微波技术在农产品加工领域的应用

微波技术在农产品加工领域的应用1. 电磁能的产生及应用原理在高频电磁振荡的情况下，部分能量以辐射方式从空间传播出去所形成的电波与磁波的总称叫做“电磁波”。

电磁波为横波，其磁场、电场及其行进方向三者互相垂直，其速度等于光速（每秒3×1010厘米）。

电磁波通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。

电磁波包含的范围非常广泛。

无线电广播、手机、微波炉、电磁炉、红外烤箱等都用到了波长不同的电磁波。

根据波长不同，在空间传播的电磁波可分为如下几种：无线电波： 3000米～0.3毫米红外线 0.3毫米～0.75微米可见光 0.7微米～0.4微米紫外线 0.4微米～10毫微米X射线 10毫微米～0.1毫微米γ射线 0.1毫微米～0.001毫微米宇宙射线小于0.001毫微米波本身带有能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。

因此，利用物质对电磁波的吸收原理，可实现电磁能——热能之间的转换。

目前，电磁能的应用包括强功率应用和弱功率应用两个方面。

弱功率应用是用于各种电量和非电量（包括长度、速度、湿度、温度等）的测量。

强功率应用主要集中在微波加热、电磁加Array能应用技术方面取得突破，并研发系列化电磁能应用设备，实现批量生产。

1.1. 微波能的产生微波是指波长范围为1mm~1m、频率范围为300MHz~GHz的电磁波。

国际无线电管理委员会规定的民用微波频率有：433MHz，915MHz，245OMHz，5800MHz和22125MHz。

国内通常用于加热的微波频率为：915MHz和245OMHz。

微波能的产生来自于微波源。

微波源是由磁控管以及为磁控管提供必要工作条件的电源所组成。

目前，在微波加热设备中绝大多数采用的是连续波磁控管。

因为这种磁控管的价格较低，工作电压低，效率高。

根据具体应用情况，磁控管大致分为三类：（1）. 300W以下的供微波理疗用；（2）. 300~1000W左右的供微波热疗（包括治癌等）、家用微波炉等用；（3）. 1000W以上的供科研和工、农业生产使用。

连续波磁控管的常用频率为915MHz和2450MHz。

频率为915MHz的磁控管可以达到比较高的功率，我国国内有30kW的磁控管生产，但价格很高。

频率为2450MHz的磁控管相对而言功率比较低一些，我国生产的产品最高可达到10kW，民用微波炉中所使用的磁控管即属于这一类，功率一般不超过1kW。

连续波磁控管的电源是微波加热设备的重要组成部分，其主要任务是为磁控管提供直流工作电压、直流磁场等。

具体电源电路的设计则根据各类型磁控管的要求和使用状态来确定。

小功率的磁控管一般采用单相半波倍压自整流电路。

这种电路利用磁控管本身单向导电的特性，将其作为一只整流二极管使用，故称为“自整流”。

利用这种电源可使磁控管在起振的瞬间建立稳定的工作模式。

这种电路的突出特点是经济、稳定、安全可靠。

大功率微波加热器的电源一般采用三相全波整流电路。

这种电路避免了三相电网负荷不均匀的问题，并可为大功率磁控管提供电源。

缺点是对器件及布线等要求高，且本身功耗加上大功率的磁控管的功耗导致系统发热明显，一般需要采用油冷或水冷方式散热降温。

1.2. 微波加热和灭菌杀虫原理1．微波加热原理微波具有波动性、高效性、热特性和非热特性四大基本特性。

微波能够渗透到物料内部，使物料内部的分子相互作用而转化为热能。

现有理论对微波加热机制的描述一般是从极性分子及离子在微波场中的旋转和电迁移这两个角度来进行的。

物料中的分子从电结构看，一类分子叫无极性分子，另一类叫有极性分子。

极性分子在无外界电场作用时，虽然整个分子不带电，但由于分子的正负电荷中心不重合，分子呈现极性。

由于极性的存在，整个极性分子存在偶极矩。

当处于静电场中时，极性分子的排列方向将随之发生改变。

如果将其置于交变的电场之中，这些介质的极性分子取向也随着电场的极性变化而变化，这种现象称为极化。

外加电场越强，极化作用也就越强，外加电场极性变化得越快，极化得也越快，分子的热运动和相邻分子之间的摩擦作用也就越剧烈。

当被加热物质放在微波场中时，其极性分子随微波频率以每秒几十亿次的高频来回摆动，迅速产生大量的热能。

2．微波灭菌杀虫原理水分子本身就是一种极性分子。

因此，含有水分的物料处于微波场中时，微波电磁场对物料的作用有两方面的效果：一是微波能量转化为物料热能而对物料加热，另一种则是物料中的生物活性组成部分（如蛋白质或酶）或混合物（如细菌、霉菌等）相互作用，使它们的生理活性得到抑制或激励。

前者称为对物料的加热效应，后者则称为非热或生物效应。

微波加热方式是瞬间穿透式加热，被加热的物料直接吸收微波能而即刻生热，因而速度快且内外受热均匀。

同时，物料中的微生物也会吸收微波能而使温度升高，破坏菌体中的蛋白质成分，起到杀死微生物的作用。

另一方面，细菌处在微波电场环境下，受到电磁场作用，细菌赖以生存的细胞膜与外界交换营养物质的“离子通道”关闭，正常的生理活动受到干扰停顿，造成细胞膜的瞬间破裂，成为细菌致死的重要原因。

总地来看，微波加热和灭菌杀虫具有如下优点：w 微波加热是由微波能量深入物体内部转为热量使物料升温，不依靠热传导，能够对物料整体里外同时加热，物料内外温差小，温度分布均匀，物料表面不易结硬壳；w 微波加热热效率高，温升迅速，预热时间短，加热均匀，节省能源；w 加热物料无热惯性，容易实现对物料加热温升状态的控制；w 电磁场的生物效应，在低温60℃左右对细菌、霉菌和虫卵有很好的杀灭作用。

用于食品加工，既不污染食品，也不污染环境，而且不破坏食品的营养成分。

此外，对于木材，还有改进木材柔韧性的作用。

1.3. 微波能的利用微波能的利用几乎渗透到了社会生产生活的各个领域。

从应用角度来看，主要可分为物料的快速加热及烘干、食品的杀菌灭虫以及材料改性等几个方面。

下面仅举几个具体应用领域。

1. 微波加热及烘干传统的加热方式是采用蒸汽、电热管或其它能源作为发热体，通过热传导、对流、辐射等方式对物料进行加热及烘干。

这种方式的加热过程是从表面逐渐向内部深入，且需要对加热隧道内的全部介质进行加热才能实现物料温度的升高。

不仅耗能大，而且需要比较准确的控制加热腔内的温度，才能保证物料温度不至于过高。

另外，即使采取比较高效的保温措施，对工作环境的温度影响依然很大。

微波加热则与传统加热方式完全不同，微波加热是从物料内层开始，然后由里层向外扩展，形成物料整体受热，等于增加了受热面积，而不是常规加热那样局限在物料表面界面，升温速度快。

此外，在加热箱体内，除被加热物料以外的其它物料不会吸收微波能量，温度升高很小。

因此，在微波加热过程中，除了被加热物料的升温外，没有其他热损耗，节能效果非常明显。

据文献报道，微波加热的热转换效率在95%以上，而蒸汽加热为15%以上，红外加热为50%以上。

由于微波加热时，物料是整体升温，升温速度快，因此同样长的生产线，微波加热方法的传送物料速度可比传统方法快，可有效提高单位时间的产量。

综上所述，采用微波加热的方法，对物料进行加热，具有加热速度快，节约能源，对环境影响小等优点。

资料显示，采用微波方法对物料烘干，当物料在30%以下时，具有非常显著的节能降耗效果。

这在能源日趋紧缺的今天，无疑是吸引众多用户的重要因素。

此外，对于含水率在5%以下的物料，传统的烘干方式由于空气中的湿度问题，效率非常低。

而采用微波加热烘干方式的效果更加显著。

下面以玻璃纤维丝干燥为例，说明微波干燥和红外加热干燥的经济效益分析。

要求含水率降至1%以下，目前工艺多采用红外加热干燥的方法。

对于缠绕成筒状的纱团直径约为30cm的玻璃纤维，红外加热需要十几小时，微波干燥只需几十分钟。

各项对比情况见下表。

万度。

0.7元/度，节省电费47．46万元。

加上降低1%的年平均报废率，金额为27万元（4500元/ t ）。

仅此两项合计可回收74.46万元。

如再考虑到经微波加热干燥的玻璃纤维丝，洁白，色泽光亮，柔韧，有弹性，易着色，易缠绕再加工等优点所带来的产品价格升值。

经济效益十分显著。

2. 杀菌灭虫及保鲜随着我国食品工业标准的日趋完善，对食品中菌落总数、保鲜周期、食品的营养成分等要求也越来越鲜明。

这对以传统加工工艺为主的我国食品加工行业将是一个重大的挑战。

食品的保质期实际上主要取决于出厂时食品中的菌落总数。

利用微波对物料产生的生物效应可实现食品的低温（不超过60°C）杀菌，可在不影响食品品质前提下，有效延长食品的保鲜时间。

微波杀菌温度低、杀菌时间短，它能在极短时间内让细菌死亡，例如大肠杆菌杀灭时间为30秒。

由于微波杀菌属于物理性质的杀菌，不存在放射性物质的残留和污染，也没有化学防腐剂成分积累对人体危害。

与食品等行业普遍使用的巴氏加热杀菌法相比，微波杀菌具有以下显著特点：（1）同样杀菌温度下，所需杀菌时间短；在相同杀菌条件下，菌致死的温度低。

（2）能同时对被杀菌物料表里实施整体杀菌。

极大地缩短杀菌周期，并保证杀菌工艺的一致性。

普通加热方法，对大肠杆菌、葡萄糖球菌等的杀灭率比较高，而对芽孢杆菌的杀灭率则不理想。

微波杀菌则对各种细菌具有很好的杀灭作用。

下图是对芽孢杆菌进行杀灭的菌致死率对照图。

据国外的文献报道，经微波杀菌的食品，其养分的保持远高于巴氏加热消毒。

由此产生的效益是极其巨大的。

杀菌作用的结果是食品的保鲜，在保持养分不损失的条件下，达到了食品保鲜的效果，并且保鲜周期增长。

在杀菌保鲜的同时，不影响食品的色泽和口感。

尤其值得一提的是，利用微波加工线进行杀菌，由于微波可穿透如塑料等外包装，因此可在食品包装完成后，透过包装进行杀菌处理，可有效避免杀菌后的二次污染问题。

目前，国外已经在包装食品行业中推广微波杀菌技术，而我国国内则在面包、糕点、月饼等生产线中开始尝试这项技术。

3. 微波加工技术微波加热的温升速度快，且是整体加热，对食品有一种类似快速蒸煮的效果。

不仅节省了加热时间，提高了生产效率，而且有效缩短了物料在高温下的保持时间，最大限度地保存物料的活性和食品中的维生素、色泽和营养成分。

因此，食品的微波加工已经成为一种完全不同于传统加工技术的新兴技术。

普通加热烘干的绿茶，VC含量只有171.6mg/100g，但微波处理干燥的绿茶中，VC的含量高达428.6mg/100g。

此外，利用微波处理的食品，其它维生素及氨基酸的含量也较普通加热方式有显著提高。

利用微波加工技术生产糕点类产品，可在最大程度上保持了原料的风味。

因此，可通过对加工工艺参数的控制，在不影响口感及外观的前提下，去掉一些食品添加剂，提高糕点类产品的整体品质。

此外，由于微波加热的升温速度快，会将食品物料内的微细管道出口封闭，从而使得管道内部的气压由于温度升高而增大，导致一种“膨化”的效果。