食品高新技术5 第五讲 微波加热技术与食品工业
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f ：微波频率(Hz) E：电极间电场强度(V· -1) cm
ε：电介质的介电常数
δ：电介质的损失角(导电率) tanδ：电介质的有效损耗正切 (ε. tanδ)是每种介电材料所固有的性质，称为损耗因数或介电损失
表1 一些电介质的损耗因数
电介质 水(3000MHz) 冰(-12℃，3000MHz) 含水食品 生豚肉(-15℃，2450MHz) 生牛肉(-15℃，2450MHz) 马铃薯(2450MHz) 碗豆(2450MHz) 菠菜(2450MHz) 小麦粉(含水率8%，4MHz) 6.8 5.0 4.5 2.5 13.0 2.6 1.2 0.15 0.2 0.2 0.5 0.03 介电常数(ε) 77 3.2 导电率(tanδ) 0.15 0.00095 损耗因数(ε· tanδ) 11.55 0.00304 0.5~35 8.16 0.75 0.9 0.5 6.5 0.078
915MHz， 60kW面食、
酱料微波处理设备
3、用于食品物料的干燥(包括真空、冷冻干燥) 微波加热可用于诸如通心粉、谷物、水果、海藻类食 品等干燥。
中试用微波冷冻干燥机
中试用微波真空干燥机
4、用于食品的杀菌消毒 微波杀菌消毒处理时间短，容易实现连续化生产， 不影响食品的原有风味和营养成分。并且由于微波的 穿透特性，食品可在包装后进行杀菌消毒。
（四）微波处理对食品营养成分的影响
(1)对蛋白质的影响 微波处理对牛奶中蛋白质的影响并不大，对酱油中的氨 基酸液无破坏分解作用，而且适当的微波处理还能提高大豆 蛋白的营养价值。
微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化
必须氨基酸种类 异亮氨酸 加热前百分组成(%) 4.88 加热后百分组成(%) 4.70
-12.0
水 14.5 55.0 95.0 -51.1 牛 肉 -17.7 4.5 冷冻干燥的牛肉 -60.0
1500
6.6 16.3 29.5 70.0 9.8 1.12 550.0
780
0.9 2.3 4.8 18.2 7.6 46.0 190.0
-17.7
180.0
64.0
微波的穿透性对于微波加热的好处和坏处 好处： 1. 实现包装后食品的短时杀菌。 2. 加热时间短，干燥速度快，而且对有些食品还 能起到特有的膨化效果。 3. 快速解冻。 坏处： 微波加热的穿透性是造成微波加热不均匀(runaway heating)的另一个主要原因之一。
微波炉与传统烹调对Vc的破坏情况
检测 项目
还原性 Vc 卷心菜 总Vc 25.2/100 24.0/100 4.76 20.4/100 19.05
食品 名称
烹调前 含量 (mg/g) 23/100
微波烹调后 含量 (mg/g) 14.5/100 损耗率 (%) 36.96
传统Fra Baidu bibliotek调后 含量 (mg/g) 8.5/100 损耗率 (%) 63.04
微波加热中，热集中的地方称为热点(hot spot）。
克服方法：
为了克服微波穿透性带来的加热不均匀，主要有以下方法： 1. 使微波从各个方向照射被加热物体； 2. 承载被加热物体的托盘采用微波穿透性好的材料， 并且可以旋转； 3. 微波炉炉壁和炉底采用可反射微波的材料； 4. 被加热物体的厚度应在半衰深度的2倍左右。
三、微波加热在食品工业中的应用
（一）采用微波加热技术的优缺点
优点：
1.
缺点：
微波加热最主要的缺 点是电能消耗大。
2.
3.
4.
5.
6.
加热、干燥速度快，所 需时间短； 加热效率高； 加热过程具有自动平衡 性； 物料加热均匀、产品质 量高； 设备操作简单，适应性 强，且占地面积小，工 作环境良好； 对营养成分破坏小
Microwave Food Proce
微波加热技术与食品工业
一、发展历程
1946年，美国雷声公司（Raytheon Corporation）波西· 斯潘塞 博士（Dr.Percy Spencer）在雷达试验中测试一个新的真空管时， 偶然发现口袋里的糖果因泄露的微波作用而发热融化。
Dr.Percy Spencer
he placed some popcorn kernels near the tube .the popcorn sputtered, cracked and popped all over his lab. put the magnetron tube near an egg. the egg began to tremor and quake. the egg exploded and splattered hot yoke all over his face. the melted candy bar, the popcorn, and the exploding egg, were all attributable to exposure to low-density microwave energy.
微波加热的自动平衡性
当微波频率和电场强度一定时，物料在加热或干燥的过 程中对微波功率的吸收，主要决定于物料的损耗因数 (ε· tanδ)，不同物料的损耗因数是不同的，例如，物料中水 的损耗因数比其他物质的大，物料中较湿的地方，水分多， 吸收的能量多，温升快，水分蒸蒸发就快。湿地方变干后， 水分少，吸收的能量少，温升就变慢。也就是说，微波能 不会集中在已干的物质部分，避免了已干物质的过热现象， 具有自动平衡的性能。
D：微波的穿透深度(m) λ：所用微波的波长(m) ε：被加热物体的的介电常数 tanδ：被加热物体的导电率
由上两式可知道穿透深度D也是ε和tanδ的函数，受被加热物 体性质、温度、状态的影响。
表2 一些物质的微波穿透深度
被加热物体名称 温 度 (℃) 915MHz 半衰深度 (cm) 2450MHz 半衰深度 (cm)
普通家用微波炉使用的频率一般为2450MHz， 而食品工业所使用的微波加热设备的频率则有 915MHz (美国用896MHz)和2450MHz两种。
（二）微波的加热机理
食品工业中所使用的微波设备主要是利用微 波的热效应。食品中的水分、蛋白质、脂肪、 碳水化合物等都属于介电材料(dielectric material)，微波对它们的加热称作介电感应加 热(dielectric heating)。
3、加热不均匀性的原因及克服
产生原因：
微波加热最大的问题就是加热不均匀。造成的原因主要有 以下几点：
1.
2.
3.
微波加热的选择性。在相同的微波场中，不同的食 品材料以及这些材料温度、状态的不同，都会引起 食品各部分温度上升的差异。 微波虽然有好的穿透性，可是它在实际加热中受反 射、穿透、折射、吸收等影响，使被加热物体各部 分产生的热能产生较大的差异。 电场的尖角集中性，也称为棱角效应(edge effect)。 微波作为电磁波的一种，其电场也有尖角集中性。 当食品放入微波场中进行加热时，某些部分会因为 电场集中而产热多，温升快。
微波对纯菌肉汤的致死试验
菌种 菌浓度 (104个 /ml) 10 2 ＋ 3 ＋ 4 ＋ 5 ＋ 致死时间(min) 6 － 10 － 15 － 20 － 25 － 30 －
金黄色葡萄球菌
A群溶血性链球菌
鼠伤寒沙门氏菌 宋耐氏志贺氏菌 埃希氏大肠杆菌
10
10 10 10
＋
＋ ＋ ＋
＋
＋ ＋ ＋
－
＋ ＋ －
微波加工的三个基本特征
图2 水分子的极性
图3
微波加热机理示意图
（三）微波加热的特性
1 、选择性
在微波场中，各电介质吸收微波而产生的热能可用下式表示：
P
式中:
5 f E 2 tan 10 12 9
P：在单位时间(1s)内，单位体积电介质(1cm3)吸收微波所产生的热 能(W· -3) cm
亮氨酸
赖氨酸 蛋氨酸＋半胱氨酸 苏氨酸 色氨酸 缬氨酸 苯丙氨酸＋酪氨酸
8.43
9.38 3.49 4.75 1.00 5.09 7.88
8.36
9.23 3.42 4.71 1.00 4.97 7.87
(2)对食品中脂肪的影响
适当的微波处理不会破坏脂肪酸的营养价值。但处 理时间过长或强度太高，可能引起脂肪酸的过氧化反应。 大豆经微波处理后，其总脂含量明显增加，15种甘油三 酯分子均未受到破坏，大豆脂肪酸组成在数量和质量上 也无显著变化。
了解被加热物体的电容特性； 按照半衰深度的大小，将食品进行分割； 改进容器，克服棱角效应； 流体食品可结合搅拌方法； 可结合远红外、热风加热等方式。
2、 穿透性
假设P0为电介质表面的入射电场，P为某一穿透深度D时的电 场，则有如下关系存在：
P＝P0 e 2αD
式中：
2 ( 1 tan 2 1) 2
微波的选择性加热给微波加热的好处和坏处： 好处： 1. 加热效率高，节约能源，易控制。 2. 可用于较干燥的谷物杀灭害虫。 坏处： 微波的选择性加热是造成微波加热不均匀(runaway heating)的主要原因之一。
为了克服微波的选择性加热所带来的加热不均匀，方法主 要有以下几点：
1. 2. 3. 4. 5.
木材(硬干材)
木材(软干材) 生橡胶 塑料 聚乙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 陶瓷器、纸 玻璃
3
5 2.3~2.5 2.3 3~5 2.6~3.0
0.03
0.065 0.012 0.0005 0.025~0.05 0.0002~0.0004
0.09
0.325 0.0276~0.03 0.005~0.1 0.00115 0.075~0.25 0.00052~0.0012 0.1~0.2 0.05
（二）微波技术在食品工业中的应用及发展
1、 食品的解冻和软化 国外已有使用915和2450MHz微波解冻设备进行食品的软 化、解冻。
915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装臵
2450MHz，30kW连续式微波软化/解冻装臵
2、 用于食品的烹调及预加工
2450MHz，50~80kW流动式切块禽肉微波处理设备
(3) 对食品中碳水化合物的影响
食品中的碳水化合物在微波环境中会发生一系列的反应，如 美拉得反应、糖的焦化等。微波处理的甘薯中乙醇溶性的碳水化 合物总含量、还原糖类及糊精含量均比对流炉处理的甘薯少，而 淀粉含量则恰好相反。
(4) 对食品中维生素的影响
由于微波加热的时间短而效率高，有利于最大限度的保 存食品中的维生素，尤其对于热敏性维生素的保存。 1、维生素C 用微波对不同的维生素进行热处理，维生素C的含量几乎 不受影响。蔬菜无水微波烹调与传统方法的比较表明，无水 微波烹调更有利于维生素的保存；微波处理时间的长短对维 生素的保存有较大影响。因此，在进行微波加热时应严格控 制加热时间，保证维生素有最大的保存率。
Dr.percy Spencer 申请的第一个微波能用于食品加工的专利。
In 1947, the first commercial microwave oven hit the market. called it a "Radarange"
二、微波的性质与加热机理
（一）微波的性质
微波是频率非常高的电磁波，又称为超高频 波，频率大约从300MHz到300GHz*。之所以称 为微波，是因为其波长在1mm~1m，比普通的 无线电波波长更微小。 1GHz＝103 MHz＝109 Hz
2、维生素B1 和B6
维生素B1 和B6 同属于B族维生素中的热敏性维生素， 在传统的食品加工过程中很容易受到破坏。利用微波烘烤 的食品中，维生素B1 和B6 能很好的保存。
3、维生素E
适宜的微波加热能保留大豆种子中的90％的维生素E， 明显优于传统加工方法。随着微波加热时间的延长，植物油 中维生素E的含量下降，其下降幅度随脂肪酸的种类不同而 不同。微波过度加热可使油发生水解作用，使游离脂肪酸含 量增大，其容易发生过氧化反应，生成自由基，引起维生素 E降解，从而导致维生素E的损耗增加。游离脂肪酸越多，碳 链越短，不饱和程度越高，则维生素E的损耗量越大。 另外，微波作用会导致维生素E的抗氧化活性降低。主 要由于微波导致植物油中饱和脂肪酸的降解及不饱和脂肪酸 氧化，从而油脂中自由基和过氧化物增多，易与维生素E发 生反应，使其失去抗氧化功能。
－
＋ － －
ε：电介质的介电常数
δ：电介质的损失角(导电率) tanδ：电介质的有效损耗正切 (ε. tanδ)是每种介电材料所固有的性质，称为损耗因数或介电损失
表1 一些电介质的损耗因数
电介质 水(3000MHz) 冰(-12℃，3000MHz) 含水食品 生豚肉(-15℃，2450MHz) 生牛肉(-15℃，2450MHz) 马铃薯(2450MHz) 碗豆(2450MHz) 菠菜(2450MHz) 小麦粉(含水率8%，4MHz) 6.8 5.0 4.5 2.5 13.0 2.6 1.2 0.15 0.2 0.2 0.5 0.03 介电常数(ε) 77 3.2 导电率(tanδ) 0.15 0.00095 损耗因数(ε· tanδ) 11.55 0.00304 0.5~35 8.16 0.75 0.9 0.5 6.5 0.078
915MHz， 60kW面食、
酱料微波处理设备
3、用于食品物料的干燥(包括真空、冷冻干燥) 微波加热可用于诸如通心粉、谷物、水果、海藻类食 品等干燥。
中试用微波冷冻干燥机
中试用微波真空干燥机
4、用于食品的杀菌消毒 微波杀菌消毒处理时间短，容易实现连续化生产， 不影响食品的原有风味和营养成分。并且由于微波的 穿透特性，食品可在包装后进行杀菌消毒。
（四）微波处理对食品营养成分的影响
(1)对蛋白质的影响 微波处理对牛奶中蛋白质的影响并不大，对酱油中的氨 基酸液无破坏分解作用，而且适当的微波处理还能提高大豆 蛋白的营养价值。
微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化
必须氨基酸种类 异亮氨酸 加热前百分组成(%) 4.88 加热后百分组成(%) 4.70
-12.0
水 14.5 55.0 95.0 -51.1 牛 肉 -17.7 4.5 冷冻干燥的牛肉 -60.0
1500
6.6 16.3 29.5 70.0 9.8 1.12 550.0
780
0.9 2.3 4.8 18.2 7.6 46.0 190.0
-17.7
180.0
64.0
微波的穿透性对于微波加热的好处和坏处 好处： 1. 实现包装后食品的短时杀菌。 2. 加热时间短，干燥速度快，而且对有些食品还 能起到特有的膨化效果。 3. 快速解冻。 坏处： 微波加热的穿透性是造成微波加热不均匀(runaway heating)的另一个主要原因之一。
微波炉与传统烹调对Vc的破坏情况
检测 项目
还原性 Vc 卷心菜 总Vc 25.2/100 24.0/100 4.76 20.4/100 19.05
食品 名称
烹调前 含量 (mg/g) 23/100
微波烹调后 含量 (mg/g) 14.5/100 损耗率 (%) 36.96
传统Fra Baidu bibliotek调后 含量 (mg/g) 8.5/100 损耗率 (%) 63.04
微波加热中，热集中的地方称为热点(hot spot）。
克服方法：
为了克服微波穿透性带来的加热不均匀，主要有以下方法： 1. 使微波从各个方向照射被加热物体； 2. 承载被加热物体的托盘采用微波穿透性好的材料， 并且可以旋转； 3. 微波炉炉壁和炉底采用可反射微波的材料； 4. 被加热物体的厚度应在半衰深度的2倍左右。
三、微波加热在食品工业中的应用
（一）采用微波加热技术的优缺点
优点：
1.
缺点：
微波加热最主要的缺 点是电能消耗大。
2.
3.
4.
5.
6.
加热、干燥速度快，所 需时间短； 加热效率高； 加热过程具有自动平衡 性； 物料加热均匀、产品质 量高； 设备操作简单，适应性 强，且占地面积小，工 作环境良好； 对营养成分破坏小
Microwave Food Proce
微波加热技术与食品工业
一、发展历程
1946年，美国雷声公司（Raytheon Corporation）波西· 斯潘塞 博士（Dr.Percy Spencer）在雷达试验中测试一个新的真空管时， 偶然发现口袋里的糖果因泄露的微波作用而发热融化。
Dr.Percy Spencer
he placed some popcorn kernels near the tube .the popcorn sputtered, cracked and popped all over his lab. put the magnetron tube near an egg. the egg began to tremor and quake. the egg exploded and splattered hot yoke all over his face. the melted candy bar, the popcorn, and the exploding egg, were all attributable to exposure to low-density microwave energy.
微波加热的自动平衡性
当微波频率和电场强度一定时，物料在加热或干燥的过 程中对微波功率的吸收，主要决定于物料的损耗因数 (ε· tanδ)，不同物料的损耗因数是不同的，例如，物料中水 的损耗因数比其他物质的大，物料中较湿的地方，水分多， 吸收的能量多，温升快，水分蒸蒸发就快。湿地方变干后， 水分少，吸收的能量少，温升就变慢。也就是说，微波能 不会集中在已干的物质部分，避免了已干物质的过热现象， 具有自动平衡的性能。
D：微波的穿透深度(m) λ：所用微波的波长(m) ε：被加热物体的的介电常数 tanδ：被加热物体的导电率
由上两式可知道穿透深度D也是ε和tanδ的函数，受被加热物 体性质、温度、状态的影响。
表2 一些物质的微波穿透深度
被加热物体名称 温 度 (℃) 915MHz 半衰深度 (cm) 2450MHz 半衰深度 (cm)
普通家用微波炉使用的频率一般为2450MHz， 而食品工业所使用的微波加热设备的频率则有 915MHz (美国用896MHz)和2450MHz两种。
（二）微波的加热机理
食品工业中所使用的微波设备主要是利用微 波的热效应。食品中的水分、蛋白质、脂肪、 碳水化合物等都属于介电材料(dielectric material)，微波对它们的加热称作介电感应加 热(dielectric heating)。
3、加热不均匀性的原因及克服
产生原因：
微波加热最大的问题就是加热不均匀。造成的原因主要有 以下几点：
1.
2.
3.
微波加热的选择性。在相同的微波场中，不同的食 品材料以及这些材料温度、状态的不同，都会引起 食品各部分温度上升的差异。 微波虽然有好的穿透性，可是它在实际加热中受反 射、穿透、折射、吸收等影响，使被加热物体各部 分产生的热能产生较大的差异。 电场的尖角集中性，也称为棱角效应(edge effect)。 微波作为电磁波的一种，其电场也有尖角集中性。 当食品放入微波场中进行加热时，某些部分会因为 电场集中而产热多，温升快。
微波对纯菌肉汤的致死试验
菌种 菌浓度 (104个 /ml) 10 2 ＋ 3 ＋ 4 ＋ 5 ＋ 致死时间(min) 6 － 10 － 15 － 20 － 25 － 30 －
金黄色葡萄球菌
A群溶血性链球菌
鼠伤寒沙门氏菌 宋耐氏志贺氏菌 埃希氏大肠杆菌
10
10 10 10
＋
＋ ＋ ＋
＋
＋ ＋ ＋
－
＋ ＋ －
微波加工的三个基本特征
图2 水分子的极性
图3
微波加热机理示意图
（三）微波加热的特性
1 、选择性
在微波场中，各电介质吸收微波而产生的热能可用下式表示：
P
式中:
5 f E 2 tan 10 12 9
P：在单位时间(1s)内，单位体积电介质(1cm3)吸收微波所产生的热 能(W· -3) cm
亮氨酸
赖氨酸 蛋氨酸＋半胱氨酸 苏氨酸 色氨酸 缬氨酸 苯丙氨酸＋酪氨酸
8.43
9.38 3.49 4.75 1.00 5.09 7.88
8.36
9.23 3.42 4.71 1.00 4.97 7.87
(2)对食品中脂肪的影响
适当的微波处理不会破坏脂肪酸的营养价值。但处 理时间过长或强度太高，可能引起脂肪酸的过氧化反应。 大豆经微波处理后，其总脂含量明显增加，15种甘油三 酯分子均未受到破坏，大豆脂肪酸组成在数量和质量上 也无显著变化。
了解被加热物体的电容特性； 按照半衰深度的大小，将食品进行分割； 改进容器，克服棱角效应； 流体食品可结合搅拌方法； 可结合远红外、热风加热等方式。
2、 穿透性
假设P0为电介质表面的入射电场，P为某一穿透深度D时的电 场，则有如下关系存在：
P＝P0 e 2αD
式中：
2 ( 1 tan 2 1) 2
微波的选择性加热给微波加热的好处和坏处： 好处： 1. 加热效率高，节约能源，易控制。 2. 可用于较干燥的谷物杀灭害虫。 坏处： 微波的选择性加热是造成微波加热不均匀(runaway heating)的主要原因之一。
为了克服微波的选择性加热所带来的加热不均匀，方法主 要有以下几点：
1. 2. 3. 4. 5.
木材(硬干材)
木材(软干材) 生橡胶 塑料 聚乙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 陶瓷器、纸 玻璃
3
5 2.3~2.5 2.3 3~5 2.6~3.0
0.03
0.065 0.012 0.0005 0.025~0.05 0.0002~0.0004
0.09
0.325 0.0276~0.03 0.005~0.1 0.00115 0.075~0.25 0.00052~0.0012 0.1~0.2 0.05
（二）微波技术在食品工业中的应用及发展
1、 食品的解冻和软化 国外已有使用915和2450MHz微波解冻设备进行食品的软 化、解冻。
915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装臵
2450MHz，30kW连续式微波软化/解冻装臵
2、 用于食品的烹调及预加工
2450MHz，50~80kW流动式切块禽肉微波处理设备
(3) 对食品中碳水化合物的影响
食品中的碳水化合物在微波环境中会发生一系列的反应，如 美拉得反应、糖的焦化等。微波处理的甘薯中乙醇溶性的碳水化 合物总含量、还原糖类及糊精含量均比对流炉处理的甘薯少，而 淀粉含量则恰好相反。
(4) 对食品中维生素的影响
由于微波加热的时间短而效率高，有利于最大限度的保 存食品中的维生素，尤其对于热敏性维生素的保存。 1、维生素C 用微波对不同的维生素进行热处理，维生素C的含量几乎 不受影响。蔬菜无水微波烹调与传统方法的比较表明，无水 微波烹调更有利于维生素的保存；微波处理时间的长短对维 生素的保存有较大影响。因此，在进行微波加热时应严格控 制加热时间，保证维生素有最大的保存率。
Dr.percy Spencer 申请的第一个微波能用于食品加工的专利。
In 1947, the first commercial microwave oven hit the market. called it a "Radarange"
二、微波的性质与加热机理
（一）微波的性质
微波是频率非常高的电磁波，又称为超高频 波，频率大约从300MHz到300GHz*。之所以称 为微波，是因为其波长在1mm~1m，比普通的 无线电波波长更微小。 1GHz＝103 MHz＝109 Hz
2、维生素B1 和B6
维生素B1 和B6 同属于B族维生素中的热敏性维生素， 在传统的食品加工过程中很容易受到破坏。利用微波烘烤 的食品中，维生素B1 和B6 能很好的保存。
3、维生素E
适宜的微波加热能保留大豆种子中的90％的维生素E， 明显优于传统加工方法。随着微波加热时间的延长，植物油 中维生素E的含量下降，其下降幅度随脂肪酸的种类不同而 不同。微波过度加热可使油发生水解作用，使游离脂肪酸含 量增大，其容易发生过氧化反应，生成自由基，引起维生素 E降解，从而导致维生素E的损耗增加。游离脂肪酸越多，碳 链越短，不饱和程度越高，则维生素E的损耗量越大。 另外，微波作用会导致维生素E的抗氧化活性降低。主 要由于微波导致植物油中饱和脂肪酸的降解及不饱和脂肪酸 氧化，从而油脂中自由基和过氧化物增多，易与维生素E发 生反应，使其失去抗氧化功能。
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