微波加热技术具有效率高、可控性好等优点，已应用到农产品、食品的热加工中，如干燥、灭菌、萃取、膨化等过程。但是，微波加技术存在温度分布均匀性差、产品质量不稳定、能量利用率不高等问题，严重制约其在农产品及食品加工中的适用性。为改善微波加热均匀性、提高能量利用率并控制产品质量稳定性，《农产品微波加工理论与技术》以浆果、发芽糙米等作为代表性物料，针对干燥、萃取、膨化等典型微波加热过程，在微波加热理论和加工技术两个方面开展了系统的研究工作。《农产品微波加工理论与技术》共7章，包括微波加热农产品的介电理论、农产品微波加热的动力特性、微波加热过程仿真分析、农产品微波加工过程中品质形成、微波萃取机理与技术、农产品微波干燥技术和微波加热均匀性研究等内容。

目录
前言
第1章 微波加热农产品的介电理论 1
1.1 物料介电特性在微波加热过程中的作用 1
1.2 微波泡沫干燥过程中的浆果介电特性变化规律 4
1.2.1 温度和含水率对介电特性的影响 4
1.2.2 微波干燥过程中物料内微波能吸收规律 6
1.3 微波萃取过程中萃取液介电特性变化规律 7
1.3.1 微波强度和乙醇体积分数对萃取液介电常数的影响 8
1.3.2 微波强度和料液比对萃取液介电常数的影响 8
1.3.3 萃取时间和乙醇体积分数对萃取液介电常数的影响 9
1.3.4 微波强度和萃取时间对萃取液介电损耗因子的影响 10
1.3.5 料液比和萃取时间对萃取液介电损耗因子的影响 11
1.4 微波真空膨化蓝莓脆片的能量利用和介电特性变化规律 12
参考文献 14
第2章 农产品微波加热的动力特性 16
2.1 农产品微波干燥动力特性分析 17
2.1.1 发芽糙米微波干燥动力特性分析 18
2.1.2 果浆微波干燥动力特性分析 23
2.2 微波萃取蓝莓萃取液的动力特性分析 29
2.2.1 不同微波功率下萃取液微波能吸收分布 29
2.2.2 不同微波功率下萃取液温度分布 31
2.2.3 微波萃取体系内传质动力学分析 33
2.3 微波膨化浆果脆片的膨化动力特性分析 41
2.3.1 微波膨化浆果脆片的温度变化分析 41
2.3.2 微波膨化浆果脆片的水分变化分析 43
2.3.3 微波膨化浆果脆片的应力变化分析 44
2.3.4 体积仿真结果分析 45
参考文献 47
第3章 微波加热过程仿真分析 49
3.1 旋转运动微波加热过程仿真分析 50
3.2 连续式平移运动微波加热过程仿真分析 61
3.2.1 仿真参数设置 62
3.2.2 仿真结果分析 69
参考文献 80
第4章 农产品微波加工过程中品质形成 82
4.1 微波干燥对发芽糙米品质的影响 82
4.1.1 微波干燥对发芽糙米裂纹率的影响 82
4.1.2 裂纹对干燥后发芽糙米蒸煮特性的影响 84
4.1.3 裂纹对发芽糙米饭的质构特性的影响 86
4.1.4 微波干燥发芽糙米的蒸煮特性与质构特性相关性分析 88
4.1.5 裂纹影响发芽糙米蒸煮品质的微观分析 90
4.1.6 微波干燥对发芽糙米颜色的影响 91
4.2 微波膨化工艺参数对浆果脆片品质的影响 94
4.2.1 感官品质 94
4.2.2 质构品质 98
4.3 微波功率输入模式对浆果干燥品质的影响 100
参考文献 103
第5章 微波萃取机理与技术 105
5.1 微波萃取条件对蓝莓中花青素的各类特性及结构的影响 105
5.1.1 微波萃取花青素动力特性分析 106
5.1.2 萃取温度对花青素清除自由基能力的影响 107
5.1.3 萃取液中花青素清除自由基能力特性分析 109
5.1.4 提取方式对花青素得率的影响 109
5.1.5 微波萃取对花青素组分和结构的影响 111
5.2 变功率微波萃取蓝莓中花青素工艺研究 113
5.2.1 微波诱导低温压力产生规律及萃取过程分析 113
5.2.2 第Ⅰ阶段微波功率对花青素得率和降解率的影响 116
5.2.3 转换点温度对花青素得率和降解率的影响 117
5.2.4 第Ⅱ阶段微波功率对花青素得率和降解率的影响 118
5.2.5 变功率微波萃取对花青素得率和降解率的影响 119
5.2.6 变功率微波萃取蓝莓中花青素综合优化分析 121
5.3 微波萃取蓝莓中花青素抗氧化特性及保护性萃取工艺研究 124
5.3.1 柠檬酸保护花青素的微波萃取工艺研究 124
5.3.2 微波萃取条件对花青素总抗氧化能力的影响 127
参考文献 131
第6章 农产品微波干燥技术 134
6.1 果浆连续式微波干燥工艺研究 136
6.1.1 起泡果浆制备 137
6.1.2 果浆连续式微波干燥方程构建 137
6.1.3 气流速度对浆果干燥特性的影响 144
6.1.4 气流、微波协同干燥起泡果浆的能效分析 145
6.1.5 气流速度对果浆干燥均匀性影响的分析 147
6.1.6 微波泡沫干燥时树莓果浆内微波能分配规律分析 151
6.2 果浆的微波泡沫干燥工艺研究 152
6.2.1 微波泡沫干燥工艺对果浆内水分均匀性的影响 152
6.2.2 微波泡沫干燥工艺对果浆温度均匀性的影响 156
6.2.3 微波泡沫干燥工艺对果浆内能量利用效率的影响 162
6.3 发芽糙米连续式微波干燥工艺研究 164
6.3.1 发芽糙米连续式微波干燥特性分析 164
6.3.2 发芽糙米连续式微波干燥过程分析 167
6.3.3 料层上表面电场强度分布 169
6.3.4 发芽糙米连续式微波干燥的料层表面温度分布 171
参考文献 173
第7章 微波加热均匀性研究 175
7.1 微波加热均匀性评价 176
7.2 果浆微波加热特性及均匀性评价方法研究 178
7.2.1 材料与方法 178
7.2.2 均匀性评价模型建立 181
7.2.3 果浆微波加热过程中的均匀性分析 185
7.3 果浆微波加热过程均匀性仿真研究方法 192
7.4 果浆微波加热过程均匀性分析 199
7.4.1 果浆热特性和介电特性分析 199
7.4.2 微波加热过程中电磁波传输与能量吸收分析 200
7.4.3 微波加热过程中热质传递分析 203
7.4.4 微波加热过程中果浆内微波能吸收分析 207
7.5 间歇变功率微波加热果浆工艺研究 208
7.5.1 实验设计与工艺流程 208
7.5.2 变功率微波加热工艺对果浆干燥均匀性的影响 210
7.5.3 间歇变功率微波加热工艺对指标的影响 219
7.5.4 间歇变功率微波加热工艺参数优化 231
参考文献 232

第1章 微波加热农产品的介电理论
　　1.1 物料介电特性在微波加热过程中的作用
　　在农产品和食品的微波加热过程中，介电特性是指物料内部含有的极性分子、离子等束缚电荷对外加电场的响应特性。食品物料置于高频电场时，其中成分如淀粉、蛋白质、水等分子具有极性，会沿着外电场方向取向排列，随着外电场高频率变换方向，极性分子会急速转动或往复运动，由无序随机分布状态转变为依电场方向进行有序排列。在微波加热过程中，物料内极性分子在电场作用下产生急速运动，剧烈的碰撞摩擦产生热能，实现电能向物料内能转变。评价物料介电特性的主要参数是介电常数ε′和介电损耗因子ε″，介电常数是指物料吸收微波能的能力；介电损耗因子是指物料吸收微波能转化为热能的能力。在微波场中，食品和农产品的介电特性指标变化复杂，受物料种类和加工方式等因素影响，介电特性这两个指标可能增加或者减小（Datta et al.，2001）。但在介电常数和介电损耗因子增大情况下，物料吸收的微波能及转化热能的量增多。影响物料介电特性的外部因素主要有电场频率、信号电压、环境温度和湿度，内部因素主要有成分含量、状态、质地、结构等（郭文川等，2009；Venkatesh et al.，2004）。物料介电特性指标的形成如式（1-1）和式（1-2）所示：
　　（1-1）
　　（1-2）
　　式中，ε_∞是指处于高频率电磁场的极性分子来不及取向时的介电常数；ε_s是指处于静态电场（频率为0）时的介电常数；τ是弛豫时间，ps，是物料施加电场撤去后，其中偶极子恢复到平衡状态所需时间，受外加电场频率、物料组分、分子量、温度、黏度等因素影响；ω是角频率，rad/s。
　　在外加电场频率方面，介电物料中极性分子和离子受到电场作用产生极化效应。一般情况下，随着频率增加，物料介电常数呈现逐渐下降趋势；而介电损耗因子呈现先升高直到临界频率ω_c（取决于弛豫时间）然后下降的趋势。在微波加热温度影响方面，由式（1-3）和式（1-4）可知，温度升高引起极性分子运动加快、黏度ν下降，弛豫时间τ减小，由式（1-1）可知，这种情况可能引起物料中成分的介电常数下降；对于物料在915MHz和2450MHz频率电场下，由式（1-3）和式（1-4）可知，温度升高导致临界频率ω_c（ω_c=1/(2πτ)）增加，这些变化引起吸收峰（*高介电损耗因子）向右移动，介电损耗因子呈现下降趋势。一般情况下，在微波场（常用频率2450MHz和915MHz）中，极性分子越小，其弛豫时间越短。因水分子的分子量低于食品物料中其他成分，水分的介电特性指标处于高水平。
　　（1-3）
　　（1-4）
　　式中，τ是极性分子运动弛豫时间，s；ν和ν？分别是极性分子初始状态和受热后的表现黏度，Pa s；E_a是1mol分子从一个平衡位置跃迁到另一平衡位置所需克服的*小能量，即激活能，J/mol；κ是玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T是热力学温度，K；R_g是气体常数。
　　因此，物料含水率直接影响其介电特性指标，介电常数以及介电损耗因子均随着含水率增加而增大（郭文川等，2012）。吴其飞等（2016）研究小麦胚芽介电特性的变化规律时发现，当含水率从4%增至16%时，其介电特性指标随之增大，介电常数和介电损耗因子分别从2.61和0.02对应地升高至4.32和0.80。孙俊等（2016）根据介电特性变化规律，建立玉米叶片介电特性指标与含水率的关系模型，在同一测量频率下，玉米叶片含水率越大，介电常数以及介电损耗因子越大。为了解析微波加热过程中食品物料的能量吸收、热能转化等介电行为，以温度和含水率为中间变量，建立微波加工参数与物料特性指标之间的模型（Calay et al.，1994）。依据物料温度和含水率研究介电特性变化规律，有助于分析物料吸收微波能行为、揭示微波加热物料的机理，为微波能吸收利用和加热均匀性控制等研究提供依据。在物料介电特性的测量和模型建立方面，通常使用矢量网络分析仪测量均质物料的介电特性，但在实际微波加热研究中，大多物料属于非均质多孔结构，其中空气介电特性指标低，多孔介质物料介电特性参数有多变性。Liu等(2009)提出李赫田纳科（Lichtenecker）混合建模方法，使用开放式同轴探针直接测定面包的介电特性指标，建立了物料温度、含水率与介电常数及介电损耗因子之间的关系模型，通过物料不同成分的介电方程估算多组分物料的介电特性指标。介电特性指标可表征物料对微波的吸收及体积热产生的能力（Ozturk et al.，2018）。为了分析物料对微波能整体利用率，把物料吸收微波能与入射微波能的比值定义为微波吸收系数k，当透射微波能全部被物料吸收时，吸收系数k等于透射能流密度S？与入射能流密度S？之比，其中S？和S？可分别按式（1-5）和式（1-6）计算：
　　（1-5）
　　（1-6）
　　式中，ε？是真空介电常数，8.8542×10-12F/m；ω是角频率，rad/s；μ？是真空中磁导率，H/m；E？、E？分别是入射微波和透射微波的电场强度，V/m；β是相变因子，
　　（1-7）
　　其中，c是微波在真空中的传播速度，m/s。根据式（1-5）～式（1-7），获得吸收系数k与物料介电特性指标的关系，如式（1-8）所示：
　　（1-8）
　　式（1-8）可用于分析食品物料吸收微波能的能力。在微波场中，物料吸收微波能与电磁辐射的频率、物料介电损耗以及电场强度平方成正比。微波干燥腔内场强与初始平均场强关系由式（1-9）确定：
　　（1-9）
　　式中，z是微波在物料内的传递深度，m；E_0m为微波腔内初始电场强度，V/m；α是微波在物料内传播时衰减系数，取决于物料的介电常数与介电损耗因子，如式（1-10）所示：
　　（1-10）
　　其中，λ？为微波在真空中波长，频率为2.45GHz对应波长为0.1224m。初始电场强度与微波设备的实际输入功率关系可由式（1-11）确定（Boldor et al.，2005）：
　　（1-11）
　　式中，P_in是微波炉的实际输入功率，kW；A是微波真空干燥腔内波导面积，m2；c是微波在真空中的传播速度，3×108m/s；ε？是真空介电常数，8.8542×10-12F/m；E_0m是初始电场强度，V/m。
　　微波对食品物料进行加热时，电（磁）场变化使极性分子极化，急速碰撞、摩擦产生体积热。介电损耗因子和电场强度决定物料微波体积热生成量，如式（1-12）所示：
　　（1-12）
　　式中，ε″是介电损耗因子；f是电场频率，2.45GHz；E是电场强度，V/m。
　　1.2 微波泡沫干燥过程中的浆果介电特性变化规律
　　在微波加热过程中，介电特性指标决定物料对微波能吸收和热能转化能力，且受物料成分、状态，尤其是温度和水分、孔隙的影响显著。在微波泡沫干燥过程中，微波在物料内部产生体积热，提高加热效率，物料起泡增大水分蒸发面积、降低水分束缚、提高水分蒸发能力，适用于浆果水果等富含持水性成分（果糖、果胶等）、含水率高的物料干燥。作者课题组提出微波泡沫干燥技术，成功地用于黑加仑、蓝莓和树莓等典型浆果的干燥加工。但在微波泡沫干燥过程中，物料中产生的泡沫含有气体（空气和水蒸气），影响物料介电特性指标。因此，分析微波泡沫干燥过程中介电特性变化是解析微波在物料内部传递及体积热生成的理论基础。
　　1.2.1 温度和含水率对介电特性的影响
　　微波泡沫干燥过程中，果浆吸收、转化微波能，温度升高、含水率降低，进而影响介电特性指标。微波泡沫干燥过程中，果浆介电特性随温度与含水率变化如图1-1和图1-2所示。
　　图1-1 微波干燥过程中果浆的温度和含水率与其介电常数关系*线
　　微波功率800W，果浆质量50g，料层厚度5mm
　　对图1-1中数据进行回归分析，得到介电常数与温度、含水率的模型，如式（1-13），该模型表征三者之间的函数关系。
　　（1-13）
　　式中，ε′是介电常数；T是果浆温度，℃；M是果浆湿基含水率，%。
　　干燥初期，果浆含水率高、温度较低，果浆吸收微波能用于升高温度。含水率是影响树莓果浆介电特性的主要因素，随着含水率降低，物料中极性分子数量减少、介电常数降低。干燥后期，起泡剂使果浆内部形成大量包裹空气的气泡，空气介电常数远低于水介电常数，果浆介电常数下降。微波加热过程中，果浆介电常数随其温度与含水率变化，在干燥前期，随温度升高、含水率降低，介电常数升高；干燥后期，根据式（1-13），温度高于84.7℃，含水率低于61.8%（湿基）时，介电常数下降。
　　根据图1-2中数据结果，建立果浆微波泡沫干燥过程中的介电损耗因子与温度、含水率的模型，如式（1-14）所示：
　　（1-14）
　　式中，ε″是介电损耗因子；T是果浆温度，℃；M是果浆湿基含水率，%。
　　干燥前期，果浆温度较低、含水率较高，介电损耗因子逐渐增大、吸收微波能的能力增强。随着果浆中含水率下降，其中极性分子减少，介电损耗因子减小。干燥后期，果浆水分较低，自由水含量减少使得极性分子大量减少；果浆形成多孔状结构，空气介电损耗因子小，因此果浆的介电损耗因子下降。
　　图1-2 微波干燥过程中果浆的温度和含水率与其介电损耗因子关系*线
　　微波功率800W，果浆质量50g，料层厚度5mm
　　1.2.2 微波干燥过程中物料内微波能吸收规律
　　在微波干燥过程中，介电特性指标决定微波在物料内部产生体积热及穿透能力；因微波加热引起物料温度和水分变化，反过来影响到介电特性指标的变化。对富含糖类、淀粉成分的食品物料，温度升高（但不超过玻璃态温度）引起介电特性下降，微波体积热产生能力下降；而当物料温度超过玻璃态温度，质地变软、内部极性分子运动加剧，介电特性指标升高，吸收微波能力增强，产生热逃逸现象。如在微波功率800W、果浆质量50g、料层厚度5mm条件下，果浆内的微波能体积热如图1-3所示，随着微波干燥进程，物料内微波能体积热呈现稳定、上升和下降的趋势。由微波体积热方程（1-12）可知，果浆物料内微波能吸收与其介电特性变化趋势有关。
　　图1-3 微波泡沫干燥过程中果浆内部体积热变化*线
　　微波功率800W，果浆质量50g，料层厚度5mm
　　在微波泡沫干燥初期，果浆含水率和温度变化不明显，介电特性指标处于稳定状态。随着干燥过程的进行，果浆吸收微波能温度升高，该阶段能量变化如式（1-15）所示：
　　（1-15）
　　式中，Q_v1是干燥初期微波产生的体积热，W/m3；ρ是果浆密度，kg/m3；C_p是果浆比热容，J/(kg K)。
　　在微波泡沫干燥初期，果浆含水率变化不明显，吸收微波能产生体积热主要引起果浆温度升高。如式（1-14）所示，在果浆温度低于83.6℃时，介电特性指标随温度升高而增大，果浆吸收微波能增多。微波能向物料内传播能力衰减，在边缘处产生体积热*大；在微波泡沫干燥中期，果浆吸收微波能主要用于水分气化所需热量。由于微波加热方式为体加热，故忽略水分扩散，仅考虑水分蒸发引起质量变化，如式（1-16）所示（李秀伟，2015）：