Микроволновая печь или просто микроволновка — это электрическая печь , которая нагревает и готовит пищу, подвергая ее воздействию электромагнитного излучения в диапазоне микроволновых частот . [1] Это заставляет полярные молекулы в пище вибрировать [2] и вырабатывать тепловую энергию в процессе, известном как диэлектрический нагрев . Микроволновые печи нагревают пищу быстро и эффективно, поскольку возбуждение довольно равномерно во внешних 25–38 мм (1–1,5 дюйма) однородного пищевого продукта с высоким содержанием воды .
Разработка магнетрона с полостью в Великобритании сделала возможным производство электромагнитных волн с достаточно малой длиной волны ( микроволн ) для эффективного нагрева молекул воды. Американскому инженеру-электрику Перси Спенсеру обычно приписывают разработку и патентование первой в мире коммерческой микроволновой печи после Второй мировой войны на основе британской радарной технологии, разработанной до и во время войны. Названная «RadaRange», она была впервые продана в 1947 году.
Raytheon позже лицензировала свои патенты на микроволновую печь для домашнего использования, которая была представлена Tappan в 1955 году, но она все еще была слишком большой и дорогой для общего домашнего использования. Sharp Corporation представила первую микроволновую печь с поворотным столом между 1964 и 1966 годами. Настольная микроволновая печь была представлена в 1967 году корпорацией Amana . После того, как микроволновые печи стали доступны для домашнего использования в конце 1970-х годов, их использование распространилось на коммерческие и домашние кухни по всему миру, и цены быстро упали в 1980-х годах. Помимо приготовления пищи, микроволновые печи используются для нагрева во многих промышленных процессах.
Микроволновые печи являются обычным кухонным прибором и популярны для разогрева ранее приготовленной пищи и приготовления разнообразной пищи. Они быстро нагревают продукты, которые могут легко сгореть или стать комковатыми, если готовить их в обычных кастрюлях, например, горячее масло, жиры, шоколад или кашу . Микроволновые печи обычно не подрумянивают или не карамелизируют пищу напрямую, поскольку они редко достигают необходимой температуры для проведения реакции Майяра . Исключения возникают в случаях, когда печь используется для разогрева масла для жарки и других маслянистых продуктов (например, бекона), которые достигают гораздо более высоких температур, чем температура кипения воды. [ требуется ссылка ]
Микроволновые печи играют ограниченную роль в профессиональной кулинарии, [3] поскольку диапазон температур кипения микроволновой печи не производит ароматных химических реакций, которые производятся при жарке, подрумянивании или выпечке при более высокой температуре. Однако такие источники высокого тепла могут быть добавлены к микроволновым печам в виде конвекционной микроволновой печи. [4]
Использование высокочастотных радиоволн для нагрева веществ стало возможным благодаря разработке радиопередатчиков на вакуумных лампах около 1920 года. К 1930 году применение коротких волн для нагрева тканей человека превратилось в медицинскую терапию диатермию . На Всемирной выставке в Чикаго в 1933 году Вестингауз продемонстрировал приготовление пищи между двумя металлическими пластинами, прикрепленными к коротковолновому передатчику мощностью 10 кВт и частотой 60 МГц . [5] Команда Вестингауза под руководством И. Ф. Муромцева обнаружила, что такие продукты, как стейки и картофель, можно приготовить за считанные минуты. [6]
В патентной заявке США, поданной Bell Laboratories в 1937 году, говорится: [7]
Настоящее изобретение относится к системам нагрева диэлектрических материалов, и целью изобретения является равномерный и практически одновременный нагрев таких материалов по всей их массе. ... Поэтому было предложено нагревать такие материалы одновременно по всей их массе посредством диэлектрических потерь, возникающих в них, когда они подвергаются воздействию высоковольтного высокочастотного поля.
Однако низкочастотный диэлектрический нагрев , как описано в вышеупомянутом патенте, является (как и индукционный нагрев ) эффектом электромагнитного нагрева, результатом так называемых эффектов ближнего поля , которые существуют в электромагнитной полости, которая мала по сравнению с длиной волны электромагнитного поля. В этом патенте предлагается радиочастотный нагрев на частоте от 10 до 20 мегагерц (длина волны от 30 до 15 метров соответственно). [8] Нагрев от микроволн, которые имеют длину волны, малую по сравнению с полостью (как в современной микроволновой печи), происходит из-за эффектов «дальнего поля», которые возникают из-за классического электромагнитного излучения , которое описывает свободно распространяющийся свет и микроволны на достаточно большом расстоянии от их источника. Тем не менее, основной эффект нагрева всех типов электромагнитных полей как на радиочастотах, так и на микроволновых частотах происходит через эффект диэлектрического нагрева, поскольку поляризованные молекулы подвергаются воздействию быстропеременного электрического поля.
Изобретение резонаторного магнетрона сделало возможным производство электромагнитных волн достаточно малой длины волны ( микроволн ). Резонаторный магнетрон был важнейшим компонентом в разработке коротковолнового радара во время Второй мировой войны . [9] В 1937–1940 годах британский физик сэр Джон Тертон Рэндалл, FRSE и его коллеги построили многорезонаторный магнетрон для британских и американских военных радарных установок во время Второй мировой войны. [10] Требовался более мощный микроволновый генератор, работающий на более коротких длинах волн , и в 1940 году в Бирмингемском университете в Англии Рэндалл и Гарри Бут создали рабочий прототип. [11] Они изобрели клапан , который мог производить импульсы микроволновой радиоэнергии на длине волны 10 см, что стало беспрецедентным открытием. [10]
Сэр Генри Тизард отправился в США в конце сентября 1940 года, чтобы предложить самые ценные технические секреты Британии, включая полостной магнетрон, в обмен на финансовую и промышленную поддержку США (см. Миссия Тизарда ). [10] Ранняя версия мощностью 6 кВт, построенная в Англии исследовательскими лабораториями компании General Electric Company , Уэмбли , Лондон, была передана правительству США в сентябре 1940 года. Позже американский историк Джеймс Финни Бакстер III описал полостной магнетрон как «самый ценный груз, когда-либо привозимый к нашим берегам». [12] Контракты были заключены с Raytheon и другими компаниями на массовое производство полостного магнетрона.
В 1945 году эффект нагрева мощного микроволнового луча был независимо и случайно обнаружен Перси Спенсером , американским инженером-самоучкой из Хоуленда, штат Мэн . Работая в то время в компании Raytheon , он заметил, что микроволны от активной радиолокационной установки, над которой он работал, начали плавить шоколадный батончик Mr. Goodbar, который он носил в кармане. Первой едой, намеренно приготовленной Спенсером, был попкорн, а второй — яйцо, которое взорвалось в лицо одному из экспериментаторов. [13] [14]
Чтобы проверить свое открытие, Спенсер создал электромагнитное поле высокой плотности, подавая микроволновую энергию от магнетрона в металлическую коробку, из которой она не могла выбраться. Когда еда была помещена в коробку с микроволновой энергией, температура пищи быстро поднималась. 8 октября 1945 года Raytheon подала заявку на патент США на микроволновый процесс приготовления пищи Спенсера, и печь, которая нагревала пищу с помощью микроволновой энергии от магнетрона, вскоре была установлена в ресторане Бостона для испытаний. [15]
Другое независимое открытие технологии микроволновой печи было сделано британскими учеными, включая Джеймса Лавлока , который в 1950-х годах использовал ее для оживления криогенно замороженных хомяков . [16] [17] [18]
В 1947 году компания Raytheon построила «Radarange», первую коммерчески доступную микроволновую печь. [19] Она была почти 1,8 метра (5 футов 11 дюймов) в высоту, весила 340 килограммов (750 фунтов) и стоила около 5000 долларов США (68 000 долларов в долларах 2023 года) каждая. Она потребляла 3 киловатта, примерно в три раза больше, чем сегодняшние микроволновые печи, и имела водяное охлаждение. Название было победителем в конкурсе сотрудников. [20] Ранняя Radarange была установлена (и остается) на камбузе атомного пассажирского/грузового судна NS Savannah . Ранняя коммерческая модель, представленная в 1954 году, потребляла 1,6 киловатта и продавалась по цене от 2000 до 3000 долларов США (от 23 000 до 34 000 долларов в долларах 2023 года). В 1952 году Raytheon передала лицензию на свою технологию компании Tappan Stove из Мэнсфилда, штат Огайо. [21] По контракту с Whirlpool, Westinghouse и другими крупными производителями бытовой техники, стремившимися добавить соответствующие микроволновые печи к своей линейке обычных духовок, Tappan производила несколько вариаций своей встраиваемой модели примерно с 1955 по 1960 год. Из-за технического обслуживания (некоторые устройства имели водяное охлаждение), требований к встроенности и стоимости — 1295 долларов США (15 000 долларов в ценах 2023 года) — продажи были ограничены. [22]
Японская корпорация Sharp начала производство микроволновых печей в 1961 году. Между 1964 и 1966 годами Sharp представила первую микроволновую печь с поворотным столом, альтернативное средство для более равномерного нагрева пищи. [23] В 1965 году Raytheon, стремясь расширить свою технологию Radarange на внутренний рынок, приобрела Amana , чтобы обеспечить больше производственных возможностей. В 1967 году они представили первую популярную домашнюю модель, настольную Radarange, по цене 495 долларов США (5000 долларов в долларах 2023 года). В отличие от моделей Sharp, вращающийся механизм перемешивания в верхней части полости печи позволял пище оставаться неподвижной.
В 1960-х годах [ уточнить ] Литтон купил активы компании Studebaker 's Franklin Manufacturing, которая занималась производством магнетронов, а также сборкой и продажей микроволновых печей, похожих на Radarange. Литтон разработал новую конфигурацию микроволновой печи: короткую, широкую форму, которая сейчас является общепринятой. Питание магнетрона также было уникальным. Это привело к созданию печи, которая могла выдерживать состояние холостого хода: пустая микроволновая печь, где нечему поглощать микроволны. Новая печь была представлена на торговой выставке в Чикаго, [ нужна ссылка ] и помогла начать быстрый рост рынка домашних микроволновых печей. Объем продаж в 40 000 единиц для промышленности США в 1970 году вырос до одного миллиона к 1975 году. Проникновение на рынок было еще быстрее в Японии из-за менее дорогого модернизированного магнетрона. Несколько других компаний присоединились к рынку, и некоторое время большинство систем производилось подрядчиками по обороне, которые были лучше всего знакомы с магнетроном. Литтон был особенно хорошо известен в ресторанном бизнесе.
Хотя сегодня это необычно, комбинированные микроволновые печи предлагались крупными производителями бытовой техники на протяжении большей части 1970-х годов как естественное развитие технологии. И Tappan, и General Electric предлагали устройства, которые выглядели как обычные плиты/духовки, но включали микроволновую возможность в обычной камере духовки. Такие печи были привлекательны для потребителей, поскольку и микроволновая энергия, и обычные нагревательные элементы могли использоваться одновременно для ускорения приготовления пищи, и не было потери пространства на столешнице. Предложение также было привлекательным для производителей, поскольку дополнительная стоимость компонентов могла быть лучше поглощена по сравнению с настольными устройствами, где ценообразование становилось все более чувствительным к рынку.
К 1972 году Litton (подразделение Litton Atherton, Миннеаполис) представила две новые микроволновые печи по цене 349 и 399 долларов, чтобы выйти на рынок, который к 1976 году оценивался в 750 миллионов долларов, по словам Роберта И. Брудера, президента подразделения. [24] Хотя цены оставались высокими, в домашние модели продолжали добавлять новые функции. Amana представила автоматическую разморозку в 1974 году на своей модели RR-4D и была первой, кто предложил цифровую панель управления с микропроцессорным управлением в 1975 году со своей моделью RR-6.
В конце 1970-х годов многие крупные производители стали свидетелями бурного развития недорогих моделей столешниц.
Раньше микроволновые печи использовались только в крупных промышленных целях, но теперь они все чаще становятся стандартным оборудованием жилых кухонь в развитых странах . К 1986 году примерно 25% домохозяйств в США имели микроволновую печь, по сравнению с 1% в 1971 году; [25] Бюро статистики труда США сообщило, что в 1997 году более 90% американских домохозяйств имели микроволновую печь. [25] [26] В Австралии исследование рынка 2008 года показало, что 95% кухонь имели микроволновую печь и что 83% из них использовались ежедневно. [27] В Канаде в 1979 году менее 5% домохозяйств имели микроволновую печь, но к 1998 году ее имели более 88% домохозяйств. [28] Во Франции в 1994 году 40% домохозяйств имели микроволновую печь, но к 2004 году это число возросло до 65%. [29]
Принятие было медленнее в менее развитых странах , поскольку домохозяйства с располагаемым доходом концентрируются на более важных бытовых приборах, таких как холодильники и духовки. Например, в Индии только около 5% домохозяйств владели микроволновой печью в 2013 году, что значительно отстает от холодильников с показателем владения 31%. [30] Однако микроволновые печи набирают популярность. Например, в России количество домохозяйств с микроволновой печью выросло с почти 24% в 2002 году до почти 40% в 2008 году. [31] Почти в два раза больше домохозяйств в Южной Африке владели микроволновыми печами в 2008 году (38,7%), чем в 2002 году (19,8%). [31] Владение микроволновыми печами во Вьетнаме в 2008 году составляло 16% домохозяйств, по сравнению с 30% владения холодильниками; этот показатель значительно вырос с 6,7% владения микроволновыми печами в 2002 году, с 14% владения холодильниками в том же году. [31]
Бытовые микроволновые печи обычно имеют мощность приготовления от 600 до 1200 Вт. Мощность приготовления микроволновой печи, также называемая выходной мощностью, ниже ее входной мощности, которая является указанной производителем номинальной мощностью .
Размеры бытовых микроволновых печей могут различаться, но обычно имеют внутренний объем около 20 литров (1200 куб. дюймов; 0,71 куб. фута) и внешние размеры приблизительно 45–60 см (1 фут 6 дюймов – 2 фута 0 дюймов) в ширину, 35–40 см (1 фут 2 дюйма – 1 фут 4 дюйма) в глубину и 25–35 см (9,8 дюйма – 1 фут 1,8 дюйма) в высоту. [32]
Микроволновые печи могут быть с поворотным или плоским дном. В поворотных печах есть стеклянная пластина или противень. В плоских печах пластина не есть, поэтому они имеют плоскую и более широкую полость. [33] [34] [35]
По расположению и типу Министерство энергетики США классифицирует их как (1) настольные или (2) над плитой и встраиваемые (настенная духовка для шкафа или модели с ящиком ). [33]
Традиционная микроволновка имеет только два уровня выходной мощности: полностью включена и полностью выключена. Промежуточные настройки нагрева достигаются с помощью модуляции рабочего цикла и переключения между полной мощностью и выключением каждые несколько секунд, с большим временем включения для более высоких настроек.
Однако инверторный тип может поддерживать более низкие температуры в течение длительного времени без необходимости многократного выключения и включения. Помимо превосходной способности готовить, эти микроволновые печи, как правило, более энергоэффективны. [36] [35] [37]
По состоянию на 2020 год [обновлять]большинство микроволновых печей (независимо от марки), продаваемых в США, были произведены Midea Group . [38]
Бытовые микроволновые печи обычно маркируются символом «безопасно для микроволновых печей» рядом с приблизительной выходной мощностью устройства по стандарту IEC 60705 в ваттах (обычно: 600 Вт, 700 Вт, 800 Вт, 900 Вт, 1000 Вт) и добровольной категорией нагрева (AE). [39]
Микроволновая печь нагревает пищу, пропуская через себя микроволновое излучение . Микроволны — это форма неионизирующего электромагнитного излучения с частотой в так называемом микроволновом диапазоне (от 300 МГц до 300 ГГц). Микроволновые печи используют частоты в одном из диапазонов ISM (промышленный, научный, медицинский) , которые в противном случае используются для связи между устройствами, которым не нужна лицензия на работу, поэтому они не мешают работе других важных радиослужб.
Распространено заблуждение, что микроволновые печи нагревают пищу, работая на особом резонансе молекул воды в пище. Вместо этого микроволновые печи нагревают, заставляя молекулы вращаться под воздействием постоянно меняющегося электрического поля, обычно в диапазоне микроволновых частот, а более высокая мощность микроволновой печи приводит к более быстрому времени приготовления. Обычно потребительские печи работают около номинальных 2,45 гигагерц (ГГц) — длина волны 12,2 сантиметра (4,80 дюйма) в диапазоне ISM от 2,4 ГГц до 2,5 ГГц — в то время как большие промышленные / коммерческие печи часто используют 915 мегагерц (МГц) — 32,8 сантиметра (12,9 дюйма). [40] Среди других отличий, более длинная длина волны коммерческой микроволновой печи позволяет начальному нагревательному эффекту начинаться глубже внутри пищи или жидкости и, следовательно, быстрее равномерно распределяться по ее объему, а также быстрее повышать температуру глубоко внутри пищи. [41]
Микроволновая печь использует преимущества электрической дипольной структуры молекул воды , жиров и многих других веществ в пище, используя процесс, известный как диэлектрический нагрев . Эти молекулы имеют частичный положительный заряд на одном конце и частичный отрицательный заряд на другом. В переменном электрическом поле они будут постоянно вращаться, поскольку они постоянно пытаются выровняться с электрическим полем. Это может происходить в широком диапазоне частот. [42] [43] [44] Энергия электрического поля поглощается дипольными молекулами как энергия вращения. Затем они ударяют недипольные молекулы, заставляя их двигаться быстрее. Эта энергия распределяется глубже в веществе как молекулярные вращения, вибрации или другие движения, означающие повышение температуры пищи . После того, как энергия электрического поля изначально поглощена, тепло будет постепенно распространяться через объект, подобно любой другой передаче тепла при контакте с более горячим телом. [45]
Микроволновый нагрев более эффективен для жидкой воды, чем для замороженной воды, где движение молекул более ограничено. Размораживание выполняется при низкой мощности, что дает время для проведения тепла к все еще замороженным частям пищи. Диэлектрический нагрев жидкой воды также зависит от температуры: при 0 °C диэлектрические потери максимальны при частоте поля около 10 ГГц, а для более высоких температур воды — при более высоких частотах поля. [46]
Сахара и триглицериды (жиры и масла) поглощают микроволны из-за дипольных моментов их гидроксильных групп или эфирных групп . Микроволновое нагревание менее эффективно для жиров и сахаров, чем для воды, поскольку они имеют меньший молекулярный дипольный момент . [a]
Хотя жиры и сахар обычно поглощают энергию менее эффективно, чем вода, как это ни парадоксально, их температура повышается быстрее и выше, чем у воды при приготовлении пищи: жирам и маслам требуется меньше энергии на грамм материала, чтобы повысить свою температуру на 1 °C, чем воде (они имеют более низкую удельную теплоемкость ), и они начинают охлаждаться путем «кипения» только после достижения более высокой температуры, чем вода (температура, необходимая им для испарения , выше), поэтому внутри микроволновых печей они обычно достигают более высоких температур — иногда гораздо выше. [46] Это может вызвать температуру в масляных или жирных продуктах, таких как бекон, намного выше точки кипения воды и достаточно высокую, чтобы вызвать некоторые реакции потемнения, во многом похожие на обычную жарку на гриле (Великобритания: гриль) , тушение или жарку во фритюре.
Чаще всего потребители замечают этот эффект из-за неожиданного повреждения пластиковых контейнеров, когда в микроволновке продукты с высоким содержанием сахара, крахмала или жира создают более высокие температуры. Продукты с высоким содержанием воды и малым количеством масла редко превышают температуру кипения воды и не повреждают пластик.
Посуда должна быть прозрачной для микроволн. Проводящая посуда, например, металлические кастрюли, отражает микроволны и не дает им достигать пищи. Посуда из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью поглощает микроволны, в результате чего нагревается сама посуда, а не пища. Посуда из меламиновой смолы — это распространенный тип посуды, которая нагревается в микроволновой печи, снижая ее эффективность и создавая опасность ожогов или разбития посуды.
Микроволновый нагрев может вызывать локальные тепловые утечки в некоторых материалах с низкой теплопроводностью, которые также имеют диэлектрические постоянные, увеличивающиеся с температурой. Примером является стекло, которое может демонстрировать тепловые утечки в микроволновой печи до точки плавления, если его предварительно нагреть. Кроме того, микроволны могут плавить определенные типы горных пород, производя небольшие количества расплавленной породы. Некоторые виды керамики также могут плавиться и даже могут стать прозрачными при охлаждении. Тепловые утечки более типичны для электропроводящих жидкостей, таких как соленая вода. [47]
Другое заблуждение заключается в том, что микроволновые печи готовят пищу «изнутри наружу», то есть из центра всей массы пищи наружу. Эта идея возникает из поведения нагрева, наблюдаемого, если поглощающий слой воды лежит под менее поглощающим более сухим слоем на поверхности пищи; в этом случае отложение тепловой энергии внутри пищи может превышать отложение на ее поверхности. Это также может произойти, если внутренний слой имеет меньшую теплоемкость, чем внешний слой, заставляя его достигать более высокой температуры, или даже если внутренний слой более теплопроводен, чем внешний слой, заставляя его казаться горячее, несмотря на более низкую температуру. Однако в большинстве случаев с однородно структурированным или достаточно однородным продуктом питания микроволны поглощаются внешними слоями продукта на том же уровне, что и внутренние слои.
В зависимости от содержания воды глубина первоначального тепловыделения может составлять несколько сантиметров или более в микроволновых печах, в отличие от методов жарки на гриле (инфракрасного) или конвекционного нагрева, которые тонко распределяют тепло на поверхности пищи. Глубина проникновения микроволн зависит от состава пищи и частоты, при этом более низкие частоты микроволн (более длинные волны) проникают глубже. [41]
При использовании микроволновые печи могут иметь эффективность преобразования электроэнергии в микроволны всего в 50% [48] , но энергоэффективные модели могут превышать эффективность в 64%. [49] Эффективность приготовления пищи на плите составляет 40–90% в зависимости от типа используемого прибора. [50]
Поскольку они используются довольно редко, средняя бытовая микроволновая печь потребляет всего 72 кВт·ч в год. [51] Во всем мире микроволновые печи потребляли примерно 77 ТВт·ч в год в 2018 году, или 0,3% от мирового производства электроэнергии. [52]
Исследование Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, проведенное в 2000 году , показало, что средняя микроволновая печь потребляет почти 3 Вт в режиме ожидания , когда не используется, [53] , что в общей сложности составляет около 26 кВт·ч в год. Новые стандарты эффективности, введенные в 2016 году Министерством энергетики США, требуют менее 1 Вт, или около 9 кВт·ч в год, в режиме ожидания для большинства типов микроволновых печей. [54]
Микроволновая печь обычно состоит из:
В большинстве печей магнетрон приводится в действие линейным трансформатором, который может быть включен или выключен только полностью. (Один из вариантов GE Spacemaker имел два отвода на первичной обмотке трансформатора для режимов высокой и низкой мощности.) Обычно выбор уровня мощности не влияет на интенсивность микроволнового излучения; вместо этого магнетрон циклически включается и выключается каждые несколько секунд, тем самым изменяя крупномасштабный рабочий цикл . В более новых моделях используются инверторные источники питания, которые используют широтно-импульсную модуляцию для обеспечения эффективного непрерывного нагрева при пониженных настройках мощности, так что продукты нагреваются более равномерно при заданном уровне мощности и могут нагреваться быстрее, не повреждаясь из-за неравномерного нагрева. [55] [36] [35] [37]
Микроволновые частоты, используемые в микроволновых печах, выбираются на основе нормативных и стоимостных ограничений. Первое заключается в том, что они должны находиться в одном из промышленных, научных и медицинских (ISM) диапазонов частот , отведенных для нелицензируемых целей. Для бытовых целей 2,45 ГГц имеет преимущество перед 915 МГц в том, что 915 МГц является диапазоном ISM только в некоторых странах ( регион МСЭ 2), в то время как 2,45 ГГц доступен во всем мире. [ необходима цитата ] Три дополнительных диапазона ISM существуют в микроволновых частотах, но не используются для приготовления пищи в микроволновой печи. Два из них сосредоточены на 5,8 ГГц и 24,125 ГГц, но не используются для приготовления пищи в микроволновой печи из-за очень высокой стоимости генерации электроэнергии на этих частотах. [ необходима цитата ] Третий, сосредоточенный на 433,92 МГц, является узкой полосой, которая потребует дорогостоящего оборудования для генерации достаточной мощности без создания помех за пределами полосы, и доступна только в некоторых странах. [ необходима цитата ]
Камера для приготовления пищи похожа на клетку Фарадея , чтобы предотвратить выход волн из духовки. Несмотря на то, что нет непрерывного контакта металла с металлом по краю дверцы, дроссельные соединения по краям дверцы действуют как контакт металла с металлом на частоте микроволн, чтобы предотвратить утечку. Дверца духовки обычно имеет окно для легкого просмотра со слоем проводящей сетки на некотором расстоянии от внешней панели для поддержания экранирования. Поскольку размер отверстий в сетке намного меньше длины волны микроволн (12,2 см для обычных 2,45 ГГц), микроволновое излучение не может пройти через дверцу, в то время как видимый свет (с его гораздо более короткой длиной волны) может. [56]
Современные микроволновые печи используют либо аналоговый циферблатный таймер , либо цифровую панель управления для работы. Панели управления оснащены светодиодным , ЖК- или вакуумным флуоресцентным дисплеем, кнопками для ввода времени приготовления и функцией выбора уровня мощности. Обычно предлагается опция размораживания, либо как уровень мощности, либо как отдельная функция. Некоторые модели включают предварительно запрограммированные настройки для различных типов продуктов, обычно принимая вес в качестве входных данных. В 1990-х годах такие бренды, как Panasonic и GE, начали предлагать модели с дисплеем с прокруткой текста, показывающим инструкции по приготовлению.
Настройки мощности обычно реализуются не путем фактического изменения выходной мощности, а путем включения и выключения излучения микроволновой энергии с интервалами. Таким образом, наивысшая настройка представляет собой непрерывную мощность. Размораживание может представлять собой питание в течение двух секунд, за которым следует отсутствие питания в течение пяти секунд. Для обозначения завершения приготовления обычно присутствует звуковое предупреждение, такое как звонок или бипер, и/или на дисплее цифровой микроволновой печи обычно появляется надпись «End».
Панели управления микроволновыми печами часто считаются неудобными в использовании и часто используются в качестве примеров для дизайна пользовательского интерфейса. [57]
Вариантом обычной микроволновой печи является конвекционная микроволновая печь. Конвекционная микроволновая печь представляет собой комбинацию стандартной микроволновой печи и конвекционной печи . Она позволяет быстро готовить пищу, но при этом она получается подрумяненной или хрустящей, как в конвекционной печи. Конвекционные микроволновые печи дороже обычных микроволновых печей. Некоторые конвекционные микроволновые печи — те, у которых открытые нагревательные элементы — могут производить дым и запах гари, поскольку брызги пищи от предыдущего использования только в режиме микроволн сгорают на нагревательных элементах. Некоторые печи используют высокоскоростной поток воздуха; они известны как печи с нагнетанием и предназначены для быстрого приготовления пищи в ресторанах, но стоят дороже и потребляют больше энергии.
В 2000 году некоторые производители начали предлагать кварцевые галогенные лампы высокой мощности для своих моделей микроволновых печей с конвекцией, [58] продавая их под такими названиями, как «Speedcook», « Advantium », «Lightwave» и «Optimawave», чтобы подчеркнуть их способность быстро готовить пищу и получать хорошее подрумянивание. Лампочки нагревают поверхность пищи инфракрасным ( ИК) излучением, подрумянивая поверхности, как в обычной духовке. Пища подрумянивается, одновременно нагреваясь микроволновым излучением и нагреваясь посредством проводимости через контакт с нагретым воздухом. ИК-энергии, которая доставляется к внешней поверхности пищи лампами, достаточно для инициирования карамелизации потемнения в продуктах, в основном состоящих из углеводов, и реакции Майяра в продуктах, в основном состоящих из белка. Эти реакции в пище создают текстуру и вкус, похожие на те, которые обычно ожидаются от обычной готовки в духовке, а не пресный привкус варенья и пара, который обычно создается при готовке только в микроволновой печи.
Для облегчения подрумянивания иногда используют дополнительный поддон для подрумянивания, обычно из стекла или фарфора . Он делает пищу хрустящей, окисляя верхний слой до тех пор, пока он не станет коричневым . [ нужна цитата ] Обычная пластиковая посуда для этой цели не подходит, так как может расплавиться.
Замороженные обеды , пироги и пакеты для попкорна для микроволновки часто содержат в упаковке или на небольшом бумажном подносе токоприемник из тонкой алюминиевой пленки . Металлическая пленка эффективно поглощает микроволновую энергию и, следовательно, становится очень горячей и излучает в инфракрасном диапазоне, концентрируя нагрев масла для попкорна или даже подрумянивая поверхности замороженных продуктов. Нагревательные пакеты или подносы, содержащие токоприемники, предназначены для одноразового использования и затем выбрасываются как отходы.
Микроволновые печи нагревают пищу непосредственно внутри нее, но, несмотря на распространенное заблуждение, что пища, приготовленная в микроволновке, готовится изнутри, микроволны с частотой 2,45 ГГц могут проникать в большинство продуктов лишь на глубину около 1 сантиметра (0,39 дюйма). Внутренние части более толстых продуктов в основном нагреваются за счет тепла, передаваемого из внешнего слоя на глубину 1 сантиметра (0,39 дюйма). [59] [60]
Неравномерный нагрев в микроволновой печи может быть отчасти обусловлен неравномерным распределением микроволновой энергии внутри печи, а отчасти — разной скоростью поглощения энергии в разных частях пищи. Первая проблема решается с помощью мешалки, типа вентилятора, который отражает микроволновую энергию в разные части печи при вращении, или поворотного стола или карусели, которые поворачивают пищу; однако поворотные столы все равно могут оставлять пятна, например, в центре печи, которые получают неравномерное распределение энергии.
Вторая проблема связана с составом и геометрией пищи и должна решаться поваром путем размещения пищи таким образом, чтобы она равномерно поглощала энергию, и периодического тестирования и экранирования любых частей пищи, которые перегреваются. В некоторых материалах с низкой теплопроводностью , где диэлектрическая проницаемость увеличивается с температурой, микроволновый нагрев может вызвать локальный тепловой разгон . При определенных условиях стекло может демонстрировать тепловой разгон в микроволновой печи вплоть до точки плавления. [62]
Из-за этого явления микроволновые печи, установленные на слишком высокий уровень мощности, могут даже начать готовить края замороженных продуктов, в то время как внутренняя часть продуктов остается замороженной. Другой случай неравномерного нагрева можно наблюдать в выпечке, содержащей ягоды. В этих изделиях ягоды поглощают больше энергии, чем более сухой окружающий хлеб, и не могут рассеивать тепло из-за низкой теплопроводности хлеба. Часто это приводит к перегреву ягод по сравнению с остальной пищей. Настройки печи «Разморозка» либо используют низкие уровни мощности, либо многократно выключают и включают питание — это предназначено для того, чтобы дать время теплу провести внутри замороженных продуктов из областей, которые поглощают тепло легче, в те, которые нагреваются медленнее. В печах, оборудованных поворотным столом, более равномерный нагрев может происходить, если поместить продукты не по центру на поддоне поворотного стола, а не точно по центру, так как это приводит к более равномерному нагреву пищи по всей поверхности. [63]
На рынке есть микроволновые печи, которые позволяют размораживать на полной мощности. Они делают это, используя свойства электромагнитного излучения LSM-мод . Размораживание на полной мощности LSM может фактически достигать более равномерных результатов, чем медленное размораживание. [64]
Микроволновый нагрев может быть намеренно неравномерным по своей конструкции. Некоторые упаковки для микроволновой печи (особенно пироги) могут включать материалы, содержащие керамические или алюминиевые хлопья, которые предназначены для поглощения микроволн и нагрева, что помогает в выпечке или приготовлении корочки, откладывая больше энергии неглубоко в этих областях. Технический термин для такого поглощающего микроволны пластыря - рецептор . Такие керамические пластыри, прикрепленные к картону, располагаются рядом с пищей и, как правило, имеют дымчато-синий или серый цвет, что обычно делает их легко идентифицируемыми; картонные рукава, входящие в комплект Hot Pockets , которые имеют серебряную поверхность на внутренней стороне, являются хорошим примером такой упаковки. Картонная упаковка для микроволновой печи может также содержать верхние керамические пластыри, которые функционируют таким же образом. [65]
Любая форма приготовления пищи снижает общее содержание питательных веществ в пище, особенно водорастворимых витаминов, распространенных в овощах, но ключевыми переменными являются то, сколько воды используется при приготовлении, как долго готовится пища и при какой температуре. [66] [67] Питательные вещества в основном теряются путем выщелачивания в воду для приготовления пищи, что, как правило, делает приготовление пищи в микроволновой печи эффективным, учитывая более короткое время приготовления, которое требуется, и то, что нагретая вода находится в пище. [68] Как и другие методы нагрева, микроволновая печь преобразует витамин B12 из активной в неактивную форму; объем преобразования зависит от достигнутой температуры, а также от времени приготовления. Вареная пища достигает максимальной температуры 100 °C (212 °F) (точка кипения воды), тогда как пища, приготовленная в микроволновой печи, может стать внутренне горячее этого значения, что приводит к более быстрому распаду витамина B12 . [ необходима ссылка ] Более высокая скорость потери частично компенсируется более коротким временем приготовления. [69]
Шпинат сохраняет почти весь свой фолат при приготовлении в микроволновой печи; при варке он теряет около 77%, вымывая питательные вещества в воду для варки. [68] Бекон, приготовленный в микроволновой печи, имеет значительно более низкие уровни нитрозаминов, чем бекон, приготовленный обычным способом. [67] Пареные овощи, как правило, сохраняют больше питательных веществ при приготовлении в микроволновой печи, чем при приготовлении на плите. [67] Бланширование в микроволновой печи в 3–4 раза эффективнее бланширования в кипящей воде для сохранения водорастворимых витаминов, фолата, тиамина и рибофлавина , за исключением витамина С , из которого теряется 29% (по сравнению с потерей 16% при бланшировании в кипящей воде). [70]
Все микроволновые печи оснащены таймером для выключения печи по окончании времени приготовления.
Микроволновые печи разогревают пищу, не нагреваясь сами. Снятие кастрюли с плиты, если только это не индукционная варочная панель , оставляет потенциально опасный нагревательный элемент или подставку , которые остаются горячими в течение некоторого времени. Аналогично, когда вынимаешь кастрюлю из обычной духовки, руки подвергаются воздействию очень горячих стенок духовки. Микроволновая печь не создает такой проблемы.
Еда и посуда, вынутые из микроволновой печи, редко бывают намного горячее 100 °C (212 °F). Посуда, используемая в микроволновой печи, часто намного холоднее еды, потому что посуда прозрачна для микроволн; микроволны нагревают еду напрямую, а посуда косвенно нагревается едой. С другой стороны, еда и посуда из обычной духовки имеют ту же температуру, что и остальная часть духовки; типичная температура приготовления составляет 180 °C (356 °F). Это означает, что обычные плиты и духовки могут вызвать более серьезные ожоги.
Более низкая температура приготовления (температура кипения воды) является значительным преимуществом безопасности по сравнению с запеканием в духовке или жаркой, поскольку это исключает образование смол и угля , которые являются канцерогенными . [71] Микроволновое излучение также проникает глубже, чем прямое тепло, так что пища нагревается за счет ее собственного внутреннего содержания воды. Напротив, прямое тепло может сжечь поверхность, пока внутренняя часть еще холодная. Предварительный разогрев пищи в микроволновой печи перед тем, как положить ее на гриль или сковороду, сокращает время, необходимое для нагрева пищи, и уменьшает образование канцерогенного угля. В отличие от жарки и выпечки, микроволновая печь не производит акриламид в картофеле, [72] однако, в отличие от жарки во фритюре при высоких температурах, она имеет лишь ограниченную эффективность в снижении уровня гликоалкалоидов (т. е. соланина ). [73] Акриламид был обнаружен в других продуктах, приготовленных в микроволновой печи, таких как попкорн.
Исследования изучали использование микроволновой печи для очистки неметаллических бытовых губок , которые были тщательно смочены. Исследование 2006 года показало, что микроволновая печь для влажных губок в течение 2 минут (при мощности 1 000 Вт ) удалила 99% колиформных бактерий , E. coli и фагов MS2 . Споры Bacillus cereus были убиты за 4 минуты микроволнового нагрева. [74]
Исследование 2017 года оказалось менее позитивным: около 60% микробов были убиты, но оставшиеся быстро повторно колонизировали губку. [75]
Закрытые контейнеры, такие как яйца , могут взорваться при нагревании в микроволновой печи из-за повышенного давления пара . Неповрежденные свежие яичные желтки вне скорлупы также взрываются в результате перегрева. Изоляционные пластиковые пены всех типов обычно содержат закрытые воздушные карманы и, как правило, не рекомендуются для использования в микроволновой печи, поскольку воздушные карманы взрываются, а пена (которая может быть токсичной при употреблении) может расплавиться. Не все пластмассы безопасны для микроволновой печи, а некоторые пластмассы поглощают микроволны до такой степени, что могут стать опасно горячими. [76]
Продукты, которые нагреваются слишком долго, могут загореться. Хотя это свойственно любому способу приготовления пищи, быстрое приготовление и неконтролируемый характер использования микроволновых печей создают дополнительную опасность.
В редких случаях вода и другие однородные жидкости могут перегреваться [77] [78] при нагревании в микроволновой печи в контейнере с гладкой поверхностью. То есть жидкость достигает температуры, немного превышающей ее нормальную точку кипения, без образования пузырьков пара внутри жидкости. Процесс кипения может начаться взрывообразно , когда жидкость нарушается, например, когда пользователь берет контейнер, чтобы вынуть его из духовки, или при добавлении твердых ингредиентов, таких как порошковые сливки или сахар. Это может привести к спонтанному кипению ( зародышеобразованию ), которое может быть достаточно сильным, чтобы выбросить кипящую жидкость из контейнера и вызвать сильное ожог . [79]
Вопреки распространенным предположениям, металлические предметы можно безопасно использовать в микроволновой печи, но с некоторыми ограничениями. [80] [81] Любой металлический или проводящий предмет, помещенный в микроволновую печь, в некоторой степени действует как антенна , что приводит к возникновению электрического тока . Это заставляет предмет действовать как нагревательный элемент. Этот эффект зависит от формы и состава предмета и иногда используется для приготовления пищи.
Любой предмет, содержащий заостренный металл, может создать электрическую дугу (искры) при нагревании в микроволновой печи. Это включает в себя столовые приборы , мятую алюминиевую фольгу (хотя некоторая фольга, используемая в микроволновых печах, безопасна, см. ниже), стяжки, содержащие металлическую проволоку, металлические проволочные ручки для переноски в устричных ведерках или почти любой металл, сформированный в плохо проводящую фольгу или тонкую проволоку, или в заостренную форму. [82] Вилки являются хорошим примером: зубцы вилки реагируют на электрическое поле, производя высокие концентрации электрического заряда на кончиках. Это приводит к превышению диэлектрического пробоя воздуха, около 3 мегавольт на метр (3×10 6 В/м). Воздух образует проводящую плазму , которая видна как искра. Затем плазма и зубцы могут образовать проводящую петлю, которая может быть более эффективной антенной, что приводит к более долгоживущей искре. Когда диэлектрический пробой происходит в воздухе, образуются некоторое количество озона и оксидов азота , оба из которых вредны для здоровья в больших количествах.
Разогрев в микроволновой печи отдельного гладкого металлического предмета без заостренных концов, например, ложки или неглубокой металлической кастрюли, обычно не приводит к искрению. Толстые металлические решетки могут быть частью внутреннего дизайна микроволновых печей (см. иллюстрацию). Аналогичным образом внутренние стеновые пластины с перфорационными отверстиями, которые пропускают свет и воздух в печь и позволяют видеть внутреннее пространство через дверцу печи, изготовлены из проводящего металла, отформованного в безопасной форме.
Эффект от воздействия микроволн на тонкие металлические пленки можно ясно увидеть на компакт-диске или DVD (особенно на прессованном заводе). Микроволны индуцируют электрические токи в металлической пленке, которая нагревается, расплавляя пластик на диске и оставляя видимый рисунок концентрических и радиальных рубцов. Аналогично, фарфор с тонкими металлическими пленками также может быть разрушен или поврежден микроволнами. Алюминиевая фольга достаточно толстая, чтобы ее можно было использовать в микроволновых печах в качестве экрана против нагревания частей пищевых продуктов, если фольга не сильно деформирована. Если она сморщена, алюминиевая фольга, как правило, небезопасна в микроволновых печах, так как манипуляции с фольгой приводят к резким изгибам и зазорам, которые вызывают искрение. Министерство сельского хозяйства США рекомендует, чтобы алюминиевая фольга, используемая в качестве частичного пищевого экрана при приготовлении пищи в микроволновой печи, покрывала не более одной четверти пищевого объекта и была тщательно разглажена, чтобы исключить опасность искрения. [83]
Другая опасность — резонанс самой магнетронной трубки. Если микроволновая печь работает без объекта, поглощающего излучение, образуется стоячая волна . Энергия отражается вперед и назад между трубкой и варочной камерой. Это может привести к перегрузке трубки и ее перегоранию. Высокая отраженная мощность также может вызвать искрение магнетрона, что может привести к выходу из строя предохранителя первичной цепи питания, хотя такую причинно-следственную связь установить нелегко. Таким образом, обезвоженная пища или пища, завернутая в металл, который не образует дуги, является проблематичной из-за перегрузки, не обязательно представляя опасность возгорания.
Определенные продукты, такие как виноград, при правильном размещении могут создавать электрическую дугу . [84] Длительное образование дуги от пищи несет в себе те же риски, что и образование дуги от других источников, как отмечено выше.
Другие объекты, которые могут проводить искры, — это термосы с пластиковым/голографическим принтом и другие емкости, сохраняющие тепло (например, стаканчики Starbucks ) или стаканчики с металлическим покрытием. Если хоть немного металла будет обнажено, вся внешняя оболочка может оторваться от объекта или расплавиться. [ необходима цитата ]
Сильные электрические поля, генерируемые внутри микроволновой печи, часто можно проиллюстрировать, поместив радиометр или неоновую лампу внутри варочной камеры, создавая светящуюся плазму внутри колбы низкого давления устройства.
Прямое воздействие микроволн, как правило, невозможно, поскольку микроволны, излучаемые источником в микроволновой печи, удерживаются в печи материалом, из которого она изготовлена. Кроме того, печи оснащены избыточными защитными блокировками, которые отключают питание магнетрона, если дверца открыта. Этот защитный механизм требуется федеральными правилами США. [85] Испытания показали, что ограничение микроволн в имеющихся в продаже печах настолько универсально, что делает рутинное тестирование ненужным. [86] По данным Центра по приборам и радиационному здоровью Управления по контролю за продуктами и лекарствами США , федеральный стандарт США ограничивает количество микроволн, которые могут просачиваться из печи в течение ее срока службы, до 5 милливатт микроволнового излучения на квадратный сантиметр примерно в 5 см (2 дюйма) от поверхности печи. [87] Это намного ниже уровня воздействия, который в настоящее время считается вредным для здоровья человека. [88]
Излучение, производимое микроволновой печью, является неионизирующим. Поэтому оно не имеет онкологических рисков, связанных с ионизирующим излучением , таким как рентгеновские лучи и частицы высокой энергии . Долгосрочные исследования на грызунах для оценки риска рака до сих пор не смогли выявить какой-либо канцерогенности микроволнового излучения 2,45 ГГц даже при уровнях хронического воздействия (т. е. большая часть продолжительности жизни), намного превышающих те, с которыми люди, вероятно, столкнутся из-за любых протекающих печей. [89] [90] Однако при открытой дверце печи излучение может вызвать повреждения путем нагрева. Микроволновые печи продаются с защитной блокировкой, так что ее нельзя запустить, когда дверца открыта или неправильно защелкнута.
Микроволны, генерируемые в микроволновых печах, прекращают свое существование после отключения электроэнергии. Они не остаются в пище после отключения электроэнергии, так же как свет от электрической лампы не остается в стенах и мебели комнаты после выключения лампы. Они не делают пищу или печь радиоактивными. В отличие от обычного приготовления пищи, питательная ценность некоторых продуктов может изменяться по-другому, но в целом в положительную сторону за счет сохранения большего количества микроэлементов — см. выше. Нет никаких указаний на вредные проблемы со здоровьем, связанные с пищей, приготовленной в микроволновой печи. [91]
Однако есть несколько случаев, когда люди подвергались прямому воздействию микроволнового излучения, либо из-за неисправности прибора, либо преднамеренных действий. [92] [93] Такое воздействие обычно приводит к физическим ожогам тела, поскольку ткани человека, особенно внешние жировые и мышечные слои, имеют состав, аналогичный составу некоторых продуктов, которые обычно готовятся в микроволновых печах, и поэтому испытывают аналогичные эффекты диэлектрического нагрева при воздействии микроволнового электромагнитного излучения.
Использование немаркированного пластика для приготовления пищи в микроволновой печи поднимает вопрос о выщелачивании пластификаторов в пищу [94] или о химической реакции пластика с микроволновой энергией, в результате которой побочные продукты выщелачиваются в пищу [95], что позволяет предположить, что даже пластиковые контейнеры с маркировкой «пригодно для использования в микроволновой печи» могут по-прежнему выделять побочные продукты из пластика в пищу. [ необходима ссылка ]
Пластификаторы, которые получили наибольшее внимание, — это бисфенол А (BPA) и фталаты , [94] [96], хотя неясно, представляют ли другие пластиковые компоненты риск токсичности. Другие проблемы включают плавление и воспламеняемость. Предполагаемая проблема выброса диоксинов в пищу была отклонена [94] как преднамеренное отвлечение внимания от реальных проблем безопасности.
Некоторые современные пластиковые контейнеры и пищевые пленки специально разработаны для сопротивления излучению микроволн. На продуктах может использоваться термин «безопасно для микроволновых печей», может быть обозначен символ микроволн (три линии волн, одна над другой) или просто даны инструкции по правильному использованию микроволновой печи. Любой из них является указанием на то, что продукт подходит для микроволновых печей при использовании в соответствии с предоставленными инструкциями. [97]
Пластиковые контейнеры могут выделять микропластик в пищу при нагревании в микроволновых печах. [98]
Микроволновые печи часто используются для разогрева остатков пищи , и бактериальное загрязнение может не подавляться, если микроволновая печь используется неправильно. Если безопасная температура не достигнута, это может привести к пищевым заболеваниям , как и при других методах разогрева. Хотя микроволновые печи могут уничтожать бактерии так же, как и обычные печи, они готовят быстро и могут готовить не так равномерно, как жарка или гриль, что приводит к риску того, что некоторые пищевые регионы не достигнут рекомендуемых температур. Поэтому рекомендуется выдерживать период после приготовления, чтобы температура в пище выровнялась, а также использовать пищевой термометр для проверки внутренней температуры. [99]
Микроволновые печи, хотя и экранированы в целях безопасности, все равно излучают низкие уровни микроволнового излучения. Это не вредно для людей, но иногда может вызывать помехи для Wi-Fi и Bluetooth и других устройств, которые взаимодействуют на волнах 2,45 ГГц , особенно на близком расстоянии. [100] Обычные трансформаторные печи не работают непрерывно в течение цикла сети, но могут вызывать значительное замедление на многие метры вокруг печи, тогда как инверторные печи могут полностью остановить близлежащую сеть во время работы. [101]
Микроволновые печи были приняты еще более жадно: в 1979 году они были менее чем в 5% домохозяйств, но к 1998 году их было более 88%.
При варке картофеля и разогреве в микроволновой печи целого картофеля с кожурой для приготовления "картофеля, запеченного в микроволновой печи", акриламид не образуется.⁽¹⁾ (Сноска (1): На основе исследований FDA.)