微波加工过程中食品温度分布规律及其均匀性研究

张柔佳，王易芬，栾东磊*

1(上海海洋大学 食品热加工工程技术研究中心，上海，200120) 2(上海海洋大学 食品学院，上海，200120) 3(奥本大学 生物系统工程系，美国阿拉巴马州奥本市，AL 36849)

微波技术最早应用于通讯领域，美国Raytheon公司工程师SPENCER在测试用于雷达装备的磁控管时，偶然发现了微波的热效应，并在1945年申请了第一个关于微波加热的专利(专利号：2495429A)，由此开启了微波在食品热加工领域的应用[1]。微波加热因其加热快速、操作方便等优点，在食品热加工领域的应用越来越广泛。微波炉已成为众多家庭必不可少的厨房用具，常用来解冻食品、加热即食食品等。而在食品工业中，微波加热主要用于食品的解冻、复热、烫漂、干燥和杀菌。

热处理过程会损害食品中的热敏物质，影响品质。温度和时间是决定食品加热过程中热损害程度的主要因素，传统加热方式主要通过传导、对流等方式将热量从外部热源传递到食品内部，加热时间较长，加热不均匀，从而造成食品风味、色泽、质构及营养成分的损失。微波加热属于整体加热，加热速度快，可通过大幅降低加热时间，提高产品品质。如BENLLOCH-TINOCO[2]研究了微波和传统恒温水浴2种灭菌方式处理对猕猴桃泥的影响，实验结果表明微波处理能更好地保留叶绿素；同样，EL-SHIMI[3]以牛肉片为研究对象，对比了传统加热与微波加热在烹饪及复热阶段的感官品质，发现微波处理的牛肉片风味得分更高；又如OZTOP[4]研究了微波真空油炸与传统油炸工艺对薯条品质的影响，发现微波真空油炸薯条的含油量较低。此外，JIANG[5]发现与传统冷冻干燥相比，微波冷冻干燥在冻干香蕉片时，系统消耗能量减少、干燥时间缩短。

虽然微波加热技术具备上述优点，但加热的不均匀性仍是食品微波加热过程中存在的主要问题之一，也是阻碍微波大规模工业化应用的原因之一。部分研究发现，食品冷热点之间的温度差异较大。食品局部区域过热，会导致食品品质下降，而食品中出现冷点则会导致灭菌不完全，引起食品安全问题。因此，提高微波加热的均匀性是国内外食品加工领域面临的共同难题，将微波加热的温度分布规律按照食品种类进行系统性总结，并对目前国内外有关提高微波加热均匀性的方法进行归纳与分析，可促进微波加热技术在食品加工行业的研究与应用。

1 微波加热机理

微波是一种频率范围在300 MHz～300 GHz的电磁波，对应波长在1～0.001 m之间，为避免干扰通信，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，简称FCC)规定可以用加热的微波频率范围为(915±13)、(2 450±50)MHz,其中家用微波频率范围为(2 450±50)MHz，而工业科学及医学应用研究的微波频率范围则为(915±13)、(2 450±50)MHz，一般用中心频率代表该波段[6]。食品内部极性分子的偶极子旋转和离子传导是微波加热的主要原因[7]。当食品处于微波的交变电场中，食品内的极性分子会沿着电场方向重新排列，这种排列以每秒数千万次以上的频率在交变微波电场中发生，从而引起分子间的摩擦，产生热量。食品的介电特性是影响微波加热后食品温度分布的主要因素之一。

食品的介电特性(ε*)由以下公式描述：

ε*=ε′-jε″

(1)

微波传播进入食品后，能量衰减，微波在食品中的穿透深度(d,m)定义为耗散功率衰减到1/e(欧拉数e≈2.718)的深度时经过的距离：

(2)

其中：λ为波长(m)。

微波在食品中的穿透深度与波长成正比，即高频微波的穿透深度较小，根据不同食品含水量，一般915 MHz的穿透深度为8～22 cm，而2 450 MHz的穿透深度为3～8 cm，前者是后者的3倍左右[8]。

目前食品介电特性的测量方法包括：平行极板(电容器)技术、同轴探头技术、传输线技术、自由空间法和谐振腔技术。其中，开放式同轴探头技术[9]可在较宽温度和频率范围内的测量，且测量简便、稳定性高，是目前测试食品介电特性最为方便、快速的技术。研究食品的介电特性有助于利用数学模型分析食品在电磁场中的特性，达到检测食品组成成分、优化微波加热设备、提高加热均匀性的目的。

2 食品微波加热温度分布规律的研究进展

许多学者针对不同食品材料对其微波加热过程进行了大量研究，因此本文按照食品种类，对目前研究报道中食品的温度分布规律进行总结。

2.1 模拟食品

由于食品材料自身的复杂性，在实验研究中，真实食品的实验可重复性较低，以真实食品为样本研究其在微波加工中温度分布规律的难度较大。而且食品样本只能进行单次实验，对于用量较大的工程研究来说，经济成本较高。同时，在测量温度时，对真实食品来说，只能利用红外热成像仪观察食品表面温度，或利用热电偶测量内部有限个数的温度值，无法得到完整的温度场，而利用与真实食品的介电特性和热物性相似的模拟食品，结合chemical marker技术可得到模拟食品的内部温度分布[10]。因此，目前许多学者研究了模拟食品在微波加热过程的温度分布规律。

与食品一样，模拟食品的组分变化会影响其温度分布。FAKHOURI[11]研究了乳清蛋白和脂肪的添加量对微波加热温度分布的影响，实验以10 %的淀粉凝胶为基质，并添加了0.75 %的甲基纤维素以防止淀粉和蛋白在凝胶化前的沉淀。将模拟食品在2 450 MHz、700 W的家用微波炉(内腔34 cm×33 cm×27 cm，无转盘)中分别加热10、15、20 min，模拟食品大小为20 cm×20 cm×6 cm。为研究其温度分布规律，实验将模拟食品划分成4×4的网格，依次记录了上述加热时间条件下所有网格点和平面中心点上4种不同深度的温度数据。结果表明，脂肪含量越多，温度分布越均匀，而蛋白质则反之。当无脂肪时，需要20 min才能将中心温度升至75 ℃(微生物安全温度)，而添加10 %的脂肪，升温时间为17 min；加热10 min后，无脂肪的食品平均温度为60 ℃，而10 %脂肪的食品的平均温度约为100 ℃。加热速率和温度分布均匀性随着脂肪含量的增加、蛋白含量的减少而增加。而随着微波加热时间的延长，加热速率反而会下降，这是由于对流和蒸发热损失造成的，由于模拟食品和外界冷环境的温差增加，对流热损失也随着增加，而食品中水蒸气的产生和逃逸，也使蒸发热损失不断增加。增加食品中的离子含量，会导致介电损耗增加。因此在模拟食品中，经常用控制含盐量的方法来调整介电损耗。SAKAI[12]以琼脂凝胶和含盐量为1%的琼脂凝胶为2种原料，研究了5种组分类型(样品Ⅰ：全为琼脂凝胶；样品Ⅱ：全为含盐琼脂凝胶；样品Ⅲ：轴线一半为琼脂凝胶、一半为含盐琼脂凝胶；样品Ⅳ：琼脂凝胶中填充少量含盐琼脂凝胶；样品Ⅴ与样品Ⅳ组分相反)的圆柱形食品的温度分布。实验发现，样品Ⅰ的中心和边缘被加热，而样品Ⅱ仅边缘被加热；样品Ⅲ的中心区域温度，与样品Ⅰ、Ⅱ相比较低；而对比样品Ⅲ～Ⅴ，可以发现有含盐琼脂凝胶的区域温度相对较高，因此盐的添加会引起微波后食品温度的升高。此外，LLAVE[13]用甲基纤维素模拟了冷冻金枪鱼在微波解冻加热过程中的温度分布情况和介电特性，结果发现含盐量越多，介电损耗越大，同时盐的添加也会引起解冻时间的延长和穿透深度的减少，导致温度分布不均。当含盐量为0%、0.5%、1%和2%时，模拟食品中的最大温度与平均温度的差值分别为58.2、65.2、72.5、82.3 ℃，LLAVE认为解冻的表面会吸收大部分微波能量，而介电损耗的增加会导致穿透深度急剧增加，从而对食品内部产生屏蔽效应，导致温度分布不均。

由此可以看出，模拟食品与真实食品相比，其介质较为均匀、单一，但模拟食品在微波加热条件下，仍存在较大温差。真实食品由于个体间和部位间的差异性较大，其温度分布更不均匀。模拟食品的组分本身对温度分布影响较大，其主要原因是由于组分的水分含量或离子含量引起的，因此对于多组分食品(如肉糜制品、即食食品等)的微波加热过程，可通过调整其组分或优化不同组分食品的分布位置，提高加热均匀性。

2.2 肉类

由于加热速度快，微波常用于解冻、加热肉类及肉制品。温度对微生物的生长繁殖影响很大，肉类中自由水冻结成冰后可使微生物的酶活性降低，其生长繁殖受到一定抑制，但并不意味着冷冻可以杀死微生物。因此微波加热后，食品冷点区域中保持活性的酶会重新活跃起来，从而造成食品安全问题。GOKSOY[14]研究了冷冻的整鸡在微波加热条件(2 450 MHz，微波炉内含转盘和搅拌器)下表面温度的分布情况，实验发现整鸡的肛门、翅膀、小腿及下背处的温度分别达88、97、90和96 ℃。而此时大腿和鸡胸处的温度仅为48 ℃、29 ℃，与能够杀死致病菌的温度差距较大。

JEONG[15]研究了微波加热条件下猪肉馅饼的温度分布情况，猪肉馅饼分为含盐和无盐2种，且其脂肪含量又分为10%和20%两种。当馅饼的中心温度到达76.7 ℃时，测量馅饼边缘、中心和中间区域的温度，结果发现馅饼边缘温度达90 ℃以上，而中心和中间区域的温度仅为75 ℃左右，无盐馅饼的边缘升温比含盐馅饼快，含盐馅饼中心和中间区域的温差更大。TANG[16]研究了带肉汁的牛肉片在7盎司托盒中的微波灭菌过程，烤牛肉片与3种低钠肉汁混合包装在托盒中，利用915 MHz的微波灭菌系统进行灭菌，由于冷点集中在食品的中层区域，因此仅研究样品中层区域的温度分布，实验发现热量主要集中在中间区域，而在托盒中层距前端和后端18 mm处的位置出现冷点。除了用于肉糜的解冻和加热，微波也常用于鱼糜的加热凝胶过程，与传统水浴加热相比，微波加热可提高鱼糜凝胶化品质，如曹燕[17]发现利用微波加热鲢、狭鳕鱼糜，其凝胶形成速度比传统水浴加热快，且凝胶破断力大。但在一些研究[18-19]中也发现，由于微波分布不均，微波促凝胶化过程会出现热点，当热点温度接近沸点时，会造成过热点区域的水分瞬间蒸发，产生较高压力，破坏凝胶结构。

综上所述，肉类微波加工过程温度分布不均匀，冷热点温差较大。而加热不均匀是引发微生物灭活不彻底主要原因，近年来已有多起相关食品安全事件的报道。对于体积较大、形状不规则的肉类(整鸡、整鸭等)来说，不同部位的温度差异较大，且在大批量处理时，由于食品叠加或局部空隙暴露，其温度分布也不均匀，因此可通过设计合理的堆放方式、联合其他加热技术等手段，优化温度场分布。另外，对于肉类制品，可通过调整其组成成分达到提高均匀性的目的。

2.3 即食食品

随着生活节奏的加快，人们对各种即食食品的需求量越来越大，食品供应商也开发了类型多样的微波即食食品(如米饭便当、速食面等)，许多学者也对微波加热不同组分的即食食品中的温度分布进行相关研究。FAKHOURI[11]研究了冷藏4 ℃和冷冻-20 ℃条件下肉酱千层面(lasagna bolognese)和牧羊人派(shepherd’s pie)的微波加热情况，实验结果表明，在食品生产商建议加热条件下的食品温度分布极不均匀，中心温度较低。例如在建议加热条件下，冷藏牧羊人派的中心温度为62 ℃，而边缘和顶角上的温度已接近沸点，但通过延长加热时间将肉酱千层面的中心温度达到安全温度时，食品边缘和顶角已发生轻微褐变。RYYNNEN[20]研究了包含肉饼、酱汁、土豆泥、胡萝卜4种食品在内的冷冻即食食品在微波加热下的温度分布情况，结果发现微波加热30s后，热点与冷点之间的温差达70 ℃以上，且4种食物之间的温度差异较大。RAMASWAMY[21]以肉酱意大利面和三文鱼寿司为研究对象，微波加热(2 450 MHz，无转盘)后发现，对于肉酱意大利面来说，当边角温度达到92.9 ℃时，中心温度仅为27.4 ℃，而对于三文鱼寿司来说，边角温度为96.8 ℃时，中心温度仅为33.6 ℃，冷热点温度差高达65 ℃左右，即上述2种食物在微波加热后的温度分布不均匀。

由此可见，在相同条件的微波加热过程中，不同种类的食品温度分布各不相同。这是由于不同种类的食品，其水分含量、介电特性、热物性等参数差异较大。对于含有不同种类的即食食品来说，可通过优化包装材料和包装设计、优化食品摆放位置等方式，提高加热均匀性。而对于成分单一的即食食品来说，应通过优化其形状尺寸、联合其他加热技术等手段，提高均匀性。

2.4 其他食品

微波在果蔬类食品中，主要用于干燥、烫漂等过程。PU[22]利用可见近红外高光谱成像技术观察了芒果片在微波真空干燥过程中的水分分布情况，发现芒果片中心区域的水分含量最低，而4个边角上的水分含量相对较高，并认为这是由于微波加热时温度分布不均造成的。KOSKINIEMI[23]利用含盐量为0%～1%的柠檬汁将杯装红薯、红椒、西兰花3种蔬菜酸化，pH值调整到3.8，在915 MHz微波隧道中进行加热，实验发现含盐量为1%的腌渍溶液会减小微波在蔬菜中的穿透深度，杯装酸菜的平均温度由84 ℃下降至73 ℃，所有包装中的温度分布都不均匀，在容器距入射微波最远处出现60 ℃的冷点，酸化蔬菜由于含盐量较高，在微波加热过程中穿透深度会急剧减小，当食品尺寸超过穿透深度时，就会导致加热不均匀，食品表面温度较高。

微波干燥谷物时，也存在着温度分布不均的问题。MANICKAVASAGAN[24]对不同含水量的谷类经微波干燥后的温度上升和温度场分布不均匀的问题进行研究，大麦和小麦按水分含量分为12%、15%、18%和21%四个种类，油菜籽分为8%、12%、15%、18%和21%五个种类，实验结果表明，大麦、油菜籽、小麦的平均表面温度分别为72.5～117.5 ℃、65.9～97.5 ℃、73.4～108.8 ℃，最大表面温度分别为100.3～140.0 ℃、77.8～117.7 ℃、98.3～130.9 ℃，所有样品中都存在的温度不均匀现象，冷热点温差分别为7.2～78.9 ℃、3.4～59.2 ℃、9.7～72.8 ℃。当微波解冻半流体食品时，这种温度分布不均的现象也存在。AROCAS[25]对比了微波解冻和水浴解冻对白酱的影响，虽然实验结果表明微波解冻白酱的速率明显高于传统水浴解冻，但通过红外热成像分析发现，水浴解冻白酱的温度分布呈同心圆，由外向内温度逐渐降低，而微波解冻的白酱温度呈不均匀分布，不存在同心圆的温度分布形状。

综上所述，无论在替代真实食品的模拟食品实验中，还是在肉类、即食食品、果蔬类、谷类和半流体食品中，微波加热的不均匀现象始终存在，且冷热点之间的温差较大，这成为限制微波加工技术发展的主要原因。

3 改善温度分布不均的方法

为改善微波加热不均匀的问题，许多学者研究了引起该现象的原因，主要包括电场分布不均匀、食品自身组分不均等，并根据具体原因提出了大量改善加热均匀性的方法，本文将这些改善方法归纳为3种类型：提高电场分布均匀性、改善食品组分及几何尺寸、优化环境媒介及包装形式。

3.1 提高电场分布均匀性

在食品微波加工过程中，有多种因素以复杂的形式交互影响食品的温度分布，其中波导、辐射器和谐振腔的设计对加热效果起主导作用。

DOMINGUEZ-TORTAJADA[26]根据遗传算法设计了带有补给系统的多模微波腔，补给系统由波导或槽阵列组成，腔内的电场形式由补给系统的位置决定，通过设计合理的排布位置，腔内电场的均匀性显著提高。WANG[27]将导电金属体置于微波炉内，利用其对微波的反射改善整个电场的均匀性，实验研究了导电金属体的位置、尺寸和数量对电场分布的影响，结果证明合理的摆放位置可以提高电场均匀性，同时电场强度也有所提高。此外，微波系统的尺寸结构、波导口形状等因素都会影响电场均匀性[28]。

还有学者通过模式搅拌器或移动食品(放置在传送带或转盘上)，提高微波加热的均匀性。SEBERA[29]模拟了扇状模式搅拌器在微波装置中对电场的影响，认为模式搅拌器可提高电场的均匀性。KOSKINIEMI[23]在研究酸化蔬菜的微波杀菌时发现，通过传送带上设计的两级旋转装置将传送带上的杯装蔬菜旋转180 °，可提高杯装酸化蔬菜的加热均匀性，与无旋转装置的传送带相比，冷热点温差由37.9 ℃降至17.5 ℃，且杯中的冷点温度达到77 ℃，满足灭菌要求。在微波炉中，最简单的提高均匀性的方法就是采用转盘，但相应的数学模型较为复杂，GEEDIPALLI[30]根据求解电磁场的麦克斯韦方程和热传导方程，对微波炉中转盘提高加热均匀性的作用进行研究，利用有限元分析法进行建模，并进行实验验证，结果表明与静止食品的温度场相比，转盘可将加热均匀性提高37%～43%；LIU[31]利用有限元分析法建立了相应的食品温度分布模型，研究了转盘连续旋转对微波加热的影响，对圆柱形和矩形样品的温度分布进行分析；也有学者[32]对带转盘的微波解冻冷冻食品的传热传质过程进行建模，模型包括了麦克斯韦电磁场加热、能量守恒、水分和水蒸气的质量守恒、冰的融化相变和水分的蒸发等。

在微波加热过程中，食品的摆放位置也会影响电场分布。RYYNNEN[20]研究了食品的摆放位置对微波加热均匀性的影响，以肉饼、酱汁、土豆泥、胡萝卜4种食品在内的冷冻即食食品为研究对象，将4种食物放置在圆形塑料托盘内，食品以圆盘的轴线保持左右对称，并改变食物摆放的位置(如肉饼位置不变，交换土豆泥和胡萝卜的摆放位置)。实验结果发现，食品摆放位置对加热均匀性的影响很大，可利用边角热效应改善温度分布均匀性。

提高电场均匀性是提高食品微波加热均匀性的主要手段，在微波腔内的反射可通过设计合理的导电珠子得到优化。模式搅拌器、转盘、传送带均可提高电场的均匀性，且在设计研发微波方便食品时，还需考虑食品摆放位置对电场的影响。

3.2 改善食品组分及几何尺寸

食品的组成成分对温度均匀性改善有着重要的作用，利用添加盐的方式可调整食品的介电特性，如WANG[33]在利用乳清蛋白凝胶模拟三文鱼片的微波加热过程时发现，在频率较低的条件下，盐的添加可明显改变食品的介电特性，随着盐浓度的增加，介电损耗增大，这是由于盐的增加导致离子传导增强而引起的结果。但AL-HOLY[34]以三文鱼和鲟鱼鱼子酱为研究对象，研究了其在微波巴氏灭菌过程中的介电特性，对比不同含盐量的鱼子酱，发现在915 MHz下，随温度增长，鲟鱼鱼子酱的介电特性与介电常数的曲线斜率较为平缓，而三文鱼鱼子酱基本保持不变，含盐量对其影响不大，这是由于鱼子酱中水分浓度较低造成的。除了通过添加适当的材料改变食品的组成成分外，对于不均匀食品来说，还应考虑食品自身组成成分对介电特性的影响，以鸡蛋为例，WANG[35]发现，液体蛋清和液体全蛋的热变性会影响其介电常数和介电损耗。在微波加热过程中，预煮过的蛋白和全蛋的介电常数随温度的升高而降低，液体全蛋、预煮全蛋、液体蛋清、预煮蛋白的介电损耗随温度的升高而增加，且液体蛋清的介电损耗大于液体全蛋，而液体全蛋又大于蛋黄的介电损耗，研究者认为蛋白和全蛋的介电特性的差异主要是由于离子传导的差异性引起的。

食品的几何尺寸对冷热点的分布影响也较大，如加热矩形、三角形食品一般会出现由于散射造成的边角过热现象，而对于表面凸起的食品(如球形、柱状)，则会出现中心过热的现象，这是由于折射或反射造成微波功率集中分布在某一特定半径的几何中心区域。VILAYANNUR[36]利用土豆为研究样本，实验以3种形状(长方体、圆柱和六角棱柱)为例，并对比了各个形状在不同体积(75 cm3、90 cm3、105 cm3)下的温度分布情况，结果发现六角棱柱的标准偏差(体积为90 cm3时，4.9～6.4 ℃)最小，即六角棱柱的温度分布最均匀，但到达80 ℃所需的时间最长，为61 s(长方体48 s、圆柱44 s)。BRODIE[37]对比了微波加热在长方体、圆柱、球形的琼脂凝胶中的温度分布情况，结果表明长方体样品中的最高温度出现在顶角。对于直径较小的圆柱样品来说，其介电损耗也较低，沿纵轴出现2个对称的温度峰值，温度分布呈哑铃状，而当介电损耗或圆柱直径增加时，最高温度呈环状分布在圆柱体的上下圆形表面下。直径较小的球体的热点集中在球心，当介电损耗或直径增加时，向表面逐渐迁移。SOTO-REYES[38]研究了不同形状和尺寸的琼脂凝胶的微波加热温度分布规律，发现中心温度到达50 ℃时，形状为大平板的样品需要的时间少于同尺寸的球体和圆柱体，尺寸大小为180 g的样品加热速度快于290 g的样品，而最冷点均出现在样品的中心。相同形状的食品，在特定的微波加工条件下也会存在最优尺寸，如范大明[39]研究了微波复热(2 450 MHz、900 W，含转盘)过程中尺寸效应对冷藏方便米饭温度分布的影响，以圆柱型米饭为实验对象，采用2、3和4 cm三种半径，其高度与直径比(L/D)分别为0.5、0.75、1.0和1.25。对于2 cm半径的样品，加热30 s时出现温度中心聚集效应，中心与边缘温差为45 ℃左右，当L/D比值增大时，中心温度逐渐降低，热点沿纵轴线从中心向上下表面迁移，这是由于半径较小导致微波能量在中心聚集，随着高度增加，穿透深度小于高度时，能量聚集点向表面迁移。通过对比得出，微波加热均匀性最优的尺寸为半径4 cm、高度4 cm。

由于离子传导是微波加热的原因之一，因此含盐量也会影响食品的温度变化，但对不同食品，并非含盐量越多，食品的介电损耗就越大。另外，不同形状的食品的热点分布规律也不相同，在加热条件一定的情况下，应对食品的形状尺寸进行优化。

3.3 优化环境媒介及包装形式

环境媒介和包装形式的优化，也可有效提高食品微波加热的均匀性，主要手段包括：联合其他加热技术、采用活性包装容器等。

直接利用微波干燥食品，虽然时间明显比传统手段短[40]，但局部易出现过热，导致食品微观结构被破坏，产生褐变，影响复水率。利用微波辅助其他技术(如欧姆加热、热风加热等)加工食品，并优化其工艺过程，可有效改善上述问题。LEE[41]设计了带有欧姆加热管的双圆柱形微波炉，用于加热多相食品(鸡肉、马铃薯颗粒和盐溶液)，实验发现单独利用微波加热或欧姆加热时，颗粒食品和盐溶液(盐溶液浓度为12.5 g/L时)的最大温差分别为(7.1 ± 1.7)℃和(11.9 ± 2.9)℃，而将微波联合欧姆加热时，最大温差小于3.08 ℃。颗粒状食品的干燥一般在流化床中进行，许多学者对微波联合流化床干燥技术提高干燥均匀性进行了大量研究[42-43]，喷动床是特殊条件下的流化床，气体通过喷嘴在床层中央形成射流，颗粒状食品随气流达到一定高度后，由于自身重力而下降，之后又被气流重新向上呈喷泉状，HUANG[44]采用微波喷动干燥处理胡萝卜丁，实验观察了单级、双级和三级微波喷动干燥，发现在干燥的最后阶段，胡萝卜丁表面温度均保持稳定、温度分布较均匀，3种方法在胡萝卜丁内产生的最大温差分别为3.7、4.4、4.1 ℃，即未出现局部过热的现象，这是由于微波产生的热量被喷动气流不断汽化冷却造成的，双级与三级喷动的色泽较好、类胡萝卜素和叶绿素含量较高，且有较好的复水能力。此外，RESURRECCION[45]在研究包装食品在微波辅助灭菌系统下微波功率变化对其加热方式的影响的实验中发现，在微波辅助灭菌系统中利用去离子水作为循环水时，乳清蛋白凝胶的温度比用自来水条件下增加23%～37%，认为这是由于在介电损耗较高的自来水中，微波能量大部分被循环水吸收，而食品相对吸收较少，因此温度较低。

除了将微波技术与其他技术相结合之外，适宜的包装材料和包装形式也可提高微波加热均匀性。设计适宜的微波包装系统可促进食品表面褐变和保证食品组织松脆，或者产生高温蒸汽保持食品水分，对控制食品的快速均匀加热有着重要的意义。从广义上来说，微波包装可分为：惰性包装容器和活性包装容器。惰性包装容器只用于盛装食品，对食品无加热作用。活性包装容器可与微波相互作用，从而产生新热源，对食品的特定部位进行传热。活性包装容器可分为3种类型：感受器、场强屏蔽装置和引导装置。对于微波加热过程中，食品内部温度高于表面温度的问题可通过引入感受器解决，感受器将微波能转化为热能，并与食品接触促使食品表面温度升高。国外已有许多学者申请了关于不同形状、不同涂层材料感受器的相关专利[46]。油炸食品在微波复热后往往缺乏松脆的口感，ALBERT[47]以含盐的海藻酸薄膜作为微波食品中的可食用感受器，实验以预先油炸过的鸡肉块为研究对象，将其表面裹上不同含盐量的海藻酸溶液，置于微波炉中复热，实验结果表明，海藻酸薄膜可以有效加热鸡肉块，使温度分布更加均匀，缩短加热时间。对于微波加热后食品表面出现过热的问题，可通过场强屏蔽和引导装置解决，两者都是利用金属片改变食品中的电磁场分布来改善均匀性，前者是阻止边缘对电磁波的吸收，从而防止食品边缘的过度加热，后者是将电磁波引导至金属片所在的位置，控制能量的排布。如将铝片设计成适宜的几何形状，并与披萨包装的基座托盘组合，当微波加热披萨时，将微波能传输至能量吸收不足的披萨底部区域。HO[48]研究了金属片对柱状食品在微波加热过程中的屏蔽效应，实验将0.002 cm厚的铝片设计成不同宽度，并对比了不同放置形式对食品热效应的影响，并认为金属片可以有效提高微波均匀性，其放置角度θ(金属片与食品底面的夹角)是一个重要的设计变量。

4 总结与展望

冷热点的温度差异较大、加热不均匀，是导致微波在工业领域发展受限的主要原因。虽然目前已研发了大量关于改善温度场均匀性的相关工艺方法和装置，但值得注意的是，食品中的温度差并未完全消除，只是在一定程度上得到改善，因此在未来还需对提高微波加热均匀性进行深入研究。

有关微波加工食品的报道大多数集中在针对不同食品的工艺优化上，主要目的是为了提高食品的加工品质(如改善感官评分、质构等理化参数)，且工艺优化的研究主要集中在利用微波联合其他加工技术(如热风加热、水浴加热、真空冷冻等)的最佳加工工艺的确定。在大多文献中，与温度分布相关的篇幅所占比例不高，关于食品中温度场的研究并不深入，仅对不均匀现象进行定性描述，忽略了提高加热均匀性才是改善食品加工品质的基础。

目前关于微波加工的研究，主要是将食品的各个加工环节独立讨论，例如仅对解冻或灭菌过程单独研究，但在实际工程应用中，食品加工是一个连续的过程，如冷冻食品可能包括解冻(0 ℃以下)和加热(0 ℃以上)2个环节，而该过程又伴随了冰的相变、水分蒸发、蛋白质变性等多种因素，对研究微波在连续加工食品过程中不同环节的应用尚不完善，各个环节的相互耦合及影响作用仍需讨论，微波加热均匀性对食品品质的影响研究不深入。

微波炉已成为家庭中常用的厨房用具之一，其装备已开发较完善，许多学者在研究时也主要采用主频率为2 450 MHz的家用多模微波炉。但对于主频率为915 MHz的单模微波系统的相关研究较少，特别是在大批量处理食品的工程研究中(如解冻、灭菌等)，相关的机理分析、工艺优化和设备开发尚不完全。在未来的相关研究工作中，提高食品微波加热均匀性仍是主要的研究热点之一。特别是在工业单模微波系统的加工过程中，针对高含水量食品的解冻、蛋白质加热变性等环节，研究其温度分布规律及改善均匀性有着重要的现实意义。