微波加工過程中食品溫度分布規(guī)律及其均勻性研究

張柔佳，王易芬，欒東磊*

1(上海海洋大學(xué) 食品熱加工工程技術(shù)研究中心，上海，200120) 2(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，200120) 3(奧本大學(xué) 生物系統(tǒng)工程系，美國(guó)阿拉巴馬州奧本市，AL 36849)

微波技術(shù)最早應(yīng)用于通訊領(lǐng)域，美國(guó)Raytheon公司工程師SPENCER在測(cè)試用于雷達(dá)裝備的磁控管時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了微波的熱效應(yīng)，并在1945年申請(qǐng)了第一個(gè)關(guān)于微波加熱的專利(專利號(hào)：2495429A)，由此開啟了微波在食品熱加工領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。微波加熱因其加熱快速、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在食品熱加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。微波爐已成為眾多家庭必不可少的廚房用具，常用來解凍食品、加熱即食食品等。而在食品工業(yè)中，微波加熱主要用于食品的解凍、復(fù)熱、燙漂、干燥和殺菌。

熱處理過程會(huì)損害食品中的熱敏物質(zhì)，影響品質(zhì)。溫度和時(shí)間是決定食品加熱過程中熱損害程度的主要因素，傳統(tǒng)加熱方式主要通過傳導(dǎo)、對(duì)流等方式將熱量從外部熱源傳遞到食品內(nèi)部，加熱時(shí)間較長(zhǎng)，加熱不均勻，從而造成食品風(fēng)味、色澤、質(zhì)構(gòu)及營(yíng)養(yǎng)成分的損失。微波加熱屬于整體加熱，加熱速度快，可通過大幅降低加熱時(shí)間，提高產(chǎn)品品質(zhì)。如BENLLOCH-TINOCO[2]研究了微波和傳統(tǒng)恒溫水浴2種滅菌方式處理對(duì)獼猴桃泥的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微波處理能更好地保留葉綠素；同樣，EL-SHIMI[3]以牛肉片為研究對(duì)象，對(duì)比了傳統(tǒng)加熱與微波加熱在烹飪及復(fù)熱階段的感官品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)微波處理的牛肉片風(fēng)味得分更高；又如OZTOP[4]研究了微波真空油炸與傳統(tǒng)油炸工藝對(duì)薯?xiàng)l品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)微波真空油炸薯?xiàng)l的含油量較低。此外，JIANG[5]發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)冷凍干燥相比，微波冷凍干燥在凍干香蕉片時(shí)，系統(tǒng)消耗能量減少、干燥時(shí)間縮短。

雖然微波加熱技術(shù)具備上述優(yōu)點(diǎn)，但加熱的不均勻性仍是食品微波加熱過程中存在的主要問題之一，也是阻礙微波大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的原因之一。部分研究發(fā)現(xiàn)，食品冷熱點(diǎn)之間的溫度差異較大。食品局部區(qū)域過熱，會(huì)導(dǎo)致食品品質(zhì)下降，而食品中出現(xiàn)冷點(diǎn)則會(huì)導(dǎo)致滅菌不完全，引起食品安全問題。因此，提高微波加熱的均勻性是國(guó)內(nèi)外食品加工領(lǐng)域面臨的共同難題，將微波加熱的溫度分布規(guī)律按照食品種類進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)提高微波加熱均勻性的方法進(jìn)行歸納與分析，可促進(jìn)微波加熱技術(shù)在食品加工行業(yè)的研究與應(yīng)用。

1 微波加熱機(jī)理

微波是一種頻率范圍在300 MHz～300 GHz的電磁波，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)在1～0.001 m之間，為避免干擾通信，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，簡(jiǎn)稱FCC)規(guī)定可以用加熱的微波頻率范圍為(915±13)、(2 450±50)MHz,其中家用微波頻率范圍為(2 450±50)MHz，而工業(yè)科學(xué)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究的微波頻率范圍則為(915±13)、(2 450±50)MHz，一般用中心頻率代表該波段[6]。食品內(nèi)部極性分子的偶極子旋轉(zhuǎn)和離子傳導(dǎo)是微波加熱的主要原因[7]。當(dāng)食品處于微波的交變電場(chǎng)中，食品內(nèi)的極性分子會(huì)沿著電場(chǎng)方向重新排列，這種排列以每秒數(shù)千萬(wàn)次以上的頻率在交變微波電場(chǎng)中發(fā)生，從而引起分子間的摩擦，產(chǎn)生熱量。食品的介電特性是影響微波加熱后食品溫度分布的主要因素之一。

食品的介電特性(ε*)由以下公式描述：

ε*=ε′-jε″

(1)

微波傳播進(jìn)入食品后，能量衰減，微波在食品中的穿透深度(d,m)定義為耗散功率衰減到1/e(歐拉數(shù)e≈2.718)的深度時(shí)經(jīng)過的距離：

(2)

其中：λ為波長(zhǎng)(m)。

微波在食品中的穿透深度與波長(zhǎng)成正比，即高頻微波的穿透深度較小，根據(jù)不同食品含水量，一般915 MHz的穿透深度為8～22 cm，而2 450 MHz的穿透深度為3～8 cm，前者是后者的3倍左右[8]。

目前食品介電特性的測(cè)量方法包括：平行極板(電容器)技術(shù)、同軸探頭技術(shù)、傳輸線技術(shù)、自由空間法和諧振腔技術(shù)。其中，開放式同軸探頭技術(shù)[9]可在較寬溫度和頻率范圍內(nèi)的測(cè)量，且測(cè)量簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性高，是目前測(cè)試食品介電特性最為方便、快速的技術(shù)。研究食品的介電特性有助于利用數(shù)學(xué)模型分析食品在電磁場(chǎng)中的特性，達(dá)到檢測(cè)食品組成成分、優(yōu)化微波加熱設(shè)備、提高加熱均勻性的目的。

2 食品微波加熱溫度分布規(guī)律的研究進(jìn)展

許多學(xué)者針對(duì)不同食品材料對(duì)其微波加熱過程進(jìn)行了大量研究，因此本文按照食品種類，對(duì)目前研究報(bào)道中食品的溫度分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

2.1 模擬食品

由于食品材料自身的復(fù)雜性，在實(shí)驗(yàn)研究中，真實(shí)食品的實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性較低，以真實(shí)食品為樣本研究其在微波加工中溫度分布規(guī)律的難度較大。而且食品樣本只能進(jìn)行單次實(shí)驗(yàn)，對(duì)于用量較大的工程研究來說，經(jīng)濟(jì)成本較高。同時(shí)，在測(cè)量溫度時(shí)，對(duì)真實(shí)食品來說，只能利用紅外熱成像儀觀察食品表面溫度，或利用熱電偶測(cè)量?jī)?nèi)部有限個(gè)數(shù)的溫度值，無法得到完整的溫度場(chǎng)，而利用與真實(shí)食品的介電特性和熱物性相似的模擬食品，結(jié)合chemical marker技術(shù)可得到模擬食品的內(nèi)部溫度分布[10]。因此，目前許多學(xué)者研究了模擬食品在微波加熱過程的溫度分布規(guī)律。

與食品一樣，模擬食品的組分變化會(huì)影響其溫度分布。FAKHOURI[11]研究了乳清蛋白和脂肪的添加量對(duì)微波加熱溫度分布的影響，實(shí)驗(yàn)以10 %的淀粉凝膠為基質(zhì)，并添加了0.75 %的甲基纖維素以防止淀粉和蛋白在凝膠化前的沉淀。將模擬食品在2 450 MHz、700 W的家用微波爐(內(nèi)腔34 cm×33 cm×27 cm，無轉(zhuǎn)盤)中分別加熱10、15、20 min，模擬食品大小為20 cm×20 cm×6 cm。為研究其溫度分布規(guī)律，實(shí)驗(yàn)將模擬食品劃分成4×4的網(wǎng)格，依次記錄了上述加熱時(shí)間條件下所有網(wǎng)格點(diǎn)和平面中心點(diǎn)上4種不同深度的溫度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，脂肪含量越多，溫度分布越均勻，而蛋白質(zhì)則反之。當(dāng)無脂肪時(shí)，需要20 min才能將中心溫度升至75 ℃(微生物安全溫度)，而添加10 %的脂肪，升溫時(shí)間為17 min；加熱10 min后，無脂肪的食品平均溫度為60 ℃，而10 %脂肪的食品的平均溫度約為100 ℃。加熱速率和溫度分布均勻性隨著脂肪含量的增加、蛋白含量的減少而增加。而隨著微波加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，加熱速率反而會(huì)下降，這是由于對(duì)流和蒸發(fā)熱損失造成的，由于模擬食品和外界冷環(huán)境的溫差增加，對(duì)流熱損失也隨著增加，而食品中水蒸氣的產(chǎn)生和逃逸，也使蒸發(fā)熱損失不斷增加。增加食品中的離子含量，會(huì)導(dǎo)致介電損耗增加。因此在模擬食品中，經(jīng)常用控制含鹽量的方法來調(diào)整介電損耗。SAKAI[12]以瓊脂凝膠和含鹽量為1%的瓊脂凝膠為2種原料，研究了5種組分類型(樣品Ⅰ：全為瓊脂凝膠；樣品Ⅱ：全為含鹽瓊脂凝膠；樣品Ⅲ：軸線一半為瓊脂凝膠、一半為含鹽瓊脂凝膠；樣品Ⅳ：瓊脂凝膠中填充少量含鹽瓊脂凝膠；樣品Ⅴ與樣品Ⅳ組分相反)的圓柱形食品的溫度分布。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樣品Ⅰ的中心和邊緣被加熱，而樣品Ⅱ僅邊緣被加熱；樣品Ⅲ的中心區(qū)域溫度，與樣品Ⅰ、Ⅱ相比較低；而對(duì)比樣品Ⅲ～Ⅴ，可以發(fā)現(xiàn)有含鹽瓊脂凝膠的區(qū)域溫度相對(duì)較高，因此鹽的添加會(huì)引起微波后食品溫度的升高。此外，LLAVE[13]用甲基纖維素模擬了冷凍金槍魚在微波解凍加熱過程中的溫度分布情況和介電特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含鹽量越多，介電損耗越大，同時(shí)鹽的添加也會(huì)引起解凍時(shí)間的延長(zhǎng)和穿透深度的減少，導(dǎo)致溫度分布不均。當(dāng)含鹽量為0%、0.5%、1%和2%時(shí)，模擬食品中的最大溫度與平均溫度的差值分別為58.2、65.2、72.5、82.3 ℃，LLAVE認(rèn)為解凍的表面會(huì)吸收大部分微波能量，而介電損耗的增加會(huì)導(dǎo)致穿透深度急劇增加，從而對(duì)食品內(nèi)部產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致溫度分布不均。

由此可以看出，模擬食品與真實(shí)食品相比，其介質(zhì)較為均勻、單一，但模擬食品在微波加熱條件下，仍存在較大溫差。真實(shí)食品由于個(gè)體間和部位間的差異性較大，其溫度分布更不均勻。模擬食品的組分本身對(duì)溫度分布影響較大，其主要原因是由于組分的水分含量或離子含量引起的，因此對(duì)于多組分食品(如肉糜制品、即食食品等)的微波加熱過程，可通過調(diào)整其組分或優(yōu)化不同組分食品的分布位置，提高加熱均勻性。

2.2 肉類

由于加熱速度快，微波常用于解凍、加熱肉類及肉制品。溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖影響很大，肉類中自由水凍結(jié)成冰后可使微生物的酶活性降低，其生長(zhǎng)繁殖受到一定抑制，但并不意味著冷凍可以殺死微生物。因此微波加熱后，食品冷點(diǎn)區(qū)域中保持活性的酶會(huì)重新活躍起來，從而造成食品安全問題。GOKSOY[14]研究了冷凍的整雞在微波加熱條件(2 450 MHz，微波爐內(nèi)含轉(zhuǎn)盤和攪拌器)下表面溫度的分布情況，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整雞的肛門、翅膀、小腿及下背處的溫度分別達(dá)88、97、90和96 ℃。而此時(shí)大腿和雞胸處的溫度僅為48 ℃、29 ℃，與能夠殺死致病菌的溫度差距較大。

JEONG[15]研究了微波加熱條件下豬肉餡餅的溫度分布情況，豬肉餡餅分為含鹽和無鹽2種，且其脂肪含量又分為10%和20%兩種。當(dāng)餡餅的中心溫度到達(dá)76.7 ℃時(shí)，測(cè)量餡餅邊緣、中心和中間區(qū)域的溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)餡餅邊緣溫度達(dá)90 ℃以上，而中心和中間區(qū)域的溫度僅為75 ℃左右，無鹽餡餅的邊緣升溫比含鹽餡餅快，含鹽餡餅中心和中間區(qū)域的溫差更大。TANG[16]研究了帶肉汁的牛肉片在7盎司托盒中的微波滅菌過程，烤牛肉片與3種低鈉肉汁混合包裝在托盒中，利用915 MHz的微波滅菌系統(tǒng)進(jìn)行滅菌，由于冷點(diǎn)集中在食品的中層區(qū)域，因此僅研究樣品中層區(qū)域的溫度分布，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱量主要集中在中間區(qū)域，而在托盒中層距前端和后端18 mm處的位置出現(xiàn)冷點(diǎn)。除了用于肉糜的解凍和加熱，微波也常用于魚糜的加熱凝膠過程，與傳統(tǒng)水浴加熱相比，微波加熱可提高魚糜凝膠化品質(zhì)，如曹燕[17]發(fā)現(xiàn)利用微波加熱鰱、狹鱈魚糜，其凝膠形成速度比傳統(tǒng)水浴加熱快，且凝膠破斷力大。但在一些研究[18-19]中也發(fā)現(xiàn)，由于微波分布不均，微波促凝膠化過程會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)，當(dāng)熱點(diǎn)溫度接近沸點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成過熱點(diǎn)區(qū)域的水分瞬間蒸發(fā)，產(chǎn)生較高壓力，破壞凝膠結(jié)構(gòu)。

綜上所述，肉類微波加工過程溫度分布不均勻，冷熱點(diǎn)溫差較大。而加熱不均勻是引發(fā)微生物滅活不徹底主要原因，近年來已有多起相關(guān)食品安全事件的報(bào)道。對(duì)于體積較大、形狀不規(guī)則的肉類(整雞、整鴨等)來說，不同部位的溫度差異較大，且在大批量處理時(shí)，由于食品疊加或局部空隙暴露，其溫度分布也不均勻，因此可通過設(shè)計(jì)合理的堆放方式、聯(lián)合其他加熱技術(shù)等手段，優(yōu)化溫度場(chǎng)分布。另外，對(duì)于肉類制品，可通過調(diào)整其組成成分達(dá)到提高均勻性的目的。

2.3 即食食品

隨著生活節(jié)奏的加快，人們對(duì)各種即食食品的需求量越來越大，食品供應(yīng)商也開發(fā)了類型多樣的微波即食食品(如米飯便當(dāng)、速食面等)，許多學(xué)者也對(duì)微波加熱不同組分的即食食品中的溫度分布進(jìn)行相關(guān)研究。FAKHOURI[11]研究了冷藏4 ℃和冷凍-20 ℃條件下肉醬千層面(lasagna bolognese)和牧羊人派(shepherd’s pie)的微波加熱情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在食品生產(chǎn)商建議加熱條件下的食品溫度分布極不均勻，中心溫度較低。例如在建議加熱條件下，冷藏牧羊人派的中心溫度為62 ℃，而邊緣和頂角上的溫度已接近沸點(diǎn)，但通過延長(zhǎng)加熱時(shí)間將肉醬千層面的中心溫度達(dá)到安全溫度時(shí)，食品邊緣和頂角已發(fā)生輕微褐變。RYYNNEN[20]研究了包含肉餅、醬汁、土豆泥、胡蘿卜4種食品在內(nèi)的冷凍即食食品在微波加熱下的溫度分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波加熱30s后，熱點(diǎn)與冷點(diǎn)之間的溫差達(dá)70 ℃以上，且4種食物之間的溫度差異較大。RAMASWAMY[21]以肉醬意大利面和三文魚壽司為研究對(duì)象，微波加熱(2 450 MHz，無轉(zhuǎn)盤)后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于肉醬意大利面來說，當(dāng)邊角溫度達(dá)到92.9 ℃時(shí)，中心溫度僅為27.4 ℃，而對(duì)于三文魚壽司來說，邊角溫度為96.8 ℃時(shí)，中心溫度僅為33.6 ℃，冷熱點(diǎn)溫度差高達(dá)65 ℃左右，即上述2種食物在微波加熱后的溫度分布不均勻。

由此可見，在相同條件的微波加熱過程中，不同種類的食品溫度分布各不相同。這是由于不同種類的食品，其水分含量、介電特性、熱物性等參數(shù)差異較大。對(duì)于含有不同種類的即食食品來說，可通過優(yōu)化包裝材料和包裝設(shè)計(jì)、優(yōu)化食品擺放位置等方式，提高加熱均勻性。而對(duì)于成分單一的即食食品來說，應(yīng)通過優(yōu)化其形狀尺寸、聯(lián)合其他加熱技術(shù)等手段，提高均勻性。

2.4 其他食品

微波在果蔬類食品中，主要用于干燥、燙漂等過程。PU[22]利用可見近紅外高光譜成像技術(shù)觀察了芒果片在微波真空干燥過程中的水分分布情況，發(fā)現(xiàn)芒果片中心區(qū)域的水分含量最低，而4個(gè)邊角上的水分含量相對(duì)較高，并認(rèn)為這是由于微波加熱時(shí)溫度分布不均造成的。KOSKINIEMI[23]利用含鹽量為0%～1%的檸檬汁將杯裝紅薯、紅椒、西蘭花3種蔬菜酸化，pH值調(diào)整到3.8，在915 MHz微波隧道中進(jìn)行加熱，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含鹽量為1%的腌漬溶液會(huì)減小微波在蔬菜中的穿透深度，杯裝酸菜的平均溫度由84 ℃下降至73 ℃，所有包裝中的溫度分布都不均勻，在容器距入射微波最遠(yuǎn)處出現(xiàn)60 ℃的冷點(diǎn)，酸化蔬菜由于含鹽量較高，在微波加熱過程中穿透深度會(huì)急劇減小，當(dāng)食品尺寸超過穿透深度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致加熱不均勻，食品表面溫度較高。

微波干燥谷物時(shí)，也存在著溫度分布不均的問題。MANICKAVASAGAN[24]對(duì)不同含水量的谷類經(jīng)微波干燥后的溫度上升和溫度場(chǎng)分布不均勻的問題進(jìn)行研究，大麥和小麥按水分含量分為12%、15%、18%和21%四個(gè)種類，油菜籽分為8%、12%、15%、18%和21%五個(gè)種類，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大麥、油菜籽、小麥的平均表面溫度分別為72.5～117.5 ℃、65.9～97.5 ℃、73.4～108.8 ℃，最大表面溫度分別為100.3～140.0 ℃、77.8～117.7 ℃、98.3～130.9 ℃，所有樣品中都存在的溫度不均勻現(xiàn)象，冷熱點(diǎn)溫差分別為7.2～78.9 ℃、3.4～59.2 ℃、9.7～72.8 ℃。當(dāng)微波解凍半流體食品時(shí)，這種溫度分布不均的現(xiàn)象也存在。AROCAS[25]對(duì)比了微波解凍和水浴解凍對(duì)白醬的影響，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微波解凍白醬的速率明顯高于傳統(tǒng)水浴解凍，但通過紅外熱成像分析發(fā)現(xiàn)，水浴解凍白醬的溫度分布呈同心圓，由外向內(nèi)溫度逐漸降低，而微波解凍的白醬溫度呈不均勻分布，不存在同心圓的溫度分布形狀。

綜上所述，無論在替代真實(shí)食品的模擬食品實(shí)驗(yàn)中，還是在肉類、即食食品、果蔬類、谷類和半流體食品中，微波加熱的不均勻現(xiàn)象始終存在，且冷熱點(diǎn)之間的溫差較大，這成為限制微波加工技術(shù)發(fā)展的主要原因。

3 改善溫度分布不均的方法

為改善微波加熱不均勻的問題，許多學(xué)者研究了引起該現(xiàn)象的原因，主要包括電場(chǎng)分布不均勻、食品自身組分不均等，并根據(jù)具體原因提出了大量改善加熱均勻性的方法，本文將這些改善方法歸納為3種類型：提高電場(chǎng)分布均勻性、改善食品組分及幾何尺寸、優(yōu)化環(huán)境媒介及包裝形式。

3.1 提高電場(chǎng)分布均勻性

在食品微波加工過程中，有多種因素以復(fù)雜的形式交互影響食品的溫度分布，其中波導(dǎo)、輻射器和諧振腔的設(shè)計(jì)對(duì)加熱效果起主導(dǎo)作用。

DOMINGUEZ-TORTAJADA[26]根據(jù)遺傳算法設(shè)計(jì)了帶有補(bǔ)給系統(tǒng)的多模微波腔，補(bǔ)給系統(tǒng)由波導(dǎo)或槽陣列組成，腔內(nèi)的電場(chǎng)形式由補(bǔ)給系統(tǒng)的位置決定，通過設(shè)計(jì)合理的排布位置，腔內(nèi)電場(chǎng)的均勻性顯著提高。WANG[27]將導(dǎo)電金屬體置于微波爐內(nèi)，利用其對(duì)微波的反射改善整個(gè)電場(chǎng)的均勻性，實(shí)驗(yàn)研究了導(dǎo)電金屬體的位置、尺寸和數(shù)量對(duì)電場(chǎng)分布的影響，結(jié)果證明合理的擺放位置可以提高電場(chǎng)均勻性，同時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度也有所提高。此外，微波系統(tǒng)的尺寸結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)口形狀等因素都會(huì)影響電場(chǎng)均勻性[28]。

還有學(xué)者通過模式攪拌器或移動(dòng)食品(放置在傳送帶或轉(zhuǎn)盤上)，提高微波加熱的均勻性。SEBERA[29]模擬了扇狀模式攪拌器在微波裝置中對(duì)電場(chǎng)的影響，認(rèn)為模式攪拌器可提高電場(chǎng)的均勻性。KOSKINIEMI[23]在研究酸化蔬菜的微波殺菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過傳送帶上設(shè)計(jì)的兩級(jí)旋轉(zhuǎn)裝置將傳送帶上的杯裝蔬菜旋轉(zhuǎn)180 °，可提高杯裝酸化蔬菜的加熱均勻性，與無旋轉(zhuǎn)裝置的傳送帶相比，冷熱點(diǎn)溫差由37.9 ℃降至17.5 ℃，且杯中的冷點(diǎn)溫度達(dá)到77 ℃，滿足滅菌要求。在微波爐中，最簡(jiǎn)單的提高均勻性的方法就是采用轉(zhuǎn)盤，但相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，GEEDIPALLI[30]根據(jù)求解電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程和熱傳導(dǎo)方程，對(duì)微波爐中轉(zhuǎn)盤提高加熱均勻性的作用進(jìn)行研究，利用有限元分析法進(jìn)行建模，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明與靜止食品的溫度場(chǎng)相比，轉(zhuǎn)盤可將加熱均勻性提高37%～43%；LIU[31]利用有限元分析法建立了相應(yīng)的食品溫度分布模型，研究了轉(zhuǎn)盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)對(duì)微波加熱的影響，對(duì)圓柱形和矩形樣品的溫度分布進(jìn)行分析；也有學(xué)者[32]對(duì)帶轉(zhuǎn)盤的微波解凍冷凍食品的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行建模，模型包括了麥克斯韋電磁場(chǎng)加熱、能量守恒、水分和水蒸氣的質(zhì)量守恒、冰的融化相變和水分的蒸發(fā)等。

在微波加熱過程中，食品的擺放位置也會(huì)影響電場(chǎng)分布。RYYNNEN[20]研究了食品的擺放位置對(duì)微波加熱均勻性的影響，以肉餅、醬汁、土豆泥、胡蘿卜4種食品在內(nèi)的冷凍即食食品為研究對(duì)象，將4種食物放置在圓形塑料托盤內(nèi)，食品以圓盤的軸線保持左右對(duì)稱，并改變食物擺放的位置(如肉餅位置不變，交換土豆泥和胡蘿卜的擺放位置)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，食品擺放位置對(duì)加熱均勻性的影響很大，可利用邊角熱效應(yīng)改善溫度分布均勻性。

提高電場(chǎng)均勻性是提高食品微波加熱均勻性的主要手段，在微波腔內(nèi)的反射可通過設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)電珠子得到優(yōu)化。模式攪拌器、轉(zhuǎn)盤、傳送帶均可提高電場(chǎng)的均勻性，且在設(shè)計(jì)研發(fā)微波方便食品時(shí)，還需考慮食品擺放位置對(duì)電場(chǎng)的影響。

3.2 改善食品組分及幾何尺寸

食品的組成成分對(duì)溫度均勻性改善有著重要的作用，利用添加鹽的方式可調(diào)整食品的介電特性，如WANG[33]在利用乳清蛋白凝膠模擬三文魚片的微波加熱過程時(shí)發(fā)現(xiàn)，在頻率較低的條件下，鹽的添加可明顯改變食品的介電特性，隨著鹽濃度的增加，介電損耗增大，這是由于鹽的增加導(dǎo)致離子傳導(dǎo)增強(qiáng)而引起的結(jié)果。但AL-HOLY[34]以三文魚和鱘魚魚子醬為研究對(duì)象，研究了其在微波巴氏滅菌過程中的介電特性，對(duì)比不同含鹽量的魚子醬，發(fā)現(xiàn)在915 MHz下，隨溫度增長(zhǎng)，鱘魚魚子醬的介電特性與介電常數(shù)的曲線斜率較為平緩，而三文魚魚子醬基本保持不變，含鹽量對(duì)其影響不大，這是由于魚子醬中水分濃度較低造成的。除了通過添加適當(dāng)?shù)牟牧细淖兪称返慕M成成分外，對(duì)于不均勻食品來說，還應(yīng)考慮食品自身組成成分對(duì)介電特性的影響，以雞蛋為例，WANG[35]發(fā)現(xiàn)，液體蛋清和液體全蛋的熱變性會(huì)影響其介電常數(shù)和介電損耗。在微波加熱過程中，預(yù)煮過的蛋白和全蛋的介電常數(shù)隨溫度的升高而降低，液體全蛋、預(yù)煮全蛋、液體蛋清、預(yù)煮蛋白的介電損耗隨溫度的升高而增加，且液體蛋清的介電損耗大于液體全蛋，而液體全蛋又大于蛋黃的介電損耗，研究者認(rèn)為蛋白和全蛋的介電特性的差異主要是由于離子傳導(dǎo)的差異性引起的。

食品的幾何尺寸對(duì)冷熱點(diǎn)的分布影響也較大，如加熱矩形、三角形食品一般會(huì)出現(xiàn)由于散射造成的邊角過熱現(xiàn)象，而對(duì)于表面凸起的食品(如球形、柱狀)，則會(huì)出現(xiàn)中心過熱的現(xiàn)象，這是由于折射或反射造成微波功率集中分布在某一特定半徑的幾何中心區(qū)域。VILAYANNUR[36]利用土豆為研究樣本，實(shí)驗(yàn)以3種形狀(長(zhǎng)方體、圓柱和六角棱柱)為例，并對(duì)比了各個(gè)形狀在不同體積(75 cm3、90 cm3、105 cm3)下的溫度分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)六角棱柱的標(biāo)準(zhǔn)偏差(體積為90 cm3時(shí)，4.9～6.4 ℃)最小，即六角棱柱的溫度分布最均勻，但到達(dá)80 ℃所需的時(shí)間最長(zhǎng)，為61 s(長(zhǎng)方體48 s、圓柱44 s)。BRODIE[37]對(duì)比了微波加熱在長(zhǎng)方體、圓柱、球形的瓊脂凝膠中的溫度分布情況，結(jié)果表明長(zhǎng)方體樣品中的最高溫度出現(xiàn)在頂角。對(duì)于直徑較小的圓柱樣品來說，其介電損耗也較低，沿縱軸出現(xiàn)2個(gè)對(duì)稱的溫度峰值，溫度分布呈啞鈴狀，而當(dāng)介電損耗或圓柱直徑增加時(shí)，最高溫度呈環(huán)狀分布在圓柱體的上下圓形表面下。直徑較小的球體的熱點(diǎn)集中在球心，當(dāng)介電損耗或直徑增加時(shí)，向表面逐漸遷移。SOTO-REYES[38]研究了不同形狀和尺寸的瓊脂凝膠的微波加熱溫度分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)中心溫度到達(dá)50 ℃時(shí)，形狀為大平板的樣品需要的時(shí)間少于同尺寸的球體和圓柱體，尺寸大小為180 g的樣品加熱速度快于290 g的樣品，而最冷點(diǎn)均出現(xiàn)在樣品的中心。相同形狀的食品，在特定的微波加工條件下也會(huì)存在最優(yōu)尺寸，如范大明[39]研究了微波復(fù)熱(2 450 MHz、900 W，含轉(zhuǎn)盤)過程中尺寸效應(yīng)對(duì)冷藏方便米飯溫度分布的影響，以圓柱型米飯為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用2、3和4 cm三種半徑，其高度與直徑比(L/D)分別為0.5、0.75、1.0和1.25。對(duì)于2 cm半徑的樣品，加熱30 s時(shí)出現(xiàn)溫度中心聚集效應(yīng)，中心與邊緣溫差為45 ℃左右，當(dāng)L/D比值增大時(shí)，中心溫度逐漸降低，熱點(diǎn)沿縱軸線從中心向上下表面遷移，這是由于半徑較小導(dǎo)致微波能量在中心聚集，隨著高度增加，穿透深度小于高度時(shí)，能量聚集點(diǎn)向表面遷移。通過對(duì)比得出，微波加熱均勻性最優(yōu)的尺寸為半徑4 cm、高度4 cm。

由于離子傳導(dǎo)是微波加熱的原因之一，因此含鹽量也會(huì)影響食品的溫度變化，但對(duì)不同食品，并非含鹽量越多，食品的介電損耗就越大。另外，不同形狀的食品的熱點(diǎn)分布規(guī)律也不相同，在加熱條件一定的情況下，應(yīng)對(duì)食品的形狀尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化環(huán)境媒介及包裝形式

環(huán)境媒介和包裝形式的優(yōu)化，也可有效提高食品微波加熱的均勻性，主要手段包括：聯(lián)合其他加熱技術(shù)、采用活性包裝容器等。

直接利用微波干燥食品，雖然時(shí)間明顯比傳統(tǒng)手段短[40]，但局部易出現(xiàn)過熱，導(dǎo)致食品微觀結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生褐變，影響復(fù)水率。利用微波輔助其他技術(shù)(如歐姆加熱、熱風(fēng)加熱等)加工食品，并優(yōu)化其工藝過程，可有效改善上述問題。LEE[41]設(shè)計(jì)了帶有歐姆加熱管的雙圓柱形微波爐，用于加熱多相食品(雞肉、馬鈴薯顆粒和鹽溶液)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單獨(dú)利用微波加熱或歐姆加熱時(shí)，顆粒食品和鹽溶液(鹽溶液濃度為12.5 g/L時(shí))的最大溫差分別為(7.1 ± 1.7)℃和(11.9 ± 2.9)℃，而將微波聯(lián)合歐姆加熱時(shí)，最大溫差小于3.08 ℃。顆粒狀食品的干燥一般在流化床中進(jìn)行，許多學(xué)者對(duì)微波聯(lián)合流化床干燥技術(shù)提高干燥均勻性進(jìn)行了大量研究[42-43]，噴動(dòng)床是特殊條件下的流化床，氣體通過噴嘴在床層中央形成射流，顆粒狀食品隨氣流達(dá)到一定高度后，由于自身重力而下降，之后又被氣流重新向上呈噴泉狀，HUANG[44]采用微波噴動(dòng)干燥處理胡蘿卜丁，實(shí)驗(yàn)觀察了單級(jí)、雙級(jí)和三級(jí)微波噴動(dòng)干燥，發(fā)現(xiàn)在干燥的最后階段，胡蘿卜丁表面溫度均保持穩(wěn)定、溫度分布較均勻，3種方法在胡蘿卜丁內(nèi)產(chǎn)生的最大溫差分別為3.7、4.4、4.1 ℃，即未出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象，這是由于微波產(chǎn)生的熱量被噴動(dòng)氣流不斷汽化冷卻造成的，雙級(jí)與三級(jí)噴動(dòng)的色澤較好、類胡蘿卜素和葉綠素含量較高，且有較好的復(fù)水能力。此外，RESURRECCION[45]在研究包裝食品在微波輔助滅菌系統(tǒng)下微波功率變化對(duì)其加熱方式的影響的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在微波輔助滅菌系統(tǒng)中利用去離子水作為循環(huán)水時(shí)，乳清蛋白凝膠的溫度比用自來水條件下增加23%～37%，認(rèn)為這是由于在介電損耗較高的自來水中，微波能量大部分被循環(huán)水吸收，而食品相對(duì)吸收較少，因此溫度較低。

除了將微波技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合之外，適宜的包裝材料和包裝形式也可提高微波加熱均勻性。設(shè)計(jì)適宜的微波包裝系統(tǒng)可促進(jìn)食品表面褐變和保證食品組織松脆，或者產(chǎn)生高溫蒸汽保持食品水分，對(duì)控制食品的快速均勻加熱有著重要的意義。從廣義上來說，微波包裝可分為：惰性包裝容器和活性包裝容器。惰性包裝容器只用于盛裝食品，對(duì)食品無加熱作用?；钚园b容器可與微波相互作用，從而產(chǎn)生新熱源，對(duì)食品的特定部位進(jìn)行傳熱?；钚园b容器可分為3種類型：感受器、場(chǎng)強(qiáng)屏蔽裝置和引導(dǎo)裝置。對(duì)于微波加熱過程中，食品內(nèi)部溫度高于表面溫度的問題可通過引入感受器解決，感受器將微波能轉(zhuǎn)化為熱能，并與食品接觸促使食品表面溫度升高。國(guó)外已有許多學(xué)者申請(qǐng)了關(guān)于不同形狀、不同涂層材料感受器的相關(guān)專利[46]。油炸食品在微波復(fù)熱后往往缺乏松脆的口感，ALBERT[47]以含鹽的海藻酸薄膜作為微波食品中的可食用感受器，實(shí)驗(yàn)以預(yù)先油炸過的雞肉塊為研究對(duì)象，將其表面裹上不同含鹽量的海藻酸溶液，置于微波爐中復(fù)熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海藻酸薄膜可以有效加熱雞肉塊，使溫度分布更加均勻，縮短加熱時(shí)間。對(duì)于微波加熱后食品表面出現(xiàn)過熱的問題，可通過場(chǎng)強(qiáng)屏蔽和引導(dǎo)裝置解決，兩者都是利用金屬片改變食品中的電磁場(chǎng)分布來改善均勻性，前者是阻止邊緣對(duì)電磁波的吸收，從而防止食品邊緣的過度加熱，后者是將電磁波引導(dǎo)至金屬片所在的位置，控制能量的排布。如將鋁片設(shè)計(jì)成適宜的幾何形狀，并與披薩包裝的基座托盤組合，當(dāng)微波加熱披薩時(shí)，將微波能傳輸至能量吸收不足的披薩底部區(qū)域。HO[48]研究了金屬片對(duì)柱狀食品在微波加熱過程中的屏蔽效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)將0.002 cm厚的鋁片設(shè)計(jì)成不同寬度，并對(duì)比了不同放置形式對(duì)食品熱效應(yīng)的影響，并認(rèn)為金屬片可以有效提高微波均勻性，其放置角度θ(金屬片與食品底面的夾角)是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)變量。

4 總結(jié)與展望

冷熱點(diǎn)的溫度差異較大、加熱不均勻，是導(dǎo)致微波在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展受限的主要原因。雖然目前已研發(fā)了大量關(guān)于改善溫度場(chǎng)均勻性的相關(guān)工藝方法和裝置，但值得注意的是，食品中的溫度差并未完全消除，只是在一定程度上得到改善，因此在未來還需對(duì)提高微波加熱均勻性進(jìn)行深入研究。

有關(guān)微波加工食品的報(bào)道大多數(shù)集中在針對(duì)不同食品的工藝優(yōu)化上，主要目的是為了提高食品的加工品質(zhì)(如改善感官評(píng)分、質(zhì)構(gòu)等理化參數(shù))，且工藝優(yōu)化的研究主要集中在利用微波聯(lián)合其他加工技術(shù)(如熱風(fēng)加熱、水浴加熱、真空冷凍等)的最佳加工工藝的確定。在大多文獻(xiàn)中，與溫度分布相關(guān)的篇幅所占比例不高，關(guān)于食品中溫度場(chǎng)的研究并不深入，僅對(duì)不均勻現(xiàn)象進(jìn)行定性描述，忽略了提高加熱均勻性才是改善食品加工品質(zhì)的基礎(chǔ)。

目前關(guān)于微波加工的研究，主要是將食品的各個(gè)加工環(huán)節(jié)獨(dú)立討論，例如僅對(duì)解凍或滅菌過程單獨(dú)研究，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，食品加工是一個(gè)連續(xù)的過程，如冷凍食品可能包括解凍(0 ℃以下)和加熱(0 ℃以上)2個(gè)環(huán)節(jié)，而該過程又伴隨了冰的相變、水分蒸發(fā)、蛋白質(zhì)變性等多種因素，對(duì)研究微波在連續(xù)加工食品過程中不同環(huán)節(jié)的應(yīng)用尚不完善，各個(gè)環(huán)節(jié)的相互耦合及影響作用仍需討論，微波加熱均勻性對(duì)食品品質(zhì)的影響研究不深入。

微波爐已成為家庭中常用的廚房用具之一，其裝備已開發(fā)較完善，許多學(xué)者在研究時(shí)也主要采用主頻率為2 450 MHz的家用多模微波爐。但對(duì)于主頻率為915 MHz的單模微波系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，特別是在大批量處理食品的工程研究中(如解凍、滅菌等)，相關(guān)的機(jī)理分析、工藝優(yōu)化和設(shè)備開發(fā)尚不完全。在未來的相關(guān)研究工作中，提高食品微波加熱均勻性仍是主要的研究熱點(diǎn)之一。特別是在工業(yè)單模微波系統(tǒng)的加工過程中，針對(duì)高含水量食品的解凍、蛋白質(zhì)加熱變性等環(huán)節(jié)，研究其溫度分布規(guī)律及改善均勻性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。