农产品微波加工理论与技术

我国农业资源丰富，主要农产品的产量位居世界首位，但是农产品加工业的发展仍处于较低水平。产后损失是农产品加工业发展的瓶颈之一。大力推进农产品加工技术高新化，针对现代农产品加工开展关键核心和共性技术攻关，是我国从农业大国走向农业强国的必经之路，对国民经济的发展具有十分重要的意义。在新的发展阶段，我国农业将逐步由传统农业向市场化、科技化和生态化农业转变，最终实现农业现代化和可持续发展。

微波是20世纪初发展起来的一门技术，最早应用于军事领域。随着微波技术的应用拓展，人们开始关注农业物料在射频和微波波段内的介电特性。研究发现，农产品的生理变化会随着电介质特征参数变化而变化［1］，并产生了一种不同于传统的对流、传导和辐射加热的新型加热方式——微波加热。随后，农产品介电特性的测量和微波加热设备的研发成为学者们关注的焦点。基于介电特性的农产品微波干燥、育种、除菌、灭酶、解冻、烹饪、保鲜和无损检测等方面的研究成果相继见于报道。微波技术凭借其清洁高效、能量精准、易于控制等优势，成为农产品加工业快速发展的助推器，也发展成为引人瞩目的前沿交叉学科。

微波加工是一个复杂的过程，前人的研究成果为微波作用机制、加热效率提高及均匀性改善、微波设备研发等提供了大量依据。但截至目前，农产品微波加工技术仍然面临着一些现实困难，相关的基础研究仍有待持续深入。

(1) 微波加热效率和加热均匀性问题。加热效率和加热均匀性是评价微波加热效果的重要指标。微波反应腔的腔体结构影响着腔内电磁场的分布，微波在腔壁上经过数次反射叠加而在腔体中形成稳恒谐振场，这一缺陷从能量源上导致了微波加工过程中产热不均的现象，进而导致加热物料中出现“冷点”和“热点”现象，此现象在含水量高、介电特性分布差异大的物料中更为明显，极大地限制了微波产业的发展［2］。

(2) 农产品介电特性的测量与分析。当前，非磁性涉农介质的微波热加工研究与应用的市场化、规模化还远未形成与现实需要相适应的规模，且面临对物料的介电特性知之甚少等现实问题。针对农产品介电特性的测量研究主要集中在具有高介电常数的鲜食类蔬菜和果品、主要粮食作物(小麦、水稻等)方面［34］，涉及的种类和数量不多，且测量技术以探针法、谐振腔法、集中参数法等为主。但农产品的种类繁多，尤其是针对名贵药食同源物质(如天麻、三七、人参等)的介电特性测量与分析成果较少，开展微波波段下不同种类农产品的介电特性测量和分析具有较好的应用价值。

(3) 农业物料等效介电特性问题。许多农业物料可近似为颗粒状物质被连续的包裹体所包围的混合物。等效介电特性是分析微波与混合物料相互作用的重要参数之一。当前，尽管有关颗粒混合物等效介电特性的研究已经取得了一定成果(尤其是二维情况下)，但各个模型或计算公式对混合物的适用性都呈现出选择性，通过某一公式得到的介电特性预测值与测量值之间的一致性，仅适用于某类物料或外加电场的有限参数范围［5］。自然界中，不同种类农产品的性质各异，研究获得具有通用性和较高计算精度的农业物料等效介电特性计算公式成为研究者期望的目标。

针对微波热加工农产品过程中的若干基础性问题，本书从理论分析、数值模拟和实验测量等方面阐述了微波技术在农产品加工中的应用，开展了相关的基础研究，以期进一步提升农产品微波加工过程中的能量利用效率和加工效果，促进微波加工技术在农业领域的应用。本书共分为6章：

第1章主要阐述微波与微波能的概念，介绍农产品微波热加工的研究现状和所涉及的基础性问题，综述颗粒型混合物等效介电特性理论研究、数值模拟研究、实验测量等方面的研究现状，探讨农产品微波加工过程中可进一步深入研究的内容。

第2章从电磁理论出发，阐述微波能量转化原理和物料介质特性在微波热加工物料中的作用原理，探讨物料电磁特征参数σ、ε′、ε″、μ′、μ″在微波热加工物料过程中的作用原理和具体贡献，并据此分析理想介质、理想导体、一般导体、极性介质等典型介质的吸波特性。

第3章展开描述微波加热效率和加热均匀性评价模型和方法，模拟仿真多种不同结构的内置装置对微波反应器加热指标参数的影响，分析内置装置的最优结构参数分布规律。探讨调整微波反应器腔体的内壁结构进而优化其加热效率和均匀性的规律，分析腔内高电场强度聚集区域的抑制策略，为微波加工物料过程中的“热点”预警和反应器设计提供参考。

第4章依据颗粒型混合物等效介电特性数值计算原理，探讨颗粒随机填充分布混合物等效介电特性的MCFEM分析方法和颗粒堆积分布混合物等效介电特性的DEMFEM分析方法，分析了双组分、三组分及核壳颗粒型混合物中不同组分对物料等效介电特性、吸波特性和局域场分布的影响，针对颗粒随机分布型混合物等效介电特性计算的MGEM公式和针对颗粒堆积分布型混合物等效介电特性计算的MGEMA公式进行了数值模拟和理论研究。

第5章运用基于无校准同轴传输/反射法农产品介电特性测量方案以及颗粒状农产品介电特性测量实施方案，实验测量微波频段下粉末状农(副)产品、菜籽类颗粒、杂粮类颗粒和草籽类颗粒等多种农(副)产品的介电特性，开展粉末状、颗粒状农产品介电特性的理论探讨。

第6章阐述中国农业发展现状及农产品加工中面临的现实问题，展望微波能农业应用、农产品微波联合干燥技术、农业废弃物微波热解技术、农产品/食品微波灭菌技术及微波智能处理技术的应用前景。

诚挚地感谢郑勤红教授、李明教授、杨培志教授、甘健侯教授、姚斌副教授、向泰研究员、李琳老师、曹湘琪、王均委及其他同事、同学在学习研究及本书整理过程中给予的指导和帮助。本书的出版得到了国家自然科学基金(61961044)、云南省教育厅科学研究基金(2021J0433)、云南师范大学博士科研启动基金(2019XJLK01)的支持，在此表示感谢。

本书内容可为农产品微波热加工的器件设计、微波能利用效率提升和微波辅助应用推广提供依据，为从事农产品微波技术应用研究的学生提供参考。由于本人知识水平有限,书中难免存在疏漏或不足之处，期待专家、学者和广大读者给予批评指正。

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钟汝能
2024年3月30日

本书结合作者多年从事农业生物环境及能源工程的研究经验，针对农产品微波热加工中所涉及的若干基础性问题，从理论分析、数值模拟和实验测量等方面进行了研究，分析了物料介质特性在微波热加工中的作用原理，探究改变微波反应腔的腔体内壁结构来优化微波加热效率和加热均匀性的路径和方法、颗粒型混合物等效介电特性的通用MGEM计算公式，采用MCFEM分析研究不同因素对多种颗粒类型混合物料的等效介电特性和局域电场分布的影响，实验测量微波频段下农（副）产品的介电特性，展望了农产品微波加工技术的应用前景，以期进一步提升农产品微波加工过程中的能量利用效率和加工效果，为促进微波技术在农业领域的应用提供有益的帮助和指导。

本书可供从事农产品微波技术应用研究的人员（学者、工程师、学生）参考阅读。

钟汝能，工学博士，副教授，云南师范大学教师，主要从事农业生物环境与能源工程研究。近年来，先后主持或参与国家级课题4项、省(厅)级课题7项，在IEEE Transactions on Microwave TheoryandTechniques、《农业工程学报》、《材料导报》等国内外刊物上发表论文20余篇，获2019年度云南省科学技术奖(自然科学奖)二等奖。

第1章微波技术农业应用
1.1微波与微波能
1.2微波能在农业领域的应用现状
1.3农产品微波热加工的电磁理论基础
1.4多模微波加热腔应用研究进展
1.5颗粒型混合物等效介电特性研究进展

第2章微波与物质相互作用机制
2.1介质的极化及其介电特性
2.2微波能量转化原理
2.3物料性质对吸波特性的影响
2.4物料对微波能量的吸收

第3章微波反应腔结构对加热效率及均匀性的影响
3.1微波加热效率和均匀性的分析评价方法
3.2馈口位置及负载参数对微波加热效率的影响
3.3脊形凹槽结构对微波反应器加热效率及均匀性的影响
3.4凸球面结构对微波反应器加热效率及均匀性的影响
3.5脊形凹槽结构参数对微波反应器加热效率及均匀性的影响
3.6凹弧面内筒壁对微波反应器加热效率及均匀性的影响
3.7圆柱形光子晶体微波反应腔的加热效率和均匀性研究
3.8新型腔体结构对微波场分布的影响

第4章颗粒型混合物等效介电特性研究
4.1颗粒型混合物等效介电特性的数值计算原理及其数值边界
4.2颗粒随机分布型混合物等效介电特性模拟模型研究 
4.3颗粒随机分布型混合物等效介电特性的通用MGEM公式研究
4.4双组分颗粒型混合物等效介电特性的影响因素研究
4.5三组分颗粒型混合物等效介电特性的影响因素研究
4.6核壳颗粒型混合物等效介电特性的影响因素研究
4.7颗粒堆积型农业物料等效介电特性模型研究
4.8颗粒堆积型农业物料等效介电特性的经验公式研究

第5章农产品介电特性实验测量研究
5.1农产品电磁参数测量原理
5.2农产品介电特性测量方案
5.3三七粉末介电特性的实验研究与理论分析
5.4马铃薯粉末介电特性的实验研究与理论分析
5.5铁皮石斛粉末介电特性的实验研究与理论分析
5.6鼓槌石斛粉末介电特性的实验研究与理论分析
5.7天麻粉末介电特性的实验研究与理论分析
5.8菜籽类颗粒物料介电特性的实验研究与理论分析
5.9杂粮类颗粒物料介电特性的实验研究与理论分析
5.10草籽类颗粒物料介电特性的实验研究与理论分析

第6章农产品微波加工技术应用展望
6.1农产品初加工发展的先进技术支持
6.2微波技术助推农产品加工业发展
6.3微波协同应用技术的应用前景

参考文献

本书结合作者多年从事农业生物环境及能源工程的研究经验，针对农产品微波热加工中所涉及的若干基础性问题，从理论分析、数值模拟和实验测量等方面进行了研究，分析了物料介质特性在微波热加工中的作用原理，探究改变微波反应腔的腔体内壁结构来优化微波加热效率和加热均匀性的路径和方法、颗粒型混合物等效介电特性的通用MGEM计算公式，采用MCFEM分析研究不同因素对多种颗粒类型混合物料的等效介电特性和局域电场分布的影响，实验测量微波频段下农（副）产品的介电特性，展望了农产品微波加工技术的应用前景，以期进一步提升农产品微波加工过程中的能量利用效率和加工效果，为促进微波技术在农业领域的应用提供有益的帮助和指导。

本书可供从事农产品微波技术应用研究的人员（学者、工程师、学生）参考阅读。

钟汝能，工学博士，副教授，云南师范大学教师，主要从事农业生物环境与能源工程研究。近年来，先后主持或参与国家级课题4项、省(厅)级课题7项，在IEEE Transactions on Microwave TheoryandTechniques、《农业工程学报》、《材料导报》等国内外刊物上发表论文20余篇，获2019年度云南省科学技术奖(自然科学奖)二等奖。