趙國(guó)婧,孫 旭,林 靜

(1. 南昌市青云譜區(qū)市場(chǎng)監(jiān)督管理局,南昌市青云譜區(qū)市場(chǎng)監(jiān)管保障中心,330001,南昌;2. 江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所,330096,南昌)

0 引言

隨著消費(fèi)者對(duì)食品安全問(wèn)題的擔(dān)憂和對(duì)高質(zhì)量產(chǎn)品的需求的增加,人們對(duì)新興技術(shù)的興趣正在急劇增加,包括對(duì)即食餐的非熱和熱加工[1]。微波加熱作為一種新興技術(shù),在過(guò)去的幾十年里得到了廣泛的研究。設(shè)計(jì)合理的微波系統(tǒng)能夠生產(chǎn)安全和高質(zhì)量的預(yù)包裝。作為一種體積加熱方法,與蒸餾或熱水處理等傳統(tǒng)加熱方法相比,微波加熱提供了更短的處理時(shí)間和更均勻的加熱[2]。

通過(guò)與食品和設(shè)備公司多年的合作研究,開發(fā)出一種新的系統(tǒng)設(shè)計(jì),將921 MHz單模微波腔中的微波加熱與高溫循環(huán)水相結(jié)合,為預(yù)包裝食品提供可預(yù)測(cè)的加熱模式。2019年,江西陽(yáng)光乳業(yè)有限公司安裝了第一個(gè)微波輔助熱滅菌系統(tǒng)[3],每分鐘可處理30份食物,用于商業(yè)生產(chǎn)貨架穩(wěn)定的食物。2020年,江西陽(yáng)光乳業(yè)已安裝更多容量更大的殺菌系統(tǒng)。921 MHz單模腔設(shè)計(jì)的相同概念最近被用于開發(fā)微波巴氏殺菌系統(tǒng)(后文簡(jiǎn)稱系統(tǒng))[4],以控制冷藏或冷凍即食餐中的細(xì)菌和病毒病原體[5]。系統(tǒng)主要面向那些可能沒(méi)有足夠的工程和研發(fā)能力的中小型食品公司。需要有效、簡(jiǎn)單和方便的工具來(lái)幫助工廠工程師為各種類型的產(chǎn)品和包裝幾何形狀繪制運(yùn)行圖、工藝進(jìn)度表。

圖1顯示了按照試點(diǎn)比例運(yùn)行圖設(shè)計(jì)的示意圖。該系統(tǒng)包括4個(gè)部分:預(yù)熱、微波加熱、保溫和冷卻。在操作中,金屬框架載體中的食品包裝首先在預(yù)加熱區(qū)中加熱,以達(dá)到均勻的溫度,然后被輸送到微波加熱區(qū)。在微波加熱部分,食品溫度迅速上升到目標(biāo)巴氏殺菌溫度。然后,包裹通過(guò)維持段運(yùn)輸,以在冷點(diǎn)獲得一定的微波加熱,最后,移動(dòng)到冷卻段。微波加熱部分由4個(gè)921 MHz單模腔體組成,其中填充了低電導(dǎo)率的熱循環(huán)水。浸泡在水中的食品包裝通過(guò)體積微波加熱和地表水加熱相結(jié)合的方式進(jìn)行。這種組合提供了可預(yù)測(cè)的加熱模式,不需要家用微波爐中常見(jiàn)的邊緣加熱。921 MHz微波的波長(zhǎng)更長(zhǎng)(在空氣中為0.33 m),與2 453 MHz微波(在空氣中的波長(zhǎng)為0.12 m)相比,921 MHz微波在食品包裝內(nèi)提供更均勻的加熱。因此,與工業(yè)應(yīng)用的2 453 MHz多模腔設(shè)計(jì)相比,921 MHz單模腔設(shè)計(jì)更適合于加熱各種形狀和厚度的包裝餐食。

圖1 微波巴氏殺菌系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

巴氏殺菌產(chǎn)品的保質(zhì)期取決于系統(tǒng)的工藝條件。例如,加工至70 ℃并保持2 min的食品在低于5 ℃的儲(chǔ)存條件下預(yù)計(jì)有10天的保質(zhì)期,而加工至90 ℃并保持10 min的食品在相同的儲(chǔ)存溫度下保質(zhì)期為6周。在系統(tǒng)工藝開發(fā)中,加熱速率由幾個(gè)因素決定,包括熱特性、介電特性和食物的厚度。預(yù)測(cè)系統(tǒng)中食物加熱速度和均勻程度的能力有助于選擇適當(dāng)?shù)膮?shù),例如微波功率、傳送帶速度、容器溫度、處理時(shí)間等。

在過(guò)去的幾十年中,數(shù)值模擬已被用于模擬系統(tǒng)的921 MHz單模腔中的電場(chǎng)。在這些模擬研究中,時(shí)域有限差分法用于確定通過(guò)微波空腔移動(dòng)的食品包裝的3D加熱模式。使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。

雖然模擬對(duì)于加熱模式和冷點(diǎn)穩(wěn)定性相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題以及使用移動(dòng)傳感器在冷點(diǎn)進(jìn)行精確溫度測(cè)量的適用性提供了非常有用的解釋,但模擬工作需要高性能計(jì)算機(jī)和較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間用于展現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的連續(xù)過(guò)程。此外,由于涉及食品載體運(yùn)動(dòng)、微波傳播和傳熱現(xiàn)象的復(fù)雜物理過(guò)程,開發(fā)數(shù)值模型和解釋結(jié)果需要專業(yè)知識(shí)。食品公司,尤其是中小型公司,普遍缺乏此類知識(shí)和相關(guān)專業(yè)知識(shí)?；蛘?可應(yīng)用分析方法來(lái)全面了解各種食品的微波加熱。Jain等[6]根據(jù)麥克斯韋方程開發(fā)了一個(gè)分析模型,以幫助開發(fā)滅菌系統(tǒng)處理的工藝計(jì)劃。食物類模型使用豌豆、大米和土豆泥食品進(jìn)行了驗(yàn)證,這些食品具有相對(duì)較大范圍的食品物理特性(例如,體積比熱、介電常數(shù)和損耗因子)。該分析模型可用于評(píng)估食品特性和包裝厚度對(duì)15 MHz單模腔加熱過(guò)程中食品包裝冷點(diǎn)加熱速率的影響。

加熱速率是制定包裝食品系統(tǒng)加工計(jì)劃的重要參數(shù)。它與食品中的微波場(chǎng)強(qiáng)度以及食品的介電特性和厚度密切相關(guān)。食物和電磁波的相互作用主要受食物介電特性的影響,這會(huì)影響微波能量的耗散。食物的厚度影響穿透到食物中間層的微波的功率強(qiáng)度。微波加熱中的加熱速率強(qiáng)烈影響系統(tǒng)的最終產(chǎn)品溫度和能量效率。開發(fā)加熱速率預(yù)測(cè)工具可以指導(dǎo)制造商估算所需的加工時(shí)間。該工具還可用于選擇食品成分以實(shí)現(xiàn)相對(duì)均勻的加熱、減少工藝開發(fā)時(shí)間并生產(chǎn)更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

1 材料和方法

1.1 材料模型

1.1.1 實(shí)驗(yàn)假設(shè) 在系統(tǒng)中包裝食品通過(guò)微波加熱部分進(jìn)行加熱(圖1)。本文采用以下4個(gè)假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化中試系統(tǒng)微波加熱部分預(yù)包裝食品冷點(diǎn)溫度升高的計(jì)算(圖2)。

圖2 微波滅菌系統(tǒng)概念模型:微波在矩形食物加工區(qū)域的頂部和底部的同相傳播

1)系統(tǒng)中的微波加熱部分由4個(gè)微波發(fā)生器組成(圖1)。在每個(gè)輻射器中,等量的以TE10模式(一種波傳導(dǎo)模)傳播的微波通過(guò)頂部和底部波導(dǎo)施加。兩束波以0°相位差進(jìn)入空腔,并在位于空腔中心的食品包裝內(nèi)產(chǎn)生駐波。電磁波沿z方向傳播,并在y方向通過(guò)921 MHz單模腔中產(chǎn)生電場(chǎng)(圖2)。假設(shè)電磁波從頂部和底部正常入射到浸入水中的矩形食物上。

2)食品是固體和各向同性的線性材料。食品材料通常表現(xiàn)出非磁性,相對(duì)磁導(dǎo)率(μr)設(shè)置為1。

3)入射電場(chǎng)強(qiáng)度(E0)是用于計(jì)算微波加熱過(guò)程中溫度升高的重要操作參數(shù)。E0的大小設(shè)置為1 kV/m,這是從先前研究中的計(jì)算機(jī)模擬模型獲得的。所選值足以模擬具有各種介電特性和厚度的食物中的能量分布。然而,需要相對(duì)于食品中某個(gè)位置的更精確的E0(即某個(gè)位置的有效E0,E0eff)來(lái)估算工業(yè)系統(tǒng)中的實(shí)際加熱速率。根據(jù)之前的研究,冷點(diǎn)通常位于食物的中心層,因?yàn)槲⒉ㄇ恢械母邷匮h(huán)水同時(shí)對(duì)表面進(jìn)行加熱。因此,選定測(cè)試食物中心層的冷點(diǎn)處計(jì)算溫度升高。測(cè)試食品中心層的E0eff為0.527 kV/m,是根據(jù)初步系統(tǒng)運(yùn)行中測(cè)量的微波部分溫度升高反向計(jì)算的,使用厚22 mm的測(cè)試食品,含鹽量為0.6%。

4)循環(huán)水傳熱對(duì)冷點(diǎn)溫度升高的影響可以忽略不計(jì),因?yàn)樵诙虝r(shí)間微波加熱范圍內(nèi),微波產(chǎn)生的體積熱量比從循環(huán)水到食物中心的熱擴(kuò)散要快得多。因此,僅使用微波加熱來(lái)估計(jì)系統(tǒng)微波加熱區(qū)的溫度升高。微波加熱部分(圖1)中4個(gè)喇叭施加器的總長(zhǎng)度用于根據(jù)食品包裝的移動(dòng)速度計(jì)算系統(tǒng)中的微波加熱時(shí)間。

1.1.2 開發(fā)的數(shù)學(xué)模型 基于上述假設(shè),應(yīng)用從麥克斯韋方程導(dǎo)出的一維簡(jiǎn)化模型來(lái)計(jì)算食品橫截面中冷點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度:

(1)

式中,E為食品內(nèi)部冷點(diǎn)距界面z(m)處的電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)(L/2為食品中心位置),L為食品厚度(m),Tw/f是傳輸系數(shù),Rw/f是垂直入射到水和食物界面的反射系數(shù),γf是在食物中的傳播常數(shù)。這2個(gè)系數(shù)可以寫成:

(2)

(3)

γf=α+jβ

(4)

式中,α是衰減常數(shù),β是相位常數(shù)。表示為:

(5)

(6)

式中,f是頻率(Hz)。

1.1.3 溫度增量計(jì)算 計(jì)算食物內(nèi)部電場(chǎng)的導(dǎo)出方程式(方程式1)用于估算溫度和電場(chǎng)。將獲得的電場(chǎng)強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為每單位體積耗散的微波功率P(z) (W/m3):

P(z)=2πfε0εr″|E|2

(7)

傳熱方程的一般形式為:

(8)

式中,T是溫度(℃),k是介質(zhì)的熱導(dǎo)率(W/m· ℃),而ρCp是體積比熱(mJ/m3·℃)。

如2.1.1節(jié)所述,加熱時(shí)僅考慮耗散的微波功率。微波加熱期間的溫度升高可表示為ΔT(℃):

(9)

式中,t是微波加熱的時(shí)間(s)。

1.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.2.1 樣品制備 驗(yàn)證測(cè)試中使用了土豆泥冷結(jié)膠狀測(cè)試食品(含0、0.5%和1.0%的鹽)。測(cè)試食品由3%土豆泥片、0.75%低酰基冷結(jié)膠、1%L-賴氨酸,2% D-果糖,0.15%氯化鈣,0.4%二氧化鈦,92.7%～91.7%的蒸餾水和去離子(DDI)水,以及0～1%的食鹽。氯化鈣用于強(qiáng)化測(cè)試食品的凝膠結(jié)構(gòu),二氧化鈦?zhàn)鳛榘咨珓?食鹽用于控制介電性能,L-賴氨酸和D-果糖作為前體M-1化學(xué)標(biāo)記,用于確定加熱模式。

對(duì)于樣品制備,首先將低酰基冷結(jié)膠粉末與DDI水混合。將混合物在燒杯中加熱至90 ℃,同時(shí)攪拌,然后將土豆泥片和氯化鈣逐漸添加到混合物中。將混合物冷卻至75～80 ℃,加入鹽和二氧化鈦。在混合物的溫度達(dá)到65～75 ℃后,添加D-果糖和L-賴氨酸。最后,將這種充分混合的溶液倒入27 mm厚(尺寸:95 mm×140 mm×27 mm,樣品重量:280、310和340 g)和36 mm厚的托盤(尺寸:95 mm×140 mm×36 mm)中,樣品重量:430 g,溫度在65～75 ℃。在室溫(21 ℃)下冷卻后,將測(cè)試食品密封在托盤中并儲(chǔ)存在冰箱中(少于12 h)直至測(cè)試結(jié)束。

1.2.2 介電和熱性能測(cè)量 在25～100 ℃。介電特性如圖3所示。使用KD2-Pro熱特性測(cè)量?jī)x在60～100 ℃下測(cè)量測(cè)試食品的熱特性(體積比熱ρCp和k)。3.706 mJ/(m3·℃)的平均ρCp用于計(jì)算ΔT。在60～100 ℃時(shí),平均k為0.60。所有測(cè)量重復(fù)3次。

圖3 在921 MHz下含0、0.6%和1.0%鹽的土豆泥結(jié)冷膠凝膠測(cè)試食品的介電特性

1.2.3 系統(tǒng)處理 工藝條件見(jiàn)表1。各段工藝時(shí)間和溫度是根據(jù)初步試驗(yàn)設(shè)定的。加工密封聚合物托盤中準(zhǔn)備好測(cè)試食品,同時(shí)移動(dòng)通過(guò)配備2個(gè)5 kW和1個(gè)8.7 kW微波發(fā)生器的系統(tǒng)的4個(gè)腔體。來(lái)自8.7 kW發(fā)生器的微波功率被平均分配給2個(gè)空腔。移動(dòng)溫度傳感器放置在食品包裝內(nèi)以測(cè)量預(yù)定冷點(diǎn)位置的溫度。溫度傳感器的分辨率為±0.1 ℃。加工了3種不同鹽含量(0、0.6%和1%)和4種不同厚度(22、24、27.5和36 mm)的測(cè)試食品。在每個(gè)測(cè)試運(yùn)行中處理放置在食品包裝載體上的8個(gè)測(cè)試食品托盤。調(diào)整金屬載體中測(cè)試食物托盤的垂直位置,使測(cè)試食物的中間層與微波腔的中心平面對(duì)齊。在系統(tǒng)處理后,測(cè)試食物的不同橫截面切割圖像由CCD數(shù)碼相機(jī)(D90,Nikon Inc.,Tokyo,Japan)和鏡頭(AFS Nikkor DX18-70mm F3.5-4.5,尼康公司)拍攝。使用Pandit等[7]描述的計(jì)算機(jī)視覺(jué)軟件從圖像中確定樣品內(nèi)部橫截面(x-z平面)的加熱模式。在每個(gè)條件下進(jìn)行2次測(cè)試以重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2016年12月，湖北省第一次全國(guó)地理國(guó)情普查工作全面完成，第一次全面查清了湖北省行政轄區(qū)范圍內(nèi)面積約18.59萬(wàn)平方公里的“山水林田湖草”等地表形態(tài)、地表覆蓋和重要地理國(guó)情要素。其成果豐碩，包括全部地理國(guó)情信息中的12個(gè)一級(jí)類，58個(gè)二級(jí)類，136個(gè)三級(jí)類，建成了省級(jí)地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了分類詳細(xì)的國(guó)情基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，成果已向全省各市州縣提供了普查成果，用于城市建設(shè)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

表1 用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的系統(tǒng)工藝條件

1.3 微波穿透深度和J-T數(shù)

微波穿透深度(Dp)是產(chǎn)品表面與微波功率降低至36.8%的位置(產(chǎn)品內(nèi)部)之間的距離。它是由下式計(jì)算得出的:

(10)

式中c是自由空間中的光速(2.99×108m/s)。

同時(shí)采用無(wú)量綱J-T數(shù)來(lái)解釋與介電特性和厚度相關(guān)的最大加熱速率:

(11)

式中λair是空氣中921 MHz微波的波長(zhǎng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)和計(jì)算溫升的比較

使用Excel進(jìn)行具有95%和98%置信區(qū)間的回歸分析,以驗(yàn)證具有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析模型。所有計(jì)算均使用Matlab和Excel進(jìn)行。

根據(jù)測(cè)得的介電特性(如圖3所示)和體積比熱(ρCp),不同厚度的土豆泥結(jié)冷膠測(cè)試食品中心層冷點(diǎn)處的溫度升高(ΔT)(22、25、27.5和36 mm)和鹽濃度(0、0.6%和1.0%)在系統(tǒng)中使用2.1節(jié)中開發(fā)的分析模型進(jìn)行了估算。表2列出了測(cè)試食品的介電特性以及計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得出的ΔT。測(cè)試食品樣品的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)ΔT數(shù)值彼此接近(平均差異:1.9±1.2 ℃)。在所有鹽濃度下,隨著測(cè)試食物厚度的增加,ΔT降低。

表2 在921 MHz的微波加熱過(guò)程中模型食品的特定特性和溫度升高

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù),與相同厚度的0和1.0%含鹽測(cè)試食品相比,0.6%含鹽測(cè)試食品中心層的ΔT越大,表明加熱速率更快,除了36 mm厚的樣品。對(duì)于36 mm厚的樣品,0含鹽樣品具有最大的ΔT。計(jì)算出的ΔT數(shù)據(jù)略小于大多數(shù)測(cè)試食品樣品的測(cè)量值。這可能是因?yàn)橛?jì)算沒(méi)有考慮從熱水到食物的熱傳遞和食物內(nèi)部的熱傳導(dǎo)。少數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的不一致可能是由于個(gè)別測(cè)試食品樣本的測(cè)量厚度存在偏差。在微波加熱2.48 min的情況下,0.5 mm的厚度差異可能會(huì)產(chǎn)生0.34～0.94 ℃的差異。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的ΔT數(shù)據(jù)之間的平均差異為1.9±1.2 ℃。這是可接受的,因?yàn)橛?jì)算的主要目的是評(píng)估樣品特性和厚度對(duì)系統(tǒng)微波加熱部分中相對(duì)加熱速率的影響。

圖4 系統(tǒng)過(guò)程中不同鹽含量和厚度的測(cè)試食品在微波加熱過(guò)程中通過(guò)分析模型預(yù)測(cè)的溫度升高與實(shí)驗(yàn)溫度升高的比較

2.2 測(cè)試食物的厚度和鹽含量對(duì)耗散能量的影響

使用分析模型(方程式1)計(jì)算沿微波傳播方向(z方向)的耗散能量,以了解厚度(22、25、27.5和36 mm)和鹽濃度(0、0.6和1.0 mm)在測(cè)試食品中的垂直加熱模式的影響。如圖5所示,來(lái)自頂部和底部波導(dǎo)的同相微波在食品包裝中產(chǎn)生了明確定義的節(jié)點(diǎn)和波腹以及深度(z方向)。隨著測(cè)試食物厚度的增加,測(cè)試食物中心層耗散的微波能量降低,而表面耗散的微波能量增加。對(duì)于含鹽量為0.6%的測(cè)試食品(圖5(b)),L=22、25、27.5和36 mm時(shí),中央層的耗散能量分別為776.5、674.0、568.3和357.4 kW/m3。近表面區(qū)域的耗散能量從L=22 mm的316.4 kW/m3增加到L=36 mm的644.4 kW/m3。在L=22 mm時(shí)觀察到測(cè)試食物中心周圍的單個(gè)峰,而在L=27.5和36 mm時(shí)觀察到中心和表面的多個(gè)峰。含鹽量為0和1.0%的測(cè)試食品遵循含鹽量為0.6%的測(cè)試食品觀察到的趨勢(shì)。這些結(jié)果也遵循了之前研究的趨勢(shì)。

圖5 食物厚度和鹽含量對(duì)食物中沿波傳播方向(z)的耗散功率分布的影響:(a)0鹽,(b)0.6%鹽,和(c)1.0%鹽

圖5還清楚地說(shuō)明了鹽含量對(duì)不同厚度的測(cè)試食物內(nèi)部微波功率耗散的影響。對(duì)于厚度為22、25和27.5 mm的樣品,與含鹽量為0和1.0%的樣品相比,含鹽量為0.6%的測(cè)試食品在中央層的能量耗散更高。在22 mm厚的樣品中,中心層(x-z平面)0、0.6和1.0% 鹽度的耗散功率分別為600.3、776.5和688.3 kW/m3。對(duì)于36 mm厚的樣品,含鹽量為0的測(cè)試食品在中央層的能量耗散最高。此外,與相同厚度的其他含鹽量測(cè)試食品相比,含鹽量為1.0%的食品表面受熱更多。較高的鹽含量(導(dǎo)致較高的損耗因數(shù))不能保證在微波加熱過(guò)程中食品中央層的能量耗散較高。原因是由于微波的穿透深度較淺,大部分微波能量都在食物表面消散了。Jain等[6]也對(duì)土豆泥、豌豆和大米測(cè)試食品顯示了類似的結(jié)果。應(yīng)通過(guò)修改食品配方,選擇合適的食品損失系數(shù)范圍來(lái)調(diào)節(jié)微波滲透深度。

2.3 能量耗散分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)加熱模式的比較

圖6顯示了測(cè)試食品在x-z平面(垂直截面)上的加熱模式隨厚度(22、25、27.5和36 mm)和含鹽量(0、0.6和1%)的變化。加熱模式圖像是通過(guò)使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法[7]獲得的,該方法捕捉了系統(tǒng)中熱處理后測(cè)試食品的相對(duì)顏色變化。根據(jù)熱處理過(guò)程中彩色標(biāo)記,紅色和藍(lán)色分別表示最大和最小熱強(qiáng)度。加熱模式結(jié)果與使用分析模型(圖5)計(jì)算的耗散微波能量非常吻合。無(wú)論鹽濃度如何,高溫點(diǎn)都位于較小厚度(22和25 mm)樣品的中央層。含鹽量為0的27.5 mm樣品的高溫點(diǎn)位置位于中央層,而含鹽量為0.6%和1.0%的27.5 mm樣品則經(jīng)歷了表面加熱。無(wú)論鹽含量如何,36 mm厚的樣品都會(huì)經(jīng)歷表面加熱,因?yàn)檩^厚的測(cè)試食物會(huì)限制能量滲透到中心層。這些趨勢(shì)與分析結(jié)果相似,分析結(jié)果表明,表面加熱隨著厚度的增加而增加。

圖6 不同含鹽量和厚度的土豆泥-冷結(jié)膠測(cè)試食品中x-z平面(沿樣品中心線的垂直截面)的加熱模式系統(tǒng)中熱處理后的食品

在每四分之一波長(zhǎng)處,定位駐波的節(jié)點(diǎn)(最小振幅)和波腹(最大振幅)。波腹位于測(cè)試食物的中央層,而波節(jié)位于四分之一波長(zhǎng)之外(圖5)。橫截面加熱模式(圖6)與理論計(jì)算相符;冷區(qū)和熱區(qū)(在x-z平面內(nèi))的位置,如加熱模式中的顏色變化所示(圖6),與分析計(jì)算結(jié)果中獲得的波腹和節(jié)點(diǎn)的位置一致(圖5)。

2.4 穿透深度和J-T數(shù)

滲透深度通常表示微波能量穿透產(chǎn)品的程度,見(jiàn)表2,滲透深度隨測(cè)試食物的鹽濃度而變化。其中,介電性能值是在50～90 ℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)得的介電性能數(shù)據(jù)的平均值。

例如,含鹽量為0、0.6%和1.0%的測(cè)試食品的平均滲透深度分別為26.8、10.5和7.7 mm。盡管921 MHz微波在0含鹽食品樣品中具有相對(duì)較深的穿透深度,但不同厚度的0含鹽樣品在冷點(diǎn)處的加熱速率并不總是高于較高鹽含量樣品的加熱速率。具體而言,0.6%含鹽樣品的穿透深度減少了50%,但樣品中心層的加熱速率高于22和25 mm厚度的0含鹽樣品。厚度為36 mm時(shí),0含鹽樣品(ΔT=15.7 ℃)的冷點(diǎn)加熱速率高于0.6%和1%含鹽樣品(分別為ΔT=14.6和9.7 ℃)。但對(duì)于其他厚度(22、25和27 mm)的測(cè)試食品,0.6%含鹽樣品的加熱速率分別為ΔT=32.3、27.8和23.3 ℃,而ΔT=24.5、22.5和20.8 ℃,分別在0含鹽樣品中。穿透深度僅反映產(chǎn)品中橫波微波功率衰減系數(shù)e-1。在系統(tǒng)中,從頂部和底部傳播的微波疊加在微波腔內(nèi),從而在z方向上產(chǎn)生駐波。分析模型(方程式1)清楚地預(yù)測(cè)了這一點(diǎn)。Luan等[8]還使用3D數(shù)值模擬驗(yàn)證了微波輔助熱處理系統(tǒng)中具有駐波模式的電場(chǎng)分布。因此,單靠穿透深度并不能完全解釋微波在系統(tǒng)中傳播的復(fù)雜現(xiàn)象。J-T數(shù)(公式11)是一個(gè)無(wú)量綱數(shù),用于解釋介電特性和厚度與食品包裝冷點(diǎn)加熱速率之間的相關(guān)性。具有各種厚度和介電特性的測(cè)試食品的計(jì)算J-T數(shù)值包含在表2中。J-T數(shù)值隨著厚度和損耗因子的增加而增加。最高加熱速率和最低加熱速率下的J-T數(shù)分別為2.18(22 mm和0.6%含鹽樣品)和3.82(35 mm和1%含鹽樣品)。這一結(jié)果與Jain等[6]報(bào)告的結(jié)果相符,該結(jié)果指出食物中耗散的最大能量在1.8～2.2之間的J-T數(shù)范圍內(nèi)。如3.1和3.2節(jié)所述,在給定的滅菌系統(tǒng)或系統(tǒng)和固定功率設(shè)置下,加熱均勻性和加熱速率在很大程度上取決于食物的介電特性和厚度。對(duì)于系統(tǒng)處理,J-T數(shù)可能是比穿透深度更好地估計(jì)加熱速率的指標(biāo)。工藝開發(fā)人員可以通過(guò)檢查J-T數(shù)來(lái)簡(jiǎn)單地評(píng)估加熱效率。如果值太高或遠(yuǎn)小于1.8～2.2的J-T范圍,則可能需要調(diào)整工藝條件以提高加熱效率。因此,結(jié)合J-T數(shù)的分析模型可用于制定系統(tǒng)流程的處理計(jì)劃。但對(duì)于外行來(lái)說(shuō),使用分析模型仍然不是一件簡(jiǎn)單的事情。因此,下面開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)化的圖表。

2.5 工程簡(jiǎn)化圖表的開發(fā)

微波輔助熱加工,作為一項(xiàng)新興技術(shù),目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)估算包裝食品的溫升。上述驗(yàn)證結(jié)果表明,該分析模型可用于估算具有不同厚度或介電特性的食品中冷點(diǎn)處的溫度升高。

基于本研究中開發(fā)的分析模型,開發(fā)了圖7所示的簡(jiǎn)化圖表,用于估算本研究中使用的中試工藝條件下微波加熱期間的溫度升高。x和y軸分別表示微波加熱過(guò)程中平均溫度和平均加熱速率(℃/min)下的損耗因子。不同厚度食物樣品的曲線顯示了加熱速率、損耗因子和食物厚度之間的關(guān)系。1mJ/(m3·℃)的ρCp用于圖表開發(fā)。對(duì)于給定的食物,可以使用微波加熱期間食物在平均溫度下的損耗因子和食物的厚度來(lái)得到加熱速率的圖表值。食品的升溫速率可以用圖表值除以產(chǎn)品的實(shí)際ρCp值得到。

圖7 用于系統(tǒng)處理的具有標(biāo)準(zhǔn)體積比熱和介電常數(shù)(ρCp=1.0 mJ/(m3 ·℃)和ε′=70)的食品的開發(fā)圖表

通過(guò)重新分配產(chǎn)品配方或改變包裝厚度時(shí),該圖表不僅可用于調(diào)整普通食品包裝(單隔間托盤或小袋)的加工加熱時(shí)間,還可用于填充不同食品成分的多隔間托盤。對(duì)于食品配方開發(fā)和厚度選擇,需考慮填充在多隔間托盤不同部分的不同食品成分應(yīng)具有相似的加熱速率,以便獲得均勻高效的系統(tǒng)加熱過(guò)程。如果制造商選擇胡蘿卜(ρCp=2.3 mJ/(m3·℃)和εr″=20)作碎牛排的配菜(ρCp=3.2 mJ/(m3·℃)和εr″=50)在同一個(gè)雙隔間托盤中,胡蘿卜的加熱速率為10.4 °C/min(=24 °C/min除以2.3)(圖7中的C),遠(yuǎn)高于牛排(5.9 °C/min,圖7中的A)。通過(guò)將牛排的厚度從36 mm減少到27 mm(圖7中的D),可以在同一托盤的兩個(gè)食物隔間中獲得相似的加熱速率,導(dǎo)致牛排中的加熱速率為10.3 ℃/min(33 ℃/min除以3.2),或通過(guò)添加更多鹽來(lái)增加胡蘿卜的εr″(圖7中的E),導(dǎo)致胡蘿卜的加熱速率為6.1 ℃/min(14℃/min除以2.3)。

3 結(jié)論

在系統(tǒng)中使用分析模型來(lái)估計(jì)微波加熱期間食品包裝內(nèi)冷點(diǎn)的溫度升高。使用具有不同鹽濃度和厚度的測(cè)試食品的中試規(guī)模測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證?；诜治瞿Ｐ陀?jì)算出的測(cè)試食品的溫度升高與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。同時(shí),J-T數(shù)可以作為能源效率指標(biāo),以確定加工具有不同介電特性和厚度的食品的工藝參數(shù)。根據(jù)分析計(jì)算開發(fā)了一個(gè)用戶查詢圖表,以直觀地表示加熱速率、介電損耗因子和封裝厚度之間的關(guān)系。該圖表可能會(huì)幫助食品開發(fā)人員和加工商優(yōu)化食品配方和系統(tǒng)食品的加工計(jì)劃。