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）的前提下如何最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.但是最近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.