第二章微波技术在

第二章微波技术在第一页，共四十一页，2022年，8月28日目前915MHz和2450MHz两个频率已广泛地为微波加热所采用。另外两个频率一般应用于测湿仪和有关科学研究中。表２—1国际规定民用的微波频段频率（MHz）波段中心频率（MHz）中心波长（m）890～9402400～25005725～587522000～22250LSCK91524505850221250.3300.1220.0520.008第二页，共四十一页，2022年，8月28日

1．加热速度快：一般只需常规方法的1/10～1/100的时间就可完成整个加热过程。2．加热均匀：当然，加热的均匀性也有一定的限度，取决于微波对物体的透入深度。对于915MHz和2450MHz微波而言，透入深度大致为几十cm至几cm的范围。只有当加热物体的几何尺寸比透入深度小得多时，微波才能够透入内部，达到均匀加热。二、微波加热的特点第三页，共四十一页，2022年，8月28日3．易于控制:

与常规加热法相比，微波加热只要控制功率大小即可瞬时达到升温、降温的目的。因为加热时只有物料本身升温，炉体、炉腔内空气均无余热，因此热惯性极小，极易控制，与微机控制相结合，特别适宜于加热工艺规范的自动控制。4.选择性加热:

某些成分非常容易吸收微波，另一些成分则不易吸收微波，这种微波加热的选择性有利于产品质量的提高。例如，潮湿物吸收微波能比干物质多得多，温度也高得多，这有利于水分的蒸发。干物质吸收的微波能少，温度少，不过热，而且加热时间又短，因此能够保持食品的色、香、味等。第四页，共四十一页，2022年，8月28日

5．加热效率高:

微波加热虽在电源及电子管本身消耗一部分热量，但由于加热作用始于物料本身，基本上不辐射散热，所以效率高，热效率可达到80%，同时，避免了环境的高温，改善了劳动条件。三.微波加热原理

被加热的介质是由许多一端带正电、另一端带负电的分子（称为偶极子）所组成。在没有电场的作用下，这些偶极子在介质中作杂乱无规则的运动，

第五页，共四十一页，2022年，8月28日当介质处于直流电场作用之下时，偶极分子就重新进行排列。带正电的一端朝向负极，带负电的一端朝向正极，这样一来，杂乱无规则排列的偶极子，变成了有一定取向的有规则的偶极子，即外加电场给予介质中偶极子以一定的“位能”。介质分子的极化越剧烈，介电常数越大，介质中储存的能量也就越多,见图(b)。若改变电场的方向，则偶极子的取向也随之改变。若电场迅速交替也改变方向，则偶极子亦随之作迅速的摆动。由于分子的热运动和相邻分子间的相互作用，偶极子随外加电场方向改变而作的规则摆动便受到干扰和阻碍，即产生了类似摩擦的作用，使分子获得能量，并以热的形式表现出来，表现为介质温度的升高。外加电场的变化频率越高，分子摆动就越快，产生的热量就越多。外加电场越强，分子的振幅就越大，由此产生的热量也就越大。用50Hz的工业用电作为外加电场，其加热作用有限。为了提高介质吸收功率的能力，工业上就采用超高频交替变换的电场。实际上常用的微波频率为915MHz和2450MHz。1秒钟内有9.15×108次或2.45×109次的电场变化。分子有如此频繁的摆动，其摩擦所产生的热量可想而知，可以呈瞬间集中的热量从而能迅速提高介质的温度，这也是微波加热的独到之外。介质中偶极子的排列（a）未加电场（b）加直流电场第六页，共四十一页，2022年，8月28日第二节微波技术在食品工业中的应用

微波杀菌微波技术在食品烹调方面的应用微波技术在食品干燥方面的应用（微波/热风干燥、微波/真空干燥技术、微波/冷冻干燥技术）微波技术在食品解冻方面的应用微波技术在食品焙烤与烘烤方面的应用微波技术在食品膨化中的应用微波技术在食品工程分离中的应用微波技术在微量元素测定中的应用第七页，共四十一页，2022年，8月28日微波技术在食品工业其他方面的应用微波技术在食品调温，果蔬热烫，大豆脱腥，茶叶杀青，食品添加剂的合成，果蔬汁的微波真空浓缩，粮食的储藏，酒类、发酵制品和巧克力的成熟和陈化等方面亦有良好的应用。根据各种酶类失活温度的不同，用微波控制温度，使有损于食品风味的酶失活。第八页，共四十一页，2022年，8月28日一、微波杀菌

(一).微波杀菌的机理及特点

1.微波杀菌机理：(1)热效应

食品中的水分、蛋白质、脂肪、碳水化合物等都属于或接近偶极分子。偶极分子吸收微波能后,会发生极化,极化后在电场中获得动能并不停移动,相互之间发生碰撞,不断将动能转化为热能.

(2)非热效应(生物效应)

①微生物对微波具有选择吸收性。

②降低水分活度,破坏微生物的生存环境。

第九页，共四十一页，2022年，8月28日③对细胞膜的影响:

在高频微波场下电容性结构的细胞膜将会电击穿而破裂,而温度不会明显上升;细胞膜发生机械损伤,使细胞内物质外漏,影响细菌的生长繁殖;微波电磁场感应的离子流会影响细胞膜附近的电荷分布,影响离子通道,导致膜的屏障作用受到损失,产生膜功能障碍,从而干扰或破坏细胞的正常新陈代谢功能,导致细菌生长抑制、停止或死亡。

④细胞壁破碎:

蛋白质核酸等物质将渗透到体外,导致微生物死亡。细胞膜及细胞壁的变化已被细胞显微结构分析得到证明。透射电镜下观察,微波处理后细菌菌体变形,细胞壁与细胞膜间隙增宽,细胞壁表面出现褶皱并部分模糊不清,细胞浆内容物不均匀,水分含量降低到40%。

⑤微波导致细胞内DNA和RNA结构的变化

中的氢键松弛、断裂和重新组合,诱发基因突变,染色体畸变等,从而中断细胞的正常繁殖能力。第十页，共四十一页，2022年，8月28日⑥偶极分子旋转和在交互电场中趋向线形排列,从而引起蛋白质二级、三级结构的改变,导致细菌微生物死亡。

2.微波杀菌机理

①时间短且速度快②低温杀菌可保证食品质量③杀菌彻底④效率高,节约能源,操控方便第十一页，共四十一页，2022年，8月28日3.微波杀菌工艺(1)连续微波杀菌

连续微波杀菌利用微波的热效应,既可用于食品的巴氏杀菌,也可用于高温短时杀菌,在国内外杀菌技术中已得到广泛应用。其工艺流程及参数与微波功率、物料流量、灭菌时间和灭菌温度有关。（2）次快速辐照多次快速加热和冷却的微波杀菌工艺适合于对温度敏感的液体食品杀菌,例如饮料、米酒的杀菌保鲜。其目的是快速地改变微生物生态环境的温度,并且让微生物处在冷、热交替的恶劣环境下致死,从而避免让物料连续较长时间处于高温状态,为保持物料的色香味及其营养成分提供有利条件。

(3)脉冲微波杀菌技术一般微波杀菌主要是利用微波的热效应,而使用脉冲微波杀菌主要是利用非热效应,其对细胞的作用主要集中在细胞膜上。第十二页，共四十一页，2022年，8月28日

脉冲微波杀菌技术能在较低的温度、较小的温升条件下对食品进行杀菌,对于热敏性物料来说具有其他方法不可比拟的优势,有十分广阔的研究和应用前景。目前实现脉冲微波杀菌有两条途径。第一条途径是采用瞬时高压脉冲微波能量而平均功率很低的杀菌技术。它的原理是用微秒或毫秒级宽度的高压脉冲加在磁控管上,使脉冲功率达数十千焦/秒甚至兆焦/秒级,而平均功率只有几千焦/秒。将这样的微波能量加到被处理的物料上,使物料在极短时间内受到高能量的微波照射,使细菌等微生物在极高的电磁场作用下失去生存能力而达到杀菌的目的。它的优点是平均功率低,耗能小,杀菌效率高。第二条途径是不采用高功率脉冲微波,而是幅度较低的连续波微波功率,周期性地切断,处于毫秒级持续时间和毫秒级停断时间。细菌的肌体受到周期性的连续作用,如果该周期和细菌存在的振荡周期一致,就可能造成谐振状态,导致细菌的细胞膜振破,将细菌致死,而达到杀菌效果。

结果脉冲微波比连续微波杀菌时间更短,效率更高,能耗更低。第十三页，共四十一页，2022年，8月28日

(4)微波加热与其它方法协同杀菌技术

有研究者报道微波加热与蒸汽加热相结合杀菌效果也比较好,猪肉制品以微波加热到70℃后再用蒸汽杀菌,效果最好,加热时间约缩短40%,而鲭鱼制品则以先蒸汽后微波加热法最有效。微波和紫外线协同杀菌作用的机理。微波和蒸汽相结合使用进行猪肉和鱼制品的杀菌,也取得了很好的效果。4、微波杀菌的特点：

(1)时间短且速度快：(2)低温杀菌可保证食品质量(3)杀菌彻底(4)效率高,节约能源,操控方便

第十四页，共四十一页，2022年，8月28日

5、影响微波杀菌效果的因素

（1）食品的介电性质

介电性质对微波杀菌效果及杀菌设备的设计都有重要的影响。食品的介电性质与食品各组成成分的状态及相互作用有关。其中最重要的是食品中的水分含量和状态。水分子是极性分子,水分含量越大,食品的介电损耗因子越大,吸收微波愈强,杀菌效果愈好。水分存在的状态也对介电性质有较大影响,水结成冰,其介电常数会发生很大变化。

（2）是微波的功率、处理时间和温度

水分含量越高,微波杀菌效果越好。输出功率越大,杀菌效果越好,所需杀菌时间越短。微波杀菌应根据食品介质的性质来确定杀菌时间、温度、功率等工艺参数。输出功率高,时间短,对食品的色、香、味及组织状态影响小。所以微波杀菌宜采用高温短时

第十五页，共四十一页，2022年，8月28日6、微波杀菌的应用（1）流质食品的杀菌微波杀菌可用于啤酒、酱油、饮料、豆奶及牛乳、茶饮料。（2）果蔬杀菌保鲜西红柿、金针菇、紫菜、酱菜、榨菜、低糖果（3）在医药方面采用间歇微波灭菌法微波可对培养基灭菌,可在较短时间内达到高效的灭菌效果。滴眼剂经微波照射5min至54℃可杀灭所有金黄色葡萄球菌,7min至66℃可杀灭所有枯草杆菌黑色变种。另外,人参、香菇、猴头菌、花粉、天麻、中成药丸等用微波进行干燥杀菌处理,可以有效地保存其中的营养成分和活性物质。片剂和丸剂中药制品均可采用微波灭菌,但挥发油和热敏性药物用微波灭菌法还存在一些问题,有待于进一步研究。（4）粮油制品杀菌

月饼、面包经微波杀菌后在保藏期内不会发生霉变现象,而且保藏期延长。用微波处理法兰克福牛肉香肠,结果微波杀菌比热杀菌效果好,质量也较热杀菌。一些传统食品如豆腐、腐乳、腐竹、微波杀菌均有良好效果。第十六页，共四十一页，2022年，8月28日第十七页，共四十一页，2022年，8月28日二、微波干燥（一）微波加热的特点

1、就地加热,里外一起热,加热速度快2、穿透能力与加热均匀性3、介质电性质和选择加热效应4、温度效应第十八页，共四十一页，2022年，8月28日（二）微波干燥具有的优点第十九页，共四十一页，2022年，8月28日（三）微波干燥的应用

微波干燥设备的资金投入相对较高。微波干燥消耗的是高品质的能源—电能,而从电能到电场能的转化率只有大约50%。因此这种技术只适合于干燥具有高附加值的产品。比方说,对那些用别的方法需要很长时间才能达到去水要求的产品,或者是,用别的方法不能获得需要的品质(如颜色等)的产品。所以微波干燥只适用于某些特殊情况。微波主要是用来提高干燥能力(迅速去除水分而不在物料内部产生温度梯度)或是用于终端干燥,用于去除干燥后期需要花费很长时间才能出来的几个百分点的水分。一般讲,微波加热可以和对流或真空干燥结合来达到降低能量消耗的目的。第二十页，共四十一页，2022年，8月28日1、一般食品微波干燥系统

（1）方便面干燥和面熟化复合压片连续压片切条折花蒸煮糊化定量切微波干燥冷却产品微波干燥方便面设备主要技术参数种类微波功率视在功率微波频率传送速度外形尺寸无油型0～120KW<230KVA915+25MHz0.4～4m/min28×2.5×2.3(m)节油型0～40KW<70KVA915+25MHz0.4～4m/min11×2.5×2.3(m)第二十一页，共四十一页，2022年，8月28日第二十二页，共四十一页，2022年，8月28日(2)粮食干燥

由于微波干燥速度快、干燥时间短、微波杀菌杀虫是微波热效应和生物效应共同作用的结果。微波杀菌杀虫正是利用电磁场效应和生物效应起到对微生物和害虫的杀灭作用。实践证明采用微波装置在杀菌杀虫温度、杀菌杀虫时间、粮食品质保持、粮食贮藏期和发芽率提高及节能方面都有明显的优势。利用热空气可以有效的排除物料表面的自由水分和微波干燥提供了排除内部水分的有效方法,将微波干燥与热风干燥有机地结合起来,进一步提高干燥过程的效率和经济性。第二十三页，共四十一页，2022年，8月28日2、微波真空干燥技术

微波系统与真空系统相结合的微波真空干燥技术表现出两者的优点,既降低了干燥温度又加快了干燥速度,具有快速、高效、低温等特点,能较好的保留被干燥食品或是药品等物料原有的色香味,而且维生素等热敏性营养成分或者活性成分的损失大为减少,得到较好的干燥品质。该技术特别适用于食品、药品、生物制品等热敏物料的干燥,而且设备成本、操作费用低。微波真空干燥在果蔬脱水方面具有较大的潜力,果蔬含水量大,用冷冻干燥成本极高。许多研究表明,微波真空干燥果蔬制品,其色香味及热敏成分的保留率十分接近于冷冻干燥。虽然质构较硬,与冷冻干燥有一定的差距,但干燥时间和成本可大幅度降低。美国加州大学研究用微波真空干燥技术生产脱水膨化葡萄,能很好地保持鲜葡萄风味和色泽,外形也能不萎缩。由于微波干燥温度低,干燥时间短,维生素B1、B2、C能得到较高的保留率。第二十四页，共四十一页，2022年，8月28日3、微波冷冻干燥1)蔬菜类、水果类、肉禽类、水产品类;调味品和饮品类等多种食品。2)药用材料,如人参、灵芝、枸杞等中药材。3)花卉和动、植物标本的原物品等。第二十五页，共四十一页，2022年，8月28日4、微波干燥食品事例（1）微波技术在茶叶干燥中的应用

传统干燥方法将热量从外部传导到内部需要一定的时间，且存在内外温度差和湿、热传递方向相反的问题。微波加热可导致物料表面和内部同时升温，且内部温度高于物料表面，使大量的水分子从物料中逸出而被蒸发带走，达到干燥的目的。这种干燥方法的特点是加热时间短，且热传递方向与湿传递方向一致。因此，微波干燥的茶叶产品，叶绿素变化少、色泽翠绿、干燥均匀、香气损失少，产品质量明显优于用传统方法干燥的茶叶。（2）超细粉碎技术在茶叶的可食研发中的应用第二十六页，共四十一页，2022年，8月28日三、微波技术在食品解冻方面的应用

传统的解冻作业有以下几个缺点：时间长；占地面积大；失水率较高；表面易氧化；易变色；消耗大量清洁水。由于微波加热的特性，使得微波加热解冻可以完全或部分地克服上述缺点。自然解冻是失水率最小的方法，但微波解冻与自然解冻相比，微波解冻比自然解冻快得多，而失水率两者基本上处于同一水平。工业上已用微波加热解冻的食品有：肉、肉制品、水产品、水果和水果制品。家用微波炉用于冷冻食品的解冻极为方便和快捷，并已为大多数家庭所采用。第二十七页，共四十一页，2022年，8月28日四、微波技术在食品焙烤与烘烤方面的应用

适用微波焙烤的产品有面包、糕点和多种饼。微波加热也常用于坚果类的烘烤，花生、可可豆、杏仁等坚果，由于有坚固的外壳，烘烤、焙炒比较困难。采用一般的加热力法容易加热过头，坚果本身变脆，不易切片。采用微波加热，由于其内部加热的特性，可以克服上述缺点，并且可延长产品的货架寿命和增加产品香味。第二十八页，共四十一页，2022年，8月28日

并且可延长产品的货架寿命和增加产品香味。面包生产中利用微波醒发面团，可以缩短醒发时间。微波焙烤可使面包具有良好的组织形态，但面包上色不够，须结合传统加热使表面褐变，或采用特殊的容器或包装材料，或采用易发生褐变反应的添加刑生产面包。鲍家俊将微波成功用于熏肉、肉饼和家禽的加工，可有效降低成本、提高生产率。法国雀巢公司用2450MHz、10kW的微波设备焙烤可可豆，焙烤时间比热空气焙烤缩短一半以上，生产能力达到70kg/h~120kg/h。五、微波技术在食品膨化中的应用

微波膨化就是利用微波的内部加热特性，使物料内部迅速受热升温产生大量的蒸汽，内部大量蒸汽往外冲出，形成无数的微小孔道，使物料组织膨胀、疏松。用微波膨化工艺可生产许多方便食品和点心。日本研制的一种微波膨化干燥蛋黄粉的设备，使用16只5kW、2450MHz的磁控管，日产量达1t。美国利用微波技术干燥土豆片和苹果片，开创了微波膨化食品的先河。目前，采用真空微波技术对果蔬进行脱水膨化处，在某种情况下会产生类似煎炸膨化产品的质地。第二十九页，共四十一页，2022年，8月28日举例：微波膨化米饼生产1、生产工艺流程

原料混合→打芡调粉→压片成型→蒸煮糊化→均衡水分→调味烘干→微波膨化→冷却处理→成品包装1-供料系统2-供水系统3-和面机4-夹层锅5-压片机6-冲印成型机7、9、11-连接架8-蒸煮机10-烘房12-微波设备13-冷却机14-包装机第三十页，共四十一页，2022年，8月28日微波膨化米饼生产中微波泄漏问题决1）微波对人体的伤害微波作用于生物体，大部分转化为分子动能，形成温度升高，伤害生物体，统称热效应。有一定深度，在表皮处散热快，但在皮下深度肌肉，散热慢、升温高，当表皮尚不知疼痛，深处却已严重伤害，尤其是人的眼球部位和睾丸部位，易被伤害。2）防护措施微波泄漏一直以来是使用微波设备的厂家所担心的问题，也是设计微波设备首先要考虑解决的问题。设备生产厂家应根据微波传播的原理，提出明确的设计要求。如正确设计并采用扼流门，抑止器，1/4波长的短路或开路线等，完全可以将泄漏控制在安全剂量标准以下。在设备制造完成后，应该对泄漏进行必要的测定。在安装或操作微波加热设备时，应考虑让操作人员尽量离开设备容易泄漏的部位。微波泄漏的规律是“不走洞，爱走缝”，同时微波在空间的传播是以平方指数衰减的，只要操作人员与泄漏处保持一定的距离就能有效的躲避微波辐射。还可以采取对微波设备作封闭性屏蔽的方法避免微波辐射的伤害，如采用金属网或金属板，将微波加热装置与操作人员隔开，采用金属网的方法，不妨碍从外面对加工状况进行观察，既经济又易于实现。防护眼镜，形式多种，有铜丝网、铅玻璃，涂有二氧化锡的玻璃等。其中以铜丝网式防护镜效果较好。铜丝网的丝径为0.07～0.14mm，网眼数量560~186孔/cm2。防护工作服，将电介绝缘材料作最外层，防止出现电弧现象和防腐，中间层为0.457mm，线间隙为1mm的涂银尼龙线编织成的“尼龙布”，有良好反射作用，穿此服可进入200mw/mm2高场区。制定切实可行的安全操作规章制度，制定按期维修制度，工作区设置警戒标记，禁止一般人员进入，采用微波指示器和警报器，漏波至危险时可及时发出警报，对初次使用微波设备的人，应经过必要的训练和熟悉的过程，并要掌握一定的微波知识与安全操作规程。

第三十一页，共四十一页，2022年，8月28日六、微波技术在食品工程分离中的应用

微波分离技术可用于植物天然成分的提取和食品添加剂制备工艺中的提取。微波萃取技术在国外发展很快，已在许多方面得到应用，并申请了数项专利。我国从19