顆粒狀態對米飯微波復熱過程溫度分布的影響

王麗云，范大明，*，龐 珂，黃建聯，趙建新，陳 衛，張 灝

(1.江南大學食品學院食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫 214122;

2.無錫華順民生食品有限公司，江蘇無錫 214218;

3.福建安井食品股份有限公司，福建廈門 361022)

顆粒狀態對米飯微波復熱過程溫度分布的影響

王麗云1，范大明1，*，龐 珂2，黃建聯3，趙建新1，陳 衛1，張 灝1

(1.江南大學食品學院食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫 214122;

2.無錫華順民生食品有限公司，江蘇無錫 214218;

3.福建安井食品股份有限公司，福建廈門 361022)

為了研究和開發不同顆粒狀態的方便米飯，運用微波工作站和光纖探針在線監測的方法，以碎米、完整大米加工的不同厚度/半徑比(L/R)圓柱型尺寸的米飯作為研究對象，綜合考察物料顆粒狀態對米飯微波復熱過程中溫度分布規律以及各位置點微波吸收功率規律的影響。結果表明，兩類米飯的溫度變化規律基本一致:隨樣品L/R的增加，高溫區域從米飯內部逐漸向樣品上下表面轉移。大米顆粒狀態可以較為明顯地影響米飯溫度分布的對稱性。完整的顆粒狀態在L/R＜1.5時，會使微波功率在米飯內部產生更強的中心聚集吸收效果;在L/R≥1.5時，其會引起米飯復熱時邊角溫度過高。

方便米飯，微波復熱，顆粒狀態物料，溫度分布

為了滿足現代人們對方便、快捷食品的需求，工業化的米飯產品已經走進市場。具有新鮮烹調風味的可微波復熱方便米飯，由于加熱時間短、操作方便、香味和營養損失小且產品安全性高［1］，受到了廣大消費者的青睞。但由于對方便米飯在微波復熱過程中的溫度變化規律缺乏全面了解，目前市售方便米飯微波復熱后出現諸多問題，如過熱現象、溫度分布不均等，影響了微波米飯的食用品質［1］。大米在加工過程中會產生碎米，而碎米從營養、化學成分角度上與整粒米并無明顯差異［2］，因此將碎米制成糊狀方便米飯，不僅可以對糧食資源進行綜合利用，而且適合嬰幼兒、老年人及咀嚼不適的特殊人群食用。而不同破碎程度的同源性食品在微波場下的響應不同，有學者就顆粒狀塊莖類蔬菜的不同物料尺寸對其微波干燥過程的影響進行了研究［3］，而不同顆粒狀態的米飯在微波場下的溫度響應還未見報道，因此本文對碎米、完整顆粒大米制成的米飯進行對比研究，綜合反映兩種方便米飯微波復熱溫度分布規律。前期的研究中，主要針對均勻糊狀碎米米飯進行了溫度分布以及介電性質的研究［4－5］，本文在此基礎上，考察顆粒狀態對米飯微波復熱過程中溫度分布的影響，為指導方便米飯的生產提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

大米 中糧集團東海糧油工業有限公司;所用化學試劑 均為分析純。

MWS－8微波工作站 加拿大Fiso公司，包括NN－T251W型微波爐(日本panasonic公司)、光纖探針和FISO測試軟件;HPL932聚丙烯保鮮盒 韓國樂扣樂扣公司;MP2000D電子天平 上海第二天平廠;MB－YJ50CJ自動電飯煲 廣東美的生活電器制造有限公司;BCD－254三星電冰箱 博西華家用電器有限公司;FSP－18粉碎機 無錫中亞糧機廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備方法 將完整或破碎至50目的大米，置于4℃冰箱過夜，平衡水分。稱取200g清洗2次瀝干，按照物料∶水=1∶1.4(w/w)加水，于常溫下浸泡30min后，置入電飯煲中加熱15min，離散冷卻，裝入保鮮盒中，制成一定尺寸的圓柱型顆粒米飯、糊狀米飯樣品，用保鮮膜密封，置于4℃冰箱下儲藏，隔夜備用。

1.2.2 微波加熱溫度分布的測定方法 將4℃隔夜保藏的米飯放入微波工作站爐腔轉盤的中心位置，利用光纖探針和微波工作站FISO軟件，在線監測微波加熱過程中的溫度變化。微波功率900W，間隔1s記錄溫度，測定米飯位置點的溫度，每個點平行測定三次，繪制米飯的溫度分布圖，圖1為溫度探針測定點分布圖。

圖1 圓柱型米飯(4.0cm×4.0cm)溫度探針分布圖Fig.1 Temperature measurement locationsof cylindrical cooked rice(4.0cm in radius，4.0cm in height)

1.2.3 單位體積吸收功率的確定方法 求單位體積的吸收功率主要有兩種方法:麥克斯韋方程和朗伯定律。麥克斯韋方程考慮電磁波在樣品內部復雜的反射和衍射現象，因此可以得到樣品中發熱量的精確解。但由于計算繁瑣且耗時，目前較普遍的是采用朗伯定律計算微波功率吸收，即當樣品半徑為其穿透深度的2.7倍以上時，可以忽略內部的衍射影響［6］。朗伯定律公式為:q=qoe－2αz，q為單位體積物料吸收的微波功率(W/cm3);qo為單位表面入射功率(W/cm2);z為距離樣品表面的距離(cm)，α為衰減系數(cm－1)。將圓柱型樣品內部某點的微波吸收功率單純地考慮為來自側面以及上下表面的吸收功率的總和，將照射波假設成平面波并采用朗伯定律求得，具體公式見文獻［7］。因假定樣品上下表面和側面均勻接受照射，則樣品單位表面上的入射功率為:

其中qs為單位表面積入射功率(W/cm2);L為樣品厚度(cm);R為樣品半徑(cm)。

r為徑向方向距離中心軸線的距離(cm)，樣品中任意一點的微波吸收功率可由式(2)表示:

1.3 數據處理

采用Microsoft Office Excel軟件對實驗數據進行處理與分析，運用MATLAB軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 顆粒狀態對米飯溫度分布規律的影響

以半徑4cm，厚度/半徑比(L/R)分別為1、1.5、2、2.5的圓柱型尺寸的米飯為實驗對象，考察破碎和完整大米對微波復熱過程中米飯內部溫度分布的影響，用MATLAB編程，橫坐標為樣品半徑，縱坐標為高度，做出如圖2～圖3所示的二維溫度等高圖。

圖2 碎米加工米飯微波復熱90s時的溫度分布圖Fig.2 Temperature distribution contour maps of cylindrical cooked rice paste during 90s of microwave reheating

圖3 完整大米加工米飯微波加熱90s時的溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution contour mapsof cylindrical cooked rice during 90s of microwave reheating

從圖2～圖3中可知，兩種米飯樣品在相同的微波復熱條件下，溫度分布隨厚度/半徑比(L/R)增大的變化規律基本相同:高溫區域逐漸從樣品內部向上下表面轉移，相同尺寸下樣品出現熱點、冷點的位置大致相似。但顆粒狀態對微波復熱米飯的溫度分布有較強影響。在L/R=1時，雖然二者邊角溫度均為最小，但完整顆粒狀態的米飯，其溫度最高區域更加集中在樣品中心;當L/R=1.5時，破碎大米米飯在半徑3cm、高度3cm處的溫度最高，中心位置次之，上表面溫度最低。而完整的顆粒狀態使樣品在高度4～5cm處溫度最高，近似中心水平面對稱的溫度分布消失，下表面溫度最低;在L/R=2時，兩個樣品內部均出現多個熱點，但可以看到，物料的完整顆粒狀態加重了米飯微波復熱后邊角溫度過高的情況;當L/D=2.5時，二者均出現表面加熱效應，表面溫度最高，內部溫度最低，通過對比發現，完整顆粒狀態擴大了這種表面過熱效應的區域。分析這種表面效應可能的原因是:在半徑相同的情況下，微波可以從上下表面穿透厚度為4cm的樣品，隨著高度的增加，穿透深度逐漸減小，樣品的微波吸收功率向表層聚集，導致表面加熱效應。同時微波在傳播的過程中，在介質界面會發生反射和折射，導致駐波效應，從而在樣品高度方向上會出現不均勻的電場分布［8］，界面處電場強度高，升溫快。而大顆粒物料，表面不平整，可能使得這種在界面上反射、折射導致的駐波效應增強，因而顆粒狀態加重了米飯的表面加熱效應。

2.2 顆粒狀態對米飯加熱過程中心溫度變化規律的影響

軸向溫度分布是體現圓柱型樣品在輻射場中加熱過程均勻性的關鍵指標，國外學者對此已經開展了一些研究［9－10］。本實驗通過對兩種米飯不同加熱時間下中心軸線的溫度變化進行測定，進一步考察顆粒狀態對米飯微波復熱結果的影響，結果見圖4～圖5。

從圖4、圖5可以看出，隨著樣品厚度/半徑比(L/R)的增大，兩種米飯的軸向溫度分布的變化規律大致相同:最高溫度點逐漸從中心軸線上的中心位置向樣品邊緣轉移，當L/R=2.5時，樣品中心線上的溫度在上下表面處最高。這是由于樣品厚度增加，微波穿透深度逐漸減小，并且在界面發生駐波現象，導致樣品內部電場分布出現“震蕩”，導致溫度分布差異［8］。中心軸線的溫度變化規律也印證了之前溫度分布的結果。

圖4 微波加熱圓柱型破碎大米加工米飯的中心軸線時間－溫度變化圖Fig.4 Temperature distribution along the centerline of a rice paste cylinder

通過進一步比較圖4～圖5可以發現，相同尺寸的兩種米飯之間存在明顯的差別。完整顆粒狀態的米飯中心線上沿中心水平面溫度分布的對稱性消失;相同條件下完整顆粒米飯的各點溫度更高，在L/R≥1.5，加熱時間90s時，尤為明顯。分析原因，主要是由于兩種米飯物理性狀的差別導致的，破碎大米樣品體系成糊狀，相對均勻，而完整大米樣品體系的均勻性相對較差，顆粒之間存在空隙，這些空隙被空氣或水分填充，導致樣品介電常數、介電損耗因數的各點差異性增強，微波功率吸收不均勻。完整顆粒米飯也會引起樣品傳熱介質的不均勻，各點熱傳導系數不同。因此顆粒米飯的中心水平面對稱性差，溫度分布呈現不嚴格規律分布。

圖5 微波加熱圓柱型完整大米加工米飯的中心軸線時間－溫度變化圖Fig.5 Temperature distribution along the centerline of a rice cylinder

2.3 顆粒狀態對米飯單位體積吸收功率的影響

樣品中某點的吸收功率是其在微波場中溫度響應的重要原因，單位體積吸收功率的分布影響樣品內的溫度分布，因此對兩種米飯樣品在一定尺寸(半徑4cm，厚度4cm)下的單位體積吸收功率進行測定比較，進一步探究顆粒態對溫度分布影響的原因，結果見圖6。

單位體積吸收功率由式(2)計算得到，其中由介電常數和介電損耗測得:碎米米飯衰減系數α1= 0.40cm－1，完整顆粒米飯衰減系數α2=0.53cm－1。運用國際電工委員會規定的標準進行實驗測得微波爐在功率900W時，實際入射功率為(718.7±10.7)W。有研究表明，這與磁控管的使用年限以及加熱時間有關，加熱時間過長，導致磁場下降，工作電壓下降，使實際入射功率降低［11］。因此由式(1)可得，樣品單位表面積的入射功率為qs=3.57W/cm3。運用Excel編輯式(2)，求出樣品中任意一點微波吸收功率。再用MATLAB軟件作圖，數據用矩陣表示，編輯命令，做出如圖6所示的3D微波吸收功率網格圖。

圖6 圓柱型米飯樣品的吸收微波功率分布Fig.6 View of microwave absorption power distribution of cylindrical cooked rice

從圖6可以明顯看到，在同一高度水平面上，兩種米飯各位置點處微波吸收功率均沿徑向方向自內向外先減小后增大，并且二者均在中心軸線有最大功率吸收。可能的原因是:功率耗損在傳播過程中呈指數減小，另一方面曲率(R/r)對控制體中微波的集聚效應，致使微波吸收功率向樣品中心轉移［12］。但大顆粒對米飯樣品各點的功率吸收分布影響比較明顯:吸收功率的尺寸對稱性降低。對于破碎大米樣品而言，半徑相同時，不同高度位置點處的微波吸收功率呈中心水平面對稱，碎米米飯的上表面和下表面吸收功率最大，在高度2cm處的吸收功率最小;而完整顆粒米飯最大吸收功率出現在樣品中心，在中心軸線附近時，大顆粒狀態使得米飯的微波吸收集中在樣品中心(高度2cm)，與破碎大米樣品中心軸線附近的吸收微波功率情況恰好相反，這很好地解釋了圖3(a)中為何溫度最高區域更加集中在樣品中心的原因。破碎大米米飯的單位體積吸收功率最大值為6.89W/cm3，而完整大米的為13.61W/cm3，其值明顯高于破碎大米樣品的吸收功率，這也解釋了圖5中完整大米顆粒樣品的各點溫度較相同條件下的破碎大米樣品更高的原因。

3 結論

隨著米飯樣品厚度/半徑比(L/R)的增大，破碎和完整大米加工米飯的溫度分布規律以及中心線溫度變化規律基本相同:高溫點逐漸從樣品內部向上下表面轉移。大顆粒狀態會影響溫度分布以及功率吸收的對稱性。在L/R≥1.5時，完整顆粒大米使米飯樣品表面的駐波效應增大，導致表面最高溫度明顯高于均勻糊狀碎米體系。在L/R＜1.5時，物料的大顆粒狀態會使微波功率在圓柱型樣品內部產生中心聚集效果。研究結果對可微波碎米、整米方便米飯的實際生產具有一定的指導意義。

［1］SUHUBERT H.食品微波加熱技術［M］.北京:中國輕工業出版社，2008:48－49.

［2］彭光榮.碎米產生的途徑以及減少碎米的措施［J］.糧食與飼料工業，2007(12):1－2.

［3］顏偉強.顆粒狀切割塊莖類蔬菜微波噴動均勻干燥特性及模型研究［D］.無錫:江南大學，2011.

［4］李春香，范大明，陳衛.米飯熱物性和介電特性研究［J］.食品科學，2011，32(3):103－107.

［5］FAN Daming，LI Chunxiang，MA Wenrui，et al.A study of the power absorption and temperature distribution during microwave reheating of instant rice［J］.International Journal of Food Science and Technology，2012，47:640－647.

［6］ZUCKERMAN H，MILTZ J.Temperature profiles in dough heating with a susceptor in the microwave oven［J］.Journal of Food Processing and Preservation，1998，22:53－65.

［7］LIN Y E，ANANTHESWARANAT R C，PURIB V M.Finite element analysis of microwave heating of solid foods［J］.Journal of Food Engineering，1995，25:85－112.

［8］HOSSAN M R，BYUN D Y，DUTTA P.Analysis of microwave heating for cylindrical shaped objects［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53:5129－5138.

［9］CURET S，ROUAUD O，BOILLEREAUX L.Microwave tempering and heating in a single－mode cavity:Numerical and experimentalinvestigations［J］.ChemicalEngineering and Processing，2008，47:1656－1665.

［10］YANG H W，GUNASEKARAN S.Comparison of temperature distribution in model food cylinders based on Maxwell’s equations and Lambert’s law during pulsed microwave heating［J］.Journal of Food Engineering，2004，64:445－453.

［11］KHRAISHEH M A M，COOPER T J R，MAGEE T R A.Microwave and air drying I.fundamental considerations and assumptions for the simplified thermal calculations of volumetric power absorption［J］.Journal of Food Engineering，1997，33: 207－214.

［12］ROMANO V R，MARRA F，TAMMARO U.Modelling of microwave heating of foodstuff:study on the influence of sample dimensions with a FEM approach［J］.JournalofFood Engineering，2005，71:233－241.

Particle state effect on temperature distribution of instant rice during microwave reheating process

WANG Li－yun1，FAN Da－ming1，*，PANG Ke2，HUANG Jian－lian3，ZHAO Jian－xin1，CHEN Wei1，ZHANG Hao1
(1.Staten Key Laboratory of Food Science and Technology，School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China;2.Wuxi Huashun Minsheng Food Co.，Ltd.，Wuxi 214218，China; 3.Fujian Anjoy Food Share Co.，Ltd.，Xiamen 361022，China)

The microwave workstation and the online monitoring optical fiber probes were used to research and develop the instant rice of different particle state.The work was performed on the broken rice and complete particle rice with different thickness/radius ratio(L/R)to study the effect of material particle state on the temperature distribution as well as the microwave absorption power law during the microwave reheating process of instant rice.The results showed that the temperature variation of the two types of rice was basically identical.The high temperature regions transfered gradually to the upper and lower surface as the sample thickness/radius ratio (L/R)increased.And the rice particle state affected the symmetry of temperature distribution significantly.Complete particle state maked the absorbed microwave power distributed more center in the samples when L/R was less than 1.5，and it caused the samples overheated at the edge and corner when L/R was more than 1.5.

instant rice;microwave reheating;particle material;temperature distribution

TS213.3

A

1002－0306(2012)21－0053－05

2012－04－20 *通訊聯系人

王麗云(1987－)，女，博士，研究方向:食品加工技術。

國家科技支撐計劃(2008BAD91B03);國家科技部農業科技成果轉化資金項目(2008GB2B200083)。