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微波炉有危害吗?微波炉的微波是否可能打破食物中的化学键?

微波炉很萌的,你们不要黑他!

0. 微波炉工作原理
简略地来讲,微波炉加热食品,实质上是通过不断变化的微波场导致极性分子(例如水分子)或者存在自由电子的固体中电子(例如金属箔)的运动,通过分子间摩擦,从而达到温度升高的效果[1]。

1. 微波会与食物中的哪些成分发生反应?
我们日常用微波来加热的物品,基本都是由于水分子的运动——所以一般而言,较干的食物比较难以加热。换句话说,食物中的大部分大分子成分:蛋白质、淀粉、各种碳水化合物……是不会与微波直接反应的。

这种说法似乎并没有太大的说服力,因为某些有机物(如蔗糖)仍然是极性分子,具有与微波反应的前提。虽然一般而言,这些物质不占食物的主要成分,严谨起见,仍需要从其他方面进行探讨。

2. 微波会对分子产生什么作用?
微波属于电磁波的一种,电磁波的能量公式如下:

其中,E为能量(Energy),f为电磁波的频率(Frequency),c为光速(定值),h为Plank Constant(定值),lambda为波长(wavelength)。不难得出:当电磁波的波长或者频率恒定时,电磁波具有的能量也是恒定的。微波的频率被定义为:300 MHz – 300 GHz;其中我们日常使用的微波炉的频率为2450 MHz(波长为 12.24cm)[2]。这个波段的电磁波可以做什么呢?一张图说明一切:

对于分子来说,自身有四种方式的运动:

  • 平移(Transitional):指分子自发进行的无规则运动(布朗运动就是一例),其中没有发生任何结构上的改变;
  • 旋转(Rotational):指分子不改变结构(键长、键角),作为一个整体进行旋转;
  • 振动(Vibrational):指分子内的化学键发生长度的改变;
  • 电子层面的运动(Electronic):指电子在不同能级间的运动(跃迁等);

从上至下,需要的能量逐渐提高,其中平移是自发进行的;微波可以导致分子的旋转;红外及可见光、其他射线可以导致其它运动……而化学键的断裂/结合,属于电子层面的运动,微波所提供的能量远远不够。

如果还不明晰的话,这里还有另一张图能够说明:

微波炉能够提供的能量,与改变分子结构需要的能量,有着量级的差别。有的小朋友会问:既然能够通过改变频率而改变能量,那我们造一个频率不同的微波炉行不行?

好吧,为了让这个新微波炉产生巨大的能量,以至于让食物产生一点点可能的化学变化,我们至少要使用波长为10^-6 m的电磁波,这属于紫外波段;能量再强一点,是X-ray,再强一点,是gamma ray了,我们来造个武器……呃,跑题了,如果这个神奇的东西(它甚至不能被称为 “微波” 炉)真的被制造出来,你会惊讶地发现,它再也不具备加热食物的功能——很遗憾,水分子的吸收峰远远不在这个波段。

更现实的一个问题是,这个新的东西,耗电量将是正常微波炉的10^6 – 10^12倍——假设功率损耗不变的话,意味着家里的电费……

3. 微波真的不会对化学键产生任何作用吗?
通过简单的计算可知,家用的微波炉,产生的微波能量大约是0.00001 eV (2.45 GHz, 12.22 cm)。
这个数据可能不够直观,我们来看一看典型的化学键,键能都有多少[3]:

Brownian Motion:布朗运动
Hydrogen Bonds:氢键
Covalent Bonds:共价键
Ionic Bonds:离子键
一个简单的化学常识:分子作用力远远小于分子作用力。其中,氢键是最强的分子间作用力;共价键是最弱的分子内作用力。分子间作用力的变化属于物理变化(融化、气化……);而分子作用力的变化,才属于化学变化(化学键的变化)。可以看出,微波产生的能量,不仅不够产生任何分子内作用力的变化,连对分子间作用力,似乎都无能为力呢!

4. 使用微波炉过程中的化学变化
有的小朋友又要问了:可是,在加热食品的过程中,确实有化学变化呀!

没错,可是这些化学变化,来源于加热过程中产生的热量,而非微波本身。换句话说,这其中的化学变化,与煎、炸、炒……把食物弄熟的过程中,除了温度变化的速率,并没有本质差别。一种在60摄氏度会变质的食物,放进油锅里炸会变质,放进微波炉也会变质,能因此就说是微波炉的错吗?

同样道理,有人说,微波炉产生致癌物质是因为高温——微波炉加热,在短短几十秒或者几分钟内,连100摄氏度都很难达到,何谈高温?平时各种中式烹饪方式,所达到的温度基本都远远高于微波炉,如果致癌物的产生真是因为高温,食物早在锅中就全变成致癌物了。

(说句题外话,微波食品不健康,其中有一个原因就是加热温度不够高,不足以杀死各种细菌。)

5. 其他问题
5.1 关于丙烯酰胺的产生,机理在于淀粉类物质在高温长时间加热下产生的致癌物质[3]。其最大的来源在于油炸的烹饪方式,而非微波加热独有产物。

5.2 “高温” 一般而言,是指微波炉在加热混合物时,容易产生温度不均匀的现象,称为hot spots;有实验证实在足够的加热时间内,某一点的极端温度可以达到 600 摄氏度;但实验中使用的是对微波极其敏感的材料(金属箔与硅的混合物),在日常生活中,应该达不到这么极端的情况。

5.3 关于 “光镊” 的问题,原始文献在这里:arxiv.org/ftp/arxiv/pap 我作为非专业人士不敢断言,希望有更专业的人士发表意见。

6. 最后……

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