CN87101733A - 一种稳定性加热的方法 - Google Patents

Abstract

一种加热方法，例如对包装在可透射微波的材料中的食品的消毒和巴氏杀菌，将其传送通过处理通道连续地进行热处理。用不同强度的微波加热产品。产品的一部分被微波快速地加热；产品的另一部分被以较慢的速度加热。使产品通过强的微波场，直至产品的最快速加热部分的温度略高于热处理所要求的温度。然后在较低功率的微波场中进一步加热产品，使得所述产品快速加热部分保持所述预定温度；并持续一段时间，使产品的慢加热部分达到热处理所要求的温度。

Description

本发明涉及一种为在对产品进行稳定性加热的连续加工过程中运用微波能的方法，并提供可保证成品品质接近于未加工前或新鲜时的品质的处理条件，而且可适用于非常不耐加工和在经验上是难于加工的产品。

所关心的产品主要是食品，诸如肉、鱼、水果和蔬菜以及作为营养悬浮液的药物。

众所周知，在连续加工过程中的稳定性加热可运用微波能。

美国第3，809，845号专利提供了本发明的现有技术基础，此专利的专利权人是斯丹斯脱仑（Stenstrom）。

另一个美国第3，263，052号专利（授予杰普生-Jeppson-的）描述了一种在连续加工过程中，沿着一个传送带管道交互地应用不同电平的功率的构思。在该文献中的构思是准备在第一阶段加入最大能量，而后再随着产品水份减少而降低能量供应。

因为本发明的主要构思是把加工过程用于提供消毒或巴氏灭菌法的稳定性加热，所以那个首先提到的专利代表了本文献的实质范围以及问题，而后者专利只有很少关系，这是因为它是涉及完全不同需要的脱水过程的。

稳定性加热必须（这也就是它的目的）使酶和微生物失去活动能力，并不致降低产品品质，例如食品的香味。人们很久就知道为了达到这个目的，这种稳定性应当在很短时间内达到。特别是对于固体的或粘稠的食物来说，微波是唯一的足够迅速的加热方法。但是，一般来说微波加热食品或相似产品并不是均匀的，而经常出现这样的情况，即被加热的 产品的一部份的温度往往要比另一部份高出三倍。这是很少能接受的，因为在太高的温度时产品品质就很快地降低。此外，当将产品采用塑料包装时，就要受到塑料融化温度的限制，如果超过这个温度，塑料就要同产品起反应或者以其他方式破坏产品。在所述第3，809，845号美国专利中公开了达到均匀加工的主要步骤，即，稳定性加热是在一种围绕在产品周围的介质中实现的，而其介质的介质常数接近等于产品的介质常数，而其周围介质的温度被控制使得介质可冷却产品表面，以便不致使表面达到高于产品内部所要求的温度。

某些产品确实还需要用于对产品进行稳定性加热而不损失其品质（香味、味道、膨松性、颜色、维生素含量等）的工艺。这种情况的原因之一是：在用微波加热时，各种参数可单独地或一起地导致一种温度状态分布。

产品的不均匀性就是这样一种参数。产品可能包含若干组分，例如切成较大或较小块的马铃薯、洋葱以及肉类。由于微波的损耗因数和介质常数，产品的若干组分将需不同的加热量。若干组分在产品内部的分布状态和位置对加热量也是很重要的。

产品也可能是具有不同损耗因数等等的多层材料种类的产品，在这种情况下，对于包含两种材料A和B的产品，当用微波在一定的层向加热时，可能要在A层中获得较高的温度，而当在另一层向加热时，可能要在B层中获得较高温度。例如一片生肉片可代表一种分层产品。另一个影响温度分布状态的因素是在产品内部存在着微波电磁场中的驻波。

再进一步来说，如果产品的介质常数与周围介质的介质常数差得太远，则就可能会发现产品的边缘加温太高的倾向。

可使产品内部产生较热或较冷层的第四个因素是在微波蛋白内部传播时要受到衰减。但是借助适当的、与产品外面接触的介质，以补偿加热或降温的形式，也可再次防范这种衰减的影响，例如按照所述第 3，809，845号美国专利那样。

再进一步来说，调谐得很好的微波发热电极，同样也会在微波场中给出一定的剩余不均匀性，在产品内部产生较热或者较冷的通道，这些通道一般平行于过了发热电极之后的传输方向。

此外，每一种提及的、并导致温度分布状态的根源会相互合作或者相互妨碍，在加热过程中到处使产品温度达到峰值，并将会同时引起严重的局部品质变坏或导致产生意味着加工过程破坏的蒸汽，而在产品内部其它位置上可能存在刚刚开始加热的区域。

所说的温度分布状态现象在微波吸收能力低的，诸如塑料、橡胶、面色以及干的材料产品中具有缓和的幅度，但在含水量高的诸如肉、鱼、蔬菜、浆果、炖食以及汤汁的药物产品和食品中是显著的。

于是，在产品连续经过微波发热电极的一种连续的微波加工流程中，问题在于要在尽可能最短的时间内提高这种最不易加热的含水产品的区域温度，以便可得到稳定性加热的效果而不致使产品品质变坏。

为了阐明对产品用微波能进行加热（即在某种场合下的稳定性加热）的非常重要性，参考下面的文献是恰当的，虽然这些文献完全避免与连续加工工艺的连系，但仍可能是有价值的。

第4，370，535号美国专利涉及一种家用烤炉，为了对食物进行温热，在该烤炉上装有一个磁控管，以使其输出功率可随产品温度而变化。这种温度是在各离散的测量点上量得的。

在第4，506，127号美国专利中，它也涉及一种家用烤炉，它的输出功率是在加热过程“结尾时”降低的。

第4，508，948号美国专利涉及一个拥有可变输出功率的微波烤炉。它用一个微计算机，并用它来根据产品重量和在经验上认为是最佳的既定特性而控制其输出功率。

在第963，473号英国专利中介绍了一种水的缓冲系统，当给产品提 供保持在一定电平的微波能时，这种系统可补偿产品中水份的降低。

已经公告的第64，082号欧洲专利申请涉及一种在短时间间隔内就可可得到“自然解冻”的微计算机控制的微波烤炉系统。

有关食物的微波运用也可在若干日本专利申请的文摘中找到，例如，第53-77360号日本专利申请公告中涉及一种微波烤炉控制系统，为了揭示各种置于烤炉内加热的产品的不同原始温度的效果，而在不需增加时间的条件下不断进行温度测量，以便在所需的温度下结束加热过程。

在第57-150371号日本专利申请公告中介绍了一种可对产品在流过管道时施加微波能的食品消毒系统，该消毒过程是可对产品进行加压的。

第57-189674号日本专利申请涉及利用微波能和包装容器的特殊的定形封装的蒸馏过程。

第57-202275号日本专利申请还涉及一种加压的饮食产品的微波加热系统。

在58-13372号日本专利公报中介绍了一种把拥有可容许的介质常数的水作为吸收微波能的介质，以防止在密封包装内产生蒸气的包装系统。

第58-23774号日本专利公报也涉及一种防止由于产生蒸汽引起密封包装“爆炸”的方法。沿焊接区域加上具有高介电常数的粉末。

在第647，131号瑞士专利中介绍了一种对拥有不同特性的组分的产品进行加工的方法。这种方法是根据固体组分可从悬浮组分中分离出来的原理的。

在另一个第70，728号欧洲专利申请公报中描述了一种用于解冻的多步骤加工过程，在这种过程中，可利用微计算机来作相对于产品重量的能源控制。

正如前面所提到过的，本发明的基本目的是要提供一种有用于连续加工的方法，而这种连续加工，就产品味道和其它特性而论，意味着一个短到能使产品品质不致变坏的加工总时间。

该加热时间，相对于连续加工过程所容许的时间来说，应当是最短、而且当然是照顾到产品应有特性的。

已经列出的综合文献并不解决目前问题。

因此，本发明使用了一种加热方法，在该方法中，为了对含水的食品或容纳在能透过微波的包装材料内的药物产品进行稳定性加热，该加热过程应当进行到某一所需温度，并且通过将产品在一个供有不同强度的微波以对产品进行加热的加热通道中通过而进行连续地加热;而且当产品在该微波通道中输送时，将首先受到具有相当强的加热效果的微波场的影响，然后将产品从强的微波场区域中移出并进行转弱加热效应的微波场区域中。

该方法的特征在于：对于传播到强的加热效果的区域中的产品上的微波能源功率要选得可使产品的快速加热部份达到比所需温度高的某一预定温度，而使转低加热效果的区域中的微波能源功率选得可使所述产品部份维持在该预定温度或略低于该温度上，其特征还在于在较低加热效果的区域中的加热过程至少要延续到可使产品的所述慢加热部份达到所述温度的时候。

在实际的实施例中，所述预定温度一般被选得等于产品的最高容许温度。

在大多数场合下，所需温度一般被选得等于产品的加热消毒所需的温度，例如加热消毒或巴氏灭菌法的温度。

在本发明的一个实施例中，把封装在微波能透射的材料中的产品包围在介质常数与产品相等的、诸如水的液体介质中。把该液体介质的温度控制得使该介质可冷却产品的表面，并使该介质的温度在加热结束时能够达到产品所需温度。

根据本发明的一个实施例，用许多温度检测器粘入到由经验确定的各合适的产品位置上的产品取样中，从而可根据本发明的基本原理连续不断地人工调节该连续的加工过程，这样就可了解到产品在连续加工过程中的温度分布情况。

在本发明的另一个实施例中，通过测量有利于自动化加工方法的超声速度可得到温度信息。

本发明还有一个实施例是根据收集必要的温度信息以便实行该加热加方法，其收集方法也可采用自动化的方法而以气象专业中已知的方式，通过对从产品的表面及其内部发射出来的电磁波进行检测和计算机处理来收集。

为了说明本发明的构思，现将参考附图来进行描述;这些附图，作为一种专门技术版本，已选择了诸如浓缩的、含有蔬菜的肉的中性PH值和含水量高的食品的消毒过程。

图1示出用微波加热的传统的加工过程的温度、时间曲线图，以及

图2示出按照本发明的加工过程的温度、时间曲线图。

在图1中，由标号10指明的曲线部份代表产品的快速加热部份，例如其表面部份。标号11指的是慢加热的产品部份的温度。

等级12代表最大容许温度。等级线13代表整个产品所要达到的温度，也就是消毒的必要温度。

由虚线14示出的曲线10在原点的切线代表快速加热部份的微波加热过程，而由标号15指明的切线代表慢加热的相应特性部份。

由标号16代表的曲线代表产品的平均温度。由脉冲17代表作为时间的函数的所供的微波功率。

假设在初始状态时，需要由微波加热的产品拥有某一均匀温度（在本例中为60℃）。

当微波功率开始供应时，产品的快速加热部份就按照曲线14升高其温度，其温度比慢加热部份15快若干倍。一旦该两部份的温度开始互相有差别，则在产品内部，热量立即从热的部份，通过传导方式、也有可能是对流方式，而传递到冷的部份。因此就可得到代替快速加热部份14的曲线10和代替较冷部份15的曲线11。在该二曲线之间将找到平均温度曲线16。曲线16的斜度基本上直接与微波功率17的大小有关。为了使较冷部份的曲线11′到达预定温度13，平均温度16必须穿过该等级线。这就意味着需要某种表面包络的微波脉冲17，即，需要提供相当的功率。

当平均温度16穿过等级线13时，在传统的加工过程中，快速加热部份的温度10、10′一般在某一时间间隔内不免要超过容许的等级线12。这就意味着该部份的品质变坏和相当危险。如果包装材料受峰值温度的影响，则它可能会损坏。如果加工过程不是在超过限度的过高压力的环境中进行，则在产品内可能会产生蒸汽。该蒸汽就在产品内立即破坏该加工过程，这是因为热传导可改变产品的特性，以及由于微波负荷（即产品）几何图形的改变而使微波变得控制失灵。尽管在事实上已经投入了耗资巨大的开发工作，以上所说的是对于在微波消毒领域中存在着如此多的失败事实的一个解释。

在时间t₁以后，微波脉冲17就终止，而温度曲线10和11开始收敛。在时间t₂时，较冷部份的温度曲线11就与为消毒所必须的温度等级线13相交。在某段等待时间以后，该产品正在或刚刚超过所述温度等级上获得所需要的消毒状态。然后该产品就被冷却（在t₃时）。

温度等级线13的少量上升将意味着所需消毒状态会显著地更快到达，意味着更好地维持产品的原有品质。但是温度等级线13不能上升，而在本例中等级线13太高了，指的是快速加热部份的温度比所容许的温度高出很多，带来上文指出的结果。

实际上，等级线13必须急剧地降低，或者微波能量17必须基本上分布在被产品的快速加热部所认可的更长的时间上。然而，为了达到消毒状态，加热时间必须急剧增加，这导致延长对整个产品的加热处理时间，并由此而降低产品品质。

现在参考图2，叙述本发明的改进的加工过程。标号10，10′，11，11′等等，一直到16，16′和17具有与图1中的相同的对应的含意。

在新的加工过程中，清楚地显示出两个重要的步骤。在第一个步骤中是这样选择微波脉冲能量的，即，使得快速加热部分的温度10正好到达允许的温度12。在这种情况下，在提供能量之后，可以使平均温度16停留在消毒温度13以下，这在普通的加工过程中是做不到这一点的。

第二个步骤表示微波加热过程18，它使得产品的快速加热部分不会沿着10′下落，而是按照10″停留在等级线12。温度沿着10′下落的原因是：产品的快速加热部分被慢加热部分所冷却。因此，对第二个步骤来说，应用微波加热的问题是：要使微波能源供到可补偿从快速加热部分传到较冷部分的热损耗的地步。

但是，所关心的问题是：要将产品的慢加热部分的温度快速提高到消毒温度。当应用本发明的方法时，正如发生以上的情况。即，以两种方式对产品的慢加热部分进行加热，并且两种加热方式都处在最佳状态。用与微波功率18成正比例的微波对慢加热部分进行局部加热。保持这种加热功率尽可能地高，同时要考虑到快速加热部分的温度不可以超过所允许的温度。另外，用来自快速加热部分的热量对慢加热部分进行加热。两部分的温差越大，这种热传导越有效。如果根据本发明将快速加热部分维持在最高温度，那末就可将这种温差保持在最大值。

显然，慢加热部分的加热过程11′将尽可能地快，因为它是两种加热现象的总和，同时，两种加热都达到最高限度，它们相辅相成并具有相同的限度。应该注意，微波加热过程18的功率远远低于微波加热过程17的功率。用曲线部分16″和16的斜度之间的差别来表示这种功率差别。从这种比较中可以看到，在时间t₁，果然存在功率的急剧下降，这是个重要的不连续点。

在微波加热过程18结束的地方，曲线部分10″，11″，16″结合到新的曲线部分10′′′，11′′′和16′′′，其中最后提到的曲线部分是水平的。部分11′′′仍然是上升的，这表明加热过程18可以稍微提前在部分11″到达消毒温度等级线13之前结束。在这种情况下，部分11′′′经过短时间后达到消毒温度。显然，重要的优点是以下事实，即，在使曲线部分11″或者11′′′没有任何延迟地到达消毒温度之前，不结束这种加热过程。尤其是，在产品的平均温度16″到达消毒温度13之前就中断加热过程18，将会是一种故障。在这种情况下，会在对慢加热产品部分进行消毒之前，需要等待一段长的时间。稍在曲线部分11″已经到达温度13之后，继续加热过程18是合理的。在产品的最冷区域，将非常快速地获得略高于预定温度13的温度。这意味着一种特别快速的消毒（短的待机时间）的可能性;对于大多数适合于进行微波消毒的产品，这是所希望的。

在图2中已经给出了这样的情况，即，当曲线部分11″刚到达消毒温度13时就结束加热过程18。这并不排除以下情况下，即，稍在曲线部分11″到达消毒温度13之前结束加热过程18，在这种情况下，曲线部分11′′′是正在这样地上升着，以致使得它将依然到达消毒温度13，而没有任何显著的延迟。

在微波加热过程18之后，在某一停机等待期间，将产品搁置而不受任何热的影响;这样就使在具有最低温度的部分也达到所要求的消毒值F。这发生在时间t₃，此时产品即将冷却。

由于按照图2中的11′′′的产品的最低温度略高于图1中相应的温度11′，所以在图2中就需要一段显著地较短的停机等待时间，以便达到完全一样的消毒值F₀。另外，和图1中的情况相同，加热温度未超过温度等级12。所述两种加热现象，以与已知的加工方法是无法比拟的方式来共同保持加工过程的产品的质量。同时，就包装材料的各种破坏而论，对温度等级12的绝对尊重意味着，新的加工过程给出了安全措施，以防止产生蒸汽（这种蒸汽将会使对细菌的防护措施失效，或者将会要设计 全为高压处理的，因而是昂贵的设备）。

已经列举了若干参数，它们各自或者一起对由图1和图2中的曲线10和11之间的垂直距离所表示的温度分布做出贡献。

如果所述诸因素之一具有占优势的重要性，那末，在已经识别该参数并仅仅对这个参数实行防范措施之后，在贯彻本发明的方法时可以给出特别好的效益。这种效益是依靠缩短加热时间来更多地提高产品质量。这依靠以下事实，即，由于这种防范措施，使得加热过程18具有更好的初始条件，以致使曲线部分11″在t₁处将比没有所述防范措施时更接近曲线部分10″（在温度等级12处）。依照本发明，所需要的加热过程18的电平和持续时间将显著地减小。作为一种补偿，微波加热过程17将采用略高的功率。整个加工过程将不会由于这个原因而比没有防范措施时需要更长的时间。

在为了使对微波有严重衰减的产品的内部得以达到必要的加热而需要对产品表面提供太强的微波加热的情况下，一种适当的防范措施是用周围的介质，例如水，在某一恰当的时间上来冷却产品的表面，这一恰当时间就是可使在产品内部一定距离处的加热效果也将是充足的时间。不能使周围介质的温度超过所要求的产品中的温度，但是可以控制周围介质的温度，使得它在微波加工或者处理过程结束时达到产品中所要求的温度;这意味着产品的表面层也达到这样的处理温度。

在刚才所做的描述以及在图2中，已经将加热过程17和18表示为连续的加热过程。这不是实际情况。准确地说，微波本身并不给出连续的加热过程。同电阻器中的普通的交流电流相似，在波峰处微波给出最大的热量。例如，如果使用2450兆周频率的微波，那末，此加热过程将是周期性的，并且具有4900兆周的频率。如果用磁控管产生微波，并用经整流的单相50周电流给磁控管供电，那末，该微波加热过程呈现出一系列最大值，并且每百分之一秒间隔出现一个最大值。

如果在产品输送期间用若干微波加热电极对产品加热，并且使加热电极彼此隔开一定的距离，那末，还将获得一定的调制或脉冲效应。这意味着，每根简单的功率曲线17，18实际上应由若干相继的脉冲所代替，这些脉冲具有某一总的等效于17和18的表面包络（surface    contents）和分布。然而，微波加热过程的特征细节并不重要，而重要的是其总能量和持续时间。

对微波加热过程18来说，相同的情况也是适用的，此外，两个邻接部分的涂抹功率（smered-out    power）应当随时间而变化。借助让产品穿过其中使用不同强度的微波来加热该产品的热处理通道的方法对产品连续地进行热处理;穿过微波通道传输的产品，首先被一定的强的加热功率的微波场所处理，然后被具有较低加热功率的场所处理。选择强加热功率的微波场中转换到产品的微波能量，使得产品的快速加热部分达到高于所需温度的预定温度。选择较低加热功率的微波场的功率，使得产品的所述部分保持在等于或者刚好低于所述预定温度的温度。在较低的加热功率的微波场中的加热过程至少持续一段时间，使得产品的慢加热部分达到所需温度。没有把图2中17或者18分裂成脉冲（一般来说，这将是实际情况）的理由是不希望进一步促使这些图的复杂化。因此本发明对以下情况应当是有效的，即，以脉冲或者连续波功率的形式将微波供给产品。

在以下应用场合已经举例说明了本发明的方法，在此应用场合中，从60℃的产品着手，其目的在于在略高于123℃的温度下获得无损的消毒。如上所述，本发明的方法还适用于其他对速度有所要求的热处理和加工过程，例如巴氏杀菌法。在巴氏杀菌法中，所要求的温度可能是，例如70至90℃。

第三种应用是消毒之前的预加热;在予加热之后，基本上按照图2中的例子进行消毒。在这种情况下，问题也是快速地加热，并且使产品的最后温度没有显著的分布状态。在这种情况下，初始温度可能是，例如10至20℃，而所需要的温度是大约60℃。快速地达到这种预加热温度可能也是有价值的。至少涉及含有脂肪和蛋白质的食品，但这并不是不重要。对于这类产品，本发明的方法具有如下优点，即当蛋白质的变性（这种变性在一定温度下总要发生的）如此快速地发生时，以致使得在所述温度下软化的脂肪来不及离开食物而将以弥散的形式被冻结在食品内部。

当然，本发明的方法必须能够在实践中实行。在这种情况下，必须获得温度方面的信息;该温度信息就是在产品的加工过程中，产品内部的温度将上升的温度信息。

一种已经在大范围内经过试验并且已经应用的方法是在某些选定的时间，在某些适当的部位测量温度。一个适当的时间是在t₁附近，在这个时刻，在根据经验具有最高温度的点进行温度测量。之后，在预计的加热过程18的时间内，进一步进行几次温度测量是合适的。对最热点进行测量，而在处理过程终了时，该点也是最冷点。对于确定的产品来说，将快速地确定跟踪测量点的各恰当时间，并且将鉴定假设了极端温度的温度区。如果通过安置在产品内部的热电偶进行温度测量，那末，在测量的非常短的时间内停止产品的传送并中断微波，可以方便地进行这种测量。如果测量是通过非传导测量元件，例如在其末端具有适当的温度传感器的光学纤维来进行的，那末，在测量期间就不需要中断微波。

另一种方法是基于一种已知的事实，即，介质中的温度受该介质中声音的速度的影响。通过测量以适当的方向穿过产品的声音脉冲的行进时间，在一定的条件下，将有可能把测得的值变换成温度信息。

第三种方法要利用来自产品表面和来自产品中更下层的电磁波来确定产品内部的温度分布。这里只需要无源的检测。探测若干种频率。把辐射场的特性变换到产品内部的温度分布的计算机处理过程是复杂的，但是在气象学上基本上是已知的方法了。

在利用声波和电磁波来测量温度的情况下，这种测量可以是连续的，并且没有任何穿破产品的包装材料的必要。这意味通过简单的伺服电路和开关可以达到对根据本发明的微波加热的自动控制。

必须指出，在加工或者处理过程中作为最热点出现的位置当然不必是产品内部的固定点，而是在加工期间可以随时具有不同的位置。对于最冷点来说，这一事实也是正确的。

Claims (7)

1、一种使用微波的加热方法，其中产品的加热过程应当进行到所要求的一定的温度；该产品包含至少一个快速加热部分和至少一个慢加热部分，便如用可透射微波的包装材料包装的含水的食品或者药品；借助让产品传送通过一个使用不同强度的微波来加热该产品的热处理通道的方法对产品连续地进行热处理；传送通过微波通道的产品，首先被某一强的加热功率的微波场进行处理，然后被具有较低加热功率的场进行处理，其特征在于：

-强加热功率的微波场中转换到产品的微波能量要选得可使产品的快速加热部分达到高于所需要的温度的预定温度；

-较低加热功率的微波场的功率要选得可使产品的所述部分保持在等于或者刚好低于所述预定温度的温度；以及

-在较低的加热功率的微波场中的加热过程至少持续一段时间，使得产品的慢加热部分达到所述的需要的温度。

2、根据权利要求1的热处理方法，其特征在于：一般选择所述预定温度等于允许的产品最高温度。

3、根据权利要求2的热处理方法，其特征在于：一般选择所述需要的温度等于为产品所需的稳定性加热，例如消毒或者巴氏杀菌的温度。

4、根据上述权利要求中的任一项或者任几项的方法，其中用具有与产品相同量级的介电常数的液态介质，例如水包围密封在可透射微波的材料中的产品，其特征在于：控制所述液态介质的温度，使得产品的表面受到冷却，并且使所述液态介质的温度在加热过程结束时能够升到所需要的产品的温度。

5、根据权利要求1至4中的任一项的热处理方法，其特征在于：用若干根据经验设置在产品内部适当位置的温度传感器，在连续的加工过程中确定产品内部的温度分布，从而可以按权利要求1的要求，成功地对连续的加热过程进行人工调节。

6、根据权利要求1至4中的任一项的热处理方法，其特征在于：用超声波，通过测量声波速度的方法获得便于进行自动热处理过程的温度信息。

7、根据权利要求1至4的热处理方法，其特征在于：通过以从气象学得知的方式检测和用计算机处理来自产品表面和内部区域的电磁辐射的方法，获得用于自动热处理过程的温度信息。