微波加熱:加熱的一種方法-中文百科頻道

原理

微波加熱是一種高頻率的電磁波，其頻率範圍約在300～300000MHz(相應的波長為100～0．1cm)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。微波加熱作為一種電磁波也具有波粒二象性．微波加熱量子的能量為199×l0-25～1．99×10-22j．它與生物組織的相互作用主要表現為熱效應和非熱效應。微波加熱能夠透射到生物組織内部使偶極分子和蛋白質的極性側鍊以極高的頻率振蕩，引起分子的電磁振蕩等作用，增加分子的運動，導緻熱量的産生。微波加熱還能夠對氫鍵、疏水鍵和範德華産生作用，使其重新分配，從而改變蛋白質的構象與活性。生物體的非熱特性一生物效應是微波加熱的重要特性之一，它已成為醫學、細胞學等方面研究的一個重要方面，同時它也能為微波加熱理療或微波加熱手術等方面提供理論依據随着人們對微波加熱加熱技術認識的深入，它已引起了許多科學工作者的關注，并在一些方面進行了深入而廣泛的研究。

特性

選擇性加熱物質吸收微波加熱的能力，主要由其介質損耗因數來決定。介質損耗因數大的物質對微波加熱的吸收能力就強，相反，介質損耗因數小的物質吸收微波加熱的能力也弱。由于各物質的損耗因數存在差異，微波加熱加熱就表現出選擇性加熱的特點。物質不同，産生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數較大，其介質損耗因數也很大，對微波加熱具有強吸收能力。而蛋白質、碳水化合物等的介電常數相對較小，其對微波加熱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加熱效果影響很大。穿透性微波加熱比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波加熱透入介質時，由于介質損耗引起的介質溫度的升高，使介質材料内部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀态，大大縮短了常規加熱中的熱傳導時間，且在條件為介質損耗因數與介質溫度呈負相關關系時，物料内外加熱均勻一緻。熱慣性小微波加熱對介質材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波加熱的輸出功率随時可調，介質溫升可無惰性的随之改變，不存在“餘熱”現象，極有利于自動控制和連續化生産的需要。

生物效應機制

當微波加熱作用于生物體時，在生物控制系統的作用和調節下，生物體必然要建立新的平衡狀态以适應外界電磁環境條件的變化，因此也就必然産生某些生物效應．微波加熱的生物效應主要是由微波加熱的熱效應，其次是非熱效應所引起的．

微波加熱的熱效應

微波加熱對生物體的熱效應是指由微波加熱引起的生物組織或系統受熱而對生物體産生的生理影響．熱效應主要是生物體内有極分子在微波加熱高頻電場的作用下反複快速取向轉動而摩擦生熱；體内離子在微波加熱作用下振動也會将振動能量轉化為熱量；一般分子也會吸收微波加熱能量後使熱運動能量增加．如果生物體組織吸收的微波加熱能量較少，它可借助自身的熱調節系統通過血循環将吸收的微波加熱能量(熱量)散發至全身或體外．如果微波加熱功率很強，生物組織吸收的微波加熱能量多于生物體所能散發的能量，則引起該部位體溫升高．局部組織溫度升高将産生一系列生理反應，如使局部血管擴張，并通過熱調節系統使血循環加速，組織代謝增強，白細胞吞噬作用增強，促進病理産物的吸收和消散等．

加熱優點

微波加熱自身的特性決定了微波加熱具有以下優點:

(1)加熱迅速，均勻。不需熱傳導過程，且具有自動熱平穩性能，避免過熱。

(2)加熱質量高，營養破壞少，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)安全衛生無污染，對食品的殺菌能力強.因為微波加熱能是控制在金屬制成的加熱室内和波導管中工作，所以微波加熱洩露被有效的抑制，沒有放射線危害及有害氣體排放，不産生餘熱和粉塵污染。既不污染食物，也不污染環境。微波加熱殺菌除了熱效應之外還有生物效應，許多病菌在微波加熱加熱不到100℃時就全部被殺死。

(4)節能高效。由于含有水分的物質極易直接吸收微波加熱而發熱，沒有經過其他中間轉換環節，因此除少量的傳輸損耗外幾乎無其他損耗。比一般常規加熱省電約30%^-50%。

(5)具有快速解凍功能。在微波加熱場中，凍結食品在從内到外同時吸收微波加熱能量，使凍結食品整體發熱，容易形成整體均一的解凍，縮短解凍時間，迅速越過一50C-0℃這個易發生蛋白質變性、食品變色變味的溫度帶，以保持食品的品質不緻下降。

微波加熱的非熱效應

微波加熱的非熱效應是指除熱效應以外的其他效應，如電效應、磁效應及化學效應等．在微波加熱電磁場的作用下，生物體内的一些分子将會産生變形和振動，使細胞膜功能受到影響，使細胞膜内外液體的電狀況發生變化，引起生物作用的改變，進而可影響中樞神經系統等．微波加熱幹擾生物電(如心電、腦電、肌電、神經傳導電位、細胞活動膜電位等)的節律，會導緻心髒活動、腦神經活動及内分泌活動等一系列障礙．對微波加熱的非熱效應，人們還了解的不很多．當生物體受強功率微波加熱照射時，熱效應是主要的(一般認為，功率密度在在10mW／cm2者多産生微熱效應．且頻率越高産生熱效應的阈強度越低)；長期的低功率密度(1mW／cm2以下)微波加熱輻射主要引起非熱效應．

應用

微波加熱對許多發芽率低或發芽慢的農作物或林術種子都作了催芽試驗，以探索能否提高發芽率。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緻受損。微波加熱具有顯著熱效應，而且有促進G0細胞進入增殖周期（Carpita．N．C．&MurrayW.N;1976）。另外，胡燕月等（1996）胡萱日等（1995），分别比較研究了微波加熱和熱擊處理水稻種子的生物學效應，在相同升溫(45℃)下，結果表明微波加熱處理可極顯著促進芽活力，熱擊處理則可以極顯著促進根活力。賴麟與馮鴻（1997）利用50W、200W和500W的微波加熱照射白蘭瓜種子，發現200W功率的微波加熱處理可以極顯著地提高其發芽率，同時也能顯著地提高萌發話力。200w微波加熱處理的種子從萌發24小時起，其澱粉酶含量顯著地高于對照，48小時期澱粉酶同工酶有新的酶帶産生。說明這一功率的微波加熱能有效地激話白蘭瓜種子萌發期的澱粉酶，加速物質和能量的代謝，從而提高種子萌發活力。黃桂琴等（1999）利用105W微波加熱輻射黃瓜種子10s、20s，結果發現提早長出真葉．株高增加。處理種子的時聞為30s，促進種子早出苗．但随着生長期的延長株高被抑制，葉片數也減少．當輻射劑量105W，處理種子的時間分刷為85、10s、l4s，促進黃瓜幼苗的主根和側根增長與脫氲酶活性增加，表明根活力增強．楊俊紅等（2003；2004）利用正交試驗研究了微波加熱處理對白菜種子萌發特性及其耐鹽性的影響。結果表明：微波加熱處理前，萌發環境的含鹽量對種子發芽率的影響最大，而且含鹽量和堿性的影響較顯著；經微波加熱處理後，萌發環境的含鹽量和堿性對種子發芽率的影響處于次要地位，而且無顯著性；優選條件下種子的發芽率比對照組明顯提高。P．Reddy與D.J．Myeoek（2000）應用非破壞性的有效微波加熱照大豆種子30秒鐘對種子的生存力、活性有促進作用但對細胞和細胞器結構沒有影響。

1．微波加熱的生物效應在醫學上的應用利用微波加熱生物效應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。特别是利用微波加熱生物效應治療腫瘤具有特殊的意義。因為腫瘤組織的血液循環和導熱性能比正常組織要差在受到微波加熱照射肘，腫瘤組織的溫升比周圍的正常組織通常要高出1～3℃。若适當控制加熱溫度，使腫瘤細胞内溫度達到42uc以上時即可将癌細胞殺死，而不緻傷害健康組織，故利用微波加熱可殺死缺氧和低pH值的抗放射腫瘤細胞。如果将微波加熱熱療與放射性治療以及化學治療結台起來，則可收到更好的治療效果。目前已廣泛地開展了實驗研究工作，有不少國家和地區正在臨床應用最近幾年裡，對肝癌和腦部組織癌變進行熱療，并取得了豐富的資料（陳夷等，1999）。我國學者在利用微波加熱治療肝癌、直腸癌和口腔癌方面已取得了十分明顯的成果。另外，将手術刀刃與微波加熱輻射結合在一起，也是一種應用形式。由于微波加熱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，故這種形式的手術刀特别适用于細血管分布很密的人體組織（陳夷等，1999）。例如眼睛和肝髒的手術過程。目前尚待完善的地方是如何使微波加熱輻射的能量更加集中．從而取得更好的效果。同樣在醫用和醫藥工業中可以将微波加熱用于滅菌，效果又快又好。此外，用強脈沖功率的做波照射實驗動物的腦部．使其溫度達到42℃以上，可在數秒鐘之内殺死動物．并使其腦中的酶系統同時全部均勻地滅活，從而中止了生物化學反應，使腦内的耐熱活性物質可保持原來的成分，這樣就可用來研究神經化學的特性和功能。