第四章 食品的微波处理技术
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RadarangeTM
参见图4-1
图4-1 世界上第一台微波炉
第二节
微波的性质与加热机理
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
表4-3
检测 项目
还原性 Vc 卷心菜 总Vc
微波炉与传统烹调对Vc的破坏情况
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 传统烹调后 含量 (mg/g) 8.5/100 损耗率 (%) 63.04
食品 名称
25.2/100
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。 参见表4-2
表4-2 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)
缺点：
微波加热最主要的缺点是电能消耗 大。
二、微波技术在食品工业中的应用情 况及最新发展
参见表4-5、4-6、4-7
表4-5
加工方式 软化/解冻 烹 干 调 燥
微波技术在食品加工上的应用
制 品 冻鱼、冻肉、牛油、浆果、巧克力、蛋黄膏制品 鸡、烟熏肉、夹肉馅饼、土豆食品、米饭 面食、洋葱、米糕、海藻 快餐食品、鸡蛋黄、水果、蜂蜜 柑桔汁、粮谷、种子、花生、热敏食品 肉、蔬菜、水果 面包、甜面包圈
要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。
(二) 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 tan2 1) 2
酒类
表4-6
品 名
国内食品加工中微波的应用项目统计(一)
微波设备的 功率、频率 规 模 (1)批量生产 (2)样机 (1) (1) (1) (1) (1) (2) (1) (1) (1) (1) 目的效果 (1)干燥 (2)杀菌 (3)杀虫 (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) (2) (2) 烘干成形 (2) (2) 焙烤 焙烤 (1) (2)
A. 圆形物体的热点
B. 方形物体的热点分布
图4-5
物体在微波场中加热时的热点分布情况
第三节
微波加热在食品工业 中的应用
一、在食品工业中采用微波加热技术 的优缺点
优点：
1. 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。(如：Vc，必须 氨基酸等) 参见表4-3、4-4
乳儿糕 营养松 甘露醇 花粉 方糖 方便熟食品 方便快餐食品 无壳瓜子 脆饼 鱼片干
5kW×10 2450MHz 5kW×10 2450MHz 10kW 10kW 2450MHz 2450MHz
5kW×10 2450MHz 10kW×2 2450MHz 5kW×3 2450MHz 10kW×2 915MHz 10kW 10kW 2450MHz 2450MHz
参见图4-2、4-3
图4-2
水分子的极性
图4-3
微波加热机理示意图
微波加热的特性
(一) 选择性 (二) 穿透性
(一) 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· cm-3)
图4-6 915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装臵
图4-7 2450MHz，30kW连续式微波软化/解冻装臵
(二) 微波用于一些食品的烹调及预加工
(参见图4-8、4-9)
图4-8 2450MHz，50~80kW流动式切块禽肉微波处理设备
图4-9 915MHz， 6ຫໍສະໝຸດ BaidukW面食、酱料微波处理设备
ISM(Industry Scientific & Medical)
食品工业所使用的微波加热设备的频率 有915MHz(美国用896MHz)和2450MHz两 种，而普通家用微波炉使用的频率则一 般为2450MHz。
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)。
中药材、中成药 乳珍 鹿茸 槟榔芋 魔芋 米酒 牛奶 油炸方便面 猪胴体 咖啡豆 小包装榨菜 虾粉汤料
20kW
915MHz
20kW×3 915MHz 5kW 915MHz
鸡粪饲料
60kW
915MHz
(1)
(1) (2) (3)
(一) 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，见图4-6、4-7。
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。
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； 参见图4-4 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。
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) 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 2.3 3~5 2.6~3.0 0.0005 0.025~0.05 0.0002~0.0004 6.8 5.0 4.5 2.5 13.0 2.6 3 5 2.3~2.5 1.2 0.15 0.2 0.2 0.5 0.03 0.03 0.065 0.012 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 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
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. 可用于干燥谷物的杀虫。
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.
24.0/100
4.76
20.4/100
19.05
表4-4
微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化
加热前百分组成(%) 4.88 加热后百分组成(%) 4.70
必须氨基酸种类 异亮氨酸
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
应用状况 实用阶段 实用阶段 实用阶段 试验阶段 试验/实用 试验阶段 试验阶段
真空干燥 冷冻干燥 焙 烤
烘 消 熬
陈
烤 毒 制
化
试验/实用
实用阶段
坚果、咖啡豆、可可豆
面包、酸奶、饮料、豆腐、馅饼
巴氏杀菌 去壳去皮
试验阶段
试验阶段
牛奶、预处理过的食品
谷物、马铃薯、水果
试验阶段
试验/实用
猪油、其它动物油脂
f ：微波频率(Hz) E：电极间电场强度(V· cm-1) 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 参见表4-1 dielectric loss factor
(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4-1 一些电介质的损耗因数
2. 3.
微波技术的发展历史 微波的性质与加热机理 微波加热在食品工业中的应用 微波加热设备的组成及选用 微波的安全使用及防护
第一节
微波技术的发展历史
• 1940 Birmingham U.
• 1945.10.9 Raytheon C. 第一个专利 • 1947 Raytheon C. 第一台微波炉
豆皮制品
白酒
10kW
2450MHz
(1)
(1)
(1) (2) (3)
老熟醇化
20kW×3 2450MHz
表4-7
品 名
国内食品加工中微波的应用项目统计(二)
微波设备的 功率、频率 规 模 (1)批量生产 (2)样机 (1) (1) 5kW 915MHz (2) (1) (2) (2) 25kW 915MHz (1) (1) 20kW×5 915MHz 10kW 15kW 20kW 2450MHz 2450MHz 915MHz (1) (2) (2) (1) 目的效果 (1)干燥 (2)杀菌 (3)杀虫 (1) (2) (3) 低温灭菌，保持活性 (1) (2) (1) (2) (1) (2) 保鲜 (2) 节油 解冻回温 焙烤 (2) (1) (2)
食品保藏原理
第四章 食品的微波处理技术
唐浩国 河科大食品学院 tanghaoguo@yahoo.com.cn
主要参考书
1. 曾庆孝主编，芮汉明，李汴生副主编， 食品加工与保藏原理（第二版），北京：化学 工业出版社，2002.11 王绍林编著， 微波食品工程， 北京：机械工业出版社，1994.7 Decareau R V，Peterson R A， Microwave Processing and Engineering， ELLIS HORWOOD international publishers in science and technology，1986
图4-4
微波的穿透性与温度分布
runaway heating
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. 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。 2. 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。 3. 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。 微波加热中，热集中的地方称为热点(hot spot)，见图4-5。
8.36
9.23 3.42 4.71 1.00 4.97 7.87
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，参见表4-1。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。
-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
参见图4-1
图4-1 世界上第一台微波炉
第二节
微波的性质与加热机理
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
表4-3
检测 项目
还原性 Vc 卷心菜 总Vc
微波炉与传统烹调对Vc的破坏情况
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 传统烹调后 含量 (mg/g) 8.5/100 损耗率 (%) 63.04
食品 名称
25.2/100
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。 参见表4-2
表4-2 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)
缺点：
微波加热最主要的缺点是电能消耗 大。
二、微波技术在食品工业中的应用情 况及最新发展
参见表4-5、4-6、4-7
表4-5
加工方式 软化/解冻 烹 干 调 燥
微波技术在食品加工上的应用
制 品 冻鱼、冻肉、牛油、浆果、巧克力、蛋黄膏制品 鸡、烟熏肉、夹肉馅饼、土豆食品、米饭 面食、洋葱、米糕、海藻 快餐食品、鸡蛋黄、水果、蜂蜜 柑桔汁、粮谷、种子、花生、热敏食品 肉、蔬菜、水果 面包、甜面包圈
要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。
(二) 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 tan2 1) 2
酒类
表4-6
品 名
国内食品加工中微波的应用项目统计(一)
微波设备的 功率、频率 规 模 (1)批量生产 (2)样机 (1) (1) (1) (1) (1) (2) (1) (1) (1) (1) 目的效果 (1)干燥 (2)杀菌 (3)杀虫 (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) (2) (2) 烘干成形 (2) (2) 焙烤 焙烤 (1) (2)
A. 圆形物体的热点
B. 方形物体的热点分布
图4-5
物体在微波场中加热时的热点分布情况
第三节
微波加热在食品工业 中的应用
一、在食品工业中采用微波加热技术 的优缺点
优点：
1. 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。(如：Vc，必须 氨基酸等) 参见表4-3、4-4
乳儿糕 营养松 甘露醇 花粉 方糖 方便熟食品 方便快餐食品 无壳瓜子 脆饼 鱼片干
5kW×10 2450MHz 5kW×10 2450MHz 10kW 10kW 2450MHz 2450MHz
5kW×10 2450MHz 10kW×2 2450MHz 5kW×3 2450MHz 10kW×2 915MHz 10kW 10kW 2450MHz 2450MHz
参见图4-2、4-3
图4-2
水分子的极性
图4-3
微波加热机理示意图
微波加热的特性
(一) 选择性 (二) 穿透性
(一) 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· cm-3)
图4-6 915MHz，120kW连续式微波软化/解冻装臵
图4-7 2450MHz，30kW连续式微波软化/解冻装臵
(二) 微波用于一些食品的烹调及预加工
(参见图4-8、4-9)
图4-8 2450MHz，50~80kW流动式切块禽肉微波处理设备
图4-9 915MHz， 6ຫໍສະໝຸດ BaidukW面食、酱料微波处理设备
ISM(Industry Scientific & Medical)
食品工业所使用的微波加热设备的频率 有915MHz(美国用896MHz)和2450MHz两 种，而普通家用微波炉使用的频率则一 般为2450MHz。
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)。
中药材、中成药 乳珍 鹿茸 槟榔芋 魔芋 米酒 牛奶 油炸方便面 猪胴体 咖啡豆 小包装榨菜 虾粉汤料
20kW
915MHz
20kW×3 915MHz 5kW 915MHz
鸡粪饲料
60kW
915MHz
(1)
(1) (2) (3)
(一) 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，见图4-6、4-7。
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。
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； 参见图4-4 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。
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) 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 2.3 3~5 2.6~3.0 0.0005 0.025~0.05 0.0002~0.0004 6.8 5.0 4.5 2.5 13.0 2.6 3 5 2.3~2.5 1.2 0.15 0.2 0.2 0.5 0.03 0.03 0.065 0.012 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 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
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. 可用于干燥谷物的杀虫。
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.
24.0/100
4.76
20.4/100
19.05
表4-4
微波炉处理蹄膀前后必须氨基酸的变化
加热前百分组成(%) 4.88 加热后百分组成(%) 4.70
必须氨基酸种类 异亮氨酸
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
应用状况 实用阶段 实用阶段 实用阶段 试验阶段 试验/实用 试验阶段 试验阶段
真空干燥 冷冻干燥 焙 烤
烘 消 熬
陈
烤 毒 制
化
试验/实用
实用阶段
坚果、咖啡豆、可可豆
面包、酸奶、饮料、豆腐、馅饼
巴氏杀菌 去壳去皮
试验阶段
试验阶段
牛奶、预处理过的食品
谷物、马铃薯、水果
试验阶段
试验/实用
猪油、其它动物油脂
f ：微波频率(Hz) E：电极间电场强度(V· cm-1) 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 参见表4-1 dielectric loss factor
(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4-1 一些电介质的损耗因数
2. 3.
微波技术的发展历史 微波的性质与加热机理 微波加热在食品工业中的应用 微波加热设备的组成及选用 微波的安全使用及防护
第一节
微波技术的发展历史
• 1940 Birmingham U.
• 1945.10.9 Raytheon C. 第一个专利 • 1947 Raytheon C. 第一台微波炉
豆皮制品
白酒
10kW
2450MHz
(1)
(1)
(1) (2) (3)
老熟醇化
20kW×3 2450MHz
表4-7
品 名
国内食品加工中微波的应用项目统计(二)
微波设备的 功率、频率 规 模 (1)批量生产 (2)样机 (1) (1) 5kW 915MHz (2) (1) (2) (2) 25kW 915MHz (1) (1) 20kW×5 915MHz 10kW 15kW 20kW 2450MHz 2450MHz 915MHz (1) (2) (2) (1) 目的效果 (1)干燥 (2)杀菌 (3)杀虫 (1) (2) (3) 低温灭菌，保持活性 (1) (2) (1) (2) (1) (2) 保鲜 (2) 节油 解冻回温 焙烤 (2) (1) (2)
食品保藏原理
第四章 食品的微波处理技术
唐浩国 河科大食品学院 tanghaoguo@yahoo.com.cn
主要参考书
1. 曾庆孝主编，芮汉明，李汴生副主编， 食品加工与保藏原理（第二版），北京：化学 工业出版社，2002.11 王绍林编著， 微波食品工程， 北京：机械工业出版社，1994.7 Decareau R V，Peterson R A， Microwave Processing and Engineering， ELLIS HORWOOD international publishers in science and technology，1986
图4-4
微波的穿透性与温度分布
runaway heating
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. 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。 2. 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。 3. 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。 微波加热中，热集中的地方称为热点(hot spot)，见图4-5。
8.36
9.23 3.42 4.71 1.00 4.97 7.87
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，参见表4-1。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。
-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