微波加熱技術(shù)

微波技術(shù)是指在平均波長0.1 m～1 m之間的電磁波，能夠產(chǎn)生高頻電磁場，而介質(zhì)材料中的分子在電磁場中隨著其頻率的不斷變化而出現(xiàn)去向不同的情況 [1]。傳統(tǒng)的微波技術(shù)主要用在雷達(dá)、通訊等方面，而在如今的各項(xiàng)應(yīng)用中，微波技術(shù)已經(jīng)作為一項(xiàng)新能源被研發(fā)出更多的應(yīng)用方向。由于微波的應(yīng)用極為廣泛，為避免相互間的干擾，所以供應(yīng)工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)學(xué)使用的微波頻段是不同的，食品工業(yè)所使用的微波頻率多為2450 MHz [2]。

微波加熱技術(shù)原理

微波技術(shù)的形成是由一部分極性分子和非極性分子組成的 [1]，受磁場的作用，當(dāng)有極分子電介質(zhì)和無極分子電介質(zhì)置于微波電磁場中時(shí)，介質(zhì)材料中會(huì)形成偶極子或已有的偶極子重新排列，并隨著高頻交變電磁場以每秒高達(dá)數(shù)億次的速度擺動(dòng)，分子要隨著不斷變化的高頻電場的方向重新排列，就必須克服分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和分子相互間作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生類似于摩擦的作用，這個(gè)過程就會(huì)使得電磁場能量逐漸轉(zhuǎn)化成新的熱能，使介質(zhì)溫度出現(xiàn)大幅度的提升，這就是對微波加熱最簡單的解釋 [2-3]。也就是說微波加熱是利用介質(zhì)材料自身電磁場耗損的能量而產(chǎn)生的熱量從而發(fā)熱。微波加熱是一種“冷熱源”，它在產(chǎn)生和接觸到物體時(shí)，不是一股熱氣，而是電磁能。它具有一系列傳統(tǒng)加熱所不具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

即時(shí)性

利用微波加熱可以令加熱物本身成為發(fā)熱體 [3]，內(nèi)外同時(shí)加熱，因此能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到加熱效果。根據(jù)德拜理論，極性分子在極化弛豫過程中的弛豫時(shí)間τ與外加交變電磁場極性改變的角頻率ω有關(guān)，在微波段時(shí)有ωτ = 1的結(jié)果。我國工業(yè)微波爐加熱設(shè)備常用的微波工作頻率為915 MHz和2450 MHz，根據(jù)計(jì)算，其τ約為10-11～10-10 s數(shù)量級(jí)。因此，微波能在物料內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能的過程具有即時(shí)特征。

整體性

通常情況下要想加快加熱速度就要對溫度進(jìn)行升高 [3]，但很容易造成外部焦?fàn)€，內(nèi)部未熱的現(xiàn)象。微波能穿透物體的內(nèi)部，其加熱過程在整個(gè)物體內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，升溫迅速，溫度均勻，溫度梯度小，是一種“體熱源”，大大縮短了常規(guī)加熱中熱傳導(dǎo)的時(shí)間。除了特別大的物體外，一般可以做到表里一起均勻加熱。

選擇性

并非所有材料都能用微波加熱 [3]，不同材料由于其自身的介電特性不同，其對微波的反應(yīng)也不相同，根據(jù)材料對微波的不同反應(yīng)，我們可將材料分為：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，我們可以利用微波加熱的選擇性對混合物料中的各組分或零件的不同部位進(jìn)行選擇性加熱。如：利用微波加熱對物料進(jìn)行膠合加工時(shí)，其發(fā)熱和溫升集中在膠層，避免了膠縫周圍物料因高溫而造成的熱損壞。

高效性

在常規(guī)加熱中，設(shè)備預(yù)熱、輻射熱損失和高溫介質(zhì)熱損失在總的能耗中占據(jù)較大的比例，而微波進(jìn)行加熱時(shí)，介質(zhì)材料能吸收微波，并轉(zhuǎn)化為熱能，而設(shè)備殼體金屬材料是微波反射型材料，它只能反射而不能吸收微波(或極少吸收微波) [3]。所以，組成微波加熱設(shè)備的熱損失僅占總能耗的極少部分。再加上微波加熱是內(nèi)部“體熱源”，它并不需要高溫介質(zhì)來傳熱，因此絕大部分微波能量被介質(zhì)物料吸收并轉(zhuǎn)化為升溫所需要的熱量，形成了微波能量利用高效率的特性。與常規(guī)電加熱方式相比，它一般可以節(jié)電30%～50%。

低溫殺菌

通常我們使用的殺菌操作都是高溫進(jìn)行 [1]，但是微波技術(shù)利用雙重的殺菌作用可以在溫度極低的封閉環(huán)境下將細(xì)菌殺死，也是保證營養(yǎng)成分不受影響的加熱方式，在食品加工業(yè)指的推崇使用。

無污染

常規(guī)加熱一般采用礦物燃料作為能源，其燃燒產(chǎn)生的二氧化碳被稱為產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”的主要成分 [3]。而微波加熱所用能源為電能，對環(huán)境沒有污染。除此之外，微波加熱還具有加熱質(zhì)量高、營養(yǎng)破壞少、加熱設(shè)備緊湊、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。

使糖類焦糖化

糖類是食物中重要的營養(yǎng)成分 [4]，在微波加工中，食物中的葡萄糖、蔗糖會(huì)因微波輻射而融化，若輻射劑量過大，還會(huì)脫水變成焦糖外此外，食物中的低聚糖夠在微波爐中快速的升溫，但是若溫度超過一定范后，會(huì)產(chǎn)生焦糖者其他褐色物質(zhì)，導(dǎo)致營養(yǎng)價(jià)值喪失。

影響蛋白質(zhì)

微波加熱會(huì)在一定程度上改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，降低其營養(yǎng)價(jià)值 [4]。例如，雞蛋、肉類中的蛋白質(zhì)含量較高，是在微波烹飪時(shí)該注意微波的時(shí)間和溫度，尤其是魚肉，極有可能為微波輻射量過大，導(dǎo)致可溶性蛋白構(gòu)成二聚體或者多聚體，出現(xiàn)新型的可溶性蛋白，影響食物中的營養(yǎng)成分。

氧化維生素

維生素是人體所必需的一種營養(yǎng)物質(zhì)，它在物質(zhì)和能量代謝中有著至關(guān)重要的作用 [4]。在微波加熱過程中，加熱的時(shí)間越短，維生素的保存量越高，反之，溫度越高、加熱時(shí)間越長，維生素的含量下降的越多。例如，將馬鈴薯微波加熱半小時(shí)后，其維生素 C的含量約為 70%，而使用常規(guī)的油炒、水煮等方式，維生素 C 可保存 95% 以上，維生素 B 穩(wěn)定性較差，且對光和熱比較敏感，因此在微波加工中其破壞程度會(huì)超過 65%。從加熱原理來看，微波的熱液是由內(nèi)而外流動(dòng)的，因此食物內(nèi)部的營養(yǎng)損失量較高。

降低中藥藥效

除了加熱食物，微波技術(shù)還具有提取中藥活性成分的作用，這已經(jīng)成為了社會(huì)的關(guān)注熱點(diǎn) [4]。微波爐中煎中藥雖然時(shí)間短、速度快，是由于中藥活性成分比較脆弱，很容易震動(dòng)產(chǎn)熱，導(dǎo)致藥效降低，藥理成分遭到破壞。因此，一般不倡導(dǎo)使用微波爐煎中藥，應(yīng)使用常規(guī)的文火進(jìn)行熬制夠以最大限度的保存藥效。

影響脂肪結(jié)構(gòu)

在高溫下，維生素和蛋白質(zhì)相對比較穩(wěn)定，其成分流失情況相對較少，但是脂這類物質(zhì)若經(jīng)長時(shí)間的加熱，會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量下降，產(chǎn)生難聞的氣味，不僅影響了食物的脂肪含量，還對其口感、色澤等產(chǎn)生影響 [4]。脂肪氧化后會(huì)產(chǎn)生脂肪酸，這是造成其氣味難聞的主要原因。脂肪酸的不斷氧夠產(chǎn)生不飽和醛類，這種物質(zhì)一旦和食物中的蛋白質(zhì)、維生素、糖類或氨基酸發(fā)生反，會(huì)生成褐色的中間體物質(zhì)，嚴(yán)重影響食物的口感。此外，若反復(fù)加熱飯菜，會(huì)導(dǎo)致中間體物質(zhì)積聚，導(dǎo)致脂肪劣變，破壞其他營養(yǎng)成分的結(jié)構(gòu)和含量。

破壞抗氧化物

抗氧化物主要指的是新鮮水果蔬菜中的維生素 C、維生素 E、谷胱甘肽、番茄紅素、胡蘿卜、和類黃酮等，這些物質(zhì)能夠減低自由基對人體細(xì)胞的氧化作用，起到延緩衰老、緊實(shí)皮膚、補(bǔ)血益氣的作用 [4]。微波加還會(huì)導(dǎo)致食物中的抗氧化物被部壞或完全破壞，以類黃酮為例，該種物質(zhì)能夠降低人體患癌癥、心臟病或者其他心腦血管疾病率可能性，常分布在新鮮的蔬果中，如包菜等，如果按照常規(guī)的蒸法，其含量損失率在 10% 左右，燉法損失量在 50% 左右，水煮法損失量在 80%左右，而微波爐加熱法的損失量在 98%左。這是由于水溶性維生素不耐高溫，容易在加熱過程中被破壞者溶解。

微波解凍

微波加熱技術(shù)可以應(yīng)用于凍結(jié)物料的解凍處理，與傳統(tǒng)的解凍方法相比，微波解凍具有解凍時(shí)間短，凍品滴水少，無污水排放工作環(huán)境整潔等一系列優(yōu)點(diǎn) [3]。據(jù)報(bào)道，僅需幾分鐘，原木表面的1～1.5 cm深處溫度能由-20 ℃上升到0 ℃，而且此時(shí)樹皮附著力也隨之下降，與蒸汽/熱水解凍相比，每生產(chǎn)1噸紙漿可節(jié)省能耗100～300 MJ。

微波干燥

微波干燥

于秀榮等曾用微波對玉米進(jìn)行干燥，并研究了不同加熱功率和加熱時(shí)間對玉米發(fā)芽率、暴腰率、過氧化氫酶活性的影響 [3]。其研究表明，選擇合適的加熱功率和時(shí)間，在保持玉米良好品質(zhì)和低暴腰率的前提下，可以實(shí)現(xiàn)對玉米的快速干燥。范紅途等曾對以蔬菜為代表的膠體類多孔介質(zhì)物料的微波干燥特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)除了物料本身的特性對微波干燥的影響外，空氣溫度、帶走水分的空氣速度、物料形狀大小、料層的厚度、微波功率等因素都對微波干燥速度有影響。但各因素的作用各不相同，影響作用大小依次為：溫度 > 形狀因子 > 微波時(shí)間 > 物料重量 > 風(fēng)速。

微波膨化

微波膨化

微波膨化技術(shù)作為一種新型食品生產(chǎn)技術(shù)逐步在食品工業(yè)特別是休閑膨化小食品生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。利用微波膨化技術(shù)加工食品能最大限度的保存食品原有的營養(yǎng)成分 [1]。微波膨化產(chǎn)品可以克服傳統(tǒng)膨化產(chǎn)品油炸加工含油量高的缺點(diǎn)，能完整地保存原有的各種營養(yǎng)成分，將是膨化食品的一個(gè)重要發(fā)展方向。在今后微波膨化技術(shù)的研究中，如何解決食品膨化后易回潮發(fā)軟問題，進(jìn)一步進(jìn)行微波膨化理論和應(yīng)用技術(shù)的研究，開發(fā)新型的膨化設(shè)備和技術(shù)將是微波膨化技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

微波改性

楊進(jìn)等用微波加熱技術(shù)對米糠進(jìn)行處理，分析了微波處理時(shí)間、料層厚度、米糠原始水分、貯藏時(shí)間對米糠穩(wěn)定性的影響 [3]。工藝試驗(yàn)表明，當(dāng)含水率為15.8%～21%，料層厚度為30～70 mm，微波處理時(shí)間為150～200 s時(shí)，可產(chǎn)生較好的穩(wěn)定效果。趙冬艷等用微波處理谷朊粉，發(fā)現(xiàn)微波加熱處理能顯著提高谷朊粉的乳化性，其最佳作用條件是：pH值為10.0，谷朊粉濃度為9.0%，加熱時(shí)間為100 s，微波能量為560 W。在最佳條件下，谷朊粉的乳化活性及乳穩(wěn)定性均為100%，且經(jīng)過改性后，溶解度由7.67%提高到37.62%，從而拓寬了谷朊粉的應(yīng)用范圍。

微波燒結(jié)

微波燒結(jié)

微波燒結(jié)技術(shù)是一門新的燒結(jié)工藝 [3]。相對于傳統(tǒng)的燒結(jié)方法，微波燒結(jié)具有突出的優(yōu)勢：材料內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)更加均勻，致密度更高，改善了材料的性能；實(shí)現(xiàn)選擇性燒結(jié)，產(chǎn)生具有新的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能的材料。曲世明針對室溫下介電損耗很小的材料采用微波混合加熱技術(shù)，成功地?zé)Y(jié)成ZrO2，Si3O4和Si3N4的樣品，并得出結(jié)論：微波混合加熱技術(shù)具有大幅度縮短燒結(jié)時(shí)間和節(jié)約電能的優(yōu)點(diǎn)，其推廣和應(yīng)用必將帶來重大的經(jīng)濟(jì)效益。

微波殺蟲滅菌

很多研究表明：當(dāng)物料作用于微波場中時(shí)，能引起物料的溫升，即產(chǎn)生“溫度場”，同時(shí)，還能造就“電磁場”，對生物體產(chǎn)生比溫度場更大的效能，即微波的生物效應(yīng)，從而達(dá)到殺蟲、滅菌的目的 [3]。楊曉蘋等曾用微波加熱技術(shù)對茶葉進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)微波加熱可以在很短的時(shí)間內(nèi)，在較低的溫度下對茶葉的內(nèi)部進(jìn)行殺菌，不僅滅菌效果好，而且能在外包裝呈密封狀態(tài)下進(jìn)行殺菌，可有效地避免二次污染。袁泉等曾報(bào)道用微波直接輻射到土壤里，可以殺滅影響農(nóng)作物生長的雜草、土壤中的害蟲和真菌等微生物。國外試驗(yàn)表明，微波直接輻射土壤可使甜瓜增產(chǎn)60%，洋蔥增產(chǎn)35%，且不會(huì)造成環(huán)境污染。我國學(xué)者針對一種常見的蘋果樹腐爛病，利用微波進(jìn)行類似的處理，也得到了良好的效果。

微波無損檢測

微波是介于紅外線與無線電波之間的電磁輻射，由于它的波長短、頻帶寬，以及它與物質(zhì)的相互作用，由此發(fā)展成為微波無損檢測技術(shù) [1]。微波無損檢測不僅保證產(chǎn)品的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，而且可以減少和避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，因此在我國微波無損檢測能得以發(fā)展，在產(chǎn)品可靠性方面已經(jīng)產(chǎn)生良好效益。

微波萃取

微波萃取

微波萃取不僅萃取效率高、產(chǎn)品純度高、能耗小、操作費(fèi)用少，且符合環(huán)境保護(hù)要求，可廣泛用于中草藥、香料、食品和化妝品等領(lǐng)域 [1]?，F(xiàn)在的研究不僅注重于進(jìn)一步探討微波萃取的機(jī)理，更注重于開發(fā)微波萃取新技術(shù)和其它技術(shù)聯(lián)用?，F(xiàn)在已經(jīng)有微波萃取與液體樣品頂空萃取結(jié)合的報(bào)道，也有文獻(xiàn)報(bào)道了用微波萃取代替固液萃取中的溶劑洗脫的研究，提出了固相萃取-微波萃取聯(lián)用技術(shù)。如果用類似儀器分析天然植物中的化學(xué)成分及藥物特別是中藥中的有效成分，將大大簡化樣品成分提取的前處理過程，擴(kuò)大樣品適用范圍。

微波消解

微波消解

現(xiàn)代食品分析對靈敏度、精密度、微量、形態(tài)及多元素分析提出了更高的要求 [1]。在微波技術(shù)中，樣品的消解、干燥、萃取、蛋白水解等方法，國外已采用計(jì)算機(jī)智能化。由于在密閉高壓容器中，可快速將萃取液瞬間加熱到其常壓沸點(diǎn)以上，提高溶劑沸點(diǎn)，又不至于分解待測萃取物，提高萃取回收率和效率。也正因?yàn)椴捎妹荛]高壓容器的技術(shù)，顯著地促進(jìn)酸混合物加熱消化過程，增強(qiáng)AAS/ICP-AES/ICP-MS光譜分析效率，這些都展示了微波技術(shù)在食品分析中進(jìn)一步應(yīng)用的廣闊前景。

我國食品工業(yè)中有許多從事微波技術(shù)研究和應(yīng)用的科研、生產(chǎn)單位，每年都有新技術(shù)、新工藝投入使用 [1]。微波技術(shù)在不斷完自身技術(shù)與設(shè)備的同時(shí)，應(yīng)該與其他干燥技術(shù) ，如熱風(fēng)干燥、真空干燥、冷凍干燥、遠(yuǎn)紅外線干燥等技術(shù)相結(jié)合，向更深、更廣的方向發(fā)展。隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的需求 ，人們更加關(guān)注節(jié)能、有效 的食 品高新技術(shù)，微波技術(shù)在食品工業(yè)上的應(yīng)用是科學(xué)發(fā)展與人類社會(huì)進(jìn)步的必然產(chǎn)物，在國內(nèi)外已發(fā)展成為一項(xiàng)極有前途的新技術(shù)。 通過微波工業(yè)與食品工業(yè)技術(shù)人員的共同努力，進(jìn)一步完善微波食品加工理論 ，建立微波食品加工工藝 ，微波技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用將 日趨深入與廣泛。

此外，微波技術(shù)在食物加工中具有高效、節(jié)能、污染少的特點(diǎn)，是也容易對食物中的維生素、脂肪、蛋白質(zhì)等成分造成影響，導(dǎo)致食物營養(yǎng)成分下降，甚至對人體造成危害 [4]。因此，應(yīng)該合理的選擇加熱食材，嚴(yán)格按照規(guī)范和步驟進(jìn)行加熱操作，盡量避免長時(shí)間的高溫加熱，最大限度的保護(hù)食物中的營養(yǎng)成分，發(fā)揮微波技術(shù)的優(yōu)勢。

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