微波加热原理

1、微波加热原理微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约在 300300 000MHz（相应的波长为 1000. 1cm）在300MHz至 300GHz之间.它具有波动性、高频性、热特性和非热 特性四大基本特性。 微波作为一种电磁波也具有波粒二象性 微波量子的能量为 1 99X 10 -251 . 99Xl0-22j .它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和 非热效应。微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高 的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。 微波还能够对氢键、 疏水键和范德华产生作用， 使其重新分配， 从而改变蛋白质 的构象与活性。生物体

2、的非热特性一 生物效应是微波的重要特性之一，它已成 为医学、细胞学等方面研究的一个重要方面， 同时它也能为微波理疗或微波手术 等方面提供理论依据 随着人们对微波加热技术认识的深入，它已引起了许多科 学工作者的关注，并在一些方面进行了深入而广泛的研究。1. 1 微波的特性1 . 1 . 1 选择性加热物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的 物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也 弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。 物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质 损耗因数也很大，对微波具

3、有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常 数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量 的多少对微波加热效果影响很大。1 . 1 . 2 穿透性 微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因 此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高， 使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规 加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时， 物料内外加热均匀一致。1 . 1 . 3 热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功 率随时可调，介质温升可无惰性的随

4、之改变，不存在“余热”现象，极有利于 自动控制和连续化生产的需要。1. 2 微波的生物效应机制当微波作用于生物体时， 在生物控制系统的作用和调节下， 生物体必然要建立新 的平衡状态以适应外界电磁环境条件的变化，因此也就必然产生某些生物效 应.微波的生物效应主要是由微波的热效应，其次是非热效应所引起的.1. 2.1 微波的热效应 微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生 的生理影响.热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速 取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量； 一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加 如果生物体组

5、织吸收的微波能 量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量 (热量) 散发至 全身或体外如果微波功率很强， 生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发 的能量，则引起该部位体温升高 局部组织温度升高将产生一系列生理反应， 如 使局部血管扩张， 并通过热调节系统使血循环加速， 组织代谢增强， 白细胞吞噬 作用增强，促进病理产物的吸收和消散等12.1.1 微波的加热优点 微波自身的特性决定了微波具有以下优点 :(1) 加热迅速，均匀。不需热传导过程，且具有自动热平稳性能，避免过热。(2) 加热质量高，营养破坏少，能最大限度的保持食物的色、香，味，减少食物 中维生素的破坏。(3) 安全

6、卫生无污染，对食品的杀菌能力强 . 因为微波能是控制在金属制成的加热 室内和波导管中工作， 所以微波泄露被有效的抑制， 没有放射线危害及有害气体 排放，不产生余热和粉尘污染。既不污染食物，也不污染环境。微波杀菌除了热 效应之外还有生物效应，许多病菌在微波加热不到100C时就全部被杀死。(4) 节能高效。由于含有水分的物质极易直接吸收微波而发热，没有经过其他中 间转换环节， 因此除少量的传输损耗外几乎无其他损耗。 比一般常规加热省电约 30%八-50%(5) 具有快速解冻功能。在微波场中，冻结食品在从内到外同时吸收微波能量， 使冻结食品整体发热，容易形成整体均一的解冻，缩短解冻时间，迅速越过一

7、50C - 0C这个易发生蛋白质变性、食品变色变味的温度带，以保持食品的品质 不致下降。122 微波的非热效应 微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化学效应 等在微波电磁场的作用下， 生物体内的一些分子将会产生变形和振动， 使细胞 膜功能受到影响，使细胞膜内外液体的电状况发生变化，引起生物作用的改变， 进而可影响中枢神经系统等微波干扰生物电 ( 如心电、脑电、肌电、神经传导 电位、细胞活动膜电位等 )的节律，会导致心脏活动、脑神经活动及内分泌活动 等一系列障碍 对微波的非热效应， 人们还了解的不很多 当生物体受强功率微 波照射时，热效应是主要的(一般认为，功率密度在在1

8、0mWcm2者多产生微热 效应且频率越高产生热效应的阈强度越低 )；长期的低功率密度 (1 mWcm2 以 下) 微波辐射主要引起非热效应13 微波在农业科学上的应用 微波对许多发芽率低或发芽慢的农作物或林术种子都作了催芽试验，以探索能否提高发芽率。 种子含水量对处理效果有明显影响， 一般说来， 低含水率种子 受加热处理的影响大， 也能忍受较高温度不致受损。微波具有显著热效应，而且有促进G0细胞进入增殖周期(Carpita . N. C. & Murray W.N;1976)。另外， 胡燕月等( 1996)胡萱日等( 1995)，分别比较研究了微波和热击处理水稻种子 的生物学效应，在相

9、同升温(45 C)下，结果表明微波处理可极显著促进芽活力， 热击处理则可以极显著促进根活力。赖麟与冯鸿(1997)利用50W200W和500W的微波照射白兰瓜种子，发现200W功率的微波处理可以极显著地提高其发芽率，同时也能显著地提高萌发话力。200w微波处理的种子从萌发24小时起，其淀粉 酶含量显著地高于对照， 48小时期淀粉酶同工酶有新的酶带产生。说明这一功 率的微波能有效地激话白兰瓜种子萌发期的淀粉酶， 加速物质和能量的代谢， 从 而提高种子萌发活力。黄桂琴等（1999）利用105W微波辐射黄瓜种子10s、20s， 结果发现提早长出真叶.株高增加。处理种子的时闻为30s,促进种子早出苗.

10、但 随着生长期的延长株高被抑制，叶片数也减少当辐射剂量105W，处理种子的时间分刷为 85、 10s、 l4s ，促进黄瓜幼苗的主根和侧根增长与脱氲酶活性增加， 表明根活力增强杨俊红等（ 2003；2004）利用正交试验研究了微波处理对白菜 种子萌发特性及其耐盐性的影响。 结果表明： 微波处理前， 萌发环境的含盐量对 种子发芽率的影响最大， 而且含盐量和碱性的影响较显著； 经微波处理后， 萌发 环境的含盐量和碱性对种子发芽率的影响处于次要地位， 而且无显著性； 优选条 件下种子的发芽率比对照组明显提高。P . Reddy与D.J . Myeoek（2000）应用非破坏性的有效微波照大豆种子 3

11、0秒钟对种子的生存力、活性有促进作用但对 细胞和细胞器结构没有影响。14 微波的生物效应在医学上的应用 利用微波生物效应可以用来诊断各种肿瘤、胸部疾病、肺气肿、肺水肿，测量动 脉血管壁的厚度等。 特别是利用微波生物效应治疗肿瘤具有特殊的意义。 因为肿 瘤组织的血液循环和导热性能比正常组织要差 在受到微波照射肘，肿瘤组织的 温升比周围的正常组织通常要高出13C。若适当控制加热温度，使肿瘤细胞内温度达到 42 uc 以上时 即可将癌细胞杀死，而不致伤害健康组织，故利用微 波可杀死缺氧和低pH值的抗放射肿瘤细胞。如果将微波热疗与放射性治疗以及 化学治疗结台起来， 则可收到更好的治疗效果。 目前已广泛地开展了实验研究工 作，有不少国家和地区正在临床应用 最近几年里，对肝癌和脑部组织癌变进行 热疗，并取得了丰富的资料（陈夷等，1999）。我国学者在利用微波治疗肝癌、直肠癌和口腔癌方面已取得了十分明显的成果。 另外，将手术刀刃与微波辐射结 合在一起，也是一种应用形式。由于微波能量具有自日温和凝血的作用 及在 一定的程度上具有灭菌的作用， 故这种形式的手术刀特别适用于细血管分布很密 的人体组织（陈夷等， 1999）。例如眼睛和肝脏的手术过程。目前尚待完善的地 方