微波特性及其应用（二）

——微波加热技术

徐长发，华中科技大学，2019.7.15

微波的特性之一是有选择性地加热。微波对水加热特别有效，对脂肪、蛋白质的加热效果较差。为什么对水的加热效果特别好呢？这里有3个原因。原因之一，水分子是极性分子，2个氢原子和1个氧原子按共价键结合时，带有电极性，极性分子在微波高频电磁场中会剧烈震荡，分子摩擦转化为热能，换句话说，水分子对微波的吸收率高。原因之二，微波频率与水分子的固有频率相近，水分子在微波电磁场中不仅震荡而且产生共振，进一步提高了水吸收微波的效率。原因之三，微波有一定的穿透性，微波加热不是靠热传导，而是从里到外一起加热。

微波炉是民居使用的微波加热的典型设备。其实微波加热在很多方面都是有特殊效果的。

一.家用微波炉

1.微波炉的结构

家用微波炉是大家熟知的，它就是利用微波特性制作出来的食品加热装置。它的加热特点非常突出：微波对水的加热效果特别明显，食品里含水，加上微波具有一定的穿透性，所以食品是里外一起被加热的，加热速度很快。

家用微波炉的结构简单，下面对其中的几个部件的功能做些解释。  

微波发生器。它能够产生中低功率的微波。微波频率与水分子的固有频率相近，水分子在微波作用下，每秒钟要振动24.5亿次。

波导管。它把微波引入到炉室中。

搅拌器。它可以通风，它和炉壁一起可以让炉室内微波分布均匀。

微波隔离。在波导管出口处，有一个微波隔离层，它的目的是让微波进入炉室，又把炉室内外隔开，这种隔离层通常使用微波无阻碍穿透的材料，如聚乙烯材料。炉门上也设置了一个隔离层，它的目的是把微波封闭在炉室内，防止微波外泄，这种隔离层通常使用微波全反射材料，如金属铝网。

2.微波炉加热食品是安全的

微波加热是依靠物体吸收微波并将其转换成热能的加热方式。微波加热食品是完全的物理现象，食品并未发生化学变化，物体的分子结构未发生改变，不会产生致癌物质。微波也不会在物质内部“残留”。

如果食物加热温度过高，不管是微波加热还是传统方式，都可能产生致癌物。

比如在煎炸薯条、薯片等，超过120℃，氨基酸和碳水化合物反应可能产生某些疑似致癌物；比如煎炸鱼肉时，超过200℃，蛋白质可能产生某些胺类致癌物；比如烤羊肉串等发生焦糊时，超过300℃，食物中的脂肪会大量产生苯类致癌物。微波加热主要是加热食物中的水，只要正常使用，水分没有被蒸干，食物温度会低于100℃，不会产生致癌物。

普通塑料袋在微波炉中加热，会产生化学分解，不卫生，不安全。

微波炉加热食物，要采用陶瓷、玻璃制品，最好用微波炉专用器皿。一是要保证微波无阻碍穿透，二是要保证高温加热后不会产生化学变化。

有膜包裹、有外壳的食物，在微波加热时热量不易散出，容易产生热爆，不安全。

脂肪含量高而水分含量低的食物，如奶酪、坚果、五花肉等，用微波加热时要小心，因为水分少，温度上升快，容易焦糊或炸开。

酸奶和其他含有活菌的食品不宜用微波加热，因为会杀死有益菌，降低保健价值。

在使用微波加热时，人和微波炉之间应保持50厘米以上距离，当微波炉停止工作时再打开拿取食品。

二．微波加热技术的一些其它应用

微波加热是里外一起加热的，其加热效果是传统加热方式和红外加热方式的4-10倍，其热效率达到80%以上，加热时间也大为缩短。

1.利用微波可对食品进行干燥、熟化、焙烤、脱腥、膨化和保鲜处理。目前已用于米粉、麦片、豆奶粉、袋装、卤菜类、肉类小包装、方便面、保健茶、糕点、牛肉干、土豆片、鱼片干、盐水鸭、腰果、花生米、瓜子、大豆等许多方面的食品加工中。

2.微波制茶。微波加热升温快，控制温度准，里外一起热等特点，非常适合茶叶加工中的杀青和干燥作业。茶叶的有效营养成分基本不损失，而且色、香、味都大大好于传统的加工方法。

3.微波杀菌是微波热效应和生物效应共同作用的结果。微波能够穿透细菌的细胞膜并产生热效应。从生化角度来看，细菌管理生长和繁殖的核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）是由若干氢键紧密连接而成的卷曲大分子，微波可导致氢键松弛、断裂。实践证明采用微波装置在杀菌温度、杀菌时间、产品品质保持、及节能方面都有明显的优势。

微波杀菌装置可安装在流水线上。

在制药工业中，粉状、颗粒状、片状药品等医药制品需要干燥灭菌，微波技术正好对路子；对于中草药材的快速干燥、杀虫、灭菌工序，使用微波干燥、微波杀菌技术具有多方面的优势。

3.微波萃取

利用微波能实现萃取，这是一种最新发展起来的新技术，被萃取物质从基体中分离快，萃取效率高，节省时间，污染小，适用范围很广。

一般中药材的萃取工艺简单：药材粉碎，用水做溶剂微波加热，有效物质快速进入溶剂中，再过滤去渣，用“膜分离技术”去水，微波烘干，最后获得粉末状的萃取物。

中药材萃取物组合配置可以代替传统的“中药汤剂”。

中国的农业产品丰富，农作物丰富，中药材丰富，有数不尽的有效成分期待人们萃取，例如橘子皮中的橘油，荷叶中的药用成分，艾草中的有效成分，等等，由于没有人去萃取，很多原材料都浪费了。

现在已经有不少公司从事微波萃取业务，几百种有效成分从植物中被提取出来，萃取的品种越来越多，可喜。微波萃取非常有市场前景。

4.微波处理木材　　

微波可对1－6公分厚的木板进行均匀、快速烘干，干燥只需十几分钟，且不开裂变形小，同时杀死木材内部的卵虫和幼虫；也可对胶合板或拼板胶接的固化处理以及竹制品木制工艺品干燥、灭霉、杀菌。

5.微波用于医疗　

用微波对皮肤做局部照射，热效应可以深入皮下几毫米，理疗效果好。用微波可以加热血浆、解冻冷藏器官。因为微波升温快，局部性好，所以还可设计微波手术刀，开刀止血快、出血量少。

6.微波陶瓷烧结　

微波可以让陶瓷毛坯（含有水分），在很短的时间，从内部到外表，均匀加热至2000℃，从而实现陶瓷的均匀致密化烧结。正是由于微波这种内外一起加热的特点，大尺寸的精细陶瓷也不易炸裂，成品率高。传统烧制陶瓷，把毛坯放入窑中，窑内的温度不均匀，温度又是从外向内对毛坯升温的，所以传统的热辐射加热方法使毛坯变形炸裂的多，烧制陶瓷的成品率低。用微波烧制陶瓷是传统方法无法比拟的。　

7.微波硫化橡胶

生橡胶受热变软，遇冷变硬、发脆，不易成型，容易磨损，易溶于汽油等有机溶剂，分子内具有双键，易起加成反应，容易老化。为改善橡胶制品的性能，要让生胶硫化，这样，生胶的线型结构的大分子就交联成为立体网状结构的大分子，硫化过的橡胶具备高强度、高弹性、高耐磨、抗腐蚀等等优良性能。

传统方法是用含硫蒸汽在一定温度下对胶料硫化。由于靠热传导加热，温度由外部向内部慢慢地热传导，加上橡胶物料是不良导热材料，所以大部分时间都耗费在让橡胶达到硫化温度上。所以加热时间长、效率低、硫化均匀性不好。另外，传统工艺为消除橡胶粘连而使用滑石粉，致使橡胶生产车间中粉尘弥漫，环境很差。

现在的微波硫化橡胶的过程大致是这样的：

1）成型挤压设备：把生胶料挤压为成品形状。

2）表面硫化定型设备：主要用来把刚挤压成型的生胶产品，采用高温，迅速将其表面硫化定型，这样可防止产品变形也便于输送。

3）微波加热设备：把产品整体，迅速加热到硫化所需要的温度，这一过程只需要几十秒钟的时间。

4）热风硫化设备：使橡胶产品保持在硫化所需要的温度范围内持续硫化。

5）冷却段：把完成硫化的橡胶产品，冷却到可收集处理的温度。

微波加热与传统加热方式完全不同，是将微波能量穿透到被加热介质内部直接进行整体加热，因此加热迅速，高效节能，大大缩短了橡胶硫化时间，使其加热均匀性更好，硫化质量较高，也不需要使用滑石粉，达到环保要求。该生产工艺可使大多数生产工序集中在一条生产线上完成，自动化程度高，能耗低，节省人力，生产稳定，产品质量均匀等，大大改善了生产劳动条件。

总之，现代工业生产中越来越多地使用微波加热技术。

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