微波场对食品的非热效应研究进展

胡蕾琪，郭长凯，潘志海，栾东磊*

1(上海海洋大学食品热加工工程技术中心，上海，201306)2(上海海洋大学 食品学院，上海，201306)

微波是频率在300 MHz～300 GHz的电磁波。微波最早应用于通讯行业，SPENCER在1945年做雷达实验时偶然发现了微波的热效应，此后微波加热被广泛应用于食品加工中[1-3]。微波加热食品时，食品中的极性分子随交变电场的方向不断发生改变，通过分子之间剧烈的摩擦、碰撞，将电磁能转化成热能，使食品的温度升高[4]。因此，微波加热具有速度快、热效率高的优点，与传统的传导加热相比，微波可以大幅缩短加热时间，降低因长时间加热造成的食品营养成分的损失[5]。

微波会产生特殊的加热效果，比如微波加热液体时，溶液沸腾时的平衡温度超过了常压下的沸点，这称为微波的过热效应。此外，微波的内外整体加热还可以消除传统的传导加热中存在的容器和反应体系的温差，但是微波加热的不均匀性也会造成体系中某些点过热，从而形成加热过程中的热点效应。由于不同材料的介质损耗不同，其对微波的吸收能力不同，比如微波干燥过程中水分含量高的位置，介电损耗因子大，因而吸收微波能量多，加热速度快，这种现象称为微波的选择性加热[6-7]。这些现象是由于微波特殊的加热方式产生的，本质上仍然属于热效应的范畴。

微波在食品领域的应用主要是基于其热效应进行设计，通过食品的温度和受热时间来评估处理效果。但是在微波处理过程中，研究者还发现一些仅用温度和时间无法解释的现象，即微波的非热效应。已发现的微波非热效应有显著提高微生物的灭活效率[8-9]，改善蛋白质的理化特性和功能特性，提高蛋白质的分析效率[10-11]。此外在生物化学反应中，以微波作为热源可以获得比传统加热更快的反应速度，如在酶促反应过程中，微波的非热效应可以增加酶的催化活性，提高反应速率[12-13]。

微波非热效应的作用机理因作用对象和效果其解释也有所不同。在微波提高微生物的灭活效率方面，微波非热效应的作用机理分为以下几种：微波场破坏微生物的细胞膜，导致细胞质外漏，影响其正常生理活动，引起微生物死亡[14]；高频率、强电场强度的微波场导致微生物细胞膜附近的荷电位发生变化，影响细胞的离子通道，进而影响细胞正常的新陈代谢，甚至引起微生物死亡[15]；组成微生物的蛋白质、核酸等生物大分子和水分子在高频率、强电场强度的微波场中被极化，引起蛋白质等生物大分子结构中化学键的断裂，导致其发生变性等变化，进而破坏微生物正常的生理活动功能，达到杀菌的目的[16]；微波场引起微生物细胞内DNA和RNA结构中的氢键松弛、断裂和重新组合，诱发基因突变和染色体畸变等[17]。在微波处理改善食品中蛋白质的理化功能特性方面，微波非热效应的作用机理有：微波场能够破坏氨基酸之间的肽键，使蛋白质结构发生变化，进而影响其功能特性[10, 18]；微波场影响蛋白质分子的折叠与展开，进而影响其功能特性，因此以蛋白质为主要成分的酶分子的催化活性也会受到微波场的影响[10, 18-19]。在微波场加速生物化学反应方面，微波的非热效应可以改变反应的动力学性质，降低反应的活化能和指前因子，从而加快生物化学反应的进程[20]。

微波的非热效应在食品加工过程中有很多的优势，如提高微生物的灭活效率，降低热处理的程度，减少食品营养成分的损失；改善蛋白质的功能性质，赋予食品特定的营养品质和感官特性，满足消费者的需求。目前微波正在被应用到更多的食品工业领域，深入了解微波场对食品的非热效应有助于优化微波加工食品的条件，提高产品品质，节省能源。本文总结了研究微波非热效应的方法，分析了其优缺点及应用范围，整理了当前微波非热效应在食品领域的研究现状及最新的研究成果和应用前景，为微波场的非热效应在食品加工中的广泛应用提供理论参考。

1 微波非热效应的研究方法

在微波作用于食品的过程中，微波的热效应和非热效应是同时存在的，因此研究微波的非热效应，就需要把热效应和非热效应完全分开，从而获得非热效应的作用效果。实验中有2种方式可以分开热效应与非热效应：一是设计和微波处理具有同样热效应的对照组，就是使对照组和微波处理有同样的温度变化；二是使微波处理过程中没有热效应，一般通过控制反应的温度来实现。基于此，常用的研究微波非热效应的方法有以下几种。

1.1 同步升温法

同步升温法是通过控制微波处理和传统处理的参数，使2种处理方式具有相同的升温速率，获得相同的时间温度曲线，使经2种方式处理后的样品经历相同的热处理。通过对比实验结果，排除微波处理中的热效应，分析微波场的非热效应。在实验中设计2种升温方式以获得相同的时间温度曲线是实现该研究方法的关键[21]。而在设计同步升温曲线时，准确地测量反应内部的真实温度是至关重要的。

常用的温度测量仪器有红外测温仪、光纤传感器、热电偶和无线金属温度传感器等。红外测温仪只能从容器或者物料的外部进行测温，并不能代表反应内部的温度，在使用时有局限性[22]。光纤传感器可以检测反应体系内部的温度，不会受到微波场的干扰，不会破坏固态、液态食品的外形，适用于微波非热效应的研究中，但是在使用时需要与外界相连，限制了其在连续微波系统中的使用。热电偶同样可以检测反应体系内部的温度，但是其内部的金属组件会受到电场的影响，不适合测量微波反应体系内部的温度。无线金属温度传感器的表面有金属层，可以屏蔽微波场的干扰，准确地测量反应体系内部的温度，且无需与外界相连，可以应用到连续微波加热系统中[24]。在食品加工过程中建议使用小体积的无线金属温度传感器，以减少其对食品形态和加热效果的影响，且传感器在使用时要与系统中主电场分量垂直，以消除对温度分布的影响[25]。因此在研究微波对食品的非热效应时，需要根据反应体系的不同选择合适的测温方式准确地记录反应体系的温度。

马申嫣等[26]用同步升温法研究了微波加热对马铃薯淀粉颗粒内部水的状态及分布的影响，实验采用200 ℃的油浴以27.2 ℃/min的速率实现了快速升温以匹配微波的快速加热过程，使用光纤测温探头在线监测反应过程中的温度。之后，为了验证2条时间温度曲线的相似程度，分析了其复相关系数为0.998 1，从而说明2条曲线拟合程度非常高。实验结果表明同样的时间温度曲线下，微波加热和油浴加热的马铃薯淀粉内部水分状态和比例有显著性差异。WU等[27]用同步升温法研究了微波加热对牛奶热稳定性的影响，在这项研究中，传统加热和微波加热分别使用热电偶和红外测温仪实时测量反应试管中的温度(起始和终点温度分别为25 ℃和95 ℃)。实验计算出2种加热方式的时间温度曲线的均方根误差为1.77，表明2条曲线有较好的匹配性，2种加热方式实现了同步升温。结果表明不同的加热方法对牛奶系统的热稳定性影响很小。

1.2 低功率微波辐射法

低功率微波辐射法是通过控制反应温度来研究非热效应的方法之一，具体来说就是使用低功率的微波对食品进行处理，使反应体系处于较低的温度，没有热效应的影响，进而研究微波的非热效应。何雨婷等[28]用低功率微波辐射法研究了微波处理对香菇采后生理及品质的影响。实验采用130 W的微波输出功率连续照射处理新鲜香菇2～5 min，处理后香菇的温度均低于25 ℃，结果显示低功率微波处理组香菇的呼吸速率、多酚氧化酶的活性和丙二醛含量均显著低于对照组。李明霞等[29]采用低功率微波处理猕猴桃果实，控制果实温度不超过29 ℃。研究结果表明，32.5 W/5min和65 W/3min的低强度微波处理可以延缓有机酸、可溶性糖和VC的降解，抑制果胶甲酯酶、多聚半乳糖醛酸酶、β-半乳糖苷酶和纤维酶的活性，保持较高的果肉硬度，有利于猕猴桃的贮藏保鲜。陈孟雅等[30]用低功率微波辐射法研究了微波处理对巨峰葡萄贮藏品质的影响。结果表明在0～2 ℃的冷藏条件下，32.5 W/2min的微波处理可以降低多酚氧化酶、过氧化物酶的活性和丙二醛的含量，低功率微波处理显著延缓了葡萄的衰老。使用低功率微波辐射法的关键在于要使微波的功率处于一个较低的工作水平不会对反应带来明显的升温作用。

1.3 微波辐射同步冷却法

微波辐射同步冷却法(简称同步冷却法)是通过控制反应温度来研究微波非热效应的另一种方法，在微波加热的同时，通过压缩空气或冷却介质从外部对反应体系进行冷却，去除微波辐射产生的热量，从而分开热效应和非热效应。通常反应物在微波辐射下经迅速升温达到设定温度后，需要停止微波辐射，因此反应体系接受微波辐射的时间很短。同步冷却法既能够保证反应在设定的温度下进行，又可以延长微波辐射的时间。范大明等[31]用微波辐射同步冷却法测定了经长时间微波非热处理的小麦面浆在不同温度时的流变学特性，反应所用的仪器是一种微波非热处理装置，在变频微波炉中加入低温循环水浴，使样品可以快速恒定在较低的温度，达到非热处理效果，体系的温度是通过光纤探头在线测量。实验将混匀的小麦面浆用250 W的微波率加热15 000 s，体系的温度维持在(5.8±0.05) ℃，结果显示微波非热处理的小麦面浆在不同温度下测定的流变学特性有差异。

在研究微波非热效应时，同步升温法是使用最多的方法，因为在实验过程中只需要精确测量反应体系内部的温度，保持一致的时间温度曲线即可，而且此方法对反应容器和反应条件没有严格的要求。低功率微波辐射法虽然可以使反应体系保持较低的温度，但是并没有完全消除热效应的影响，且在较低的温度下，非热效应的作用效果并不明显。微波辐射同步冷却法虽然可以去除热效应，但是此方法对反应容器有着严格的要求，目前应用于食品体系的研究还很少。

2 微波场的非热效应对食品加工的影响

在食品加工过程中，首先要考虑的就是微生物的安全问题，微波杀菌的微生物安全性早已得到验证，微波处理对食品中微生物影响的相关研究已有很多。随着研究的深入，微波非热效应对微生物的影响逐渐成为研究者们关注的热点[32-33]。此外蛋白质作为食品的主要物质及营养成分，其结构及功能特性的改变会对食品品质产生重要的影响，以蛋白质为主要成分的酶分子在食品加工中也起到重要的作用，目前已有很多研究表明微波场对食品中蛋白质和酶的作用会影响食品的加工特性[34-36]。

2.1 微波场对微生物的影响

与传统热处理相比，微波处理能够显著提高食品中微生物的灭活效率。如TAJCHAKAVIT等[37]研究了微波加热和传统加热对苹果汁中的酿酒酵母菌和胚芽乳杆菌的影响，结果表明微波场对微生物的破坏效果明显优于传统水浴加热。SIGUEMOTO等[38]通过比较微生物的存活率发现微波加热对接种在苹果汁中的大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌的灭活比传统热处理更有效。MARA等[39]研究了微波加热和传统加热对奇异果泥中李斯特氏菌的灭活作用，结果表明微波处理对单核细胞增生李斯特菌的失活速度比传统加热快约2倍。ANAYA等[40]用2种不同的热处理方法测定了爆米花中沙门氏菌(Salmonella)的存活率，证明经过微波处理后细菌存活率显著低于传统热处理方法。

微波处理的杀菌效率较高是因为微波场能够直接与微生物相互作用，如破坏微生物的细胞膜和蛋白质等，CAO等[41]从即食卤水鹅中分离得到蜡样芽孢杆菌，并用商业微波灭菌条件(1 800 W/5 min)进行处理，反应温度控制在85 ℃以下，观察微波对细菌形态、细胞膜通透性和总蛋白表达的影响。结果表明与传统热处理不同，微波可以诱导细菌核染色清除，破坏细胞膜和蛋白质的表达，从而增加微生物的致死率。上述研究中反应温度较高，不能完全排除热效应的影响，为了进一步探究微波的非热效应对微生物的作用机制，有学者研究了亚致死温度下微波和传统热处理灭活微生物的机理，在该温度下微波处理后微生物微观结构的变化是无法用热效应解释的，因此可以证明微波非热效应的存在，进而研究非热效应的作用机制。如ROUGIER等[42]比较了微波处理和传统处理对大肠杆菌细胞膜的影响，实验中细胞悬浮液的温度始终维持在37 ℃。结果表明当微波功率上升到400～2 000 W时，大肠杆菌细胞膜被破坏，完整性较差，而传统水浴加热条件下大肠杆菌细胞膜的完整性无变化。这种通过降低反应体系的温度去除热效应，是一种有效的研究微波非热效应的方法。

大量研究结果表明，在一定的微波功率下，微波处理会对微生物造成不可逆的损坏，破坏其细胞膜，导致遗传物质泄露，对微生物细胞中的蛋白质和核酸也有不同程度的破坏。虽然较低温度下微波对微生物细胞灭活机理的研究并不多，但是亚致死温度下的微波处理对细胞膜通透性和完整性的影响已被证实。因此在食品加工过程中，由于非热效应的存在，微波能够在较短时间内杀灭更多微生物，避免长时间的热处理对食品品质的损坏，从而维持产品品质。

2.2 微波场对蛋白质和酶的影响

蛋白质是食品中主要的基础功能成分，在决定食品的组织结构、感官和营养特性方面具有重要作用。在食品加工贮藏过程中，蛋白质理化性质和酶活性的改变都会直接影响食品品质[18]。了解微波场对蛋白质和酶的影响对微波加工产品的研发与优化具有指导意义。

2.2.1 微波场对蛋白质理化功能特性的影响

食品中的蛋白质不仅可以为人体提供能量和基础代谢物，而且具有重要的营养特性和独特的功能特性，包括凝胶性、水合性、起泡性、乳化性等，对产品加工品质有显著影响[43]。微波非热效应引起的蛋白质结构的变化最终会导致蛋白质功能特性的改变。如郝天舒等[44]研究了微波处理对米糠蛋白结构及功能性质的影响，结果显示微波处理总体降低了米糠蛋白的α-螺旋结构和β-折叠结构含量，但增加了β-转角结构和无规则卷曲结构含量。微波场使极化的蛋白分子之间相互吸引，通过疏水相互作用、二硫键、静电相互作用及氢键等重新形成分子聚集体。蛋白质这种结构的变化，有利于水分子的浸入，进而增强水合作用，提高米糠蛋白的溶解性。

蛋白质的凝胶性在食品工业生产中有重要的作用，凝胶形成的三维网状结构可以吸附食品体系中的风味物质、碳水化合物、脂肪等，进而影响食品的感官和营养品质。目前很多研究表明，微波场可以改善蛋白质的凝胶特性，包括提高凝胶强度，增加凝胶持水力和降低凝胶蒸煮损失等[10, 18]。如BI等[45]用同步升温法研究了微波和水浴加热对酪蛋白凝胶性质和结构变化的影响。结果显示与水浴加热相比，微波场可以加速酪蛋白和糖的美拉德反应，经微波处理的酪蛋白溶液形成的凝胶更硬且具有更紧凑的微观结构，与未折叠的酪蛋白中巯基与疏水残基之间的相互作用有关。JI等[46]的研究也表明与水浴加热的凝胶相比，微波加热的凝胶具有明显的稠密网络结构，且凝胶有更好的持水性。

2.2.2 微波场对酶活性的影响

酶只有在保持其特有的三维空间结构时，才具有特定的催化活性。酶蛋白分子的三维空间结构稍有破坏，其生物活性就会降低，甚至失活[43]。在食品加工贮藏过程中，通常需要改变酶蛋白分子的构象使酶的活性丧失，如通过抑制和细胞壁降解相关酶的活性来防止果实的软化，或者破坏绿色蔬菜中的酚酶和其他相关酶的活性达到护绿的目的。大量的研究表明微波场能通过改变酶蛋白分子的构象影响酶的催化活性。

戴美娟[47]、费莉娟[48]开展的微波果蔬保鲜的相关研究表明，采用低功率微波处理水果，可以抑制纤维素酶、果胶甲酯酶、多聚半乳糖醛酸酶等酶的活性，有效的抑制果实的软化，延长水果的保鲜时间。MARA等[49]用同步升温法研究了传统的和微波处理对红甜菜中多酚氧化酶和过氧化物酶的灭活作用，结果表明在同样的温度时间曲线下，微波处理后酶的失活速率快于传统水浴加热，这归因于微波的非热效应。KERMASHA等[50]研究了传统水浴加热和微波加热下小麦胚芽脂肪酶的失活情况，发现在相同的温度条件下微波处理后脂肪酶的失活速率常数较高，这是因为微波加热下高强度的交变电场穿透酶溶液并破坏了酶蛋白分子的非共价键。

此外，在特定的条件下，微波场还可以增强酶的活性。如CAO等[51]选择了鱼糜凝胶化过程中最重要的转谷氨酰胺酶(TGase)作为模型酶，采用同步升温法研究微波加热和传统水浴加热对TGase活性的影响。结果表明，微波非热效应使TGase分子更容易和底物结合，增加了酶的活性，微波处理20 s内酶分子的活性逐渐增加到最大值，而在相同时间内传统的水浴加热对TGase活性的影响并不明显。因此，在食品加工过程中，使用微波进行处理时要注意选择合适的微波功率和时间，过长时间或过高功率加热会破坏酶分子的结构，从而造成不利影响。

3 结论

在微波加热食品的过程中，微波的热效应和非热效应同时存在，因此研究微波的非热效应时需要将两者完全分开，常用的方法有同步升温法、低功率微波辐射法和微波辐射同步冷却法。其中使用较多的是同步升温法，因为该方法不受反应条件和实验环境的影响，操作简单易于控制。在食品加工过程中，微波场能够破坏微生物的结构，在较短时间内杀灭更多的微生物，避免长时间的热处理对食品的不利影响，从而提高产品品质。微波场还能够改变蛋白质的理化功能特性和酶的活性，赋予食品特定的营养功能，改善食品的加工和贮藏特性，从而满足消费者的需求。

目前国内外关于微波场对食品影响的研究较为广泛，涉及到很多食品体系，如肉制品、粮油制品、乳制品、果蔬制品等，但相关的研究内容仍不全面，除了文中总结的对食品中微生物、蛋白质和酶的影响研究较多之外，微波场对食品中脂质、维生素、矿物质等其他物质和食品品质的非热效应影响研究还没有相关的报道。微波处理已经被广泛应用于食品加工领域，深入研究微波场对食品的非热效应，在食品的微波加工工艺的优化和微波辅助其他加工方式的开发方面具有重要的意义。