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