微波解冻原理及特点

出处：按学科分类—农业科学 中国轻工业出版社《肉类工业手册》第620页（2958字）

(一)微波在电场中的位置

微波是指频率在300～300000MHz，介于无线电波和光谱之间的超高频电磁波，因此具有两者的性质和特点。一般微波所包括的范围无明确界线，它有米波、分米波、厘米波和毫米波四个波段，即波长为1m＞λ＞1mm的电磁波。因其频率很高所以在某些场合称微波为超高频。

表3－6－5 各种辐射的波长和频率

(二)微波解冻原理

微波解冻原理与微波干燥原理相同，受热介质是由分子组成，一个分子是中性的，但在分子中有正离子和负离子。例如：水分子是由两个带正电荷的氢离子和一个带负电荷的氧离子组成，因离子不是对称的分布，故水分子具有极性，当遇到有外电场时，分子具有沿着外电场方向取向排列的趋势，外电场变换方向，水分子也会旋转180°而重新和电场取向排列，因电场不断变换，分子迅速移动。如把直流电换成50Hz的工业用电，则带电分子同样以每秒50次进行方向的改变，作快速摆动。由于分子原有的热运动和相邻分子间的相互作用，使分子随外电场变换而摆动的规则运动受到干扰和阻碍，产生了类似摩擦的效应，结果是一部分能量转化为分子杂乱热运动的能量，以热的形式表现出来，这样水的温度也随着升高，与此相同，其它介质也有类似的效果。

(三)微波所用的波段及单位

微波所用频率单位为兆赫(每秒100万赫为1MHz)，用于工业、科研和医疗上(简称ISM)有四个波段。如表3－6－6所示。

表3－6－6ISM微波频率段表

其中915MHz和2450MHz两种频率得到广泛使用。

(四)微波与各种材料的关系

微波常用材料可分为导体、绝缘体、介质、磁性化合物等。微波在传输过程中会遇到不同的材料，产生反射、吸收和穿透现象，这种情况完全取决于材料本身的几个特性，如介电常数、介电损耗系数、比热、形状和含水量等。

1．导体

像铜、银、铝之类的金属能够反射微波，因此利用该特性来传播和反射微波能量，在微波系统中常用的传输装置波导管就是矩形或圆形的金属管一般由铝或黄铜制成。

2．绝缘体

绝缘体可以穿透并部分反射微波，吸收微波功能较小，利用其特性，在微波系统中，根据不同的情况使用玻璃、陶瓷云母、聚四氟乙烯、聚丙烯之类的绝缘体。

3．介质

介质的性能介于金属和绝缘体之间，对微波而言，它具有吸收、穿透和反射的性能，在微波加热和干燥作业中，被处理的物料通常是不同程度地吸收微波能量的介质。这类物质称为有耗介质，特别是含水和含脂肪的物料，它们不同程度地吸收微波能量，并把它转变为热量。

4．磁性化合物

磁性化合物性能非常像介质材料，也反射、吸收和穿透微波。由于微波能量具有能对介质材料、磁性材料产生影响的电场和磁场，因此也是容易用微波处理的材料。

(五)影响微波解冻的有关因素

对于一定的介质，其吸收的功率由下式计算：

式中 P′——单位体积物料吸收的功率，W／cm³

f——微波的频率，Hz

ε——物料的介质常数

tan^δ——介质损耗系数

E——电场强度，V／cm

可见对一定的介质(ε和tan^ε一定)，吸收功率和频率及电场强度的平方成正比，为了提高吸收功率的能力，可以提高电场强度或增加工作频率，但是电场强度的提高有局限性，因为电场强度过高，电极将会出现击穿现象，而提高频率f到微波波段在300～300000MHz之间的超高频电磁波时，则可很好解决这一放电击穿问题。当频率与电场强度一定时，吸收功率的大小完全取决于ε和tan^δ、K。K称为介质损耗因素(表3－6－7)。

表3－6－7 各种介质的损失因素

(六)微波解冻的特点

普通解冻方法，如蒸气加热解冻、空气自然解冻等多属于外部加热解冻法，被加热的冻肉表面吸收热量后，通过传导，再渗透到内部。而微波解冻法，如前所述，是因为电磁波深入到物体内部，把物料本身作为发热体，若频率与电压选择适当，则能使物体内、外部都能大体上均匀受热，故称为内部加热解冻法。微波加热的特点大致和广义的高频介质加热的特点相同，并且频率更高，从而有以下各种优点：

(1)加热解冻时间比较短，外部加热法要使物料中心温度升高，必须有较长时间，还需有一个温度梯度，其值越大，传热越快。但因冻肉表面受热大，对肉的品质影响较大，故外部加热温度受限制，中心温度升高需要较长时间。微波加热解冻属内部加热法，不靠热的传导，中心温度升温快，甚至只需常规法的1／10～1／100的时间，并能达到均匀受热的效果。便于连续加工，设备占地面积少。

(2)与普通加热解冻相比，能提高解冻后肉品的质量，减少汁液流失，保持蛋白质的原有性质以及良好风味。

(3)天然蛋白质的保持通常可降低配制成本。

(4)控制升温可以获得预定的产品温度，使深加工处于最佳温度和结构状态。

(5)改善解冻时的卫生状况，减少细菌生长机会。

(6)可根据需要，轻松改变最终产品的温度。

(7)去除回温室和架轨等，可节约工厂设施空间和产品储运，且能连续加工。

缺点是耗电量大，设备造价较昂贵。