微波一般是指波长在1mm～1m（不含1米）范围（其相应频率为300～3000000MHz）的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。由于微波的频率很高，所以在某些场合也称做超高频。微波的传统应用是将微波作为一种传递信息的媒介，应用于雷达、通讯、测量等方面。近年来，除了传统的微波应用继续发展外，微波作为一种能技术也迅速发展，将微波能广泛用于对物体进行加热和干燥。

为了防止民用微波能技术对军用微波雷达和通讯广播的干扰，国际上规定供工农业、科学及医学等民用的微波有4个波段，890～940MHz（L）、2400～2500MHz（S）、5725～5875MHz（C）、22000～ 22250MHz（K），目前915MHz和2450MHz2个频率已广泛的为微波加热所采用。

（一）微波加热的特点

微波加热是靠电磁波把能量传播到被加热物体的内部，这种加热方式有以下特点。

微波加热是利用被加热物体本身作为发热体而进行内部加热，不靠热传导的作用，因此可以令物体内部温度迅速提高，所需加热时间短。一般只需常规方法的1/10～1/100的时间就可以完成整个加热过程。

2.加热均匀性好

微波加热是内部加热，而且往往具有自动平衡的性能，所以与外部加热相比较，容易达到均匀加热的目的，避免了表面硬化及不均匀等现象的发生。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厘米到几厘米的范围。只有当加热物体的几何尺寸比透入深度小的多时，微波才能够透入内部，达到均匀加热。

3.加热易于瞬时控制

微波加热的热惯性小，可以立即发热和升温，易于控制，有利于配置自动化流水线。

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，食品中水分吸收微波比干物质多得多，温度也高得多，这有利于水分蒸发。干物质吸收的微波能少，温度低，不过热，而且加热时间又短，因此能够保持食品的色、香、味等。

微波加热设备虽然在电源部分及电子管本身要消耗一部分的热量，但由于加热作用开始自加工物料本身，基本上不辐射散热，所以热效率高，热效率可以达到80%。同时，避免了环境的高温，改善了劳动条件，也缩小了设备的占地面积。

（二）微波加热的原理

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做杂乱无规则的运动。当介质处于直流电场作用下时，偶极分子就重新排列。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。

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运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，表现为截止温度的升高。

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。为了提高介质吸收功率的能力，工业上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处。

除了交变电场的频率和电场强度外，介质在微波场中所产生的热量的大小还与物质的种类及其特性有关。

（三）微波加热在食品中的应用

微波用于食品加工开始于1946年，但1960年以后才开始大规模用于食品加工业。

1.食品微波烹调

（1）微波炉烹调食品　采用微波炉完成烹调操作，不仅可以大大节约时间，而且食品更接近原色，营养成分损失更少。微波烹调的维生素保存率高于煤气烹调。

用微波炉烹调食品时，其加热效果与该食品的含水量和容器的形状有关。食品含水量达70%以上时，会产生加热不均匀现象。用方形的容器，会出现四角处先热的现象。

（2）微波炉方便食品　在美国，微波炉方便食品分为两大类：一类是在常温下流通的，经过高温杀菌或采用热包装技术和无菌包装技术包装，在常温下可以贮存半年或一年，如炖牛肉等肉制品；二是在低温下流通的，这类食品大多以可用作微波炉加热和普通炉加热的容器包装，如馅饼等。

尽管微波炉食品有成本高和人们对其包装材料的安全性存在担心的缺点，但它食用方便。因此，发展越来越快。

2.食品微波干燥

（1）微波干燥过程　一般干燥方法的干燥过程是食品首先外部受热，表面干燥，然后是次外层受热，次外层干燥。由于热量传递与水分扩散传递的方向相反，在次外层干燥时，其水分必须通过最外层，这样就对已干的最外层起了再复水的作用。这样，里外各层的干燥——再复水——再干燥依次反复向内层推进。过程总的特点是热量向内层传递越来越慢，水分向外层传递也越来越慢，因而食品内部特别是食品中心部位的加热和干燥成为干燥全过程的关键。

微波加热是内部加热，因此用微波加热干燥物品时，物品的最内层首先干燥，最内层水分蒸发迁移至次内层或次内层的外层，这样就使得外层的水分越来越高，因此随干燥过程的进行，其外层的传热系数不仅没有下降，反而有所提高。因此在微波干燥过程中，水分由内层向外层的迁移速度很快，即干燥速度比一般的干燥速度快很多，特别是在物料的后续干燥阶段，微波干燥显示出其无与伦比的优势。

（2）微波干燥的特点　与一般方法比，微波干燥有许多优点。

①厂房利用率高。同样的厂房面积微波干燥器的生产能力是传统干燥器的3～4倍。

②干燥速度快，时间短。

③产品质量好。干燥时表面温度不是很高，对表面无损害。另外，不对大量空气加热，因此表面氧化少，这样产品的色泽有较大的改善。另外，采用微波干燥，其产品的含菌率比传统方法小许多，因为微波具有杀菌作用。同时产品的表面容易形成多孔性结构，因此产品的复水性较好。

④卫生条件好。

⑤节能。采用微波干燥可节能20%～25%。

微波干燥的缺点是投资大、耗电量大等。从经济角度考虑，对含水量高的物料，单纯采用微波干燥其经济效益不一定好。实际上，微波加热干燥经常与其他干燥方法如热空气干燥、油炸，甚至红外干燥技术结合起来使用，而且微波干燥往往用于后续干燥工段。

（3）食品微波干燥系统与实例

①一般食品微波干燥系统　从微波发生器产生的微波由两根25kW的磁控管分配成两条平行的微波隧道，形成微波场干燥区。要干燥的物料由输送带送入微波场，同时加热至87.7℃～104.4℃的热空气从满载物料的输送带（干燥区）的下部往上吹送，将干燥时蒸发出来的水分带走。两端的吸收装置防止微波外泄。该装置用于干燥土豆片，物料的停留时间为2.5～4.0min，产量可以达到900kg/h。

微波干燥用作后续干燥方法的成功例子很多：

美国的低温干燥公司在干燥面条时采用如下工艺：首先用热风将含水30%的湿面干燥至含水分18%，然后用微波——热风干燥至所要求的含水量13%，这一步只需要12min，这样使原来的8h的干燥时间降至1.5h。

生产油炸马铃薯片时，先用油炸至含水量8%左右，然后用微波干燥至含水量低于1.5%。这种方法生产的产品其含油率由普通方法的40%降至35%，其生产费用也大大减少。

②食品微波真空干燥　以微波加热为加热方式的真空干燥。在果汁、茶汁、谷物、种子的干燥中用的比较多。

如法国一家工厂用48kW、2450MHz的微波真空干燥设备干燥速溶橘子粉和葡萄粉。其工艺为先用一般方法将果汁浓缩至63°Bx，然后用微波真空干燥（真空度为10.67～13.33kPa，80～100mmHg）至含水率小于2%，干燥时间为40min，生产能力为49kg/h。其产品质量很好，其Vc的保存率高于喷雾干燥。对于果汁中挥发性风味物质的保存率，微波真空干燥的情况均好于冷冻干燥和喷雾干燥，因为冷冻干燥的时间长，喷雾干燥的温度高。

微波干燥用于谷物和种子的干燥是因为微波干燥具有以下特点：速度快。很多作物的种子用微波真空干燥，由于速度快而不会对其颗粒有损害。无噪音。无污染。效率高，系统的效率比普通系统高48%。质量高，由于温度低，对作物种子颗粒没有损害，种子的发芽率可以提高。安全，没有粉尘爆炸的危险。适应性强，不同的谷物和种子可以用同一台设备干燥。

③食品微波冷冻干燥一般比传统冷冻干燥可以节约60%～75%的时间。但速度也不宜过快，因为中心冰的升华比水蒸气的扩散排除要快，而若内压超过临界点，冰便熔化，升华干燥便得不到保证。

3.食品微波解冻

（1）食品微波解冻过程

细胞间的水分由于其吸收微波能快（介电常数大），首先升温并熔化，然后使细胞内冻结点低的冰晶熔化。由于细胞内的溶液浓度比细胞外的溶液浓度高，细胞内外存在着渗透压差，水分便向细胞内扩散和渗透，这样既提高了解冻的速度又降低了失水率。此法解冻过程与一般的解冻过程正好相反，即细胞内冻结点较低的冰晶首先熔化。另外，微波解冻作用是内外一起进行的，因此速度要比传统的由外向内进行的解冻过程快得多。

（2）食品微波解冻的特点

传统的解冻作业有解冻时间长、占地面积大、失水率较高、表面易氧化、易变色、消耗大量清洁水等缺点。由于微波加热的特性，使得微波加热解冻，可以全部或部分地克服上述缺点。自然解冻是失水率最小的方法（失水率小，产品质量好），微波解冻比自然解冻快得多，而失水率则基本上处于同一水平。

（3）食品微波解冻操作

微波加热解冻有如下几个操作要点。

①微波的频率越高，其加热速度越快，但其穿透深度越小。在解冻时，频率不宜选得太高，一般宜选用915MHz（穿透深度达20cm）的频率，对于厚度较大的冷冻产品，有时甚至采用896MHz的频率。而2450MHz的微波只有10cm的穿透深度。

②微波的穿透深度还与温度有关。随温度的升高，含水量超过50%的材料由于其介电常数增加，其穿透深度下降。

③不同的温度阶段，其升温所需的热量不同。将冻牛肉从－3℃升温至－2℃所需要的热量是从－4℃升温至－3℃的近2倍。

④准备采用微波加热解冻的块状食品应按大小和形状分类贮存，形状和大小相同的食品应安排在同一批处理。

4.食品微波杀菌和保鲜

（1）食品微波杀菌的作用机理

食品微波杀菌的机理包括热效应和非热效应。

①热效应　微波作用于食品，食品表里同时吸收微波能，温度升高。食品中污染的微生物细胞在微波场的作用下，其分子也被极化并作高频振荡，产生热效应，温度升高。温度的快速升高使其蛋白质结构发生变化，从而失去生物活性，使菌体死亡或受到严重干扰而无法繁殖。

②非热生化效应　微波的作用会使微生物在其生命化学过程中所产生的大量电子、离子和其他带电离子的生物性排列组合状态和运动规律发生改变，亦使微生物的生理活性物质发生变化。同时，电场也会使细胞膜附近的电荷分布改变，导致膜功能障碍，使细胞的正常代谢功能受到干扰破坏，使微生物细胞的生长受到抑制，甚至停止生长或使之死亡。微波能还能使微生物细胞赖以生存的水分活度降低，破坏微生物的生存环境。另外，微波还可以导致细胞DNA和RNA分子结构中的氢键松弛、断裂和重新组合，诱发基因突变，染色体畸变，从而中断细胞的正常繁殖能力。

（2）食品微波杀菌的应用

微波灭菌比常规的灭菌方法更能保留更多活性物质，即能保证产品中具有生理活性的营养成分是其一大特点。因此，它应用于人参、香菇、猴头菌、花粉、天麻以及其他中药、中成药的干燥和灭菌是非常适宜的。

微波不仅可以用于固体物质的消毒，也可以用于液体物质的消毒、灭菌。如微波牛奶消毒，采用的频率是2450MHz，其工艺可以是采用82.2℃左右处理一定时间，也可以采用微波高温瞬时杀菌工艺，即200℃，0.13秒。消毒奶的杂菌和大肠杆菌的指标达到要求，而且奶的稳定性也有所提高。

微波还经常用于产品的灭酶保鲜。采用微波热烫可以减少水溶性营养物质的流失。茶叶杀青采用微波来完成，可以提高产品质量。

5.食品微波焙烤与烘烤

（1）食品微波烘烤的优缺点

微波烘烤的优点主要体现在以下几个方面。

①微波焙烤的产品营养价值较传统方法焙烤的高，因为微波焙烤的温度较低，时间较短，因此营养成分的损失较小。

②由于其焙烤过程是里外同时加热，因此焙烤时间可以减少至几分钟。

③由于焙烤一开始就内部加热，物料内部的水分迅速汽化并向外迁移，形成无数条微小的孔道，使得产品的结构蓬松。

④设备占地面积小。

但由于焙烤时其表面的温度太低，不足以产生足够的美拉德反应。由于此产品的表面缺少人们所喜爱的金黄色，因此，微波烘烤往往与传统焙烤方法（或与红外加热）结合使用，两种加热方式同时进行或依次进行。

（2）食品微波焙烤实例

适用于微波焙烤的产品有面包、糕点和多种饼。由α-淀粉酶含量高的面粉制成的面包一般不能用传统方法焙烤，因为α-淀粉酶的作用会引起淀粉大量分解，使产品的体积减小，弹性变差（即发硬）。如果采用微波焙烤，其迅速加热所产生的大量蒸汽和CO₂可使产品蓬松，也能使α-淀粉酶对淀粉的分解作用减小到最低限度。

微波膨化就是利用微波的内部加热特性，使得物料的内部迅速受热升温产生大量的蒸汽，内部大量的蒸汽往外冲出，形成无数的微小孔道，使物料组织膨胀、疏松。如美国的爆玉米花，现在可以不用传统的压力膨化工艺进行生产，而采用微波加热膨化的生产工艺进行生产。日本已研制出一种微波加热膨化干燥蛋黄粉的设备。采用微波膨化工艺可生产许多方便食品和点心。如在面条制作过程中添加蛋白质、膨化剂、发泡剂和作料糅合成型，然后用微波膨化干燥工艺，生产出复水性良好的快速面。

七、微波技术