微波加熱原理

1、微波加熱原理微波是一種高頻率的電磁波，其頻率范圍約在 300300 000MHz（相應(yīng)的波長為 1000. 1cm）在300MHz至 300GHz之間.它具有波動性、高頻性、熱特性和非熱 特性四大基本特性。 微波作為一種電磁波也具有波粒二象性 微波量子的能量為 1 99X 10 -251 . 99Xl0-22j .它與生物組織的相互作用主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)和 非熱效應(yīng)。微波能夠透射到生物組織內(nèi)部使偶極分子和蛋白質(zhì)的極性側(cè)鏈以極高 的頻率振蕩，引起分子的電磁振蕩等作用，增加分子的運(yùn)動，導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生。 微波還能夠?qū)滏I、 疏水鍵和范德華產(chǎn)生作用， 使其重新分配， 從而改變蛋白質(zhì) 的構(gòu)象與活性。生物體

2、的非熱特性一 生物效應(yīng)是微波的重要特性之一，它已成 為醫(yī)學(xué)、細(xì)胞學(xué)等方面研究的一個重要方面， 同時它也能為微波理療或微波手術(shù) 等方面提供理論依據(jù) 隨著人們對微波加熱技術(shù)認(rèn)識的深入，它已引起了許多科 學(xué)工作者的關(guān)注，并在一些方面進(jìn)行了深入而廣泛的研究。1. 1 微波的特性1 . 1 . 1 選擇性加熱物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的 物質(zhì)對微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也 弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。 物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì) 損耗因數(shù)也很大，對微波具

3、有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常 數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量 的多少對微波加熱效果影響很大。1 . 1 . 2 穿透性 微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因 此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高， 使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī) 加熱中的熱傳導(dǎo)時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時， 物料內(nèi)外加熱均勻一致。1 . 1 . 3 熱慣性小微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功 率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨

4、之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于 自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。1. 2 微波的生物效應(yīng)機(jī)制當(dāng)微波作用于生物體時， 在生物控制系統(tǒng)的作用和調(diào)節(jié)下， 生物體必然要建立新 的平衡狀態(tài)以適應(yīng)外界電磁環(huán)境條件的變化，因此也就必然產(chǎn)生某些生物效 應(yīng).微波的生物效應(yīng)主要是由微波的熱效應(yīng)，其次是非熱效應(yīng)所引起的.1. 2.1 微波的熱效應(yīng) 微波對生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對生物體產(chǎn)生 的生理影響.熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復(fù)快速 取向轉(zhuǎn)動而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動也會將振動能量轉(zhuǎn)化為熱量； 一般分子也會吸收微波能量后使熱運(yùn)動能量增加 如果生物體組

5、織吸收的微波能 量較少，它可借助自身的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過血循環(huán)將吸收的微波能量 (熱量) 散發(fā)至 全身或體外如果微波功率很強(qiáng)， 生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā) 的能量，則引起該部位體溫升高 局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)， 如 使局部血管擴(kuò)張， 并通過熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)使血循環(huán)加速， 組織代謝增強(qiáng)， 白細(xì)胞吞噬 作用增強(qiáng)，促進(jìn)病理產(chǎn)物的吸收和消散等12.1.1 微波的加熱優(yōu)點(diǎn) 微波自身的特性決定了微波具有以下優(yōu)點(diǎn) :(1) 加熱迅速，均勻。不需熱傳導(dǎo)過程，且具有自動熱平穩(wěn)性能，避免過熱。(2) 加熱質(zhì)量高，營養(yǎng)破壞少，能最大限度的保持食物的色、香，味，減少食物 中維生素的破壞。(3) 安全

6、衛(wèi)生無污染，對食品的殺菌能力強(qiáng) . 因?yàn)槲⒉苁强刂圃诮饘僦瞥傻募訜?室內(nèi)和波導(dǎo)管中工作， 所以微波泄露被有效的抑制， 沒有放射線危害及有害氣體 排放，不產(chǎn)生余熱和粉塵污染。既不污染食物，也不污染環(huán)境。微波殺菌除了熱 效應(yīng)之外還有生物效應(yīng)，許多病菌在微波加熱不到100C時就全部被殺死。(4) 節(jié)能高效。由于含有水分的物質(zhì)極易直接吸收微波而發(fā)熱，沒有經(jīng)過其他中 間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)， 因此除少量的傳輸損耗外幾乎無其他損耗。 比一般常規(guī)加熱省電約 30%八-50%(5) 具有快速解凍功能。在微波場中，凍結(jié)食品在從內(nèi)到外同時吸收微波能量， 使凍結(jié)食品整體發(fā)熱，容易形成整體均一的解凍，縮短解凍時間，迅速越過一

7、50C - 0C這個易發(fā)生蛋白質(zhì)變性、食品變色變味的溫度帶，以保持食品的品質(zhì) 不致下降。122 微波的非熱效應(yīng) 微波的非熱效應(yīng)是指除熱效應(yīng)以外的其他效應(yīng)，如電效應(yīng)、磁效應(yīng)及化學(xué)效應(yīng) 等在微波電磁場的作用下， 生物體內(nèi)的一些分子將會產(chǎn)生變形和振動， 使細(xì)胞 膜功能受到影響，使細(xì)胞膜內(nèi)外液體的電狀況發(fā)生變化，引起生物作用的改變， 進(jìn)而可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)等微波干擾生物電 ( 如心電、腦電、肌電、神經(jīng)傳導(dǎo) 電位、細(xì)胞活動膜電位等 )的節(jié)律，會導(dǎo)致心臟活動、腦神經(jīng)活動及內(nèi)分泌活動 等一系列障礙 對微波的非熱效應(yīng)， 人們還了解的不很多 當(dāng)生物體受強(qiáng)功率微 波照射時，熱效應(yīng)是主要的(一般認(rèn)為，功率密度在在1

8、0mWcm2者多產(chǎn)生微熱 效應(yīng)且頻率越高產(chǎn)生熱效應(yīng)的閾強(qiáng)度越低 )；長期的低功率密度 (1 mWcm2 以 下) 微波輻射主要引起非熱效應(yīng)13 微波在農(nóng)業(yè)科學(xué)上的應(yīng)用 微波對許多發(fā)芽率低或發(fā)芽慢的農(nóng)作物或林術(shù)種子都作了催芽試驗(yàn)，以探索能否提高發(fā)芽率。 種子含水量對處理效果有明顯影響， 一般說來， 低含水率種子 受加熱處理的影響大， 也能忍受較高溫度不致受損。微波具有顯著熱效應(yīng)，而且有促進(jìn)G0細(xì)胞進(jìn)入增殖周期(Carpita . N. C. & Murray W.N;1976)。另外， 胡燕月等( 1996)胡萱日等( 1995)，分別比較研究了微波和熱擊處理水稻種子 的生物學(xué)效應(yīng)，在相

9、同升溫(45 C)下，結(jié)果表明微波處理可極顯著促進(jìn)芽活力， 熱擊處理則可以極顯著促進(jìn)根活力。賴麟與馮鴻(1997)利用50W200W和500W的微波照射白蘭瓜種子，發(fā)現(xiàn)200W功率的微波處理可以極顯著地提高其發(fā)芽率，同時也能顯著地提高萌發(fā)話力。200w微波處理的種子從萌發(fā)24小時起，其淀粉 酶含量顯著地高于對照， 48小時期淀粉酶同工酶有新的酶帶產(chǎn)生。說明這一功 率的微波能有效地激話白蘭瓜種子萌發(fā)期的淀粉酶， 加速物質(zhì)和能量的代謝， 從 而提高種子萌發(fā)活力。黃桂琴等（1999）利用105W微波輻射黃瓜種子10s、20s， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)提早長出真葉.株高增加。處理種子的時聞為30s,促進(jìn)種子早出苗.

10、但 隨著生長期的延長株高被抑制，葉片數(shù)也減少當(dāng)輻射劑量105W，處理種子的時間分刷為 85、 10s、 l4s ，促進(jìn)黃瓜幼苗的主根和側(cè)根增長與脫氳酶活性增加， 表明根活力增強(qiáng)楊俊紅等（ 2003；2004）利用正交試驗(yàn)研究了微波處理對白菜 種子萌發(fā)特性及其耐鹽性的影響。 結(jié)果表明： 微波處理前， 萌發(fā)環(huán)境的含鹽量對 種子發(fā)芽率的影響最大， 而且含鹽量和堿性的影響較顯著； 經(jīng)微波處理后， 萌發(fā) 環(huán)境的含鹽量和堿性對種子發(fā)芽率的影響處于次要地位， 而且無顯著性； 優(yōu)選條 件下種子的發(fā)芽率比對照組明顯提高。P . Reddy與D.J . Myeoek（2000）應(yīng)用非破壞性的有效微波照大豆種子 3

11、0秒鐘對種子的生存力、活性有促進(jìn)作用但對 細(xì)胞和細(xì)胞器結(jié)構(gòu)沒有影響。14 微波的生物效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 利用微波生物效應(yīng)可以用來診斷各種腫瘤、胸部疾病、肺氣腫、肺水腫，測量動 脈血管壁的厚度等。 特別是利用微波生物效應(yīng)治療腫瘤具有特殊的意義。 因?yàn)槟[ 瘤組織的血液循環(huán)和導(dǎo)熱性能比正常組織要差 在受到微波照射肘，腫瘤組織的 溫升比周圍的正常組織通常要高出13C。若適當(dāng)控制加熱溫度，使腫瘤細(xì)胞內(nèi)溫度達(dá)到 42 uc 以上時 即可將癌細(xì)胞殺死，而不致傷害健康組織，故利用微 波可殺死缺氧和低pH值的抗放射腫瘤細(xì)胞。如果將微波熱療與放射性治療以及 化學(xué)治療結(jié)臺起來， 則可收到更好的治療效果。 目前已廣泛地開展了實(shí)驗(yàn)研究工 作，有不少國家和地區(qū)正在臨床應(yīng)用 最近幾年里，對肝癌和腦部組織癌變進(jìn)行 熱療，并取得了豐富的資料（陳夷等，1999）。我國學(xué)者在利用微波治療肝癌、直腸癌和口腔癌方面已取得了十分明顯的成果。 另外，將手術(shù)刀刃與微波輻射結(jié) 合在一起，也是一種應(yīng)用形式。由于微波能量具有自日溫和凝血的作用 及在 一定的程度上具有滅菌的作用， 故這種形式的手術(shù)刀特別適用于細(xì)血管分布很密 的人體組織（陳夷等， 1999）。例如眼睛和肝臟的手術(shù)過程。目前尚待完善的地 方