微波爐的微波是否可能打破食物中的化學鍵？

01-17

看到之前關於微波爐的文章，@黃全能希望有一個「微波不可能在食品中產生有害物質」的證據。希望這個問題的回答里能出現一個這麼一個證據，或者否定之。
提問者自己搜集到的一些資料及思考，希望回答者有餘力的話可以一併點評（歡迎有理有據的駁斥～）：
1，微波爐本身的工作原理是提供一個低能、方向不斷變化的電磁場，以激發被加熱物中的極性分子如水分子不斷運動摩擦，將該電場能量轉化為熱能加熱食物。
2，該電磁場的介質粒子，單粒子能量不高，應該不足以打破哪怕最弱的化學鍵（這就是這個問題本身，求證中），由此即可確保微波本身不導致食物出現任何化學層次以上的變化，即"有毒物質"。
3，加熱食物與輻射人體有一點關鍵不同，輻射人體細胞可能會導致DNA受損，並在隨後的分裂過程中可能導致表達出問題而癌變。但食物DNA即使受損也應該會被正常水解消化。

不確定的部分：
1，根據光電效應，受激原子即使接受到多份不到遷躍能量的光子，應該也不足以遷躍能級，導致化學鍵破壞。但是從網上看到（http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/5/247076.shtm）的這種光鑷是怎麼回事呢？
2，即使從微觀上保證了微波本身不導致化學變化，但是宏觀上加熱本身就是一個能量過程，其中產生化學變化應該是很正常的。這部分屬於題外話，因為加熱作為熟食的基本條件是所有烹飪方法共享的，不為微波法獨有；考慮熟食相對生食的其他優勢我認為是不需要討論的。不過我確實比較關心米飯被微波加熱時產生丙烯醯胺的問題（蒸飯就沒有這種問題了），據說問題主要在食物構造導致的局部溫度？回答者有了解的話希望不吝賜教。
本人生物物理都只有高中程度，所以上面如果出現錯誤請不要客氣猛拍～

微波爐很萌的，你們不要黑他！

0. 微波爐工作原理

簡略地來講，微波爐加熱食品，實質上是通過不斷變化的微波場導致極性分子（例如水分子）或者存在自由電子的固體中電子（例如金屬箔）的運動，通過分子間摩擦，從而達到溫度升高的效果[1]。

1. 微波會與食物中的哪些成分發生反應？

我們日常用微波來加熱的物品，基本都是由於水分子的運動——所以一般而言，較乾的食物比較難以加熱。換句話說，食物中的大部分大分子成分：蛋白質、澱粉、各種碳水化合物……是不會與微波直接反應的。

這種說法似乎並沒有太大的說服力，因為某些有機物（如蔗糖）仍然是極性分子，具有與微波反應的前提。雖然一般而言，這些物質不佔食物的主要成分，嚴謹起見，仍需要從其他方面進行探討。

2. 微波會對分子產生什麼作用？

微波屬於電磁波的一種，電磁波的能量公式如下：

其中，E為能量（Energy），f為電磁波的頻率（Frequency），c為光速（定值），h為Plank Constant（定值），lambda為波長（wavelength）。不難得出：當電磁波的波長或者頻率恆定時，電磁波具有的能量也是恆定的。微波的頻率被定義為：300 MHz - 300 GHz；其中我們日常使用的微波爐的頻率為2450 MHz(波長為 12.24cm)[2]。這個波段的電磁波可以做什麼呢？一張圖說明一切：

對於分子來說，自身有四種方式的運動：

平移（Transitional）：指分子自發進行的無規則運動（布朗運動就是一例），其中沒有發生任何結構上的改變；

旋轉（Rotational）：指分子不改變結構（鍵長、鍵角），作為一個整體進行旋轉；
振動（Vibrational）：指分子內的化學鍵發生長度的改變；
電子層面的運動（Electronic）：指電子在不同能級間的運動（躍遷等）；

從上至下，需要的能量逐漸提高，其中平移是自發進行的；微波可以導致分子的旋轉；紅外及可見光、其他射線可以導致其它運動……而化學鍵的斷裂/結合，屬於電子層面的運動，微波所提供的能量遠遠不夠。

如果還不明晰的話，這裡還有另一張圖能夠說明：

微波爐能夠提供的能量，與改變分子結構需要的能量，有著量級的差別。

有的小朋友會問：既然能夠通過改變頻率而改變能量，那我們造一個頻率不同的微波爐行不行？

好吧，為了讓這個新微波爐產生巨大的能量，以至於讓食物產生一點點可能的化學變化，我們至少要使用波長為10^-6 m的電磁波，這屬於紫外波段；能量再強一點，是X-ray，再強一點，是gamma ray了，我們來造個武器……呃，跑題了，如果這個神奇的東西（它甚至不能被稱為「微波」爐）真的被製造出來，你會驚訝地發現，它再也不具備加熱食物的功能——很遺憾，水分子的吸收峰遠遠不在這個波段。

更現實的一個問題是，這個新的東西，耗電量將是正常微波爐的10^6 - 10^12倍——假設功率損耗不變的話，意味著家裡的電費……

3. 微波真的不會對化學鍵產生任何作用嗎？

通過簡單的計算可知，家用的微波爐，產生的微波能量大約是0.00001 eV (2.45 GHz, 12.22 cm)。

這個數據可能不夠直觀，我們來看一看典型的化學鍵，鍵能都有多少[3]：

Brownian Motion：布朗運動

Hydrogen Bonds：氫鍵

Covalent Bonds：共價鍵

Ionic Bonds：離子鍵

一個簡單的化學常識：分子間作用力遠遠小於分子內作用力。其中，氫鍵是最強的分子間作用力；共價鍵是最弱的分子內作用力。分子間作用力的變化屬於物理變化（融化、氣化……）；而分子內作用力的變化，才屬於化學變化（化學鍵的變化）。

可以看出，微波產生的能量，不僅不夠產生任何分子內作用力的變化，連對分子間作用力，似乎都無能為力呢！

4. 使用微波爐過程中的化學變化

有的小朋友又要問了：可是，在加熱食品的過程中，確實有化學變化呀！

沒錯，可是這些化學變化，來源於加熱過程中產生的熱量，而非微波本身。換句話說，這其中的化學變化，與煎、炸、炒……把食物弄熟的過程中，除了溫度變化的速率，並沒有本質差別。一種在60攝氏度會變質的食物，放進油鍋里炸會變質，放進微波爐也會變質，能因此就說是微波爐的錯嗎？

同樣道理，有人說，微波爐產生致癌物質是因為高溫——微波爐加熱，在短短几十秒或者幾分鐘內，連100攝氏度都很難達到，何談高溫？平時各種中式烹飪方式，所達到的溫度基本都遠遠高於微波爐，如果致癌物的產生真是因為高溫，食物早在鍋中就全變成致癌物了。

（說句題外話，微波食品不健康，其中有一個原因就是加熱溫度不夠高，不足以殺死各種細菌。）

5. 其他問題

5.1 關於丙烯醯胺的產生，機理在於澱粉類物質在高溫的長時間加熱下產生的致癌物質[3]。其最大的來源在於油炸的烹飪方式，而非微波加熱獨有產物。

5.2 「高溫」一般而言，是指微波爐在加熱混合物時，容易產生溫度不均勻的現象，稱為hot spots；有實驗證實在足夠的加熱時間內，某一點的極端溫度可以達到 600 攝氏度；但實驗中使用的是對微波極其敏感的材料（金屬箔與硅的混合物），在日常生活中，應該達不到這麼極端的情況。

5.3 關於「光鑷」的問題，原始文獻在這裡：http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1104/1104.5008.pdf 我作為非專業人士不敢斷言，希望有更專業的人士發表意見。

6. 最後……

7. 參考

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_chemistry

[2] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E6%B3%A2

[3] http://www.wiley-vch.de/books/sample/3527314520_c01.pdf

[4] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%99%E7%83%AF%E9%85%B0%E8%83%BA

關於光電效應的理解有誤。光電效應原則上限於電離過程的討論，也就是光子把物體中的電子打出來。如果光子能量較小，不能把電子打出來的話，還可能跟物體發生其他相互作用，而這些相互作用不一定直接導致化學鍵的變化，但也不一定不間接導致這種變化。這些變化可以參考 @Ruki 提供的數量級比較。以前知乎上也出現過幾個相關問題。需要注意的一點是，分子對微博波段的電磁波也是有吸收的，主要為平動、轉動部分。如

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed043pA683

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bip.360330114/abstract?systemMessage=Wiley+Online+Library+will+be+disrupted+on+15+December+from+10%3A00-12%3A00+GMT+%2805%3A00-07%3A00+EST%29+for+essential+maintenance

關於光鑷，以前做文獻調研時記過一段：

《物理學進展》，27，201（2007）

「作為一種重要的輔助操縱技術 ,光鑷在單分子科學中也佔有重要的地位。光鑷的基本原理是利用光學梯度力形成的光阱俘獲或操縱原子。眾所周知 ,光作為一種電磁波 , 當產生空間分布不均勻的電場或電勢時 ,電勢梯度會在電介質上產生作用力。直觀地說 ,光入射到物體上時 ,光子的部分動量傳遞給物體 ,形成光壓。光場的性質決定了物體的受力 ,可將物體俘獲至一定位置 ,即為光阱。它可以用來捕獲微小粒子(亞微米到數十微米大小) ,進而操控之。光束與微粒之間非機械接觸 ,不會產生機械損傷 ,並且幾乎不影響粒子周圍的環境。加之生物微粒對光具有穿透性 ,光鑷技術特別適用於活體生物微粒的研究。在操作過程中可以實時測量微粒間的微小相互作用力 ,可以作為力的探針

或力的感測器。光鑷不僅是操控微小粒子的機械手 ,同時又是微小粒子靜態和動態力學特性的理想研究手段。在單分子實驗中 ,常把分子樣品連接到一個介質小球上 ,通過光鑷操縱介質小球達到操縱樣品分子的目的。這種光學技術在分子尺度上實現了傳統機械鑷子的功能 ,因而被稱為光鑷技術。」

或者看wiki：http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers

不請自答，我們院長的研究領域就是微波能應用，國際著名學者，國內這一塊研究領域大牛。據他介紹，微波除了有加熱效應以外，是否有非熱效應，現在國際上兩派人持不同觀點，誰也說服不了誰，都沒有決定性的證據。

紫外線都打不斷你眼睛裡的視黃醇，微波能打斷什麼？