《第一节微波技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一节微波技术（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一节 微波技术一、微波技术概论1、微波概念微波是指波长在1mm- 1m范围的电磁波。工业上，科学，医疗常用微波进行加热。常 用微波频率有 433MHz 915MHz 2375MHz 2450MHz食品加工中多用 915MHz家用微波炉 多选用2450MHz前者微波穿透深度大。2、微波加热特点：加热速度快微波加热是利用被加热物体本身作为发热体而进行内部加热，不靠热传导的作用，因此可以物体内部温度迅速提高，所需加热时间短。 一般只需常规方法的十分之一到百分之一的时间就可完成整个加热过程加热均匀性好微波加热是内部加热， 而且往往具有自动平衡的性能，所以与外部加热相比较，容易达到均匀加热的目的，避免
2、了表面硬化及不均匀等现象的发生。加热易于瞬时控制微波加热的热惯性小， 可以立即发热和升温，易于控制，有利于配备自动化流水线。选择性吸收某些成分非常容易吸收微波，另一些成分则不易吸收微波，这种微波加热的选择性有利于产品质量的提高加热效率高微波加热设备虽然在电源部分及电子本身要消耗一部分能量，但由于加热作用始自加工物料本身，基本上不辐射散热，所以热效率可高达80%。3、微波加热原理微波加热不同于其它加热方法，一般加热由表及里， 微波直接加热物体内部，被加热介质为偶极子（一端带正电，一端带负电分子）组成。无电场作用时，这些偶极子介质作无规 则运动。有电场时，介质中偶极子呈有序排列。直流电场中，偶极子
3、带正电一侧朝向负极。有电场时，偶极子排列规则，即外加电场给予介质中偶极子以一定“位能”，介质分子的极化越剧烈，介质常数越大，介质中贮存能量越多。频繁改变电场方向， 偶极子亦做迅速 摆动。由于分子的热运动和相邻分子间相互作用， 偶极子摆动便受到干扰和阻碍， 产生类似 磨擦的作用，使分子获得能量，并以热形式表现出来，表现为介质温度升高。物料在微波场中产生热量的多少与外加电场及物质种类特性有关。外加电场变化越快， 产生热量越多，外加电场越强，产生热量也越多。即高频率及高电场强度产生热量多。4、微波对介质穿透作用介质指被加工的物料。当物料接触微波时可能会吸收、穿透及反射。含水和脂肪食品，可吸收微波产生
4、热量。食品吸收微波后，微波的场强和功率衰减，衰减状态决定微波对介质 穿透能力。1）穿透深度表示物料对微波衰减能力大小，其定义为：微波功率从物料表面值减至表面值1/e（ 36.8%）时的距离。De&De-入微波波长，；介电常数，tan S ,介质损耗角正切兀V片tan右微波功率从物料表面值衰减到表面值1/2时距离。半功率穿透深度 Di/2D1/23人8.686； r ta n、）由此可知，微波穿透能力与波长有关。波长越长，穿透力越强。由于一般物料二；rtan、：-1，微波穿透深度与使用的波长是同一数量级。与红外线和远红外线加热相比，微波穿透 能力强。2）穿透深度与温度的关系微波的穿透深度也与物质
5、的温度有关。对水而言，穿透深度随温度升高而增加，廋肉的情况则正好相反。5、影响微波加热因素影响微波加热因素有：微波频率，微波强度，物料介电强度，密度，比热容和介电损耗 角正切，其中物料的介电性质往往又是频率的函数。1）频率：从加热角度看，频率越高，加热速率快。但频率越高，微波波长越短，穿透深度越小。频率还会影响介质损耗系数，频率越高，介质损耗系数越大。2）电场强度电场强度实际上是与微波加热器功率相关连的指标。功率大，电场强度大，加热速度快。食品加工中，加热操作需根据加工要求来进行。 加热速率不一定越快越好。微波加热器有功 率调节旋钮，以适应不同的加工要求。微波加热操作可迅速加热和无惰性的随输出
6、功率的改变而变化，满足食品不同加工阶段 不同的加热要求。3）介电性质：介电强度，介电损耗不同的介质一般有不同的介电常数和介质损耗角正切。水的介电常数和介质损耗角正切比一般介质大。因此，在一般物料中，含水量越大，其介质损耗也越大。升温越快。物料进 行微波加热时，随着加热进行，物料水分含量降低，物料介电常数及介质损耗下降，升温也 越慢，就出现了自动平衡。 微波加热的这种自动平衡作用使物料加热更均匀，同时也避免出现过热的缺陷。但有些物料在加热时，温度上升，其介质损耗系数也升高，就出现恶性循环。冰的介电常数及介质损耗系数均比水小，微波在加热冷冻食品时，如不把融化的水随时排走，则有可能能量主要被水吸收，
7、而冰得不到加热。物料的介电性质除与介电常数和介质损耗角正切有关，还与微波频率有关。介电常数与频率的关系不是很大，但在高频时的介质损耗系数要比在915 MHz时的小许多。4）物料的密度物料密度越大，升温越慢。物料密度不仅影响微波对物体的加热，而且还影响物料的介电性质。物料密度提高，介电常数以近似线性关系趋于增加。5）物料的比热容比热容小的物质温度升高的速度快食品往往是多种原材料配制而成的多组分混合体系。不同成分具有不同的比热容，从而会有不同的温升速度； 不同的组分又呈现不同的介电特性（不同的介电常数，和介质损耗角正切），有不同的吸收微波功率的能力。因此，在多组分仪器的微波加热研究中，应该很好 发
8、对比热容加以控制，以便使各组分的加热速度达到基本同步的要求。上述讨论的这些因素有些相互关联，有些还受别的因素影响。 例如物料的介电特性和比热容不仅受温度的影响， 而且也与食品中的盐浓度的关，盐含量增加，加热速度便加快，穿透深度便减小。影响微波加热的因素非常复杂，实际工作中应审慎考虑选择和掌握各项控制条件。6、物料的微波吸收功率和温度升高物料吸收微波的能力主要由介电常数， 介质损耗角正切来决定， 另外与电场强度和微波 工作频率有关。其中，介电常数是阻止微波能量穿过的能力量度， 介质损耗角正切为介质消 耗微波能量的效率。P = 2 f 十；oE2tan、 =5.56 1Q41 f ；E2tan为了
9、提高介质吸收功率，可提高电场强度（E）,电场强度不能提高太多，否则，会将电极之间击穿。微波能量通过物料时被吸收，并转变为热能，其升温可用下式表示：5.56SO-11 fgrE2 tan6.Tr，即单位体积物料温度升高与物料的吸收功率成正比，：c与物料密度，比热容成反比。二、微波加热工艺的计算加热物料的微波功率卩=壬巴 p耗用微波功率， T物料温升，c 物料比热容，tm-物料质量，t 微波作用时间I物料干燥微波功率 p = Tcm QmQ-液体蒸发潜热/汽化潜热，m -蒸发的液体量1000tP电源总功率的估算 P二一P -需选用微波加热器的功率容量，P-计算得到微波功率nn 微波加热效率，一般
10、0.50.8计算得到的P值是在理想状态所需功率，实际上在微波加热器内微波功率不可能全被物 料吸收，分三部分，一部分物料吸收，一部分微波加热器本身所消耗，另一部分在波导管内因反射而损失，所以选择微波加热器功率容量时，要适当加大。三、微波加热设备一般由电源，微波管（微波发生器），波导管（连接波导），微波加热器及冷却系统组成。1、微波加热器分类按被加热物和微波场的作用形式可分为驻波场谐振腔加热器，行波场波导加热器，辐射型加热器，慢波型加热器。可根据结构分为箱式，隧道式，平板式，曲波导式和直波导式箱式微波加热器，驻波场谐振腔加热器特点：微波利用率高，泄漏少，较安全，适宜块状物体加工，快速加热，烹调，消
11、毒 隧道式加热器，连续式谐振腔加热器特点：实现连续加热，有防微波泄漏装置，用于木材干燥，奶糕，茶叶加工波导型微波加热器，行波场波导加热器波导一端输入波导，在另一端吸收剩余能量（水负载），使微波在波导内无反射传输，构成行波场。有以下几种形式：开槽波导加热器，蛇形波导加热器，曲折波导加热器，V型波导加热器，直波导加热器辐射型波导加热器产生的微波通过一定转换装置，再经辐射器向外辐射的一种加热器特点：加热简单，易实现连续加热，设计制造也比较方便慢波型微波加热器（表面波加热器）微波沿导体表面传输加热器，微波传送速度比空间慢特点：加热效率高，因为能量集中在电路里很狭区域传送，电场相对集中。微波真空干燥箱微
12、波加热和真空干燥相结合，其特点是干燥速度快。四、微波加热在食品加工中的应用烹调食品，干燥，解冻，杀菌，灭酶，焙烤，烘烤，膨化食品五、微波食品的包装材料根据功能分三类，能被微波穿透的材料，能吸收微波能的材料，能反射微波的材料 主要材料有聚酯复合材料，镀铝，微波感受膜，玻璃容器，涂塑硬纸材料。外包装材料要求具有一定耐冻性，耐冲击性。如：尼龙 /油墨/接着层 /低密度聚乙烯， 聚酯膜 /油膜/接着层 /线性低密度聚乙烯，聚丙烯膜 /油墨/接着层 /线性低密度聚乙烯内包装材料要求耐低温，耐高温。具有内容物的保存性，微波穿透性、隔热性、环保性 和成本低。如：结晶化聚酯容器，纸加工容器，聚丙烯容器，聚甲基
13、戊烯，热硬化聚酯板， 聚砚，聚酯亚胺。第二节 高压技术高压杀菌，即将食品以某种方式包装后，置于高压（100600MPa装置中加压处理，以达到杀菌要求。高压杀菌基本原理即， 当微生物经高压处理后， 微生物形态结构，生物化 学反应，基因机制及细胞壁膜发生多方面变化，微生物原有生理活动机能，原有功能破坏， 微生物发生不可逆变化，最终导致微生物死亡，使食品得以长期保存一、高压杀菌的基本原理1 、高压和微生物一般细菌生长条件均为 2030MPa耐压微生物生长为 4050MPa可以在50200MPa 下存活，但不能生长。可以在150MPa生长的微生物称为宽压微生物。高压条件下，微生物形态变成纤丝，停止运动
14、。高压条件下，微生物细胞中，细胞膜被 破坏，细胞壁发生机械断裂而松懈。DNA核酸更稳定，蛋白质变性。压力低时可恢复，如果压力过高不能恢复。高压条件下，微生物活力一般降低， 其生长和生殖速率会降低，压力特高， 微生物可能 死亡。高压条件下，对芽孢作用。低压引起发芽，提高细胞热敏感性，但发芽芽孢不能杀灭。 中压引起发芽， 但杀灭大量发芽芽孢，高压条件下只有少量发芽， 芽孢被杀灭。高压杀灭芽 孢主要受温度影响， 杀灭芽孢温度因压力而异。中性pH值最有利于杀灭芽孢， 极端pH范围+ + 2+ 2+ +内效果最差。中性pH最有利于压力引发芽孢发芽。 无机盐催化发芽，HKMnCaMg2+Na 盐，糖对芽孢
15、有保护作用，丙氨酸、核糖为发芽促进剂。变动高压处理/ 脉冲高压处理优于连续高压处理。影响高压杀菌因素有 pH,温度，微生物生长阶段，食品成分，水分活度有关。高压处理时，介质 pH 改变，缩小微生物生长的 pH 范围 温度协同高压作用,低温或高温时,高压对微生物影响加剧。微生物生长期, 对数早期对压力更敏感。 在微生物最适生长温度范围进行高压杀菌可提 高杀菌效果。食品成分：糖、盐、蛋白质、油脂对微生物有保护作用。如果食品中存在脂肪酸酯,糖 脂及乙醇可以提高杀菌效果。水分活度：水分活度越高，杀菌效果越明显。Aw0.96效果好，Aw0.94效果差，Aw300 MPa，蛋白质变性。加压有利于促进反应向减小体积的方向进行, 推迟了增大体积的化学反应。 许多生化反 应,都会产生体积上改变, 所以加压将对生物学过程影响。 其机理可能是高压减小有效分子 空
