[科普中国]-微波加热技术

定义

微波技术是指在平均波长0.1 m～1 m之间的电磁波，能够产生高频电磁场，而介质材料中的分子在电磁场中随着其频率的不断变化而出现去向不同的情况1。传统的微波技术主要用在雷达、通讯等方面，而在如今的各项应用中，微波技术已经作为一项新能源被研发出更多的应用方向。由于微波的应用极为广泛，为避免相互间的干扰，所以供应工业、科学及医学使用的微波频段是不同的，食品工业所使用的微波频率多为2450 MHz2。

原理微波技术的形成是由一部分极性分子和非极性分子组成的1，受磁场的作用，当有极分子电介质和无极分子电介质置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列，就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，这个过程就会使得电磁场能量逐渐转化成新的热能，使介质温度出现大幅度的提升，这就是对微波加热最简单的解释23。也就是说微波加热是利用介质材料自身电磁场耗损的能量而产生的热量从而发热。微波加热是一种“冷热源”，它在产生和接触到物体时，不是一股热气，而是电磁能。它具有一系列传统加热所不具备的独特优点。

优点即时性利用微波加热可以令加热物本身成为发热体3，内外同时加热，因此能在短时间内达到加热效果。根据德拜理论，极性分子在极化弛豫过程中的弛豫时间τ与外加交变电磁场极性改变的角频率ω有关，在微波段时有ωτ = 1的结果。我国工业微波炉加热设备常用的微波工作频率为915 MHz和2450 MHz，根据计算，其τ约为10-11～10-10 s数量级。因此，微波能在物料内转化为热能的过程具有即时特征。

整体性通常情况下要想加快加热速度就要对温度进行升高3，但很容易造成外部焦烂，内部未热的现象。微波能穿透物体的内部，其加热过程在整个物体内同时进行，升温迅速，温度均匀，温度梯度小，是一种“体热源”，大大缩短了常规加热中热传导的时间。除了特别大的物体外，一般可以做到表里一起均匀加热。

选择性并非所有材料都能用微波加热3，不同材料由于其自身的介电特性不同，其对微波的反应也不相同，根据材料对微波的不同反应，我们可将材料分为：微波反射型、微波透明型、微波吸收型和部分微波吸收型。因此，我们可以利用微波加热的选择性对混合物料中的各组分或零件的不同部位进行选择性加热。如：利用微波加热对物料进行胶合加工时，其发热和温升集中在胶层，避免了胶缝周围物料因高温而造成的热损坏。

高效性在常规加热中，设备预热、辐射热损失和高温介质热损失在总的能耗中占据较大的比例，而微波进行加热时，介质材料能吸收微波，并转化为热能，而设备壳体金属材料是微波反射型材料，它只能反射而不能吸收微波(或极少吸收微波)3。所以，组成微波加热设备的热损失仅占总能耗的极少部分。再加上微波加热是内部“体热源”，它并不需要高温介质来传热，因此绝大部分微波能量被介质物料吸收并转化为升温所需要的热量，形成了微波能量利用高效率的特性。与常规电加热方式相比，它一般可以节电30%～50%。

低温杀菌通常我们使用的杀菌操作都是高温进行1，但是微波技术利用双重的杀菌作用可以在温度极低的封闭环境下将细菌杀死，也是保证营养成分不受影响的加热方式，在食品加工业指的推崇使用。

无污染常规加热一般采用矿物燃料作为能源，其燃烧产生的二氧化碳被称为产生“温室效应”的主要成分3。而微波加热所用能源为电能，对环境没有污染。除此之外，微波加热还具有加热质量高、营养破坏少、加热设备紧凑、节省空间等优点。

缺点使糖类焦糖化糖类是食物中重要的营养成分4，在微波加工中，食物中的葡萄糖、蔗糖会因微波辐射而融化，若辐射剂量过大，还会脱水变成焦糖外此外，食物中的低聚糖够在微波炉中快速的升温，但是若温度超过一定范后，会产生焦糖者其他褐色物质，导致营养价值丧失。

影响蛋白质结构微波加热会在一定程度上改变蛋白质的结构，降低其营养价值4。例如，鸡蛋、肉类中的蛋白质含量较高，是在微波烹饪时该注意微波的时间和温度，尤其是鱼肉，极有可能为微波辐射量过大，导致可溶性蛋白构成二聚体或者多聚体，出现新型的可溶性蛋白，影响食物中的营养成分。

氧化维生素维生素是人体所必需的一种营养物质，它在物质和能量代谢中有着至关重要的作用4。在微波加热过程中，加热的时间越短，维生素的保存量越高，反之，温度越高、加热时间越长，维生素的含量下降的越多。例如，将马铃薯微波加热半小时后，其维生素 C的含量约为 70%，而使用常规的油炒、水煮等方式，维生素 C 可保存 95% 以上，维生素 B 稳定性较差，且对光和热比较敏感，因此在微波加工中其破坏程度会超过 65%。从加热原理来看，微波的热液是由内而外流动的，因此食物内部的营养损失量较高。

降低中药药效除了加热食物，目前微波技术还具有提取中药活性成分的作用，这已经成为了社会的关注热点4。微波炉中煎中药虽然时间短、速度快，是由于中药活性成分比较脆弱，很容易震动产热，导致药效降低，药理成分遭到破坏。因此，一般不倡导使用微波炉煎中药，应使用常规的文火进行熬制够以最大限度的保存药效。

影响脂肪结构在高温下，维生素和蛋白质相对比较稳定，其成分流失情况相对较少，但是脂这类物质若经长时间的加热，会导致质量下降，产生难闻的气味，不仅影响了食物的脂肪含量，还对其口感、色泽等产生影响4。脂肪氧化后会产生脂肪酸，这是造成其气味难闻的主要原因。脂肪酸的不断氧够产生不饱和醛类，这种物质一旦和食物中的蛋白质、维生素、糖类或氨基酸发生反，会生成褐色的中间体物质，严重影响食物的口感。此外，若反复加热饭菜，会导致中间体物质积聚，导致脂肪劣变，破坏其他营养成分的结构和含量。

破坏抗氧化物抗氧化物主要指的是新鲜水果蔬菜中的维生素 C、维生素 E、谷胱甘肽、番茄红素、胡萝卜、和类黄酮等，这些物质能够减低自由基对人体细胞的氧化作用，起到延缓衰老、紧实皮肤、补血益气的作用4。微波加还会导致食物中的抗氧化物被部坏或完全破坏，以类黄酮为例，该种物质能够降低人体患癌症、心脏病或者其他心脑血管疾病率可能性，常分布在新鲜的蔬果中，如包菜等，如果按照常规的蒸法，其含量损失率在 10% 左右，炖法损失量在 50% 左右，水煮法损失量在 80%左右，而微波炉加热法的损失量在 98%左。这是由于水溶性维生素不耐高温，容易在加热过程中被破坏者溶解。

应用微波解冻微波加热技术可以应用于冻结物料的解冻处理，与传统的解冻方法相比，微波解冻具有解冻时间短，冻品滴水少，无污水排放工作环境整洁等一系列优点3。据报道，仅需几分钟，原木表面的1～1.5 cm深处温度能由-20 ℃上升到0 ℃，而且此时树皮附着力也随之下降，与蒸汽/热水解冻相比，每生产1吨纸浆可节省能耗100～300 MJ。

微波干燥于秀荣等曾用微波对玉米进行干燥，并研究了不同加热功率和加热时间对玉米发芽率、暴腰率、过氧化氢酶活性的影响3。其研究表明，选择合适的加热功率和时间，在保持玉米良好品质和低暴腰率的前提下，可以实现对玉米的快速干燥。范红途等曾对以蔬菜为代表的胶体类多孔介质物料的微波干燥特性进行了研究，发现除了物料本身的特性对微波干燥的影响外，空气温度、带走水分的空气速度、物料形状大小、料层的厚度、微波功率等因素都对微波干燥速度有影响。但各因素的作用各不相同，影响作用大小依次为：温度 > 形状因子 > 微波时间 > 物料重量 > 风速。

微波膨化微波膨化技术作为一种新型食品生产技术逐步在食品工业特别是休闲膨化小食品生产中得到广泛应用。利用微波膨化技术加工食品能最大限度的保存食品原有的营养成分1。微波膨化产品可以克服传统膨化产品油炸加工含油量高的缺点，能完整地保存原有的各种营养成分，将是膨化食品的一个重要发展方向。在今后微波膨化技术的研究中，如何解决食品膨化后易回潮发软问题，进一步进行微波膨化理论和应用技术的研究，开发新型的膨化设备和技术将是微波膨化技术发展的重点和难点。

微波改性杨进等用微波加热技术对米糠进行处理，分析了微波处理时间、料层厚度、米糠原始水分、贮藏时间对米糠稳定性的影响3。工艺试验表明，当含水率为15.8%～21%，料层厚度为30～70 mm，微波处理时间为150～200 s时，可产生较好的稳定效果。赵冬艳等用微波处理谷朊粉，发现微波加热处理能显著提高谷朊粉的乳化性，其最佳作用条件是：pH值为10.0，谷朊粉浓度为9.0%，加热时间为100 s，微波能量为560 W。在最佳条件下，谷朊粉的乳化活性及乳稳定性均为100%，且经过改性后，溶解度由7.67%提高到37.62%，从而拓宽了谷朊粉的应用范围。

微波烧结微波烧结技术是一门新的烧结工艺3。相对于传统的烧结方法，微波烧结具有突出的优势：材料内部结晶结构更加均匀，致密度更高，改善了材料的性能；实现选择性烧结，产生具有新的微观结构和优良性能的材料。曲世明针对室温下介电损耗很小的材料采用微波混合加热技术，成功地烧结成ZrO2，Si3O4和Si3N4的样品，并得出结论：微波混合加热技术具有大幅度缩短烧结时间和节约电能的优点，其推广和应用必将带来重大的经济效益。

微波杀虫、灭菌很多研究表明：当物料作用于微波场中时，能引起物料的温升，即产生“温度场”，同时，还能造就“电磁场”，对生物体产生比温度场更大的效能，即微波的生物效应，从而达到杀虫、灭菌的目的3。杨晓苹等曾用微波加热技术对茶叶进行处理，发现微波加热可以在很短的时间内，在较低的温度下对茶叶的内部进行杀菌，不仅灭菌效果好，而且能在外包装呈密封状态下进行杀菌，可有效地避免二次污染。袁泉等曾报道用微波直接辐射到土壤里，可以杀灭影响农作物生长的杂草、土壤中的害虫和真菌等微生物。国外试验表明，微波直接辐射土壤可使甜瓜增产60%，洋葱增产35%，且不会造成环境污染。我国学者针对一种常见的苹果树腐烂病，利用微波进行类似的处理，也得到了良好的效果。

微波无损检测微波是介于红外线与无线电波之间的电磁辐射，由于它的波长短、频带宽，以及它与物质的相互作用，由此发展成为微波无损检测技术1。微波无损检测不仅保证产品的质量符合标准，而且可以减少和避免不必要的经济损失，因此在我国微波无损检测能得以发展，在产品可靠性方面已经产生良好效益。

微波萃取微波萃取不仅萃取效率高、产品纯度高、能耗小、操作费用少，且符合环境保护要求，可广泛用于中草药、香料、食品和化妆品等领域1。现在的研究不仅注重于进一步探讨微波萃取的机理，更注重于开发微波萃取新技术和其它技术联用。现在已经有微波萃取与液体样品顶空萃取结合的报道，也有文献报道了用微波萃取代替固液萃取中的溶剂洗脱的研究，提出了固相萃取-微波萃取联用技术。如果用类似仪器分析天然植物中的化学成分及药物特别是中药中的有效成分，将大大简化样品成分提取的前处理过程，扩大样品适用范围。

微波消解现代食品分析对灵敏度、精密度、微量、形态及多元素分析提出了更高的要求1。在微波技术中，样品的消解、干燥、萃取、蛋白水解等方法，国外已采用计算机智能化。由于在密闭高压容器中，可快速将萃取液瞬间加热到其常压沸点以上，提高溶剂沸点，又不至于分解待测萃取物，提高萃取回收率和效率。也正因为采用密闭高压容器的技术，显著地促进酸混合物加热消化过程，增强AAS/ICP-AES/ICP-MS光谱分析效率，这些都展示了微波技术在食品分析中进一步应用的广阔前景。

发展前景目前，我国食品工业中有许多从事微波技术研究和应用的科研、生产单位，每年都有新技术、新工艺投入使用1。微波技术在不断完自身技术与设备的同时，应该与其他干燥技术 ，如热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、远红外线干燥等技术相结合，向更深、更广的方向发展。随着科技的发展和社会的需求 ，人们更加关注节能、有效 的食 品高新技术，微波技术在食品工业上的应用是科学发展与人类社会进步的必然产物，目前在国内外已发展成为一项极有前途的新技术。 通过微波工业与食品工业技术人员的共同努力，进一步完善微波食品加工理论 ，建立微波食品加工工艺 ，微波技术在食品加工中的应用将 日趋深入与广泛。

此外，微波技术在食物加工中具有高效、节能、污染少的特点，是也容易对食物中的维生素、脂肪、蛋白质等成分造成影响，导致食物营养成分下降，甚至对人体造成危害4。因此，应该合理的选择加热食材，严格按照规范和步骤进行加热操作，尽量避免长时间的高温加热，最大限度的保护食物中的营养成分，发挥微波技术的优势。