微波加熱技術

微波技術是指在平均波長0.1 m～1 m之間的電磁波，能夠產生高頻電磁場，而介質材料中的分子在電磁場中隨着其頻率的不斷變化而出現去向不同的情況 ^[1]  。傳統的微波技術主要用在雷達、通訊等方面，而在如今的各項應用中，微波技術已經作為一項新能源被研發出更多的應用方向。由於微波的應用極為廣泛，為避免相互間的干擾，所以供應工業、科學及醫學使用的微波頻段是不同的，食品工業所使用的微波頻率多為2450 MHz ^[2]  。

微波技術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，當有極分子電介質和無極分子電介質置於微波電磁場中時，介質材料中會形成偶極子或已有的偶極子重新排列，並隨着高頻交變電磁場以每秒高達數億次的速度擺動，分子要隨着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動和分子相互間作用的干擾和阻礙，產生類似於摩擦的作用，這個過程就會使得電磁場能量逐漸轉化成新的熱能，使介質温度出現大幅度的提升，這就是對微波加熱最簡單的解釋 ^{[2]  [3]}  。也就是説微波加熱是利用介質材料自身電磁場耗損的能量而產生的熱量從而發熱。微波加熱是一種“冷熱源”，它在產生和接觸到物體時，不是一股熱氣，而是電磁能。它具有一系列傳統加熱所不具備的獨特優點。

利用微波加熱可以令加熱物本身成為發熱體 ^[3]  ，內外同時加熱，因此能在短時間內達到加熱效果。根據德拜理論，極性分子在極化弛豫過程中的弛豫時間τ與外加交變電磁場極性改變的角頻率ω有關，在微波段時有ωτ = 1的結果。我國工業微波爐加熱設備常用的微波工作頻率為915 MHz和2450 MHz，根據計算，其τ約為10^-11～10^-10 s數量級。因此，微波能在物料內轉化為熱能的過程具有即時特徵。

通常情況下要想加快加熱速度就要對温度進行升高 ^[3]  ，但很容易造成外部焦爛，內部未熱的現象。微波能穿透物體的內部，其加熱過程在整個物體內同時進行，升温迅速，温度均勻，温度梯度小，是一種“體熱源”，大大縮短了常規加熱中熱傳導的時間。除了特別大的物體外，一般可以做到表裏一起均勻加熱。

並非所有材料都能用微波加熱 ^[3]  ，不同材料由於其自身的介電特性不同，其對微波的反應也不相同，根據材料對微波的不同反應，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行選擇性加熱。如：利用微波加熱對物料進行膠合加工時，其發熱和温升集中在膠層，避免了膠縫周圍物料因高温而造成的熱損壞。

在常規加熱中，設備預熱、輻射熱損失和高温介質熱損失在總的能耗中佔據較大的比例，而微波進行加熱時，介質材料能吸收微波，並轉化為熱能，而設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，組成微波加熱設備的熱損失僅佔總能耗的極少部分。再加上微波加熱是內部“體熱源”，它並不需要高温介質來傳熱，因此絕大部分微波能量被介質物料吸收並轉化為升温所需要的熱量，形成了微波能量利用高效率的特性。與常規電加熱方式相比，它一般可以節電30%～50%。

通常我們使用的殺菌操作都是高温進行 ^[1]  ，但是微波技術利用雙重的殺菌作用可以在温度極低的封閉環境下將細菌殺死，也是保證營養成分不受影響的加熱方式，在食品加工業指的推崇使用。

常規加熱一般採用礦物燃料作為能源，其燃燒產生的二氧化碳被稱為產生“温室效應”的主要成分 ^[3]  。而微波加熱所用能源為電能，對環境沒有污染。除此之外，微波加熱還具有加熱質量高、營養破壞少、加熱設備緊湊、節省空間等優點。

糖類是食物中重要的營養成分 ^[4]  ，在微波加工中，食物中的葡萄糖、蔗糖會因微波輻射而融化，若輻射劑量過大，還會脱水變成焦糖外此外，食物中的低聚糖夠在微波爐中快速的升温，但是若温度超過一定範後，會產生焦糖者其他褐色物質，導致營養價值喪失。

微波加熱會在一定程度上改變蛋白質的結構，降低其營養價值 ^[4]  。例如，雞蛋、肉類中的蛋白質含量較高，是在微波烹飪時該注意微波的時間和温度，尤其是魚肉，極有可能為微波輻射量過大，導致可溶性蛋白構成二聚體或者多聚體，出現新型的可溶性蛋白，影響食物中的營養成分。

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

除了加熱食物，微波技術還具有提取中藥活性成分的作用，這已經成為了社會的關注熱點 ^[4]  。微波爐中煎中藥雖然時間短、速度快，是由於中藥活性成分比較脆弱，很容易震動產熱，導致藥效降低，藥理成分遭到破壞。因此，一般不倡導使用微波爐煎中藥，應使用常規的文火進行熬製夠以最大限度的保存藥效。

在高温下，維生素和蛋白質相對比較穩定，其成分流失情況相對較少，但是脂這類物質若經長時間的加熱，會導致質量下降，產生難聞的氣味，不僅影響了食物的脂肪含量，還對其口感、色澤等產生影響 ^[4]  。脂肪氧化後會產生脂肪酸，這是造成其氣味難聞的主要原因。脂肪酸的不斷氧夠產生不飽和醛類，這種物質一旦和食物中的蛋白質、維生素、糖類或氨基酸發生反，會生成褐色的中間體物質，嚴重影響食物的口感。此外，若反覆加熱飯菜，會導致中間體物質積聚，導致脂肪劣變，破壞其他營養成分的結構和含量。

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、胡蘿蔔、和類黃酮等，這些物質能夠減低自由基對人體細胞的氧化作用，起到延緩衰老、緊實皮膚、補血益氣的作用 ^[4]  。微波加還會導致食物中的抗氧化物被部壞或完全破壞，以類黃酮為例，該種物質能夠降低人體患癌症、心臟病或者其他心腦血管疾病率可能性，常分佈在新鮮的蔬果中，如包菜等，如果按照常規的蒸法，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。這是由於水溶性維生素不耐高温，容易在加熱過程中被破壞者溶解。

微波加熱技術可以應用於凍結物料的解凍處理，與傳統的解凍方法相比，微波解凍具有解凍時間短，凍品滴水少，無污水排放工作環境整潔等一系列優點 ^[3]  。據報道，僅需幾分鐘，原木表面的1～1.5 cm深處温度能由-20 ℃上升到0 ℃，而且此時樹皮附着力也隨之下降，與蒸汽/熱水解凍相比，每生產1噸紙漿可節省能耗100～300 MJ。

於秀榮等曾用微波對玉米進行乾燥，並研究了不同加熱功率和加熱時間對玉米發芽率、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間，在保持玉米良好品質和低暴腰率的前提下，可以實現對玉米的快速乾燥。範紅途等曾對以蔬菜為代表的膠體類多孔介質物料的微波乾燥特性進行了研究，發現除了物料本身的特性對微波乾燥的影響外，空氣温度、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乾燥速度有影響。但各因素的作用各不相同，影響作用大小依次為：温度 > 形狀因子 > 微波時間 > 物料重量 > 風速。

微波膨化技術作為一種新型食品生產技術逐步在食品工業特別是休閒膨化小食品生產中得到廣泛應用。利用微波膨化技術加工食品能最大限度的保存食品原有的營養成分 ^[1]  。微波膨化產品可以克服傳統膨化產品油炸加工含油量高的缺點，能完整地保存原有的各種營養成分，將是膨化食品的一個重要發展方向。在今後微波膨化技術的研究中，如何解決食品膨化後易回潮發軟問題，進一步進行微波膨化理論和應用技術的研究，開發新型的膨化設備和技術將是微波膨化技術發展的重點和難點。

楊進等用微波加熱技術對米糠進行處理，分析了微波處理時間、料層厚度、米糠原始水分、貯藏時間對米糠穩定性的影響 ^[3]  。工藝試驗表明，當含水率為15.8%～21%，料層厚度為30～70 mm，微波處理時間為150～200 s時，可產生較好的穩定效果。趙冬豔等用微波處理谷朊粉，發現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定性均為100%，且經過改性後，溶解度由7.67%提高到37.62%，從而拓寬了谷朊粉的應用範圍。

微波燒結技術是一門新的燒結工藝 ^[3]  。相對於傳統的燒結方法，微波燒結具有突出的優勢：材料內部結晶結構更加均勻，緻密度更高，改善了材料的性能；實現選擇性燒結，產生具有新的微觀結構和優良性能的材料。曲世明針對室温下介電損耗很小的材料採用微波混合加熱技術，成功地燒結成ZrO₂，Si₃O₄和Si₃N₄的樣品，並得出結論：微波混合加熱技術具有大幅度縮短燒結時間和節約電能的優點，其推廣和應用必將帶來重大的經濟效益。

很多研究表明：當物料作用於微波場中時，能引起物料的温升，即產生“温度場”，同時，還能造就“電磁場”，對生物體產生比温度場更大的效能，即微波的生物效應，從而達到殺蟲、滅菌的目的 ^[3]  。楊曉蘋等曾用微波加熱技術對茶葉進行處理，發現微波加熱可以在很短的時間內，在較低的温度下對茶葉的內部進行殺菌，不僅滅菌效果好，而且能在外包裝呈密封狀態下進行殺菌，可有效地避免二次污染。袁泉等曾報道用微波直接輻射到土壤裏，可以殺滅影響農作物生長的雜草、土壤中的害蟲和真菌等微生物。國外試驗表明，微波直接輻射土壤可使甜瓜增產60%，洋葱增產35%，且不會造成環境污染。我國學者針對一種常見的蘋果樹腐爛病，利用微波進行類似的處理，也得到了良好的效果。

微波是介於紅外線與無線電波之間的電磁輻射，由於它的波長短、頻帶寬，以及它與物質的相互作用，由此發展成為微波無損檢測技術 ^[1]  。微波無損檢測不僅保證產品的質量符合標準，而且可以減少和避免不必要的經濟損失，因此在我國微波無損檢測能得以發展，在產品可靠性方面已經產生良好效益。

微波萃取不僅萃取效率高、產品純度高、能耗小、操作費用少，且符合環境保護要求，可廣泛用於中草藥、香料、食品和化妝品等領域 ^[1]  。現在的研究不僅注重於進一步探討微波萃取的機理，更注重於開發微波萃取新技術和其它技術聯用。現在已經有微波萃取與液體樣品頂空萃取結合的報道，也有文獻報道了用微波萃取代替固液萃取中的溶劑洗脱的研究，提出了固相萃取-微波萃取聯用技術。如果用類似儀器分析天然植物中的化學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，擴大樣品適用範圍。

現代食品分析對靈敏度、精密度、微量、形態及多元素分析提出了更高的要求 ^[1]  。在微波技術中，樣品的消解、乾燥、萃取、蛋白水解等方法，國外已採用計算機智能化。由於在密閉高壓容器中，可快速將萃取液瞬間加熱到其常壓沸點以上，提高溶劑沸點，又不至於分解待測萃取物，提高萃取回收率和效率。也正因為採用密閉高壓容器的技術，顯著地促進酸混合物加熱消化過程，增強AAS/ICP-AES/ICP-MS光譜分析效率，這些都展示了微波技術在食品分析中進一步應用的廣闊前景。

我國食品工業中有許多從事微波技術研究和應用的科研、生產單位，每年都有新技術、新工藝投入使用 ^[1]  。微波技術在不斷完自身技術與設備的同時，應該與其他乾燥技術 ，如熱風乾燥、真空乾燥、冷凍乾燥、遠紅外線乾燥等技術相結合，向更深、更廣的方向發展。隨着科技的發展和社會的需求 ，人們更加關注節能、有效 的食 品高新技術，微波技術在食品工業上的應用是科學發展與人類社會進步的必然產物，在國內外已發展成為一項極有前途的新技術。 通過微波工業與食品工業技術人員的共同努力，進一步完善微波食品加工理論 ，建立微波食品加工工藝 ，微波技術在食品加工中的應用將 日趨深入與廣泛。

此外，微波技術在食物加工中具有高效、節能、污染少的特點，是也容易對食物中的維生素、脂肪、蛋白質等成分造成影響，導致食物營養成分下降，甚至對人體造成危害 ^[4]  。因此，應該合理的選擇加熱食材，嚴格按照規範和步驟進行加熱操作，儘量避免長時間的高温加熱，最大限度的保護食物中的營養成分，發揮微波技術的優勢。