微波加工過程中食品溫度分布規律及其均勻性研究

張柔佳，王易芬，欒東磊*

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

微波技術最早應用于通訊領域，美國Raytheon公司工程師SPENCER在測試用于雷達裝備的磁控管時，偶然發現了微波的熱效應，并在1945年申請了第一個關于微波加熱的專利(專利號：2495429A)，由此開啟了微波在食品熱加工領域的應用[1]。微波加熱因其加熱快速、操作方便等優點，在食品熱加工領域的應用越來越廣泛。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。而在食品工業中，微波加熱主要用于食品的解凍、復熱、燙漂、干燥和殺菌。

熱處理過程會損害食品中的熱敏物質，影響品質。溫度和時間是決定食品加熱過程中熱損害程度的主要因素，傳統加熱方式主要通過傳導、對流等方式將熱量從外部熱源傳遞到食品內部，加熱時間較長，加熱不均勻，從而造成食品風味、色澤、質構及營養成分的損失。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間，提高產品品質。如BENLLOCH-TINOCO[2]研究了微波和傳統恒溫水浴2種滅菌方式處理對獼猴桃泥的影響，實驗結果表明微波處理能更好地保留葉綠素；同樣，EL-SHIMI[3]以牛肉片為研究對象，對比了傳統加熱與微波加熱在烹飪及復熱階段的感官品質，發現微波處理的牛肉片風味得分更高；又如OZTOP[4]研究了微波真空油炸與傳統油炸工藝對薯條品質的影響，發現微波真空油炸薯條的含油量較低。此外，JIANG[5]發現與傳統冷凍干燥相比，微波冷凍干燥在凍干香蕉片時，系統消耗能量減少、干燥時間縮短。

雖然微波加熱技術具備上述優點，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，也是阻礙微波大規模工業化應用的原因之一。部分研究發現，食品冷熱點之間的溫度差異較大。食品局部區域過熱，會導致食品品質下降，而食品中出現冷點則會導致滅菌不完全，引起食品安全問題。因此，提高微波加熱的均勻性是國內外食品加工領域面臨的共同難題，將微波加熱的溫度分布規律按照食品種類進行系統性總結，并對目前國內外有關提高微波加熱均勻性的方法進行歸納與分析，可促進微波加熱技術在食品加工行業的研究與應用。

1 微波加熱機理

微波是一種頻率范圍在300 MHz～300 GHz的電磁波，對應波長在1～0.001 m之間，為避免干擾通信，美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，簡稱FCC)規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，而工業科學及醫學應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]。食品內部極性分子的偶極子旋轉和離子傳導是微波加熱的主要原因[7]。當食品處于微波的交變電場中，食品內的極性分子會沿著電場方向重新排列，這種排列以每秒數千萬次以上的頻率在交變微波電場中發生，從而引起分子間的摩擦，產生熱量。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e≈2.718)的深度時經過的距離：

(2)

其中：λ為波長(m)。

微波在食品中的穿透深度與波長成正比，即高頻微波的穿透深度較小，根據不同食品含水量，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量方法包括：平行極板(電容器)技術、同軸探頭技術、傳輸線技術、自由空間法和諧振腔技術。其中，開放式同軸探頭技術[9]可在較寬溫度和頻率范圍內的測量，且測量簡便、穩定性高，是目前測試食品介電特性最為方便、快速的技術。研究食品的介電特性有助于利用數學模型分析食品在電磁場中的特性，達到檢測食品組成成分、優化微波加熱設備、提高加熱均勻性的目的。

2 食品微波加熱溫度分布規律的研究進展

許多學者針對不同食品材料對其微波加熱過程進行了大量研究，因此本文按照食品種類，對目前研究報道中食品的溫度分布規律進行總結。

2.1 模擬食品

由于食品材料自身的復雜性，在實驗研究中，真實食品的實驗可重復性較低，以真實食品為樣本研究其在微波加工中溫度分布規律的難度較大。而且食品樣本只能進行單次實驗，對于用量較大的工程研究來說，經濟成本較高。同時，在測量溫度時，對真實食品來說，只能利用紅外熱成像儀觀察食品表面溫度，或利用熱電偶測量內部有限個數的溫度值，無法得到完整的溫度場，而利用與真實食品的介電特性和熱物性相似的模擬食品，結合chemical marker技術可得到模擬食品的內部溫度分布[10]。因此，目前許多學者研究了模擬食品在微波加熱過程的溫度分布規律。

與食品一樣，模擬食品的組分變化會影響其溫度分布。FAKHOURI[11]研究了乳清蛋白和脂肪的添加量對微波加熱溫度分布的影響，實驗以10 %的淀粉凝膠為基質，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(內腔34 cm×33 cm×27 cm，無轉盤)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律，實驗將模擬食品劃分成4×4的網格，依次記錄了上述加熱時間條件下所有網格點和平面中心點上4種不同深度的溫度數據。結果表明，脂肪含量越多，溫度分布越均勻，而蛋白質則反之。當無脂肪時，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。而隨著微波加熱時間的延長，加熱速率反而會下降，這是由于對流和蒸發熱損失造成的，由于模擬食品和外界冷環境的溫差增加，對流熱損失也隨著增加，而食品中水蒸氣的產生和逃逸，也使蒸發熱損失不斷增加。增加食品中的離子含量，會導致介電損耗增加。因此在模擬食品中，經常用控制含鹽量的方法來調整介電損耗。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。實驗發現，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的中心區域溫度，與樣品Ⅰ、Ⅱ相比較低；而對比樣品Ⅲ～Ⅴ，可以發現有含鹽瓊脂凝膠的區域溫度相對較高，因此鹽的添加會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，結果發現含鹽量越多，介電損耗越大，同時鹽的添加也會引起解凍時間的延長和穿透深度的減少，導致溫度分布不均。當含鹽量為0%、0.5%、1%和2%時，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認為解凍的表面會吸收大部分微波能量，而介電損耗的增加會導致穿透深度急劇增加，從而對食品內部產生屏蔽效應，導致溫度分布不均。

由此可以看出，模擬食品與真實食品相比，其介質較為均勻、單一，但模擬食品在微波加熱條件下，仍存在較大溫差。真實食品由于個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，可通過調整其組分或優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。溫度對微生物的生長繁殖影響很大，肉類中自由水凍結成冰后可使微生物的酶活性降低，其生長繁殖受到一定抑制，但并不意味著冷凍可以殺死微生物。因此微波加熱后，食品冷點區域中保持活性的酶會重新活躍起來，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，微波爐內含轉盤和攪拌器)下表面溫度的分布情況，實驗發現整雞的肛門、翅膀、小腿及下背處的溫度分別達88、97、90和96 ℃。而此時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。當餡餅的中心溫度到達76.7 ℃時，測量餡餅邊緣、中心和中間區域的溫度，結果發現餡餅邊緣溫度達90 ℃以上，而中心和中間區域的溫度僅為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的微波滅菌系統進行滅菌，由于冷點集中在食品的中層區域，因此僅研究樣品中層區域的溫度分布，實驗發現熱量主要集中在中間區域，而在托盒中層距前端和后端18 mm處的位置出現冷點。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，與傳統水浴加熱相比，微波加熱可提高魚糜凝膠化品質，如曹燕[17]發現利用微波加熱鰱、狹鱈魚糜，其凝膠形成速度比傳統水浴加熱快，且凝膠破斷力大。但在一些研究[18-19]中也發現，由于微波分布不均，微波促凝膠化過程會出現熱點，當熱點溫度接近沸點時，會造成過熱點區域的水分瞬間蒸發，產生較高壓力，破壞凝膠結構。

綜上所述，肉類微波加工過程溫度分布不均勻，冷熱點溫差較大。而加熱不均勻是引發微生物滅活不徹底主要原因，近年來已有多起相關食品安全事件的報道。對于體積較大、形狀不規則的肉類(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，由于食品疊加或局部空隙暴露，其溫度分布也不均勻，因此可通過設計合理的堆放方式、聯合其他加熱技術等手段，優化溫度場分布。另外，對于肉類制品，可通過調整其組成成分達到提高均勻性的目的。

2.3 即食食品

隨著生活節奏的加快，人們對各種即食食品的需求量越來越大，食品供應商也開發了類型多樣的微波即食食品(如米飯便當、速食面等)，許多學者也對微波加熱不同組分的即食食品中的溫度分布進行相關研究。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，實驗結果表明，在食品生產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，但通過延長加熱時間將肉醬千層面的中心溫度達到安全溫度時，食品邊緣和頂角已發生輕微褐變。RYYNNEN[20]研究了包含肉餅、醬汁、土豆泥、胡蘿卜4種食品在內的冷凍即食食品在微波加熱下的溫度分布情況，結果發現微波加熱30s后，熱點與冷點之間的溫差達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象，微波加熱(2 450 MHz，無轉盤)后發現，對于肉醬意大利面來說，當邊角溫度達到92.9 ℃時，中心溫度僅為27.4 ℃，而對于三文魚壽司來說，邊角溫度為96.8 ℃時，中心溫度僅為33.6 ℃，冷熱點溫度差高達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、熱物性等參數差異較大。對于含有不同種類的即食食品來說，可通過優化包裝材料和包裝設計、優化食品擺放位置等方式，提高加熱均勻性。而對于成分單一的即食食品來說，應通過優化其形狀尺寸、聯合其他加熱技術等手段，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觀察了芒果片在微波真空干燥過程中的水分分布情況，發現芒果片中心區域的水分含量最低，而4個邊角上的水分含量相對較高，并認為這是由于微波加熱時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值調整到3.8，在915 MHz微波隧道中進行加熱，實驗發現含鹽量為1%的腌漬溶液會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處出現60 ℃的冷點，酸化蔬菜由于含鹽量較高，在微波加熱過程中穿透深度會急劇減小，當食品尺寸超過穿透深度時，就會導致加熱不均勻，食品表面溫度較高。

微波干燥谷物時，也存在著溫度分布不均的問題。MANICKAVASAGAN[24]對不同含水量的谷類經微波干燥后的溫度上升和溫度場分布不均勻的問題進行研究，大麥和小麥按水分含量分為12%、15%、18%和21%四個種類，油菜籽分為8%、12%、15%、18%和21%五個種類，實驗結果表明，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象，冷熱點溫差分別為7.2～78.9 ℃、3.4～59.2 ℃、9.7～72.8 ℃。當微波解凍半流體食品時，這種溫度分布不均的現象也存在。AROCAS[25]對比了微波解凍和水浴解凍對白醬的影響，雖然實驗結果表明微波解凍白醬的速率明顯高于傳統水浴解凍，但通過紅外熱成像分析發現，水浴解凍白醬的溫度分布呈同心圓，由外向內溫度逐漸降低，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，無論在替代真實食品的模擬食品實驗中，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象始終存在，且冷熱點之間的溫差較大，這成為限制微波加工技術發展的主要原因。

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，許多學者研究了引起該現象的原因，主要包括電場分布不均勻、食品自身組分不均等，并根據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：提高電場分布均勻性、改善食品組分及幾何尺寸、優化環境媒介及包裝形式。

3.1 提高電場分布均勻性

在食品微波加工過程中，有多種因素以復雜的形式交互影響食品的溫度分布，其中波導、輻射器和諧振腔的設計對加熱效果起主導作用。

DOMINGUEZ-TORTAJADA[26]根據遺傳算法設計了帶有補給系統的多模微波腔，補給系統由波導或槽陣列組成，腔內的電場形式由補給系統的位置決定，通過設計合理的排布位置，腔內電場的均勻性顯著提高。WANG[27]將導電金屬體置于微波爐內，利用其對微波的反射改善整個電場的均勻性，實驗研究了導電金屬體的位置、尺寸和數量對電場分布的影響，結果證明合理的擺放位置可以提高電場均勻性，同時電場強度也有所提高。此外，微波系統的尺寸結構、波導口形狀等因素都會影響電場均勻性[28]。

還有學者通過模式攪拌器或移動食品(放置在傳送帶或轉盤上)，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電場的影響，認為模式攪拌器可提高電場的均勻性。KOSKINIEMI[23]在研究酸化蔬菜的微波殺菌時發現，通過傳送帶上設計的兩級旋轉裝置將傳送帶上的杯裝蔬菜旋轉180 °，可提高杯裝酸化蔬菜的加熱均勻性，與無旋轉裝置的傳送帶相比，冷熱點溫差由37.9 ℃降至17.5 ℃，且杯中的冷點溫度達到77 ℃，滿足滅菌要求。在微波爐中，最簡單的提高均勻性的方法就是采用轉盤，但相應的數學模型較為復雜，GEEDIPALLI[30]根據求解電磁場的麥克斯韋方程和熱傳導方程，對微波爐中轉盤提高加熱均勻性的作用進行研究，利用有限元分析法進行建模，并進行實驗驗證，結果表明與靜止食品的溫度場相比，轉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的食品溫度分布模型，研究了轉盤連續旋轉對微波加熱的影響，對圓柱形和矩形樣品的溫度分布進行分析；也有學者[32]對帶轉盤的微波解凍冷凍食品的傳熱傳質過程進行建模，模型包括了麥克斯韋電磁場加熱、能量守恒、水分和水蒸氣的質量守恒、冰的融化相變和水分的蒸發等。

在微波加熱過程中，食品的擺放位置也會影響電場分布。RYYNNEN[20]研究了食品的擺放位置對微波加熱均勻性的影響，以肉餅、醬汁、土豆泥、胡蘿卜4種食品在內的冷凍即食食品為研究對象，將4種食物放置在圓形塑料托盤內，食品以圓盤的軸線保持左右對稱，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)。實驗結果發現，食品擺放位置對加熱均勻性的影響很大，可利用邊角熱效應改善溫度分布均勻性。

提高電場均勻性是提高食品微波加熱均勻性的主要手段，在微波腔內的反射可通過設計合理的導電珠子得到優化。模式攪拌器、轉盤、傳送帶均可提高電場的均勻性，且在設計研發微波方便食品時，還需考慮食品擺放位置對電場的影響。

3.2 改善食品組分及幾何尺寸

食品的組成成分對溫度均勻性改善有著重要的作用，利用添加鹽的方式可調整食品的介電特性，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發現，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致離子傳導增強而引起的結果。但AL-HOLY[34]以三文魚和鱘魚魚子醬為研究對象，研究了其在微波巴氏滅菌過程中的介電特性，對比不同含鹽量的魚子醬，發現在915 MHz下，隨溫度增長，鱘魚魚子醬的介電特性與介電常數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。除了通過添加適當的材料改變食品的組成成分外，對于不均勻食品來說，還應考慮食品自身組成成分對介電特性的影響，以雞蛋為例，WANG[35]發現，液體蛋清和液體全蛋的熱變性會影響其介電常數和介電損耗。在微波加熱過程中，預煮過的蛋白和全蛋的介電常數隨溫度的升高而降低，液體全蛋、預煮全蛋、液體蛋清、預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，研究者認為蛋白和全蛋的介電特性的差異主要是由于離子傳導的差異性引起的。

食品的幾何尺寸對冷熱點的分布影響也較大，如加熱矩形、三角形食品一般會出現由于散射造成的邊角過熱現象，而對于表面凸起的食品(如球形、柱狀)，則會出現中心過熱的現象，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域。VILAYANNUR[36]利用土豆為研究樣本，實驗以3種形狀(長方體、圓柱和六角棱柱)為例，并對比了各個形狀在不同體積(75 cm3、90 cm3、105 cm3)下的溫度分布情況，結果發現六角棱柱的標準偏差(體積為90 cm3時，4.9～6.4 ℃)最小，即六角棱柱的溫度分布最均勻，但到達80 ℃所需的時間最長，為61 s(長方體48 s、圓柱44 s)。BRODIE[37]對比了微波加熱在長方體、圓柱、球形的瓊脂凝膠中的溫度分布情況，結果表明長方體樣品中的最高溫度出現在頂角。對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2個對稱的溫度峰值，溫度分布呈啞鈴狀，而當介電損耗或圓柱直徑增加時，最高溫度呈環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集中在球心，當介電損耗或直徑增加時，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律，發現中心溫度到達50 ℃時，形狀為大平板的樣品需要的時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，而最冷點均出現在樣品的中心。相同形狀的食品，在特定的微波加工條件下也會存在最優尺寸，如范大明[39]研究了微波復熱(2 450 MHz、900 W，含轉盤)過程中尺寸效應對冷藏方便米飯溫度分布的影響，以圓柱型米飯為實驗對象，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。對于2 cm半徑的樣品，加熱30 s時出現溫度中心聚集效應，中心與邊緣溫差為45 ℃左右，當L/D比值增大時，中心溫度逐漸降低，熱點沿縱軸線從中心向上下表面遷移，這是由于半徑較小導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，能量聚集點向表面遷移。通過對比得出，微波加熱均勻性最優的尺寸為半徑4 cm、高度4 cm。

由于離子傳導是微波加熱的原因之一，因此含鹽量也會影響食品的溫度變化，但對不同食品，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分布規律也不相同，在加熱條件一定的情況下，應對食品的形狀尺寸進行優化。

3.3 優化環境媒介及包裝形式

環境媒介和包裝形式的優化，也可有效提高食品微波加熱的均勻性，主要手段包括：聯合其他加熱技術、采用活性包裝容器等。

直接利用微波干燥食品，雖然時間明顯比傳統手段短[40]，但局部易出現過熱，導致食品微觀結構被破壞，產生褐變，影響復水率。利用微波輔助其他技術(如歐姆加熱、熱風加熱等)加工食品，并優化其工藝過程，可有效改善上述問題。LEE[41]設計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)，實驗發現單獨利用微波加熱或歐姆加熱時，顆粒食品和鹽溶液(鹽溶液濃度為12.5 g/L時)的最大溫差分別為(7.1 ± 1.7)℃和(11.9 ± 2.9)℃，而將微波聯合歐姆加熱時，最大溫差小于3.08 ℃。顆粒狀食品的干燥一般在流化床中進行，許多學者對微波聯合流化床干燥技術提高干燥均勻性進行了大量研究[42-43]，噴動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]采用微波噴動干燥處理胡蘿卜丁，實驗觀察了單級、雙級和三級微波噴動干燥，發現在干燥的最后階段，胡蘿卜丁表面溫度均保持穩定、溫度分布較均勻，3種方法在胡蘿卜丁內產生的最大溫差分別為3.7、4.4、4.1 ℃，即未出現局部過熱的現象，這是由于微波產生的熱量被噴動氣流不斷汽化冷卻造成的，雙級與三級噴動的色澤較好、類胡蘿卜素和葉綠素含量較高，且有較好的復水能力。此外，RESURRECCION[45]在研究包裝食品在微波輔助滅菌系統下微波功率變化對其加熱方式的影響的實驗中發現，在微波輔助滅菌系統中利用去離子水作為循環水時，乳清蛋白凝膠的溫度比用自來水條件下增加23%～37%，認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水吸收，而食品相對吸收較少，因此溫度較低。

除了將微波技術與其他技術相結合之外，適宜的包裝材料和包裝形式也可提高微波加熱均勻性。設計適宜的微波包裝系統可促進食品表面褐變和保證食品組織松脆，或者產生高溫蒸汽保持食品水分，對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，對食品無加熱作用。活性包裝容器可與微波相互作用，從而產生新熱源，對食品的特定部位進行傳熱。活性包裝容器可分為3種類型：感受器、場強屏蔽裝置和引導裝置。對于微波加熱過程中，食品內部溫度高于表面溫度的問題可通過引入感受器解決，感受器將微波能轉化為熱能，并與食品接觸促使食品表面溫度升高。國外已有許多學者申請了關于不同形狀、不同涂層材料感受器的相關專利[46]。油炸食品在微波復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，實驗以預先油炸過的雞肉塊為研究對象，將其表面裹上不同含鹽量的海藻酸溶液，置于微波爐中復熱，實驗結果表明，海藻酸薄膜可以有效加熱雞肉塊，使溫度分布更加均勻，縮短加熱時間。對于微波加熱后食品表面出現過熱的問題，可通過場強屏蔽和引導裝置解決，兩者都是利用金屬片改變食品中的電磁場分布來改善均勻性，前者是阻止邊緣對電磁波的吸收，從而防止食品邊緣的過度加熱，后者是將電磁波引導至金屬片所在的位置，控制能量的排布。如將鋁片設計成適宜的幾何形狀，并與披薩包裝的基座托盤組合，當微波加熱披薩時，將微波能傳輸至能量吸收不足的披薩底部區域。HO[48]研究了金屬片對柱狀食品在微波加熱過程中的屏蔽效應，實驗將0.002 cm厚的鋁片設計成不同寬度，并對比了不同放置形式對食品熱效應的影響，并認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)是一個重要的設計變量。

4 總結與展望

冷熱點的溫度差異較大、加熱不均勻，是導致微波在工業領域發展受限的主要原因。雖然目前已研發了大量關于改善溫度場均勻性的相關工藝方法和裝置，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，因此在未來還需對提高微波加熱均勻性進行深入研究。

有關微波加工食品的報道大多數集中在針對不同食品的工藝優化上，主要目的是為了提高食品的加工品質(如改善感官評分、質構等理化參數)，且工藝優化的研究主要集中在利用微波聯合其他加工技術(如熱風加熱、水浴加熱、真空冷凍等)的最佳加工工藝的確定。在大多文獻中，與溫度分布相關的篇幅所占比例不高，關于食品中溫度場的研究并不深入，僅對不均勻現象進行定性描述，忽略了提高加熱均勻性才是改善食品加工品質的基礎。

目前關于微波加工的研究，主要是將食品的各個加工環節獨立討論，例如僅對解凍或滅菌過程單獨研究，但在實際工程應用中，食品加工是一個連續的過程，如冷凍食品可能包括解凍(0 ℃以下)和加熱(0 ℃以上)2個環節，而該過程又伴隨了冰的相變、水分蒸發、蛋白質變性等多種因素，對研究微波在連續加工食品過程中不同環節的應用尚不完善，各個環節的相互耦合及影響作用仍需討論，微波加熱均勻性對食品品質的影響研究不深入。

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