百篇科普系列（52）微波特性及其應(yīng)用——微波加熱技術(shù)徐長發(fā)，華中科技大學(xué)，2019.7.15.微波的特性之一是有選擇性地加熱。微波對(duì)水加熱特

百篇科普系列（52）

微波特性及其應(yīng)用

——微波加熱技術(shù)

徐長發(fā)，華中科技大學(xué)，2019.7.15.

微波的特性之一是有選擇性地加熱。微波對(duì)水加熱特別有效，對(duì)脂肪、蛋白質(zhì)的加熱效果較差。為什么對(duì)水的加熱效果特別好呢？這里有3個(gè)原因。原因之一，水分子是極性分子，2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子按共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，帶有電極性，極性分子在微波高頻電磁場(chǎng)中會(huì)劇烈震蕩，分子摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，換句話說，水分子對(duì)微波的吸收率高。原因之二，微波頻率與水分子的固有頻率相近，水分子在微波電磁場(chǎng)中不僅震蕩而且產(chǎn)生共振，進(jìn)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，微波加熱不是靠熱傳導(dǎo)，而是從里到外一起加熱。

微波爐是民居使用的微波加熱的典型設(shè)備。其實(shí)微波加熱在很多方面都是有特殊效果的。

一.家用微波爐

1.微波爐的結(jié)構(gòu)

家用微波爐是大家熟知的，它就是利用微波特性制作出來的食品加熱裝置。它的加熱特點(diǎn)非常突出：微波對(duì)水的加熱效果特別明顯，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熱的，加熱速度很快。

家用微波爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，下面對(duì)其中的幾個(gè)部件的功能做些解釋。

攪拌器 微波發(fā)生器波導(dǎo)管

爐內(nèi)轉(zhuǎn)盤

微波發(fā)生器。它能夠產(chǎn)生中低功率的微波。微波頻率與水分子的固有頻率相近，水分子在微波作用下，每秒鐘要振動(dòng)24.5億次。

波導(dǎo)管。它把微波引入到爐室中。

攪拌器。它可以通風(fēng)，它和爐壁一起可以讓爐室內(nèi)微波分布均勻。

微波隔離。在波導(dǎo)管出口處，有一個(gè)微波隔離層，它的目的是讓微波進(jìn)入爐室，又把爐室內(nèi)外隔開，這種隔離層通常使用微波無阻礙穿透的材料，如聚乙烯材料。爐門上也設(shè)置了一個(gè)隔離層，它的目的是把微波封閉在爐室內(nèi)，防止微波外泄，這種隔離層通常使用微波全反射材料，如金屬鋁網(wǎng)。

2.微波爐加熱食品是安全的

微波加熱是依靠物體吸收微波并將其轉(zhuǎn)換成熱能的加熱方式。微波加熱食品是完全的物理現(xiàn)象，食品并未發(fā)生化學(xué)變化，物體的分子結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，不會(huì)產(chǎn)生致癌物質(zhì)。微波也不會(huì)在物質(zhì)內(nèi)部“殘留”。

如果食物加熱溫度過高，不管是微波加熱還是傳統(tǒng)方式，都可能產(chǎn)生致癌物。

比如在煎炸薯?xiàng)l、薯片等，超過120℃，氨基酸和碳水化合物反應(yīng)可能產(chǎn)生某些疑似致癌物；比如煎炸魚肉時(shí)，超過200℃，蛋白質(zhì)可能產(chǎn)生某些胺類致癌物；比如烤羊肉串等發(fā)生焦糊時(shí)，超過300℃，食物中的脂肪會(huì)大量產(chǎn)生苯類致癌物。微波加熱主要是加熱食物中的水，只要正常使用，水分沒有被蒸干，食物溫度會(huì)低于100℃，不會(huì)產(chǎn)生致癌物。

普通塑料袋在微波爐中加熱，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)分解，不衛(wèi)生，不安全。

微波爐加熱食物，要采用陶瓷、玻璃制品，最好用微波爐專用器皿。一是要保證微波無阻礙穿透，二是要保證高溫加熱后不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化。

有膜包裹、有外殼的食物，在微波加熱時(shí)熱量不易散出，容易產(chǎn)生熱爆，不安全。

脂肪含量高而水分含量低的食物，如奶酪、堅(jiān)果、五花肉等，用微波加熱時(shí)要小心，因?yàn)樗稚伲瑴囟壬仙欤菀捉购蛘ㄩ_。

酸奶和其他含有活菌的食品不宜用微波加熱，因?yàn)闀?huì)殺死有益菌，降低保健價(jià)值。

在使用微波加熱時(shí)，人和微波爐之間應(yīng)保持50厘米以上距離，當(dāng)微波爐停止工作時(shí)再打開拿取食品。

二．微波加熱技術(shù)的一些其它應(yīng)用

微波加熱是里外一起加熱的，其加熱效果是傳統(tǒng)加熱方式和紅外加熱方式的4-10倍，其熱效率達(dá)到80%以上，加熱時(shí)間也大為縮短。

1.利用微波可對(duì)食品進(jìn)行干燥、熟化、焙烤、脫腥、膨化和保鮮處理。目前已用于米粉、麥片、豆奶粉、袋裝、鹵菜類、肉類小包裝、方便面、保健茶、糕點(diǎn)、牛肉干、土豆片、魚片干、鹽水鴨、腰果、花生米、瓜子、大豆等許多方面的食品加工中。

2.微波制茶。微波加熱升溫快，控制溫度準(zhǔn)，里外一起熱等特點(diǎn)，非常適合茶葉加工中的殺青和干燥作業(yè)。茶葉的有效營養(yǎng)成分基本不損失，而且色、香、味都大大好于傳統(tǒng)的加工方法。

3.微波殺菌是微波熱效應(yīng)和生物效應(yīng)共同作用的結(jié)果。微波能夠穿透細(xì)菌的細(xì)胞膜并產(chǎn)生熱效應(yīng)。從生化角度來看，細(xì)菌管理生長和繁殖的核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）是由若干氫鍵緊密連接而成的卷曲大分子，微波可導(dǎo)致氫鍵松弛、斷裂。實(shí)踐證明采用微波裝置在殺菌溫度、殺菌時(shí)間、產(chǎn)品品質(zhì)保持、及節(jié)能方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

微波殺菌裝置可安裝在流水線上。

在制藥工業(yè)中，粉狀、顆粒狀、片狀藥品等醫(yī)藥制品需要干燥滅菌，微波技術(shù)正好對(duì)路子；對(duì)于中草藥材的快速干燥、殺蟲、滅菌工序，使用微波干燥、微波殺菌技術(shù)具有多方面的優(yōu)勢(shì)。

3.微波萃取

利用微波能實(shí)現(xiàn)萃取，這是一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)，被萃取物質(zhì)從基體中分離快，萃取效率高，節(jié)省時(shí)間，污染小，適用范圍很廣。

一般中藥材的萃取工藝簡(jiǎn)單：藥材粉碎，用水做溶劑微波加熱，有效物質(zhì)快速進(jìn)入溶劑中，再過濾去渣，用“膜分離技術(shù)”去水，微波烘干，最后獲得粉末狀的萃取物。

中藥材萃取物組合配置可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“中藥湯劑”。

中國的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品豐富，農(nóng)作物豐富，中藥材豐富，有數(shù)不盡的有效成分期待人們萃取，例如橘子皮中的橘油，荷葉中的藥用成分，艾草中的有效成分，等等，由于沒有人去萃取，很多原材料都浪費(fèi)了。

現(xiàn)在已經(jīng)有不少公司從事微波萃取業(yè)務(wù)，幾百種有效成分從植物中被提取出來，萃取的品種越來越多，可喜。微波萃取非常有市場(chǎng)前景。

4.微波處理木材

微波可對(duì)1－6公分厚的木板進(jìn)行均勻、快速烘干，干燥只需十幾分鐘，且不開裂變形小，同時(shí)殺死木材內(nèi)部的卵蟲和幼蟲；也可對(duì)膠合板或拼板膠接的固化處理以及竹制品木制工藝品干燥、滅霉、殺菌。

5.微波用于醫(yī)療

用微波對(duì)皮膚做局部照射，熱效應(yīng)可以深入皮下幾毫米，理療效果好。用微波可以加熱血漿、解凍冷藏器官。因?yàn)槲⒉ㄉ郎乜欤植啃院茫赃€可設(shè)計(jì)微波手術(shù)刀，開刀止血快、出血量少。

6.微波陶瓷燒結(jié)

微波可以讓陶瓷毛坯（含有水分），在很短的時(shí)間，從內(nèi)部到外表，均勻加熱至2000℃，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷的均勻致密化燒結(jié)。正是由于微波這種內(nèi)外一起加熱的特點(diǎn)，大尺寸的精細(xì)陶瓷也不易炸裂，成品率高。傳統(tǒng)燒制陶瓷，把毛坯放入窯中，窯內(nèi)的溫度不均勻，溫度又是從外向內(nèi)對(duì)毛坯升溫的，所以傳統(tǒng)的熱輻射加熱方法使毛坯變形炸裂的多，燒制陶瓷的成品率低。用微波燒制陶瓷是傳統(tǒng)方法無法比擬的。　

7.微波硫化橡膠

生橡膠受熱變軟，遇冷變硬、發(fā)脆，不易成型，容易磨損，易溶于汽油等有機(jī)溶劑，分子內(nèi)具有雙鍵，易起加成反應(yīng)，容易老化。為改善橡膠制品的性能，要讓生膠硫化，這樣，生膠的線型結(jié)構(gòu)的大分子就交聯(lián)成為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子，硫化過的橡膠具備高強(qiáng)度、高彈性、高耐磨、抗腐蝕等等優(yōu)良性能。

傳統(tǒng)方法是用含硫蒸汽在一定溫度下對(duì)膠料硫化。由于靠熱傳導(dǎo)加熱，溫度由外部向內(nèi)部慢慢地?zé)醾鲗?dǎo)，加上橡膠物料是不良導(dǎo)熱材料，所以大部分時(shí)間都耗費(fèi)在讓橡膠達(dá)到硫化溫度上。所以加熱時(shí)間長、效率低、硫化均勻性不好。另外，傳統(tǒng)工藝為消除橡膠粘連而使用滑石粉，致使橡膠生產(chǎn)車間中粉塵彌漫，環(huán)境很差。

現(xiàn)在的微波硫化橡膠的過程大致是這樣的：

1）成型擠壓設(shè)備：把生膠料擠壓為成品形狀。

2）表面硫化定型設(shè)備：主要用來把剛擠壓成型的生膠產(chǎn)品，采用高溫，迅速將其表面硫化定型，這樣可防止產(chǎn)品變形也便于輸送。

3）微波加熱設(shè)備：把產(chǎn)品整體，迅速加熱到硫化所需要的溫度，這一過程只需要幾十秒鐘的時(shí)間。

4）熱風(fēng)硫化設(shè)備：使橡膠產(chǎn)品保持在硫化所需要的溫度范圍內(nèi)持續(xù)硫化。

5）冷卻段：把完成硫化的橡膠產(chǎn)品，冷卻到可收集處理的溫度。

微波加熱與傳統(tǒng)加熱方式完全不同，是將微波能量穿透到被加熱介質(zhì)內(nèi)部直接進(jìn)行整體加熱，因此加熱迅速，高效節(jié)能，大大縮短了橡膠硫化時(shí)間，使其加熱均勻性更好，硫化質(zhì)量較高，也不需要使用滑石粉，達(dá)到環(huán)保要求。該生產(chǎn)工藝可使大多數(shù)生產(chǎn)工序集中在一條生產(chǎn)線上完成，自動(dòng)化程度高，能耗低，節(jié)省人力，生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量均勻等，大大改善了生產(chǎn)勞動(dòng)條件。

總之，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中越來越多地使用微波加熱技術(shù)。