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微波技术在种子干燥方面的研究进展
杨俊红，段增宾
（天津大学机械工程学院，天津 300072）
摘要：干燥是种子加工的重要环节，微波干燥技术具有独特的优点和特点。近十几年来，国内外在种子微波干燥方面的研究取得了不少成果，而有关这方面的综述却未见报道。本文在阐述微波干燥机理和特点基础上，就近年来国内外微波技术在种子干燥方面的研究进展作一综述，并探讨微波技术在种子干燥方面的应用前景。
关键词：微波干燥；种子；综述
1 前言
种子干燥不仅与物料内外条件有关，还涉及到生命活力的问题。干燥工艺选择不当会造成种子在储存过程发生霉变、种子活力下降等问题[1]。种子是有生命的机体，干燥的基本条件是必须保持种子活力。传统的种子干燥方法多采用自然晾晒、热风干燥等方法[2]。用传统方法干燥种子时，种子表面首先干燥脱水，种皮发生皱缩等现象，阻碍了内部水分的扩散，因而需要较长的干燥时间[3]。为了探求优质高效的种子干燥工艺，国内外的研究工作者在新技术的应用方面进行了很多努力，如真空冷冻干燥[4]、热泵干燥[5]、红外辐射干燥[6]、微波干燥[7－17] 等。
微波通常是指波长1mm～1m、频率300MHz～300GHz的电磁波，介于红外与无线电波之间，最常用加热频率为915MHz和2450MHz[18]。微波技术作为21世纪的清洁能源，面向清洁的工业与环境，是一项环境友好的绿色技术。微波干燥具有干燥均匀、脱水速度快、能耗低等特点，因而在轻工业、化工、农产品加工等领域里具有广阔的应用前景[19－28]。董平[20]、邹长元[21]、张立彦[22]、刘昌铎[23，24]等分别介绍了微波干燥在洗煤、陶瓷、食品、竹制品、木材等方面的应用。近十几年来，国内外在种子微波干燥方面的研究也已取得不少成果，而有关这方面的综述与评述却难得见到。所以，作者在分析微波干燥机理和特点的基础上，就近年来微波干燥技术应用于种子干燥方面的研究进展及相关问题作一综述。
2 微波干燥的机理与特点
2.1微波加热机理
微波的加热机理完全不同于传统的加热方法（导热、对流、辐射）。微波加热是利用介电损耗原理将微波能转化成为物料加热所需的热能，在微波场频率和电场强度一定时，物料吸收热量与其电介质的损耗系数成正比。由于水的电介质损耗系数比其它物质大的多，微波加热时水分子会优先吸收微波能。在通常情况下，物料内的水分子作杂乱无章的布朗运动，对外不显极性；当含水物料被置于方向每秒发生上亿次变化的微波场中时，水分子便会跟随电场方向发生定向排列，使得水分子相互碰撞、摩擦，从而产生大量的热能[18]。
2.2微波加热的特点
微波加热具有如下特点：
（1）穿透能力强，体积加热 微波进入物料，微波能不断的被物料吸收并转变成为加热所需的热能，微波的场强和功率不断的被衰减。微波的穿透深度可表征为微波能在物料中衰减能力的大小，一般物料穿透深度与所用的波长是同一数量级。常用微波加热的频率是2450MHz,对应的波长是12.25cm，而红外线波长小于0.1mm，因此微波对介质的穿透能力更强，微波依靠其穿透能力强的特点，在加热物料时几乎是整体同时吸热升温，从而形成体积加热。
（2）选择性加热 微波加热与物质的性质有关。对于不同物料或物料的不同部位，由于物质组成不同、含水量不同，吸收微波的多少也不尽相同。可见，微波具有选择性加热的特点。
（3）热惯性小 由于微波功率输出可调和微波加热的瞬时性，微波能直接转化为热能作用在物料上，反应速度快，可做到及时控制。因此，微波加热的一个显著的特点是热惯性小，有利于实现自动化控制。
2.3微波干燥机理
微波具有体积加热和选择性加热的特点，在微波干燥物料时，可以从内部产生热量，使得物料内的水分吸收热量迅速蒸发，产生蒸汽压力梯度。当物料初始含水率很高时，产生的蒸汽压力梯度迅速升高，有时甚至水分未来得及蒸发就从物料中排除。在微波干燥时，物料中的温度梯度、热传递与蒸汽压力方向相一致，大大改善了水分的迁移条件；而传统干燥水分迁移方向跟传热方向正好相反[18]。所以，微波干燥与传统干燥的宏观、微观的传热传质规律截然不同。
2.4 微波干燥的特点
微波干燥具有如下特点：
（1）干燥速度快 由于物料是整体被加热的，微波干燥过程中，温度梯度、热传递与蒸汽压力方向一致，干燥过程水分的扩散阻力小。
（2）产品质量高 微波加热是对物料整体的加热，不至于会产生局部过热而干燥不均匀；同时利用微波干燥种子还可以起到杀虫除菌的功效，适当的微波干燥工艺能够保持种子活力。
（3）符合节能环保要求 由于热量直接来自于被干物料内部，热量在周围介质中的损耗极少，加上微波加热腔体本身不吸收微波，全部反射作用于被干物料，热效率高。微波加热不存在燃料燃烧造成的环境污染等问题。
（4）易于实现自动化控制 由于微波功率输出可调和微波加热的瞬时性，使物料被加热时，其内部蒸汽压力梯度和蒸汽内外层迁移速率也具有可调节性，微波能直接转化为热能作用在物料上，反应速度快，可做到及时控制，能适应于不同工艺参数的调整，有利于提高产品质量。
3 种子微波干燥在国内外的研究现状
干燥是种子加工的重要环节。经过充分干燥的种子，不仅能使种子的生理代谢作用进行的非常缓慢，从而能较长时间保持种子优良的品质；而且能促进种子的后熟作用，使种子在贮藏期间更加稳定；还能起到杀虫和抑制微生物的作用，以达到种子安全贮藏的目的。微波干燥种子时，被干种子内部所含的水分对微波的吸收能力最强，其它干物质部分吸收的微波能相比较少，因此，微波干燥既有利于种子内部的水分的脱出，又有利于种子活力的保存。
3.1种子微波干燥在国外的研究现状
据已有的文献，国外微波干燥技术在种子干燥方面的研究主要集中在加拿大。
1991年，Shivhare U S 等［10］报导了采用传统热风加热和微波联合方式干燥玉米种子的研究。结果表明，在进口热风温度为30℃、微波功率密度为3×10-5W/m3时，种子的发芽率保持不变；随着进口热风温度和微波加热功率的升高，种子发芽率降低。
1991年，Shivhare U S 等［8］报导了固定功率连续式微波加热干燥玉米种子的研究。结果表明，种子发芽率随微波功率的升高而降低，随进口风速的增加而升高；文献中建立了发芽率和物料密度的预测模型。
1991年，Shivhare U S 等［7］报导了微波固定功率和可变功率两种不同加热方式干燥玉米种子的研究。结果表明，在固定加热功率时，随着功率的升高，干燥所需时间相应缩短；而变加热功率减少了由于热风排放引起的能量损失；选择适当的微波功率和加热时间，可以保持种子活力；微波功率为0.25W/g时，种子的发芽率为94％，随着加热功率的升高，种子发芽率降低。
1992年，Shivhare U S 等［9］报导了固定功率间歇式微波加热干燥玉米种子的研究。结果表明，虽然间歇式加热使总的干燥操作时间加长，但综合考虑，间歇式要比连续式更节约能源；同时指出，使用载荷循环为5/15 min和加热功率为0.50W/g的微波干燥工艺，可以保证被干种子的品质。
1993年，Shivhare U S等 [11] 报导了微波干燥大豆种子的研究。基于物料表层含水量按指数规律下降的假设，建立了水分扩散的经验模型；同时指出微波大大加快了干燥速率，而且当微波功率控制在0.13W/g以下时，种子的发芽率不会受到影响。
1993年，Prabhanjan D G 等[12] 报导了 微波干燥小麦种子的实验研究。结果表明，实验数据结果与Page方程相吻合；在种子初始含水率为25.9％时，种子发芽率为80.5±2％，采用适当的微波功率和进口风速，种子的发芽率不会受到影响。
3.2 微波技术干燥种子在国内的研究现状
我国在微波技术干燥木材、粮食、陶瓷、食品等方面的研究报导很多，但在种子方面的研究相对较少，已有的文献报导主要集中对稻谷、油菜种子的研究。
浙江大学王俊等 [13] 报导了微波干燥稻谷的研究。采用由WEG600型微波炉（工作频率2450MHz，可定功率输出）改进的微波设备，对稻谷（晚粳品种）进行了干燥实验。结果表明，在适当的干燥功率下（0.2W/g或以下）时，种子的发芽率较高，爆腰率较低；应用Fick第二扩散定律、传热分析、传热类比和傅立叶变换，推导出描述稻谷微波干燥时的温度变化模型和含水量变化模型。
洛阳工学院的董铁有等[14] 报导了微波干燥稻谷和糙米的研究。实验采用SUK-12N型微波干燥实验台（工作频率为2.45±0.03GHz，输出功率0～1.2kW连续可调），以日本产新鲜糙米（初始含水率17.8～20.6％，容重725.6kg/m3）为材料，采用“顺流通风”干燥方式。结果表明，随着微波功率的增加和风速的减小，糙米的温度和干燥速度会随之增加，爆腰率也随之增加；只要控制适当的微波功率（0.09kW/kg以下）、风速（0.12～0.20m/s）和料层厚度（不超过0.13m），糙米在微波干燥过程中质量不会受到影响，而且还可以减少爆腰率、提高发芽率。
郑州粮食学院的于秀荣等 [16] 报导了微波干燥稻谷的研究。实验设备为家用微波炉（2450MHz，ER－761MD型），实验材料采用稻谷（郑粳五号、黄金晴、6811，均为当年新收获种子粮）。结果表明，稻谷微波干燥应采用低功率、长流程的干燥工艺；同时指出，选取适当的微波干燥工艺，不仅能大大减少干燥时间，节约能源，而且还能提高种子的活力和发芽率。
安徽农业大学的王德义等[15] 报导了微波干燥油菜种子的实验研究，实验采用的是WP750－I型微波箱（工作频率2450MHz，输出功率分为五档）。结果表明，微波功率在0.2～0.5W/g范围内时，油菜种子的发芽率均在90％以上，过高则蛋白质会发生变性，严重影响发芽率；微波干燥大大缩短了干燥时间，减少了能耗。
华中农业大学的廖庆喜等[17] 报导了微波干燥油菜籽的研究，实验设备为家用微波炉（RE－630ME型，微波功率为2450±50MHz）。结果表明，微波干燥与传统的干燥方式相比，干燥能力强且易于实现自动化控制，节能经济性好；微波干燥能激活种子的活力，增强种子的发芽势，且处理后的后代品质仍可保持不变。
我们以津青60白菜种子为研究对象，作了微波干燥与热风干燥的比较，实验数据见表1。分析可见，
（1）微波方式的3种干燥条件相比，实验1的质量比功率较大，实验3的微波辐照时间较长，但实验2的干后种子发芽率最优，说明干后种子发芽率随着质量比功率与微波辐照时间的增大而降低，合适的微波干燥参数能够保持种子活力；
（2）热风方式的3种干燥条件相比，在相同的干燥时间内，实验4和实验5的热风温度较高、脱水速率较大，但实验4的干后种子发芽率最优，说明干后种子发芽率随着热风温度的提高而降低；
（3）实验2与实验4相比，微波干燥速率是热风干燥的16.2倍，微波干燥时间是热风干燥的1/7.90，微波干燥脱水率是热风干燥的2.06倍。因此，两种干燥方式相比，微波干燥的平均干燥速率大，干燥时间短。 *注：时间，对于微波是指微波辐照时间。
上述文献报导表明，国内外有关微波干燥种子方面的研究主要是实验室规模的研究，考查干燥工艺对被干物料质量的影响主要采用的指标是发芽率。研究表明，采用适当的微波干燥工艺，能够在保证种子发芽率的前提下，达到干燥的目的；微波干燥工艺具有干燥速率大、干燥时间短、节约能源、对环境污染小、有利于自动化控制等优点。
4 微波作用于种子的生物学效应
微波是一种特殊频率的电磁波，其组成中有电（E）和磁（H）两部分。微波能够透射到生物组织内部，其中的高频电场使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，增加分子的运动，导致热量的产生；高频磁场还能够对氢键、疏水键和范德瓦尔斯键产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的构象与活性。因此，微波与生物系统相互作用，能够导致不同生物层次上诸如形态、结构、功能等方面变化，这种现象即为微波的生物学效应。微波生物学效应分为热效应和非热效应，热效应是指进入生物系统的微波能量转化为热能，这些热能可使生物整体或局部升温；非热生物效应是一种非温度变化引起的效应［29］。本文前面所述的微波干燥过程，正是利用微波的热效应使被干物料升温、脱去水分的过程。已有大量研究证实，强度很弱的微波辐照于生物材料，虽不引起升温，但能导致明显的生物效应。近年来，文献报导了微波对水稻［30］、黄瓜［31,32］、白兰瓜［33］、小麦［34］种子萌发生长的影响。傅荣兴等［30］的研究表明，合适的微波处理对早稻种子的活力有促进作用。梁海曼等［31］用不同计量微波能分别处理种子或幼苗，结果显示，微波处理可以增加每株雄花或雌花数。黄桂琴等［32］研究微波辐射种子对黄瓜幼苗生长和根活力的影响，结果表明微波辐射剂量为105W、辐射时间10s处理的黄瓜种子，可促进黄瓜幼苗株高和叶片数增加；辐射种子时间8s～14s可促进幼苗根生长、根活力提高。赖麟等［33］对微波处理白兰瓜种子的研究发现，200W功率的微波可以极显著的提高白兰瓜的发芽率，同时也能显著的提高萌发活力。张孟丹等［34］的研究表明，微波辐射对种子萌发、胚芽生长有调控作用。
由上述分析可见，微波与生物组织作用所呈现的生物学效应包括热效应和非热效应。微波技术用于干燥种子时，微波的热效应能够使被干燥物料升温、脱去水分，达到种子干燥的目的；而微波的非热效应能够影响种子的活力及其萌发生长特性。因此，研究种子微波干燥，应充分考虑微波热效应和非热效应对种子品质的影响。
5 结论与展望
干燥是种子加工的重要环节,种子干燥过程就是使种子水分不断向外散发的过程。微波干燥种子时，被干燥种子内部所含的水分对微波的吸收能力最强，其它干物质部分吸收的微波能相比较少，因此，微波干燥既有利于种子内部水分的脱除，又有利于种子活力的保存。
国内外有关文献报导表明，采用适当的微波干燥工艺（如控制微波加热功率、加热时间，采用间隙加热、变功率加热、微波热风联合等工艺），能够在保证种子发芽率的前提下，达到干燥的目的；种子微波干燥工艺具有干燥速率大、干燥时间短、节约能源、对环境污染小、有利于自动化控制等优点。
微波与种子相互作用所呈现的生物学效应包括热效应和非热效应，微波的热效应能够使被干燥物料升温、脱去水分，达到种子干燥的目的，而微波的非热效应能够影响种子的活力及其萌发生长特性。因此，研究种子微波干燥，应当充分考虑热效应和非热效应对种子品质的影响。
种子是有生命的机体，属于热敏性较强的生物活性材料，如干燥温度过高及干燥时间过长等均会引起种子活力的下降。文献报导的真空冷冻干燥[4]、热泵干燥[5]均是以限制干燥温度而获得优质干燥种子的，但均存在设备复杂、干燥成本高的问题。由于微波干燥机理与传统方法不同，微波技术及微波与其它干燥方式组合的优化干燥技术，在干燥热敏性较强的生物材料方面具有很强的优越性，如文献报导的微波真空干燥［25］、微波冷冻干燥［28］、微波热泵联合干燥［26］等在食品、医药加工等行业的应用。文献［25］报导了微波真空干燥生物制品的研究，结果表明，在生物制品干燥及其质量方面，与真空冷冻干燥相当，但干燥成本却大大下降了。
综上所述，应用微波技术及微波与其它干燥方法的组合，在种子微波干燥方面具有很好的应用前景。近年来国内外关于种子微波干燥研究已取得了一些研究成果，但目前文献报导均是实验室规模的研究，考察干燥工艺对被干物料质量的影响主要采用的指标是发芽率，有关微波干燥过程对种子活力的影响及种子在微波干燥过程劣变机理的研究却报导很少。在今后的研究中，应综合考虑微波的热效应和非热效应对种子干燥及种子活力的影响，采用多指标分析微波干燥工艺对种子品质的影响，在深入研究微波干燥及种子劣变机理的基础上，建立种子质量模型，以实现调控种子干燥过程的目的。
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Review on the research of microwave drying of seed
YANG Jun-hong,DUAN Zeng-bin
(School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
KEYWORDS: microwave drying; seed; review
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