液體食品連續(xù)流動(dòng)微波殺菌研究進(jìn)展

張立欣 ，徐 慶 ，2，3，鄭兆啟 ，2，王瑞芳 ，2，李占勇 ，2

（1.天津科技大學(xué) 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.天津科技大學(xué) 天津市低碳綠色過(guò)程裝備國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300222；3.廣東智能灌裝科技有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

為向人們提供更加豐富健康的食品，液體食品的包裝技術(shù)得到快速的發(fā)展，其中殺菌是包裝中關(guān)鍵的技術(shù)。由于熱殺菌的效果顯著，目前巴氏殺菌和高溫瞬時(shí)殺菌（HTST）仍是工業(yè)生產(chǎn)中常用的殺菌方法。但加熱過(guò)程對(duì)食品的營(yíng)養(yǎng)成分、風(fēng)味等有潛在的影響。無(wú)菌加工技術(shù)成為現(xiàn)代食品加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)代液體食品的無(wú)菌加工多采用換熱器進(jìn)行熱殺菌，熱量通過(guò)加熱管壁傳遞到流體，使得液體食品的加熱具有非均勻性，且加熱效率有限制。微波加熱通過(guò)在整個(gè)物體內(nèi)產(chǎn)生熱量，即提供體積加熱［1］，在加熱裝置內(nèi)無(wú)熱表面存在，可以消除傳統(tǒng)換熱器的缺點(diǎn)，特別適合于熱敏感產(chǎn)品。微波加熱強(qiáng)度高（10 ℃/s），對(duì)許多材料的加熱時(shí)長(zhǎng)約是常規(guī)加熱的1/4［2］。同時(shí)微波對(duì)菌落的殺滅作用以及微波殺菌后對(duì)產(chǎn)品貯藏期品質(zhì)的影響均已得到證實(shí)［3］。連續(xù)流動(dòng)微波加熱作為一種新興的液體食品殺菌技術(shù)［4］，可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的保鮮產(chǎn)品，對(duì)于現(xiàn)代飲料高速罐裝作技術(shù)支撐，有可能取代傳統(tǒng)的液體食品加熱工藝。本文綜述提高液體食品連續(xù)流動(dòng)微波殺菌效率的方法、裝置及殺菌系統(tǒng)，并指出其發(fā)展趨勢(shì)。

1 提高液體食品連續(xù)流動(dòng)微波殺菌效率的方法與裝置

由于微波加熱的固有特性，在被加熱物中出現(xiàn)“冷點(diǎn)”和“熱點(diǎn)”［5］，加熱不足的食品會(huì)增加微生物風(fēng)險(xiǎn)，過(guò)度加熱又可能會(huì)造成嚴(yán)重的營(yíng)養(yǎng)損失，降低感官價(jià)值，所以提高微波加熱均勻性是滿足微生物滅活要求的關(guān)鍵。微波加熱的均勻性受腔體形狀，物料位置，流體內(nèi)電磁場(chǎng)分布的均勻性、穿透深度，流體的介電特性、粘度、流速和初溫等因素的影響［6］。為獲得更好的連續(xù)流動(dòng)液體食品的微波殺菌效果，學(xué)者們分別從合理設(shè)計(jì)微波腔和物料管、促進(jìn)流體物料的混合以及組合其他加熱方法等方面研究。

1.1 合理設(shè)計(jì)微波腔和物料管

微波腔的結(jié)構(gòu)主要有矩形腔、圓柱腔和橢圓腔。矩形腔有單模腔和多模腔，圓柱腔和橢圓腔一般為單模腔。在多模腔中，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得模式越多，均勻性越好；在單模腔中，通過(guò)設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)使得微波能聚集在某一區(qū)域，提高區(qū)域加熱均勻性和加熱效率。雖然連續(xù)流動(dòng)的流體物料的位置隨時(shí)間的變化而變化，但流過(guò)微波加熱腔不同位置其加熱均勻性也不相同。通過(guò)調(diào)節(jié)物料管在微波腔內(nèi)的位置可以獲得更好的加熱效果［7］。物料管尺寸主要取決于穿透深度，尺寸過(guò)大會(huì)導(dǎo)致微波無(wú)法穿透物料而加劇加熱的不均勻性。

DROZD等［8］設(shè)計(jì)了連續(xù)流微波加熱腔，腔體由錐形腔和橢圓腔組合而成，將電磁能量集中于物料管，如圖1所示。該設(shè)計(jì)使物料位置的電場(chǎng)在保證功率密度的前提下均勻地分布在一個(gè)面上，從而提高加熱的均勻性和效率。

圖1 連續(xù)流微波加熱Fig.1 Continuous flow microwave heating

DROZD等［9］設(shè)計(jì)的微波腔由4個(gè)圓柱形微波諧振腔串聯(lián)組成，如圖2所示。其中每一個(gè)圓柱形諧振腔都由特定的波導(dǎo)提供能量，波導(dǎo)的形狀為錐形，饋口面積較小，相比于使用一個(gè)大饋口波導(dǎo)提供能量，可以減小能量的反射，提高加熱強(qiáng)度和均勻性。

圖2 微波加熱裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of microwave heating device

TRACY等［10］設(shè)計(jì)的連續(xù)流體的微波加熱腔，微波能量通過(guò)2個(gè)波導(dǎo)饋入微波腔內(nèi)，流體從腔體中間自下而上流過(guò)。微波能量首先經(jīng)過(guò)一個(gè)五階扭轉(zhuǎn)原件改變微波能量的方向，雙向耦合器檢測(cè)微波正反兩方向的功率流，方便五螺釘調(diào)諧器調(diào)諧；后經(jīng)過(guò)T型耦合器將微波能量匹配到微波腔，其中T型耦合器2個(gè)輸出臂180°反向，便于圓柱形微波腔產(chǎn)生高階諧振模式，進(jìn)而提高加熱均勻性。

1.2 促進(jìn)流體物料的混合

連續(xù)流微波加熱中物料管內(nèi)的電磁場(chǎng)分布不均勻，良好的物料混合可以提高物料間的熱傳導(dǎo)，并通過(guò)不斷改變物料在電磁場(chǎng)中的位置，即使在不均勻的電磁場(chǎng)中，也可提高物料對(duì)微波能吸收的均勻性。促進(jìn)流體物料混合的方法主要有采用循環(huán)流和設(shè)置靜態(tài)混合器。循環(huán)流微波加熱系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有物料暫存罐，暫存罐內(nèi)的物料經(jīng)過(guò)微波處理后與未被處理的物料混合再次進(jìn)行處理，直到暫存罐內(nèi)的流體均達(dá)到目標(biāo)溫度為止，該方法可以提高微波加熱的均勻性，從而提高微波殺菌效率。

KUMAR等［11］設(shè)計(jì)了圖3所示的循環(huán)式連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)。在915 MHz的頻率下對(duì)豌豆泥和胡蘿卜泥進(jìn)行微波處理。物料被容積泵泵入一個(gè)直徑為38 mm的聚四氟乙烯管道中，物料流量為0.9 L/min，產(chǎn)品的平均處理時(shí)間為21.1 s。微波功率為3 kW，豌豆泥和胡蘿卜泥達(dá)到滅菌溫度130 ℃時(shí)，出口截面溫差分別為5，3.6 ℃。隨著出口溫度的增加，出口截面中心和壁面的溫差不斷減小。隨后KUMAR等根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)用于工業(yè)生產(chǎn)的60 kW、915 MHz微波加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2個(gè)圓柱形微波加熱腔串聯(lián)組成，內(nèi)徑為38 mm的聚四氟乙烯管放置于加熱腔中間位置，每個(gè)微波腔內(nèi)的物料管長(zhǎng)度為45 mm，流體離開每個(gè)微波腔后進(jìn)入靜態(tài)混合器進(jìn)行混合。結(jié)果顯示：在第二靜態(tài)混合器出口處豌豆泥的平均溫差為5.2 ℃，胡蘿卜泥為2.3 ℃。

SABLIOV等［12］使用循環(huán)式連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)在915 MHz的頻率下對(duì)當(dāng)?shù)?種花生飲料進(jìn)行微波處理。產(chǎn)品在5 kW的連續(xù)微波中分別以1，2 L/min流速加熱，處理400 s后產(chǎn)品達(dá)到所需的殺菌溫度130 ℃，且可以保證出口物料溫度的均勻性和殺菌效率。

CORONEL等［13］使用循環(huán)式連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)在915 MHz的頻率下對(duì)脫脂牛奶進(jìn)行微波處理。研究發(fā)現(xiàn)在2.0，3.0 L/min流速下，出口處最高溫度和最低溫度的差異分別為3.7 ℃和3.0 ℃。

圖3 循環(huán)式連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the circulating continuous flow microwave sterilization system

1.3 組合其他加熱方式

對(duì)于一些特殊的連續(xù)流動(dòng)物料（如固液混合物料），一般為介電特性不同的混合物，其加熱均勻性更加難以保證。單純的改變腔體形狀、流動(dòng)形式和物料位置不能滿足均勻性的要求，需要將微波加熱與其他的加熱方式相結(jié)合來(lái)提高加熱的均勻性。

LEE等［14］針對(duì)固液混合物料（如湯類），設(shè)計(jì)了微波與歐姆組合加熱裝置，如圖4所示。加熱裝置由2個(gè)單模圓柱形微波腔組成，物料管從2個(gè)微波腔中心穿過(guò)，電極放置在微波腔兩端的物料管壁上。以胡蘿卜塊和不同濃度的氯化鈉溶液作為模型食品試驗(yàn)。結(jié)果表明：顆粒大小和鹽濃度影響加熱中溶液和顆粒之間的溫度。鹽濃度越大，溶液吸收微波的能力越強(qiáng)，溶液升溫速度越快。通過(guò)單獨(dú)微波和歐姆加熱獲得的固體顆粒和溶液之間的最大溫差分別為（7.1±1.7）℃和（11.9±2.9）℃，而組合加熱溫度差小于3.08 ℃。

圖4 連續(xù)流微波-歐姆組合加熱裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of microwave-ohmic combined heating for continuous flow

2 液體食品連續(xù)流動(dòng)微波殺菌系統(tǒng)

液體食品連續(xù)流動(dòng)微波殺菌系統(tǒng)主要包括微波加熱段、保持段及冷凝段，有的系統(tǒng)為了節(jié)約能量，在微波加熱前設(shè)置預(yù)熱段［15］。微波殺菌系統(tǒng)的核心部分為微波加熱部分，在該階段要充分考慮微波加熱的均勻性。圓柱或橢圓微波腔由于受單模腔尺寸的限制，處理量較小。更常見的微波殺菌系統(tǒng)為物料在多模微波腔內(nèi)，流經(jīng)盤管或螺旋管被加熱，可以更好地保證加熱的均勻性，同時(shí)滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

RAAHOLT等［16］設(shè)計(jì)了處理固液混合食品的連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)，如圖5所示。物料模型由黏性淀粉漿料和胡蘿卜塊組成。微波加熱部分由1個(gè)TM020腔和2個(gè)TM120腔組成，TM020腔用于加熱管道中心物料，TM120腔用于加熱靠近管道壁面的物料，該設(shè)計(jì)可以減小顆粒與流體之間的溫差，提高加熱的均勻性和殺菌效率。

圖5 微波輔助高溫短時(shí)殺菌系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the microwave-assisted HTST system

GENTRY等［17］設(shè)計(jì)的連續(xù)流動(dòng)微波殺菌系統(tǒng)如圖6所示。微波頻率為2 450 MHz，微波功率在0～2.5 kW之間連續(xù)可調(diào)，物料管由9個(gè)螺旋管串聯(lián)而成。物料經(jīng)過(guò)微波處理后進(jìn)入保持段。利用該系統(tǒng)對(duì)蘋果汁中大腸桿菌的滅活情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)可以在保證蘋果汁口感的前提下使菌落數(shù)減少5-log10。

圖6 連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)Fig.6 Continuous flow microwave sterilization system

CHARM等［18］設(shè)計(jì)了一種連續(xù)式流體微波殺菌系統(tǒng)。物料管采用螺旋管形式。在待殺菌物料中添加介電添加劑（NaCl）提高介電性能，物料以50 ℃/s的加熱速度在3 s內(nèi)加熱至160 ℃，保溫0.1 s后冷卻。系統(tǒng)中設(shè)置背壓閥防止流體汽化。冷卻后流體通過(guò)一個(gè)三通閥，若沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的滅菌要求，從一端口排出，反之則進(jìn)入分離器中將介電添加劑從物料中分離。以噬菌體進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)物料被加熱至93 ℃時(shí)，噬菌體被完全滅活，可以保證殺菌的均勻性。

NIKDEL等［19］設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)式連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)。6個(gè)微波腔串聯(lián)，流體管道在微波腔內(nèi)以盤管的形式穿過(guò)。為降低能耗，用微波殺菌后的90～95 ℃流體給未處理的物料進(jìn)行加熱。物料處理后果膠甲基酯酶被完全滅活，殘留菌落數(shù)減少到200 CFU/mL，且無(wú)明顯風(fēng)味變化。

TAJCHAKAVIT 等［20］設(shè) 計(jì) 的 連續(xù) 流 微 波殺菌系統(tǒng)。微波頻率為2 450 MHz，微波功率為700 W，位于腔體中心的螺旋物料管直徑9.6 mm，長(zhǎng)3.51 m。物料由變速計(jì)量泵泵入管道中。在微波腔的入口和出口處設(shè)置熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量流體溫度。通過(guò)對(duì)比該裝置和常規(guī)殺菌裝置中接種菌落的殺滅情況，發(fā)現(xiàn)微波殺菌更快且破壞率更高。

KUDRA等［21］設(shè)計(jì)的連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)以一個(gè)微波功率為700 W，微波頻率為2 450 MHz的微波爐作為腔體，腔體內(nèi)部放置一個(gè)容量為165 mL的聚乙烯管（外徑12.5 mm，內(nèi)徑10 mm，長(zhǎng)2.1 m）。研究牛奶中脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖成分對(duì)加熱效果的影響。結(jié)果顯示：牛奶比水加熱得更快，其中蛋白質(zhì)是加熱的主要原因，而脂肪和乳糖的影響可以忽略不計(jì)。

LIN等［22］設(shè)計(jì)的連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)由2臺(tái)輸出功率為1 kW、頻率為2 450 MHz的微波腔串聯(lián)組成。2個(gè)內(nèi)徑為7.9 mm的螺旋管由耐熱玻璃制成，位于2個(gè)微波爐腔的中心。物料經(jīng)微波加熱后進(jìn)入保持段，停留后離開微波系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對(duì)牛奶中磷酸酶的失活情況進(jìn)行研究，并與常規(guī)加熱進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示：連續(xù)流微波加熱比傳統(tǒng)分批加熱磷酸酶滅活效率高，失活速度比常規(guī)加熱快1個(gè)數(shù)量級(jí)。

SIGUEMOTO等［23］使用連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)對(duì)果汁中酶失活進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)混合后的物料經(jīng)泵進(jìn)入加熱器進(jìn)行預(yù)熱，隨后進(jìn)入微波腔進(jìn)行微波加熱，微波頻率2 450 MHz，微波功率6 kW，微波腔為單模腔，通過(guò)調(diào)諧，微波聚焦在中心陶瓷管，陶瓷管內(nèi)徑6.7 mm，長(zhǎng)度460 mm。被加熱的果汁進(jìn)入絕熱保持管后經(jīng)冷卻從系統(tǒng)中排出。試驗(yàn)結(jié)果顯示：微波處理相比于傳統(tǒng)熱力殺菌，多酚氧化酶和過(guò)氧化酶殘留活性基本相同，而微波處理對(duì)果膠甲基酯酶的殺滅作用較弱，相比于傳統(tǒng)熱處理方式殘留活性要高。SIGUEMOTO等［24］又運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)比了常規(guī)巴氏殺菌和微波巴氏殺菌對(duì)蘋果汁風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示：經(jīng)過(guò)微波巴氏殺菌的蘋果汁比經(jīng)過(guò)相同保溫時(shí)間的常規(guī)巴氏殺菌的蘋果汁更好地保留了揮發(fā)性成分，微波加熱減小了風(fēng)味變化。

BURGENER等［25］設(shè)計(jì)的連續(xù)式流體微波殺菌系統(tǒng)，考慮了熱量的回收利用。首先物料經(jīng)過(guò)第一換熱器，通過(guò)已經(jīng)加熱后的物料給未加熱的物料預(yù)熱，經(jīng)過(guò)初步預(yù)熱的物料隨后進(jìn)入第二換熱器用熱蒸汽進(jìn)行第二步加熱，當(dāng)被預(yù)熱的流體溫度與殺菌溫度相差10 ℃時(shí)，進(jìn)行微波加熱。該設(shè)計(jì)在達(dá)到殺菌要求的前提下減少了能耗。對(duì)橙汁進(jìn)行殺菌試驗(yàn)，細(xì)菌總量減少了102CFU。

楊智［26］設(shè)計(jì)了一種連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)。物料由入口進(jìn)入，首先經(jīng)過(guò)熱流體進(jìn)行預(yù)熱，后進(jìn)入微波腔中進(jìn)行微波殺菌。微波源放置于微波腔上方，在物料進(jìn)入微波腔時(shí)，經(jīng)分液管分別流入2個(gè)殺菌盤管，殺菌盤管延長(zhǎng)了料液微波殺菌的流動(dòng)路徑，使殺菌更加充分。經(jīng)過(guò)微波殺菌后，物料匯聚于出口管道，并經(jīng)過(guò)冷流體對(duì)物料進(jìn)行冷卻，隨后離開殺菌裝置。

高曉臣［27］設(shè)計(jì)了一種牛奶連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)。微波頻率為2 450 MHz，系統(tǒng)中包括5個(gè)高壓電源，其中每個(gè)電源控制3個(gè)磁控管，每個(gè)磁控管的功率為700 W。通過(guò)控制磁控管的工作數(shù)量來(lái)控制微波輸入功率。物料管材料為聚四氟乙烯。研究表明，S型物料管有利于微波對(duì)牛奶的均勻加熱。

3 液體食品連續(xù)流動(dòng)微波殺菌的發(fā)展趨勢(shì)

高溫短時(shí)殺菌和低溫巴氏殺菌目前仍是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中主要的殺菌方式，但高溫短時(shí)殺菌對(duì)物料的營(yíng)養(yǎng)成分傷害較大，而巴氏殺菌無(wú)法保證較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期，產(chǎn)品容易發(fā)生變質(zhì)。微波殺菌已經(jīng)被證明可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下延長(zhǎng)貨架期，但微波殺菌由于均勻性問(wèn)題近些年發(fā)展較為緩慢。液體食品連續(xù)流微波殺菌技術(shù)有很大的應(yīng)用潛力。液體食品的流動(dòng)過(guò)程更容易實(shí)現(xiàn)加熱的均勻性，模態(tài)攪拌器和靜態(tài)混合器的應(yīng)用也對(duì)微波加熱均勻性起到了促進(jìn)的作用。試驗(yàn)測(cè)得循環(huán)式和螺旋管式連續(xù)流微波殺菌裝置的均勻性較好，溫差可以控制在5 ℃左右。模擬軟件的應(yīng)用也為裝置的設(shè)計(jì)提供了便利的條件。目前測(cè)溫的主要方式仍然是使用熱電偶或者光纖測(cè)溫傳感器。雖然早在20世紀(jì)末就有人提出了化學(xué)標(biāo)記法和食物染料法［28］，但目前應(yīng)用到液體食品連續(xù)流動(dòng)微波滅菌較少，未來(lái)液體食品連續(xù)流動(dòng)微波殺菌的主要問(wèn)題依然是均勻性問(wèn)題。已經(jīng)有報(bào)道微波與其他方式結(jié)合加熱提高均勻性的案例，但這些物料的選取多為固體［29］，液體物料的微波組合加熱可能會(huì)出現(xiàn)能耗提高的情況。目前針對(duì)液體物料連續(xù)流動(dòng)微波殺菌的研究缺少理論計(jì)算，多為嘗試性的試驗(yàn)研究。備受關(guān)注的微波殺菌能耗和成本問(wèn)題目前研究很少，仍然需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

液體食品連續(xù)流動(dòng)微波殺菌技術(shù)因其加熱時(shí)間短和營(yíng)養(yǎng)成分保留率高而具有很大的應(yīng)用潛力。但在工業(yè)化應(yīng)用中，解決微波加熱的不均勻性仍然是挑戰(zhàn)，尤其在目前無(wú)菌高速罐裝的需求下，更顯得迫切。通過(guò)合理設(shè)計(jì)微波腔和物料管、促進(jìn)流體物料的混合以及組合其他加熱方法等方面可以改善微波加熱的均勻性，但產(chǎn)品有多樣性，單純改變微波腔或者熱加工裝置依然難以適應(yīng)加工工藝的變化，需要研究者們從不同方面另辟途徑。另外，需要基于模型數(shù)字化模擬及設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，探明技術(shù)制約的關(guān)鍵因素及其關(guān)聯(lián)特性，便于放大規(guī)模。