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(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306; 2.上海海洋大學(xué)食品熱加工工程中心,上海 201306; 3.國家級食品科學(xué)與工程實驗教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué)),上海 201306)

微波是一種頻率在300 MHz至300 GHz不等的一種電磁波。微波場是一個交變的電磁場,使得食品內(nèi)部的極性分子(水分子)隨著電磁場的方向(每秒24.5億次)作往復(fù)運動[1-2]。而食品的特性是衡量食品將微波能轉(zhuǎn)變成熱能的能力的重要參數(shù)[3]。除了介電特性以外,微波加熱的效率還取決于其他幾個因素,比如樣品的形狀尺寸、腔的類型以及樣品在腔內(nèi)的位置等[4-5]。近數(shù)十年內(nèi),微波加熱在食品行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,包括加熱、干燥、解凍、殺菌、烘烤食品等[6]。由于微波能夠?qū)崿F(xiàn)較高的加熱速率,較傳統(tǒng)加熱方式比加熱更加均勻[7],較小的程度上減少食品風(fēng)味和破壞營養(yǎng)成分,因此在食品加工中得到廣泛的應(yīng)用。

盡管微波加熱有著較多的優(yōu)點,但由于微波加熱過程的高度非線性,對其理解仍然靠著經(jīng)驗和推測[8],加上計算機軟件以及微波理論的深化,數(shù)值模擬用于食品微波已被廣泛接受并且已被證實為用于理解加熱過程細節(jié)的最好的途徑之一[9]。已有一些學(xué)者總結(jié)了微波在食品各個加工中的應(yīng)用[10-11]。盡管還有一些學(xué)者論述了數(shù)值模擬方法在食品微波中的應(yīng)用,比如張麗影等[12]綜述了數(shù)值模擬方法在食品微波干燥中的應(yīng)用,Castro等[13]研究了和總結(jié)了水果對流干燥的數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型和建模方法。但很少有人對食品微波數(shù)值模擬常用的數(shù)學(xué)模擬軟件進行歸納以及對數(shù)學(xué)模擬技術(shù)在食品微波加工過程中的應(yīng)用進行總結(jié)的文章較少。本文介紹了幾種常用于食品微波加工中的數(shù)學(xué)模擬軟件以及計算依據(jù)、步驟,最后著重介紹了模擬技術(shù)在食品微波中的應(yīng)用進展。

1 數(shù)學(xué)模擬軟件

計算機模擬在食品工程中起著重要的作用,尤其是在加熱處理的優(yōu)化和改進方面[14]。目前,應(yīng)用于微波食品加工的數(shù)值模擬軟件有CFD軟件包[15]、FEMAP[16]、PHOTO[16]、COMSOL MULTIPHYSICS[17]、FEMLAB[18]、ANSYS[19]、QUICKWAVE[20]、MATLAB[21]、FORTRAN[22]等等。

1.1 FEMAP與PHOTON

FEMAP有助于用戶將復(fù)雜的模型經(jīng)過處理進行簡單化。FEMAP應(yīng)用于食品微波中主要是建立實驗裝置的3D幾何模型,其通常與PHOTO聯(lián)用。PHOTO在食品微波加工中的主要應(yīng)用是進行電磁分析。兩款軟件都基于有限元方法進行建模和電磁、傳熱分析,從而模擬食品在微波加熱的整個過程。該軟件的主要優(yōu)點是:分別利用了兩款軟件的優(yōu)勢,FEMAP擁有強大的前處理和后處理功能,PHOTO更適合于進行電磁和傳熱分析;可以較方便的設(shè)置物體的移動和旋轉(zhuǎn),具體細節(jié)見Wakao[23]。主要的缺點是:操作較繁瑣;兩個軟件的分別運行可能會造成更大的誤差;不利于理解微波與物體作用的細節(jié);對于復(fù)雜的幾何體的計算時間稍長。

1.2 COMSOL MULTIPHYSICS

COMSOL以有限元法作為基礎(chǔ),通過求解多物理場中的偏微分方程,來求解任意任意多物理場耦合問題。COMSOL MULTIPHYSICS與MATLAB等常用軟件兼容,用戶可以自定義建模、數(shù)學(xué)計算和后處理等等。該軟件的主要優(yōu)點有:對初學(xué)者或?qū)?shù)學(xué)基礎(chǔ)較薄弱的食品科研人員而言,COMSOL固有的模塊可提供較大的幫助(案例較多);可以適用于較復(fù)雜的幾何實體的電磁分析;涉及的模塊較多,適用廣(流體干燥、多孔介質(zhì)干燥等);軟件更新較快,不斷對設(shè)置進行優(yōu)化等。主要的缺點是:目前對三維電磁加熱的移動功能尚不成熟,需輸入代碼加以完善[24]。

1.3 FEMLAB

FEMLAB是一種用于對基于偏微分方程的科學(xué)和工程問題進行建模和仿真計算的軟件。FEMLAB是COMSOL MULTIPHYSICS的前身,這里的優(yōu)缺點可參照上文COMSOL部分。

1.4 ANSYS

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的有限元分析軟件,能夠與大多數(shù)計算機輔助軟件接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。ANSYS在石油化工、能源、汽車交通、電磁、醫(yī)學(xué)、國防軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與其他以有限元分析為基礎(chǔ)的商業(yè)軟件(COMSOL)相類似,應(yīng)用范圍廣,但三維電磁加熱的移動存在一定的缺陷。

1.5 QUICKWAVE

QUICKWAVE是一種通用用戶友好型的電磁仿真軟件包,其是基于有限時域差分分析方法的軟件。主要的優(yōu)點是該軟件可以在樣品進行復(fù)雜的運動狀態(tài)時對其進行建模;是一款主要進行電磁分析的軟件,更加適用于涉及較少條件的模型的仿真;節(jié)省軟件的空間,運算速度更快,有利于模型的開發(fā)。主要的缺點是不適用于復(fù)雜的幾何實體的仿真;涉及到流體、相變等因素時,不利于用戶的直接使用。

1.6 CFD

計算流體動力學(xué)(CFD)結(jié)合了流體力學(xué)、數(shù)值計算和計算機科學(xué),應(yīng)用離散化數(shù)學(xué)計算方法,對流體流動情況進行模擬[25]。CFD軟件包包括CFX、FLUENT、PHOENIXC和STAR-CD等軟件。其主要的優(yōu)點是:對流體食品和顆粒狀食品的微波加工有較強的專用性;可以從細節(jié)上理解流體的流量分布和傳質(zhì);較其他軟件中的流體模塊而言,CFD軟件包采用更短的時間得到更精確的結(jié)果。主要的缺點在于涉及到的微波加工食品的相態(tài)的要求較高(顆?；蛄黧w);對湍流模型還存在一定的空缺。

1.7 MATLAB與FORTRAN

MATLAB和FORTRAN兩種軟件都是編程語言。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,其主要進行矩陣運算、繪制函數(shù)、處理數(shù)據(jù),還可以連接其他編程語言。MATLAB用于微波模擬主要是將模擬所涉及的微分方程在MATLAB中編碼,然后解出方程,得到用戶所要的結(jié)果。FORTRAN與MATLAB類似,也是需要用戶自己進行編碼寫微分方程,最后利用軟件得到方程的解。其優(yōu)點在于:對于有較好的代碼編程等專業(yè)基礎(chǔ)的人士而言,能夠較模擬出與實際情況更接近的結(jié)果;適用于精密度要求較高的仿真。主要的缺點是:計算時間較長;出錯率較高;適用性較窄。

2 數(shù)值模擬軟件的計算依據(jù)以及計算步驟

2.1 數(shù)值模擬方法

2.1.1 有限元法 有限元適用于不規(guī)則幾何形狀以及復(fù)雜邊界條件的物體的建模。有限元方法包括將一個大的區(qū)域分解成大量的小元素,組裝整個區(qū)域的元素方程,并且來求解組合方程。目前,以有限元法為基礎(chǔ)來模擬微波加工食品的軟件主要有FEMAP、COMSOL MULTIPHYSICSI、FEMLAB、ANSYS等。

表1 食品微波加工過程中的模擬Table 1 The simulation during food microwave processing

2.1.2 時域有限差分法 時域有限差分法(FDTD)是一種運用于電磁場數(shù)值計算的方法,FDTD通常用于簡單幾何形狀的物體的模擬(如圓柱形、球形、平板等),但是對于形狀較為復(fù)雜,有限元法似乎更有優(yōu)勢,但有限元法要花費更長的模擬時間[26]。然而,Chen等人[27]開發(fā)了共形FDTD算法通過求解Maxwell方程的積分形式來克服FDTD不能處理復(fù)雜幾何和邊界的缺點,該算法創(chuàng)建了契合幾何表面的幾何邊界網(wǎng)格來解決幾何中一些不規(guī)則的部分,但同時保留了傳統(tǒng)FDTD用于處理幾何中規(guī)則網(wǎng)格中的簡單算法,在保證精確性的同時又減少了計算機運算內(nèi)存。Harms等[28]詳細地描述了共形FDTD算法。目前,主要流行的基于FDTD算法的軟件是QuickWave。

2.1.3 有限體積法 有限體積法也叫控制容積法,是一種主要用于求解流體流動和傳熱問題的數(shù)值計算方法,應(yīng)用于不規(guī)則區(qū)域,計算時間較短,但精確度不高。在過去幾年中,CFD代碼的發(fā)展很迅速,一些常見的商業(yè)代碼包括CFX,Fluent,Phoenics和Star-CD。

2.2 數(shù)值模擬的計算步驟

不同軟件雖然是基于不同數(shù)值計算方法來設(shè)計和開發(fā)的,但是就對于微波加工食品的模型來看,不同軟件的處理計算步驟卻大同小異。

數(shù)學(xué)模擬的一般步驟如圖1所示,如在COMSOL Multiphysics V5.2a中,對于模擬微波加熱食品時,首先要結(jié)合自身的專業(yè)知識和對所要建模的理解,根據(jù)研究需要建立相關(guān)的一維/二維/三維模型,輸入設(shè)計的參數(shù)以及定義模型材料;第二是要選擇合適的多物理場,一般選用微波加熱模塊,會自動選擇電磁和傳熱兩個物理場進行耦合;在電磁分析和傳熱分析中再進行初始值和邊界值的設(shè)定;待設(shè)定完成后進行合適的網(wǎng)格劃分,在網(wǎng)格中,正確的網(wǎng)格形狀和大小在有限元分析計算過程中起著至關(guān)重要的作用。在一些有限時域差分方法中建議每12個格子的長度等于電磁波的長度(家用微波爐的波長為12.22 cm)[34]。在有限元法的模擬計算中,網(wǎng)格的邊緣長度與磁波的波長和材料介電特性有關(guān),符合公式(1)。網(wǎng)格劃分完成后進行計算,計算機軟件會自動進行收斂測試和迭代計算,再分析計算結(jié)果是否收斂,若收斂,則可以進行后處理,若不收斂,會出現(xiàn)計算錯誤的提示,用戶需要更改自己的設(shè)置進行重新計算。最后,后處理的過程,則是根據(jù)自己的需要得出食品中的電磁和溫度分布。

圖1 一般數(shù)學(xué)模擬的計算步驟Fig.1 Strategies of mathematical simulation calculation

式(1)

式中:h表示立方體元素邊緣長度;ε′表示介電常數(shù)。

3 計算結(jié)果的驗證

當(dāng)計算機軟件模擬結(jié)束后,如何用實驗驗證模擬結(jié)果是檢驗計算機是否可以正確模擬微波加工食品的關(guān)鍵一步。目前,大都集中在驗證被加熱食品內(nèi)部或表面的溫度分布和實驗結(jié)果是否相一致以及驗證樣品內(nèi)部點的溫度[13,16,31]。因為相對于其他物理性質(zhì)的變化測量,溫度是最為直觀和最方便測量的。

對于驗證食品的表面而言,通常是通過顏色的對比來直觀的比較模擬和實驗的差異,還可以用來確定冷點和熱點。在模擬軟件中,可以直接導(dǎo)出任意食品表面(水平和垂直截面)的溫度分布,一般可用不同的顏色來表示不同的溫度,也可以直接導(dǎo)出含有等溫線的圖。而在實驗過程中,當(dāng)用微波處理完食品后,立即取出,用刀片或其他工具切出所要的截面,用熱成像儀拍攝食品的表面,最后用軟件(如FLIRThermaCAMTMResearcher v2.9)得到熱圖像[11]。然而,對于用熱成像儀來拍攝樣品表面的溫度分布而言,在樣品取出再切開的時間內(nèi),難免會產(chǎn)生熱損失,尤其對于已經(jīng)包裝好了的樣品,造成的熱損失更大。因此,在連續(xù)微波滅菌系統(tǒng)中,可以在樣品中混入一定量的蛋白質(zhì)和還原糖(核糖),這兩種物質(zhì)在被加熱后會發(fā)生美拉德反應(yīng)生成化合物(M-2)的顏色變化,根據(jù)這一原理計算機視覺軟件(例如IMAQ)獲得樣品內(nèi)部的熱分布情況[27]。顯然,這種方法造成的誤差要遠小于用熱成像儀拍攝的方法,但是,在樣品內(nèi)加熱蛋白質(zhì)和核糖會對原樣品的介電性質(zhì)和熱物性產(chǎn)生一定的影響。此外,除了對微波加熱后的食品的某一個截面進行比較驗證之外,Knoerzer等[35]利用核磁共振成像(MRI)技術(shù)來測量食品的三維溫度,基于MRI技術(shù),對于樣品的表面溫度以及整個樣品的三維溫度都獲得了很好的空間分辨率,使得模擬結(jié)果的驗證更加可行。但是由于該技術(shù)的復(fù)雜性以及空間限制性,在其他研究中并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

在驗證食品內(nèi)部某一個點溫度吻合度時,除了將實驗和模擬所得的溫度點隨時間變化的曲線進行直觀的比較之外,還可以用相對均方根誤差(RRMSE,%)來表示實驗點和模擬點之間的差異,如式(2):

式(2)

式中:Tcal表示某點模擬的溫度;Texp表示實驗測得的某點的溫度。一般實驗點的溫度是用光纖傳感器測得的。

一般相對均方根誤差在5%之內(nèi)視為可接受的范圍,此外還有用均方根誤差(RMSE, ℃)來表示實驗和模擬點的差異,如式(3)。

式(3)

式中:Tp表示模擬點的溫度;T0表示實驗測得點的平均溫度。

為了更準確地比較數(shù)學(xué)模擬微波加熱食品的模擬值與實驗值的差異,驗證相似度(比如溫差)的方法還有待提高和改進。

4 應(yīng)用

4.1 干燥

干燥是食品加工過程中常見的工藝。與常規(guī)的對流干燥不同,微波干燥是將含水材料(食品)進行整體加熱,使得食品內(nèi)部的溫度迅速升高,這樣使得食品內(nèi)部的水分迅速蒸發(fā),內(nèi)部產(chǎn)生的氣壓將水分從內(nèi)部排出。所以,微波干燥較常規(guī)干燥而言,去除水分的速率更快,干燥的時間也大大縮短。但是,微波干燥的過程中,由于電磁波邊角加熱速度過快的特點,會使得食品的尖端部分較其他部位過度干燥,導(dǎo)致產(chǎn)品的品質(zhì)破壞。

在數(shù)學(xué)模擬微波干燥過程中涉及到了微波加熱、食品內(nèi)部傳熱以及水分傳動和蒸發(fā),需要利用電磁方程、能量守恒方程、多孔介質(zhì)模型方程、蒸發(fā)相變以及質(zhì)量守恒等較多的方程來解決這一微波干燥過程。Song等人[36]使用數(shù)值模擬探究黑莓在干燥過程中微波功率和真空度對黑莓溫度的影響,并觀察溫度場的分布。結(jié)果表明,在微波功率400 W,真空度-80 kPa下加熱2 min的黑莓,熱點溫度保持在60 ℃左右,溫差約為0.27;因此加熱均勻,符合黑莓的工業(yè)干燥要求。Gukati等[37]用COMSOLMultiphysics 4.3b模擬了對馬鈴薯在微波下干燥特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)COMSOL能夠準確預(yù)測馬鈴薯在微波干燥中的品質(zhì)變化(包括溫度、水分損失、體積變化率、能量的吸收、壓力變化等)。Kumar等人[38]開發(fā)了用于食品間歇式微波對流干燥的多相多孔介質(zhì)模型,模型中將食品分為氣相,液相(水相)和固態(tài)相,質(zhì)量守恒方程分析了氣相和水相的飽和度的變化,并認為固相在蒸發(fā)過程中是不發(fā)生任何變化。該模型通過比較實驗濕度和溫度數(shù)據(jù)進行了驗證,除了開始時的溫度差異之外,這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)出模擬和實驗良好的一致性。

在一些研究中,對于一些剛性材料,沒有考慮到材料的收縮,這雖然大大減少了計算的復(fù)雜程度和時間,但對于收縮的材料而言,沒有考慮收縮會使得空氣占據(jù)了水分流失的部位,而實際上是固體材料占了這一部位(材料收縮了),因此沒有考慮收縮的材料的平均介電常數(shù)會偏低,最后影響了微波干燥的預(yù)測準確性。在COMSOL中耦合結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊選擇合適的固體力學(xué)方程來模擬食品的機械變形。盡管COMSOL軟件可以較為精確的模擬食品在微波干燥過程中的特性變化,但是還需進一步研究如何控制食品在微波干燥時的過熱問題。同時,微波蒸發(fā)的模型大都是二維模型,在三維模型的開發(fā)方面還存在一定的欠缺。此外許多模型的開發(fā)僅僅適用于特定的實驗條件,而不能廣泛地應(yīng)用于實際應(yīng)用中。

4.2 殺菌

目前,對于食品殺菌使用了很多新技術(shù),如紫外殺菌、微波輻射、臭氧等能對包裝食品進行殺菌。微波殺菌的機理包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)兩部分。微波的熱效應(yīng)和大多數(shù)熱殺菌的機理類似,都是通過熱來殺死微生物,不同是加熱方式的差別,微波較傳統(tǒng)的熱殺菌更快、更均勻、對食品的品質(zhì)破壞較小。微波的非熱效應(yīng)主要包括微生物對微波的選擇性吸收;降低食品水分活度,抑制微生物生長等。

但目前用于模擬微生物滅菌程度的指標(biāo)則是微波殺菌的熱效應(yīng),因為非熱效應(yīng)作用的滅活程度還不夠,不能保證食品的安全性。Pitchai[39]等將COMSOL模擬雞塊中的溫度曲線和實驗測得的溫度曲線作為海德堡沙門氏菌的微生物滅活動力學(xué)模型,以評估雞塊的食品安全風(fēng)險,結(jié)果表明,如果微生物生存在食品的冷點部位,那么在微波加熱90 s后食用雞塊,仍能導(dǎo)致食源性疾病。通過模擬來確定微波滅菌過程中食品的冷點位置并能檢測冷點位置的溫度變化對微波滅菌是至關(guān)重要的,因此,在微波滅菌工業(yè)中,如何更準確的模擬出冷點的位置和溫度變化一直是難題。華盛頓州立大學(xué)開發(fā)出一種單模915 MHz的微波滅菌系統(tǒng),Resurreccion等[33]開發(fā)微波輔助熱滅菌計算機仿真模型來改進微波輔助熱滅菌的工藝。由于該系統(tǒng)涉及到了包裝食品的移動,而有限差分法(FDTD)的網(wǎng)格劃分能夠方便的使物體移動而不破壞網(wǎng)格的劃分,因此該系統(tǒng)的模擬使用了基于FDTD的Qickwave軟件來解決微波滅菌和包裝食品的移動問題。Hong等人[40]開發(fā)了一種模型來模擬了微波輔助巴氏滅菌過程食品內(nèi)部的溫度分布,使用蒙特卡羅模型來分析牛肉丸中肉毒梭菌B型的滅活以及鮭魚片中E型孢子的滅活情況,以減少6個對數(shù)期為目標(biāo),結(jié)果表明,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果高度一致且能都達到預(yù)期滅菌的效果。在次模型中,敏感性研究表明,影響微波輔助滅菌的四個關(guān)鍵因素是加熱溫度,時間,產(chǎn)物加熱速率以及預(yù)熱部分中的加熱溫度。Chen等[41]開發(fā)了在微波中使用感受器(在紙板上的金屬薄膜)加熱冷凍餡餅的模型,模型中考慮到了餡餅中的沙門氏菌的滅菌動力學(xué)模型,結(jié)果表明微波爐的旋轉(zhuǎn)可顯著降低食品中微生物的數(shù)量,能提高食品的安全性。

目前,模擬微波殺菌的重要依據(jù)是根據(jù)食品內(nèi)部是否達到一定溫度和殺菌時間,模擬軟件難以量化微波的非熱效應(yīng)以及缺乏控制冷點溫度的系統(tǒng);利用模擬軟件開發(fā)應(yīng)用性更強且殺菌效果好的微波殺菌設(shè)備與更節(jié)省殺菌時間、更能保持食品風(fēng)味的包裝材料。這些都是數(shù)學(xué)模擬食品微波殺菌過程需要考慮和解決的問題。

4.3 微波解凍

微波解凍的原理類似于微波加熱,即電磁波對極性分子起作用,使其在電場中往復(fù)運動、摩擦,達到加熱解凍的目的。微波能對食品加熱的快慢程度取決于其介電性質(zhì),而冰和水的介電性質(zhì)(介電常數(shù)與介電損失)差別都很大,所以,在進行微波解凍的過程最大的問題和難題就是食品有的部位已經(jīng)達到高溫(80 ℃左右),而有的部位還處于低溫(4 ℃左右),加熱及其不均勻也影響了食品的后續(xù)加工和品質(zhì)。因此模擬微波解凍的過程比較加熱又帶來了許多新的挑戰(zhàn):需要考慮解凍過程復(fù)雜的移動相變,食品性質(zhì)的急劇變化,食品的蒸發(fā)和水分的移動等。

盡管食品在微波解凍過程中更加復(fù)雜,但已有研究人員利用仿真軟件較好的預(yù)測了食品在解凍過程的溫度變化情況。Chen等人[42]利用COMSOL Multiphysics 4.4開發(fā)了對家用微波爐腔中冷凍食品(冷凍牛肉)解凍的電磁學(xué)和熱學(xué)的模型,模型顯示加熱均勻性和解凍時間隨長度呈指數(shù)增長,而能量吸收30 mm時最大(最有效)。Chen[17]等研究了冷凍食品在帶轉(zhuǎn)盤家用微波爐傳熱和傳質(zhì)的模型,利用COMSOL Multiphysics 4.3a耦合包括麥克斯韋的電磁加熱,能量守恒,達西速度,水和氣的質(zhì)量守恒以及水的融化和蒸發(fā)的相變多物理場來模擬了食品的溫度、水分損失和食品表面周圍壓力的分布,結(jié)果顯示數(shù)學(xué)模擬能夠評估食品解凍并可用于微波食品的開發(fā)。Seyhun等[43]比較了微波解凍和紅外輔助微波解凍兩種方式并使用有限差分發(fā)模擬了兩種解凍方式,發(fā)現(xiàn)兩種方式的模擬值均能很好的預(yù)測真實加熱情況。Pitch[20]等利用有限元法模擬了微波爐中九個雞塊和一個土豆泥的解凍(-10～110 ℃),通過比熱容的測量來考慮食品的相變,結(jié)果表明雞塊中模擬和實驗值的均方根誤差達到5.8～26.2 ℃,而土豆的均方根誤差較小(4.3～4.7 ℃),可能是光纖傳感的不能準確插入雞塊的適當(dāng)位置而導(dǎo)致的實驗誤差。在微波解凍過程中,即使微波爐轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn),食品也會出現(xiàn)極大的加熱不均勻現(xiàn)象。

盡管微波解凍食品的模擬已能夠與實際情況相接近,但是涉及了大量的方程也需要考慮食品為多孔介質(zhì)和融化相變等等,若將模型進行簡化,則精確度得不到保證;若考慮到一些細節(jié)因素,則會消耗大量的計算時間。因此在模擬微波解凍時找到既能提高模型的精確度,又能節(jié)省大量的時間的模型是十分有必要的,從而能夠開發(fā)出更好的微波食品或者更適合微波解凍的設(shè)備裝置來克服解凍過程溫度的不均勻等困難和更好的控制解凍的時間。

4.4 微波輔助冷凍

微波除了可以解凍食品外,還可以用于最新的微波輔助冷凍裝置。其原理主要是食品在冷凍過程中,形成的冰晶越小,對食品品質(zhì)的損傷也就越小,而微波的作用是使食品在溫度不是很低的情況下形成更小的冰晶。一方面,微波使水分子旋轉(zhuǎn),干擾了水分子的氫鍵網(wǎng)格,可能是一種晶體結(jié)構(gòu)前體[44]。另一方面,水分子的摩擦生熱使冰晶部分熔化,這可能有利于冰晶錯位從而形成更多的冰晶[45]。Sadot[46]研究了微波輔助氮氣冷凍甲基纖維素凝膠(模型食品)的模型的開發(fā)與驗證。利用COMSOL Multiphysics 5.2建立模型模擬出模型食品內(nèi)部的三個點隨溫度的變化曲線和橫截面的溫度分布,并與實驗進行比較,發(fā)現(xiàn)有良好的一致性。但是,該模型目前還不能模擬出冷凍食品內(nèi)部的冰晶尺寸分布,從而幫助設(shè)計工業(yè)過程提供進一步的幫助。盡管通過數(shù)學(xué)模擬能夠預(yù)測微波輔助冷凍食品內(nèi)部的溫度分布、能量吸收以及電場等情況,但今后還要考慮到晶體的生長來改進模型以便模擬出產(chǎn)品中的晶體分布情況。

4.5 其他

數(shù)學(xué)模擬在微波加工食品的其他方面也有一些應(yīng)用。比如Liu[47]開發(fā)了一種三維有限元模型用于模擬微波烹飪的過程,并成功地預(yù)測了魚塊內(nèi)部的溫度變化,最后還用動畫表示了蛋白質(zhì)隨時間的變性過程。但是模型還存在一定的缺陷,由于簡化了模型,其僅適用于家用微波的蒸煮,而不能運用到大型工業(yè)的情況。由于模型復(fù)雜,仿真結(jié)果較差的原因,微波涉及其他工藝的模擬較少,國內(nèi)外的研究也大都處于空白狀態(tài)。

5 展望

隨著計算機軟件技術(shù)的迅速發(fā)展,微波加工食品的模擬技術(shù)將會更進一步的發(fā)展,模擬的時間和精度也會大幅度的提高,在對開發(fā)新的微波加工模型和優(yōu)化微波爐結(jié)構(gòu)等方面有著重要的指導(dǎo)意義。但仍有許多方面不足和創(chuàng)新之處,如:微波除了現(xiàn)在主流的加熱食品之外,還應(yīng)該更多的與工業(yè)應(yīng)用相結(jié)合,例如微波干燥、微波滅菌、微波烘烤和微波膨化等等;在模擬仿真的幫助下,微波在不久的將來更可能成為食品中一些指標(biāo)的測定方法(例如水分含量、蛋白質(zhì)變性程度等);盡管很多研究者早已證明計算機模擬已經(jīng)能夠正確模擬微波加工食品,但是現(xiàn)有的驗證的方法還有待提高,還不能夠準確說明模擬溫度和實驗溫度如何相似,僅僅依靠直觀或者取某幾個點來判斷是遠遠不夠的,要尋找出一種更具說服力和公認的方法;微波場的不均勻性是實現(xiàn)食物均勻加工的長期技術(shù)障礙,這通常會導(dǎo)致食物中的熱點或冷點。應(yīng)該繼續(xù)研究這一領(lǐng)域,以盡量減少對食品質(zhì)量和安全的負面影響;計算機模擬需要更為精確,盡可能在模型方面接近真實的情況,這些也是研究者們今后要解決的問題。