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百篇科普系列(52)—微波加热技术

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百篇科普系列(52)微波特性及其应用——微波加热技术徐长发,华中科技大学,2019.7.15.微波的特性之一是有选择性地加热。微波对水加热特

百篇科普系列(52)

微波特性及其应用

——微波加热技术

徐长发,华中科技大学,2019.7.15.


微波的特性之一是有选择性地加热。微波对水加热特别有效,对脂肪、蛋白质的加热效果较差。为什么对水的加热效果特别好呢?这里有3个原因。原因之一,水分子是极性分子,2个氢原子和1个氧原子按共价键结合时,带有电极性,极性分子在微波高频电磁场中会剧烈震荡,分子摩擦转化为热能,换句话说,水分子对微波的吸收率高。原因之二,微波频率与水分子的固有频率相近,水分子在微波电磁场中不仅震荡而且产生共振,进一步提高了水吸收微波的效率。原因之三,微波有一定的穿透性,微波加热不是靠热传导,而是从里到外一起加热。

微波炉是民居使用的微波加热的典型设备。其实微波加热在很多方面都是有特殊效果的。

一.家用微波炉

1.微波炉的结构

家用微波炉是大家熟知的,它就是利用微波特性制作出来的食品加热装置。它的加热特点非常突出:微波对水的加热效果特别明显,食品里含水,加上微波具有一定的穿透性,所以食品是里外一起被加热的,加热速度很快。

家用微波炉的结构简单,下面对其中的几个部件的功能做些解释。

搅拌器 微波发生器波导管

炉内转盘

微波发生器。它能够产生中低功率的微波。微波频率与水分子的固有频率相近,水分子在微波作用下,每秒钟要振动24.5亿次。

波导管。它把微波引入到炉室中。

搅拌器。它可以通风,它和炉壁一起可以让炉室内微波分布均匀。

微波隔离。在波导管出口处,有一个微波隔离层,它的目的是让微波进入炉室,又把炉室内外隔开,这种隔离层通常使用微波无阻碍穿透的材料,如聚乙烯材料。炉门上也设置了一个隔离层,它的目的是把微波封闭在炉室内,防止微波外泄,这种隔离层通常使用微波全反射材料,如金属铝网。

2.微波炉加热食品是安全的

微波加热是依靠物体吸收微波并将其转换成热能的加热方式。微波加热食品是完全的物理现象,食品并未发生化学变化,物体的分子结构未发生改变,不会产生致癌物质。微波也不会在物质内部“残留”。

如果食物加热温度过高,不管是微波加热还是传统方式,都可能产生致癌物。

比如在煎炸薯条、薯片等,超过120℃,氨基酸和碳水化合物反应可能产生某些疑似致癌物;比如煎炸鱼肉时,超过200℃,蛋白质可能产生某些胺类致癌物;比如烤羊肉串等发生焦糊时,超过300℃,食物中的脂肪会大量产生苯类致癌物。微波加热主要是加热食物中的水,只要正常使用,水分没有被蒸干,食物温度会低于100℃,不会产生致癌物。

普通塑料袋在微波炉中加热,会产生化学分解,不卫生,不安全。

微波炉加热食物,要采用陶瓷、玻璃制品,最好用微波炉专用器皿。一是要保证微波无阻碍穿透,二是要保证高温加热后不会产生化学变化。

有膜包裹、有外壳的食物,在微波加热时热量不易散出,容易产生热爆,不安全。

脂肪含量高而水分含量低的食物,如奶酪、坚果、五花肉等,用微波加热时要小心,因为水分少,温度上升快,容易焦糊或炸开。

酸奶和其他含有活菌的食品不宜用微波加热,因为会杀死有益菌,降低保健价值。

在使用微波加热时,人和微波炉之间应保持50厘米以上距离,当微波炉停止工作时再打开拿取食品。

二.微波加热技术的一些其它应用

微波加热是里外一起加热的,其加热效果是传统加热方式和红外加热方式的4-10倍,其热效率达到80%以上,加热时间也大为缩短。

1.利用微波可对食品进行干燥、熟化、焙烤、脱腥、膨化和保鲜处理。目前已用于米粉、麦片、豆奶粉、袋装、卤菜类、肉类小包装、方便面、保健茶、糕点、牛肉干、土豆片、鱼片干、盐水鸭、腰果、花生米、瓜子、大豆等许多方面的食品加工中。

2.微波制茶。微波加热升温快,控制温度准,里外一起热等特点,非常适合茶叶加工中的杀青和干燥作业。茶叶的有效营养成分基本不损失,而且色、香、味都大大好于传统的加工方法。

3.微波杀菌是微波热效应和生物效应共同作用的结果。微波能够穿透细菌的细胞膜并产生热效应。从生化角度来看,细菌管理生长和繁殖的核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)是由若干氢键紧密连接而成的卷曲大分子,微波可导致氢键松弛、断裂。实践证明采用微波装置在杀菌温度、杀菌时间、产品品质保持、及节能方面都有明显的优势。

微波杀菌装置可安装在流水线上。

在制药工业中,粉状、颗粒状、片状药品等医药制品需要干燥灭菌,微波技术正好对路子;对于中草药材的快速干燥、杀虫、灭菌工序,使用微波干燥、微波杀菌技术具有多方面的优势。

3.微波萃取

利用微波能实现萃取,这是一种最新发展起来的新技术,被萃取物质从基体中分离快,萃取效率高,节省时间,污染小,适用范围很广。

一般中药材的萃取工艺简单:药材粉碎,用水做溶剂微波加热,有效物质快速进入溶剂中,再过滤去渣,用“膜分离技术”去水,微波烘干,最后获得粉末状的萃取物。

中药材萃取物组合配置可以代替传统的“中药汤剂”。

中国的农业产品丰富,农作物丰富,中药材丰富,有数不尽的有效成分期待人们萃取,例如橘子皮中的橘油,荷叶中的药用成分,艾草中的有效成分,等等,由于没有人去萃取,很多原材料都浪费了。

现在已经有不少公司从事微波萃取业务,几百种有效成分从植物中被提取出来,萃取的品种越来越多,可喜。微波萃取非常有市场前景

4.微波处理木材

微波可对1-6公分厚的木板进行均匀、快速烘干,干燥只需十几分钟,且不开裂变形小,同时杀死木材内部的卵虫和幼虫;也可对胶合板或拼板胶接的固化处理以及竹制品木制工艺品干燥、灭霉、杀菌。

5.微波用于医疗

用微波对皮肤做局部照射,热效应可以深入皮下几毫米,理疗效果好。用微波可以加热血浆、解冻冷藏器官。因为微波升温快,局部性好,所以还可设计微波手术刀,开刀止血快、出血量少。

6.微波陶瓷烧结

微波可以让陶瓷毛坯(含有水分),在很短的时间,从内部到外表,均匀加热至2000℃,从而实现陶瓷的均匀致密化烧结。正是由于微波这种内外一起加热的特点,大尺寸的精细陶瓷也不易炸裂,成品率高。传统烧制陶瓷,把毛坯放入窑中,窑内的温度不均匀,温度又是从外向内对毛坯升温的,所以传统的热辐射加热方法使毛坯变形炸裂的多,烧制陶瓷的成品率低。用微波烧制陶瓷是传统方法无法比拟的。 

7.微波硫化橡胶

生橡胶受热变软,遇冷变硬、发脆,不易成型,容易磨损,易溶于汽油等有机溶剂,分子内具有双键,易起加成反应,容易老化。为改善橡胶制品的性能,要让生胶硫化,这样,生胶的线型结构的大分子就交联成为立体网状结构的大分子,硫化过的橡胶具备高强度、高弹性、高耐磨、抗腐蚀等等优良性能。

传统方法是用含硫蒸汽在一定温度下对胶料硫化。由于靠热传导加热,温度由外部向内部慢慢地热传导,加上橡胶物料是不良导热材料,所以大部分时间都耗费在让橡胶达到硫化温度上。所以加热时间长、效率低、硫化均匀性不好。另外,传统工艺为消除橡胶粘连而使用滑石粉,致使橡胶生产车间中粉尘弥漫,环境很差。

现在的微波硫化橡胶的过程大致是这样的:

1)成型挤压设备:把生胶料挤压为成品形状。

2)表面硫化定型设备:主要用来把刚挤压成型的生胶产品,采用高温,迅速将其表面硫化定型,这样可防止产品变形也便于输送。

3)微波加热设备:把产品整体,迅速加热到硫化所需要的温度,这一过程只需要几十秒钟的时间。

4)热风硫化设备:使橡胶产品保持在硫化所需要的温度范围内持续硫化。

5)冷却段:把完成硫化的橡胶产品,冷却到可收集处理的温度。

微波加热与传统加热方式完全不同,是将微波能量穿透到被加热介质内部直接进行整体加热,因此加热迅速,高效节能,大大缩短了橡胶硫化时间,使其加热均匀性更好,硫化质量较高,也不需要使用滑石粉,达到环保要求。该生产工艺可使大多数生产工序集中在一条生产线上完成,自动化程度高,能耗低,节省人力,生产稳定,产品质量均匀等,大大改善了生产劳动条件。

总之,现代工业生产中越来越多地使用微波加热技术

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