微波加热的生物效应机制和原理

微波加热具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。

（一）微波加热原理特性

1.选择性

物质吸收微波加热的能力主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波加热的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波加热的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波加热具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波加热的吸收能力比水小得多。因此，对于蛋白质、碳水化合物来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。

微波射到金属上就发生反射，金属不能吸收或传导微波；微波可以穿过玻璃、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量。因此，用微波对物质加热，不能用金属材料，而只能用玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料做成的容器。

2.穿透性

微波加热比其他用于辐射加热的电磁波如红外线、远红外线等的波长更长，因此具有更好的穿透性。微波加热透入介质时，介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。

3.热惯性小

微波加热对介质材料是瞬时加热升温，能耗也低。另外，微波加热的输出功率随时可调，介质温升可无惰性地随之改变，不存在“余热”现象，有利于自动控制和连续化生产的需要。

（二）微波加热的生物效应机制

当微波加热作用于生物体时，在生物控制系统的作用和调节下，生物体必然要建立新的平衡状态以适应外界电磁环境条件的变化，因此也就必然产生某些生物效应。微波加热的生物效应主要是由微波加热的热效应引起的，其次是由非热效应引起的。

1.微波加热的热效应

微波加热对生物体的热效应是指由微波加热引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响。热效应主要是生物体内有机分子在微波加热高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波加热作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波加热能量后使热运动能量增加。如果生物体组织吸收的微波加热能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波加热能量（热量）散发至全身或体外。如果微波加热功率很强，生物组织吸收的微波加热能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高。而局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血液循环加速，组织代谢增强，白细胞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等。

2.微波加热的优点

微波加热自身的特性决定了微波加热具有以下优点。

①加热迅速，均匀。不需热传导过程，且具有自动热平稳性能，避免过热。

②加热质量高，营养破坏少，能最大限度地保持食品的色，香、味，减少食品中维素的破坏，有利于氨基酸，维生素等组分的测定。

③安全、卫生，无污染，微波对食品的杀菌能力较强。微波加热被控制在金属制成的加热室内和波导管中工作，所以微波加热泄漏被有效地抑制，没有放射线危害及有害气体排放，不产生余热和粉尘污染。既不污染食物，也不污染环境，还不破坏样品的原始组成。微波加热杀菌除了热效应之外还有生物效应，许多病菌在微波加热不到100℃时就全部杀死。

④节能高效。由于含有水分的物质极易直接吸收微波加热而发热，没有经过其他中转换环节，因此除少量的传输损耗外几乎无其他损耗。比一般常规加热省电30％～50％。

⑤具有快速解冻功能。在微波加热场中，冻结食品从内到外同时吸收微波加热能量，使冻结食品整体发热，容易形成整体均一的解冻，缩短解冻时间，迅速越过-50～0℃这个易发生蛋白质变性、食品变色变味的温度带，以保持食品的品质不致下降，也能保障冷冻保字的被分析样品中的相关参数不发生变异。

3.微波加热的非热效应

微波加热的非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化学效应等。主微波加热电磁场的作用下，生物体内的一些分子将会产生变形和振动，使细胞膜功能受到影响，细胞膜内外液体的电状况发生变化，引起生物作用的改变，进而可影响中枢神经系统等。微波加热干扰生物电（如心电、脑电、肌电、神经传导电位、细胞活动膜电位等）的节律，会导致心脏活动、脑神经活动及内分泌活动等一系列障碍。当生物体受强功率微波加热照射时，热效应是主要的（一般认为，功率密度在10mW/cm²者多产生微热效应，且频率越高产生热效应的阈强度越低）；长期的低功率密度（1mW/cm²以下）微波加热辐射主要引起非热效应。

（三）微波加热的应用

①微波在农业科学上的应用。微波加热对许多发芽率低或发芽慢的农作物或林木种子做了催芽试验，以探索能否提高发芽率。通常低含水率种子受加热处理的影响大，也能忍受较高温度不致受损。在相同升温（45℃）下，微波加热处理可显著促进芽活力，热处理则可以显著促进根活力；利用200W功率的微波加热处理可以显著提高白兰瓜种子的发芽率及萌发活力，因为这一功率的微波加热能有效地激活白兰瓜种子萌发期的淀粉酶，加速物质和能量的代谢，从而提高种子萌发活力。

②微波的生物效应在医学上的应用。微波加热的生物效应可以用来诊断各种肿瘤、胸部疾病、肺气肿、肺水肿，测量动脉血管壁的厚度等。特别是利用微波加热生物效应治疗肿瘤:根据肿瘤组织的血液循环和导热性能比正常组织差（在受到微波加热照射时，肿瘤组织的温升比周围的正常组织通常要高出1～3℃）的特点，利用微波将肿瘤病灶的温度升至43℃左右，这种高温环境抑制了原发肿瘤和转移肿瘤的血管生长，破坏肿瘤细胞的结构，从而使肿瘤细胞凋亡。将微波加热热疗与放射性治疗以及化学治疗结合则可收到更好的治疗治果。