结构诱导的微波吸收增强：对脱壳全玉米穗（Zea mays L. var. Everta）茎节爆裂性能改善的机制洞察

《Journal of Food Engineering》：Structure-Induced Microwave Absorption Enhancement: Mechanistic Insights into the Improved Popping Characteristics of Husked Whole Ear Corn ( Zea mays L. var. Everta) Segments

　　

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  去壳的整粒玉米段具有最佳的爆米花特性。
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  玉米棒和玉米粒之间的功能性协同作用增强了微波吸收。
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  玉米粒紧密排列促进了高效的微波加热。
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  为仿生微波吸收材料提供了创新的设计概念。

引言

微波加热技术在现代工业和科学研究中变得至关重要（Vicente等人，2024年；Wang等人，2025年）。它通过电磁相互作用在极性分子中诱导介电极化，从而实现体积加热并显著提高加热速度（Shi等人，2025年；Zhou等人，2023年）。尽管具有这些优势，微波加热仍受到加热不均匀和效率低下的限制（Taghian Dinani等人，2021年）。介电性质和几何形状的变化阻碍了食品材料的阻抗匹配。因此，微波能量更有可能被反射或以热的形式耗散，导致效率降低（Mu等人，2024年；Zhang等人，2023年）。微波腔體内的驻波模式进一步产生了不均匀的场分布，导致局部热点或加热不足的区域（Cui等人，2023年）。为了克服这些限制，提出了三种主要策略。这些策略包括优化食物负载配置，例如通过调整食物几何形状（Basak，2022年；Klinbun等人，2011年）或通过使用吸收微波的包装或负载材料来增强微波吸收（Perry和Lentz，2020年；Thanakkasaranee等人，2023年）。其他方法包括优化腔体硬件，如模式搅拌器或转盘（Pitchai等人，2014年；Zhao等人，2024年），以及使用具有频率和相位控制的固态微波源来提高吸收的同时减少反射损失（Kalinke等人，2023年；Yang等人，2023年；Ghimire和Chen，2024年；Li等人，2025年）。

值得注意的是，在材料科学领域，最近的进展使得电磁场控制更加精细。这种策略依赖于设计亚波长周期性结构，这些结构可以创建具有定制电磁响应的工程边界或表面（Barthlott等人，2017年；Wang等人，2021年；Whittow等人，2014年）。这些结构能够精确控制入射微波的相位、幅度和空间分布，支持高效的吸收和场均匀化（Huang等人，2019年）。同时，结合功能材料的宏观结构也被广泛用于增强微波吸收。例如，Mallesh等人（2023年）设计了一种V形折叠芯结构，并集成了sendust颗粒，在0.9-3 GHz范围内实现了低于-10 dB的反射损失。在另一项研究中，Jang等人（2021年）将边缘选择性氧化的石墨烯与羰基铁颗粒结合，通过偶极子和界面极化增强了介电和磁损耗，在15 GHz时实现了-69.27 dB的RL_min。除了这些方法外，生物结构的灵感也被越来越多地应用于微波吸收材料的设计中（Wang等人，2025年）。例如，龙虾壳的软硬多层结构启发了Cai等人（2021年）设计了Si3N4/SiC交替多层气凝胶。这种气凝胶在8.4 GHz范围内表现出有效的吸收带宽，最小反射损失（RL_min）为-45 dB，代表了最强的微波吸收。受穿山甲启发的一种可拉伸超材料在8-18 GHz范围内在零应变下实现了低于-10 dB的反射损失（Wang等人，2021年）。在受两种蛾类复眼结构启发的宽带吸收器中，一种超材料在8.04-17.88 GHz范围内实现了超过90%的微波吸收，厚度为1毫米（Huang等人，2019年）。另一种受甲虫手性启发的超材料在4-18 GHz范围内实现了超过80%的吸收，表面密度极低，为1.45 kg/m2，RL_min为-48.83 dB（Huang等人，2020年）。基于这些进展，探索天然生物质结构对微波吸收的影响，并将这些见解应用于食品微波处理，代表了有前景的研究方向。

由于其便捷性和脆爽的口感，微波爆米花已成为全球流行的零食（Singh和Singh，1999年）。其原材料是一种特殊的玉米品种（Zea mays L. var. Everta），在加热到177-210°C并保持90-180秒后，内部会产生高压蒸汽。这会导致果皮破裂和胚乳膨胀（Cabrera-Ramírez等人，2021年），从而产生爆米花。我们的初步实验表明，在相同的玉米粒含水量和微波功率密度下，去壳的整粒玉米段（HWECS）的爆米花百分比明显高于单独的玉米粒（图1）。这些结果表明，HWECS的宏观结构可能会影响其微波加热行为，因此值得进一步研究。

在这项研究中，使用了具有不同玉米粒聚集程度的去壳玉米段（HCS）以及单独的玉米粒（kernels和KIPB）组，以研究结构配置对微波响应的影响。爆米花性能与温度密切相关，而温度又受到材料介电性质和微波吸收的影响。因此，分析了爆米花特性、热行为、介电响应和反射损失（RL），以阐明HWECS的微波吸收机制。这些发现为基于自然结构设计微波吸收附件提供了概念和理论上的见解，为提高食品加工中的微波加热效率提供了创新方法。

章节片段

材料

所使用的玉米品种（Zea mays L. var. Everta）为球形54830，购自中国河南省商丘市的Jinyu食品有限公司。使用自动水分分析仪（LC-DHS-16，Lichen Instrument Technology Co., Ltd，浙江）测得的初始玉米粒含水量约为10.07±0.22%，初始玉米棒含水量约为9.30±0.59%。含水量基于湿基（w.b.）。爆米花袋由衢州的Huabang特种纸有限公司提供。

爆米花特性

与单独的玉米粒组相比，HWECS的玉米粒排列更加紧密。因此，除了初步实验中使用的组外，还准备了表1中列出的其他组，以检查这种结构特征如何影响爆米花特性。结果显示，玉米粒聚集程度的增加显著提高了爆米花百分比、爆米花面积和爆米花体积（图3A-D）。结构最紧凑的HWECS组（组9）取得了

结论

本研究比较了具有不同玉米粒堆积密度的HCS组和单独玉米粒的爆米花特性。分析了热响应、介电性质和吸收性能，以揭示它们在微波下增强行为的潜在机制。结果显示，玉米粒聚集程度的增加显著提高了爆米花特性，HWECS的爆米花百分比最高（80.02%），并且爆米花质量也更优。

CRediT作者贡献声明

Nana Zhang：软件开发。Bowen Yan：监督、数据整理。Zifei Zhang：验证、调查。Yuan Tao：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Yujing Zheng：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、概念化。Daming Fan：项目管理、资金获取、概念化。Wei Chen：监督、项目管理。Hao Zhang：监督、项目管理。Bo Hu：数据整理

未引用参考文献

Liu等人，2023年；T?ra?等人，2019年；Zhang等人，2023年。

利益冲突声明

作者确认与本手稿所述的工作无关任何利益冲突。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者确认与本手稿所述的工作无关任何利益冲突。

致谢

本研究得到了国家“十四五”重点研发计划项目（2021YFD2100100）、中国国家自然科学基金（32302281）以及江苏省食品安全与质量控制协同创新中心的支持。

Yujing Zheng|Yuan Tao|Zifei Zhang|Bowen Yan|Nana Zhang|Bo Hu|Hao Zhang|Wei Chen|Daming Fan