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 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津 300222；2.天津科技大學 天津市低碳綠色過程裝備國際聯(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殺菌（HTST）仍是工業(yè)生產(chǎn)中常用的殺菌方法。但加熱過程對食品的營養(yǎng)成分、風味等有潛在的影響。無菌加工技術(shù)成為現(xiàn)代食品加工的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代液體食品的無菌加工多采用換熱器進行熱殺菌，熱量通過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。微波加熱通過在整個物體內(nèi)產(chǎn)生熱量，即提供體積加熱［1］，在加熱裝置內(nèi)無熱表面存在，可以消除傳統(tǒng)換熱器的缺點，特別適合于熱敏感產(chǎn)品。微波加熱強度高（10 ℃/s），對許多材料的加熱時長約是常規(guī)加熱的1/4［2］。同時微波對菌落的殺滅作用以及微波殺菌后對產(chǎn)品貯藏期品質(zhì)的影響均已得到證實［3］。連續(xù)流動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。

1 提高液體食品連續(xù)流動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”和“熱點”［5］，加熱不足的食品會增加微生物風險，過度加熱又可能會造成嚴重的營養(yǎng)損失，降低感官價值，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)流動液體食品的微波殺菌效果，學者們分別從合理設(shè)計微波腔和物料管、促進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，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計使得模式越多，均勻性越好；在單模腔中，通過設(shè)計腔體結(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)流動的流體物料的位置隨時間的變化而變化，但流過微波加熱腔不同位置其加熱均勻性也不相同。通過調(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，尺寸過大會導致微波無法穿透物料而加劇加熱的不均勻性。

DROZD等［8］設(shè)計了連續(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)計使物料位置的電場在保證功率密度的前提下均勻地分布在一個面上，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)計的微波腔由4個圓柱形微波諧振腔串聯(lián)組成，如圖2所示。其中每一個圓柱形諧振腔都由特定的波導提供能量，波導的形狀為錐形，饋口面積較小，相比于使用一個大饋口波導提供能量，可以減小能量的反射，提高加熱強度和均勻性。

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

TRACY等［10］設(shè)計的連續(xù)流體的微波加熱腔，微波能量通過2個波導饋入微波腔內(nèi)，流體從腔體中間自下而上流過。微波能量首先經(jīng)過一個五階扭轉(zhuǎn)原件改變微波能量的方向，雙向耦合器檢測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個輸出臂180°反向，便于圓柱形微波腔產(chǎn)生高階諧振模式，進而提高加熱均勻性。

1.2 促進流體物料的混合

連續(xù)流微波加熱中物料管內(nèi)的電磁場分布不均勻，良好的物料混合可以提高物料間的熱傳導，并通過不斷改變物料在電磁場中的位置，即使在不均勻的電磁場中，也可提高物料對微波能吸收的均勻性。促進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)過微波處理后與未被處理的物料混合再次進行處理，直到暫存罐內(nèi)的流體均達到目標溫度為止，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的頻率下對豌豆泥和胡蘿卜泥進行微波處理。物料被容積泵泵入一個直徑為38 mm的聚四氟乙烯管道中，物料流量為0.9 L/min，產(chǎn)品的平均處理時間為21.1 s。微波功率為3 kW，豌豆泥和胡蘿卜泥達到滅菌溫度130 ℃時，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)計了一個用于工業(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，每個微波腔內(nèi)的物料管長度為45 mm，流體離開每個微波腔后進入靜態(tài)混合器進行混合。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的頻率下對當?shù)?種花生飲料進行微波處理。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的頻率下對脫脂牛奶進行微波處理。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

對于一些特殊的連續(xù)流動物料（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)合來提高加熱的均勻性。

LEE等［14］針對固液混合物料（如湯類），設(shè)計了微波與歐姆組合加熱裝置，如圖4所示。加熱裝置由2個單模圓柱形微波腔組成，物料管從2個微波腔中心穿過，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。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，溶液升溫速度越快。通過單獨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)流動微波殺菌系統(tǒng)

液體食品連續(xù)流動微波殺菌系統(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，同時滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

RAAHOLT等［16］設(shè)計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TM020腔和2個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 微波輔助高溫短時殺菌系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the microwave-assisted HTST system

GENTRY等［17］設(shè)計的連續(xù)流動微波殺菌系統(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個螺旋管串聯(lián)而成。物料經(jīng)過微波處理后進入保持段。利用該系統(tǒng)對蘋果汁中大腸桿菌的滅活情況進行研究，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。冷卻后流體通過一個三通閥，若沒有達到相應(yīng)的滅菌要求，從一端口排出，反之則進入分離器中將介電添加劑從物料中分離。以噬菌體進行試驗，發(fā)現(xiàn)物料被加熱至93 ℃時，噬菌體被完全滅活，可以保證殺菌的均勻性。

NIKDEL等［19］設(shè)計了一種串聯(lián)式連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)。6個微波腔串聯(lián)，流體管道在微波腔內(nèi)以盤管的形式穿過。為降低能耗，用微波殺菌后的90～95 ℃流體給未處理的物料進行加熱。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，且無明顯風味變化。

TAJCHAKAVIT 等［20］設(shè) 計 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3.51 m。物料由變速計量泵泵入管道中。在微波腔的入口和出口處設(shè)置熱電偶實時測量流體溫度。通過對比該裝置和常規(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)計的連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)以一個微波功率為700 W，微波頻率為2 450 MHz的微波爐作為腔體，腔體內(nèi)部放置一個容量為165 mL的聚乙烯管（外徑12.5 mm，內(nèi)徑10 mm，長2.1 m）。研究牛奶中脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖成分對加熱效果的影響。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。

LIN等［22］設(shè)計的連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)由2臺輸出功率為1 kW、頻率為2 450 MHz的微波腔串聯(lián)組成。2個內(nèi)徑為7.9 mm的螺旋管由耐熱玻璃制成，位于2個微波爐腔的中心。物料經(jīng)微波加熱后進入保持段，停留后離開微波系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對牛奶中磷酸酶的失活情況進行研究，并與常規(guī)加熱進行對比。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個數(shù)量級。

SIGUEMOTO等［23］使用連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)對果汁中酶失活進行研究。經(jīng)過混合后的物料經(jīng)泵進入加熱器進行預熱，隨后進入微波腔進行微波加熱，微波頻率2 450 MHz，微波功率6 kW，微波腔為單模腔，通過調(diào)諧，微波聚焦在中心陶瓷管，陶瓷管內(nèi)徑6.7 mm，長度460 mm。被加熱的果汁進入絕熱保持管后經(jīng)冷卻從系統(tǒng)中排出。試驗結(jié)果顯示：微波處理相比于傳統(tǒng)熱力殺菌，多酚氧化酶和過氧化酶殘留活性基本相同，而微波處理對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］又運用該系統(tǒng)對比了常規(guī)巴氏殺菌和微波巴氏殺菌對蘋果汁風味和營養(yǎng)品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示：經(jīng)過微波巴氏殺菌的蘋果汁比經(jīng)過相同保溫時間的常規(guī)巴氏殺菌的蘋果汁更好地保留了揮發(fā)性成分，微波加熱減小了風味變化。

BURGENER等［25］設(shè)計的連續(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)過第一換熱器，通過已經(jīng)加熱后的物料給未加熱的物料預熱，經(jīng)過初步預熱的物料隨后進入第二換熱器用熱蒸汽進行第二步加熱，當被預熱的流體溫度與殺菌溫度相差10 ℃時，進行微波加熱。該設(shè)計在達到殺菌要求的前提下減少了能耗。對橙汁進行殺菌試驗，細菌總量減少了102CFU。

楊智［26］設(shè)計了一種連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)。物料由入口進入，首先經(jīng)過熱流體進行預熱，后進入微波腔中進行微波殺菌。微波源放置于微波腔上方，在物料進入微波腔時，經(jīng)分液管分別流入2個殺菌盤管，殺菌盤管延長了料液微波殺菌的流動路徑，使殺菌更加充分。經(jīng)過微波殺菌后，物料匯聚于出口管道，并經(jīng)過冷流體對物料進行冷卻，隨后離開殺菌裝置。

高曉臣［27］設(shè)計了一種牛奶連續(xù)流微波殺菌系統(tǒng)。微波頻率為2 450 MHz，系統(tǒng)中包括5個高壓電源，其中每個電源控制3個磁控管，每個磁控管的功率為700 W。通過控制磁控管的工作數(shù)量來控制微波輸入功率。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牛奶的均勻加熱。

3 液體食品連續(xù)流動微波殺菌的發(fā)展趨勢

高溫短時殺菌和低溫巴氏殺菌目前仍是工業(yè)生產(chǎn)過程中主要的殺菌方式，但高溫短時殺菌對物料的營養(yǎng)成分傷害較大，而巴氏殺菌無法保證較長的儲存期，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)量的前提下延長貨架期，但微波殺菌由于均勻性問題近些年發(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。液體食品的流動過程更容易實現(xiàn)加熱的均勻性，模態(tài)攪拌器和靜態(tài)混合器的應(yīng)用也對微波加熱均勻性起到了促進的作用。試驗測得循環(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)計提供了便利的條件。目前測溫的主要方式仍然是使用熱電偶或者光纖測溫傳感器。雖然早在20世紀末就有人提出了化學標記法和食物染料法［28］，但目前應(yīng)用到液體食品連續(xù)流動微波滅菌較少，未來液體食品連續(xù)流動微波殺菌的主要問題依然是均勻性問題。已經(jīng)有報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出現(xiàn)能耗提高的情況。目前針對液體物料連續(xù)流動微波殺菌的研究缺少理論計算，多為嘗試性的試驗研究。備受關(guān)注的微波殺菌能耗和成本問題目前研究很少，仍然需要進一步的研究。

4 結(jié)語

液體食品連續(xù)流動微波殺菌技術(shù)因其加熱時間短和營養(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)，尤其在目前無菌高速罐裝的需求下，更顯得迫切。通過合理設(shè)計微波腔和物料管、促進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)計與試驗驗證相結(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。