[科普中国]-食品的电学性质

概述

构成食品材料的粒子大都带有某种电荷，可以形成电势差或电动势，当食品材料在受到外界刺激时，就会产生抵抗，通常表现为食品材料的电导率、电容率、击穿电位、刺激电位等电学性质。

电磁波处理在食品加工中的应用电学特性在食品加工中的应用主要有两方面：一是通过对食品电学特性的把握来更好地对食品成分、组织和状态等品质进行分析监控；二是在食品加工中有效利用其电磁性质来进行加工处理。

具体分为：利用电磁波加工、利用静电场加工和利用电阻抗加工等。电磁波加工按电磁波长分类为商用交流电、高频波、微波、红外线辐射、紫外线辐射等几类。食品加工中使用较广的是微波、红外线和紫外线。

微波在食品加工中的应用微波是指波长在1 m m - 1 m ，频率在3 0 0 M H z -3 0 G H z 之间的电磁波，在食品工业中可将其用于微波萃取、微波解冻、微波焙烤和微波杀菌等单元操作。根据用途，微波被分为两大类：一是在食品加工中作为一种加热手段，进行微波干燥、膨化、消毒、灭菌和热烫等；二是以各种形式的微波炉出现，作为辅助加热工具，进行肉的解冻、融化等，或者直接用于食品的加热烹调1 。

微波萃取

微波萃取是提取天然植物中有效成分的一项新型技术。微波能穿透萃取介质并渗透到物质细胞内部，使物料内部的极性分子随外电场变化而激烈碰撞摩擦，从而使其内部温度迅速升高，引起细胞破裂，使有效成分自由流出而被溶剂溶解。与传统有机溶剂萃取相比，它具有更高选择性，且可有效保护提取物中功效成分，耗能低，省时安全。

微波干燥

微波波长较一般食品物料短很多，但穿透力相对较强，热惯性小。相对于传统加热干燥，微波干燥在物料各个部位同时进行加热，避免了传统方法由外向内形成温度梯度而导致物料表面硬化或不均匀的负效应，所以干燥速度快，时间短，而且可以最大限度地保持食品的色、香、味，减少营养元素损失；其次，微波加热设备本身不耗热，热能绝大部分都用在物料上，所以热效率高，对环境几乎没有影响，同时设备占地少，目前，在食品加工中已被广泛应用2。

微波杀菌

微波杀菌应用已相当广泛，其机理可用热效应和非热效应来解释。热效应是指微波产生的热量使微生物体内蛋白质、核酸等分子改性，从而达到杀菌效果；非热效应是指在电磁场作用下，微生物细胞壁破裂，致使细胞内核酸和蛋白外泄导致微生物死亡。微波杀菌已用于固体物料、保健品、乳制品、豆制品、淀粉类制品、饮料制品、蔬菜制品、调味品、水产品、水果等食品的杀菌保鲜及包装材料和容器的灭菌。此外，微波还可用于酒类、发酵调味品的催陈、绿茶的杀青，蔗糖汁的减色等工艺过程。

微波解冻

传统解冻时热量首先作用在冻结制品表面，然后再向制品内部传导，熔融表面导热差、内部升温慢，造成熔融周期长，品质恶化，汁液损失增加，甚至可能导致不良化学反应、产生毒素等。微波解冻是指将制品温度由冻藏温度提高到一个较高的温度（仍然低于冰点），而不升到环境温度。此时，制品虽是硬的，但不再是冻结固体。在冻牛肉的微波解冻操作中发现：低温范围内，微波能的穿透深度较深，保证了冻结制品受热均匀。9 1 5 H z 的微波穿透力较强， 适用于较厚的冻结制品的解冻；2 4 5 0 H z 的微波穿透力较弱，在对较厚制品进行解冻时，必须同时使表面降温，才能保证深层解冻。但是，微波解冻传热快、均匀，解冻所需温度低，很好地抑制不良物理化学变化和腐败微生物的侵染3。

红外线在食品加工中的应用红外线是指波长在0.78-1000um 之间的非电离电磁波。根据波长又把它分为近红外线( 0 . 7 8 -1.4um)、中间红外线(1.4-3um)和远红外线(9um-1 m m ) 。实际应用中，使用的波长范围为2 - 2 5 u m 。远红外线近年来在食品加工中应用地十分广泛，主要是因为与热风加热或热风干燥相比，远红外的能量可以直接被食品物料吸收，减少能量的损失。

热辐射效率最大的理想物体称为黑体。普通食品加工所使用的加热温度范围大都在300-500K，这一温度范围内，黑体或近似黑体物质辐射能量密度最大的波长正是在2 . 5 - 2 0 u m 的远红外线波长范围，因此，远红外线有较高的辐射效率；另一方面水中羟基键伸缩振动的固有频率与波长2 . 7 u m的电磁波相同，所以当接受远红外线辐射时，水和其他含有羟基的食物成分与远红外线发生共振，引起物料温度上升，从而使物料得以加热。远红外线波长较长，对物料的穿透性强，其光子能量级小，一般只产生热效应，不会引起物质的化学变化，对食品营养成分和色泽不会造成影响，远红外线被物料吸收的程度也不受物料色泽影响，所以使用远红外热加工，物料受热均匀，加工品质优良。远红外线在食品加工中可用于点心、肉制品等的烘烤，烹调食品的保温、冷藏食品的快速加热，谷物、大豆、咖啡、茶叶等的干燥，油炸食品如炸鱼、炸虾、炸土豆片等的炸制，无水煮食品的加工，酒类、调味品、水果的催熟，肉类制品、谷物、面粉的杀菌等。4

紫外线在食品加工中的应用波长在200-400nm 的电磁波通称为紫外线，根据波长把紫外线分为短波紫外线（波长2 0 0 -280nm）、中波紫外线（波长280-320nm）、长波紫外线（波长3 2 0 - 3 4 0 n m ）。其中，短波杀菌效果最好。食品工业中，紫外线多应用在杀菌上，也可应用于果蔬保鲜及对加工食品性能的改善上。

紫外线杀菌主要用于三个领域：表面杀菌、空气杀菌和液体杀菌。表面杀菌常用于包装材料的消毒，如在牛乳的生产中，用紫外线对包装材料消毒，可使其货架期延长到两周。

静电场加工在食品加工中的应用生物电磁现象以及食品胶体粒子的电荷性质，为利用静电物性对食品进行处理和加工带来了很大可能性。静电场对食品的加工可分为静电净化、静电分离、静电熏制、静电改质、静电防腐、静电解冻等。它们的原理都是使离子化的气体在电场内移动，传递物质的散体微粒（尘埃、熏烟等），这类带电粒子再受电场作用，从一极向另一极进行定向移动，从而达到加工所需目的。静电熏制就是在静电场内让熏烟雾粒子向各种食品表面或内部渗透，达到快速均匀熏制的目的。高压静电场在干燥、保鲜和解冻方面的应用研究最多。4

电阻抗加工在食品加工中的应用利用直流电流加工食品归纳起来主要有电渗透、电渗析、电泳及电浮选等；利用交流电主要有通电加热。德力格尔桑5等研究了牛宰后肌肉生物电抗阻与p H 的相关性，发现宰杀后的牛羊等反刍动物骨骼肌会发生一系列的生理生化变化，影响肉的品质、持水性、色泽及食用的安全性，这些变化有：电荷分布、介电性、肌肉离子强度等等，它们均可反映肌肉生物电阻抗值的变化，测定并监控生物电抗值较分析生理生化指标简单易行，有可以实现在线控制，更具有实际意义。他们还进一步提出了利用生物组织的电学特性变化获取与生物体生理病理相关的生物医学信息，这是一种新型的食品检测技术。

电渗透脱水电渗透脱水是利用食品胶体粒子的核电荷性质、核动电现象，用电渗透的方法对食品进行固液分离火脱水处理。以蛋白质溶液为例：由于存在电位和其周围的离子氛，带电荷液体作相对于蛋白质运动，从而达到脱水目的6。日本的铃木6等人首次将电渗透脱水应用于食品领域，将鱼糜的含水量从7 5 % 降到3 8 % ；电渗透脱水作为新兴固液分离技术逐渐在食品加工中得以应用发展，如牛奶浓缩，水果和蔬菜汁制取，酒糟处理以及豆渣、薯渣、鱼肉的脱水等。

通电加热通电加热又称电阻加热或电抗加热，其主要原理是利用5 0 H z 或6 0 H z 的低频交流电源提供电流，在待加热食品内部产生能量。可处理直径大至2 5 m m 的颗粒食品。该技术在食品工业中的应用有：食品解冻，如解冻冻虾、冻鱼、冻肉等。与传统方法相比，解冻可节约4 0 % 的时间；缩短烫漂时间，如Mizraha 给浸在溶液中的玉米穗通以3 8 0 V的电压，所有氧化酶在3 m i n 内全部钝化，而在沸水中则需1 7 m i n ；带颗粒产品的杀菌，通电加热技术首先在乳品工业中得到成功的应用。通电加热技术可以使食品中的各种成份以相同的速度加热，加热均匀，热量损失少，加热过程中不需要搅拌，无污染，通电还有特殊的杀菌效果。目前，它在带颗粒食品的杀菌中应用不断增多。4