波殺菌時(shí)間與溫度及殺菌效果的關(guān)系

在950 W的微波功率下，設(shè)置不同的加熱時(shí)間分別為3 min，4 min，5 min和6 min。測(cè)量微波殺菌時(shí)間與溫度、菌落總數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，微波殺菌時(shí)間越長(zhǎng)，餐廚垃圾的溫度越高，殺菌效果越好;采用950 W微波殺菌5 min時(shí)測(cè)得菌落總數(shù)即小于1×10 CFU，表明此時(shí)已經(jīng)取得了理想的殺菌效果;當(dāng)采用950 W微波功率殺菌6 min時(shí)，溫度上升至93℃，塑料垃圾袋內(nèi)殘余水分有汽化現(xiàn)象，垃圾袋體局部軟化起皺。分析認(rèn)為，殺菌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使溫度過(guò)高，導(dǎo)致包裝材料損傷。同單純加熱殺菌相比，微波的非熱力生物效應(yīng)可在較低溫度下短時(shí)間內(nèi)殺滅細(xì)菌，因此要合理的設(shè)置微波加熱的時(shí)間。

3.2.3 微波殺菌與水浴殺菌方法的效果對(duì)比

在26℃恒溫培養(yǎng)箱中，微波殺菌、水浴加熱殺菌后的餐廚垃圾每日菌落總數(shù)變化情況如表3所示。

從表3可以看出，水浴加熱殺菌的初始?xì)⒕Ч焕硐耄?.5×102CFU），分析原因可能是在5 min的殺菌時(shí)間內(nèi)對(duì)餐廚垃圾的加熱不夠均勻所致。水浴加熱后的餐廚垃圾在26℃恒溫儲(chǔ)存過(guò)程中菌落總數(shù)始終高于微波殺菌處理法，而微波殺菌法的菌落總數(shù)增長(zhǎng)相對(duì)較慢;同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，在第4天水浴加熱處理的餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的氣體使垃圾袋鼓脹，在第6天時(shí)將密封的垃圾袋脹破;微波殺菌法垃圾袋第6天時(shí)僅略有鼓脹。對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了微波殺菌法的殺菌效果更好，繼續(xù)存放試驗(yàn)證明可以將餐廚垃圾在室溫下密封存放10天以上。

4 結(jié)語(yǔ)

1）餐廚垃圾處理采用微波殺菌法可以取得良好的殺菌效果，同傳統(tǒng)的加熱殺菌法相比，具有殺菌均勻、殺菌時(shí)間短、簡(jiǎn)便高效的優(yōu)點(diǎn)，比較適用于艦船環(huán)境下的餐廚垃圾處理;

2）微波功率和殺菌時(shí)間對(duì)餐廚垃圾的殺菌效果有著顯著的影響，微波功率越大、殺菌時(shí)間越長(zhǎng)，殺菌效果越好，綜合考慮下采用微波功率950 W、殺菌時(shí)間5 min的工藝條件較為適當(dāng);

3）艦船環(huán)境下餐廚垃圾處理圍繞微波殺菌這一核心技術(shù)，采用“粉碎—真空包裝—微波殺菌”處理流程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)餐廚垃圾的殺菌防腐，處理后的餐廚垃圾能在室溫下密封存放10天以上，這期間不會(huì)腐爛發(fā)酵。

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