狹鱈魚糜射頻解凍均勻性優(yōu)化

胡曉亮 ，王錫昌，李偉強(qiáng) ，朱福全 ，張柔佳，王培來 *

1.上海旅游高等專科學(xué)校（上海 201418）；2.上海師范大學(xué)旅游學(xué)院（上海 201418）；3.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院（上海 201306）

射頻產(chǎn)生的高頻交變電磁場激發(fā)食品內(nèi)部的離子振動(dòng)及水分子極性轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致摩擦生熱，其所攜帶能量較低，所以只具有加熱效應(yīng)，而并不像X射線、γ射線等具有電離性[1]。傳統(tǒng)解凍方式在處理大型尺寸的食品物料時(shí)，解凍時(shí)間往往過長，存在汁液流失嚴(yán)重的現(xiàn)象，且容易受到微生物侵染[2]。有學(xué)者對(duì)射頻解凍和傳統(tǒng)解凍方法進(jìn)行比較研究，將一定初始溫度的凍結(jié)食品解凍至目標(biāo)溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)射頻解凍所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法。相比傳統(tǒng)的解凍方法所需時(shí)間長、耗能大的不足，射頻解凍可有效提高食品的解凍效率[3]。

由于冰和水對(duì)電磁波能量的吸收存在差異，介電加熱具有選擇加熱的特性，解凍后的物料表面的邊角部位會(huì)有局部過熱的現(xiàn)象[4]。因此應(yīng)用射頻解凍狹鱈魚糜過程中存在由于介電特性變化導(dǎo)致的溫度分布的不均勻性。物料的不均勻加熱制約射頻加熱技術(shù)工業(yè)化的應(yīng)用，冷凍食品的不均勻加熱是食品加工行業(yè)朝高品質(zhì)化發(fā)展所面臨的首要問題[5]。

在射頻加熱過程中，影響?yīng)M鱈魚糜解凍均勻性的因素多種多樣[6]。射頻加熱腔體內(nèi)不同平面的電場分布不均勻，加熱腔體內(nèi)不同位置的電場強(qiáng)度差異較大，因此射頻功率、電極板間距、間歇加熱時(shí)間等因素均會(huì)影響冷凍魚糜解凍的均勻性[7]。對(duì)計(jì)算評(píng)價(jià)物料解凍均勻性方法進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件建立的數(shù)學(xué)模型探究不同因素變化對(duì)解凍后魚糜表面溫度分布的影響，根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，以射頻功率、極板間距和間歇時(shí)間為試驗(yàn)因素，以狹鱈魚糜解凍所需時(shí)間和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差作為解凍效果的評(píng)定指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，優(yōu)化狹鱈魚糜的解凍工藝，提高魚糜解凍均勻性，確定適合狹鱈魚糜射頻解凍的較優(yōu)技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

阿拉斯加狹鱈魚糜，2017年6月購于舟山興業(yè)有限公司。魚糜的主要成分見表1。

表1 狹鱈魚糜的主要成分

1.2 儀器與設(shè)備

12RF50射頻加熱設(shè)備；KEYSIGHT網(wǎng)絡(luò)分析儀；HW-TI100紅外熱成像儀；THERMIC 2100A光纖溫度傳感器；鉆孔機(jī)；等。

1.3 方法

1.3.1 解凍均勻性的評(píng)價(jià)方法

根據(jù)設(shè)定的步長，通過COMSOL Multiphysics軟件所建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的最后一步的溫度矩陣即為狹鱈魚糜解凍后的溫度數(shù)據(jù)[8]。根據(jù)網(wǎng)格劃分，繪制出狹鱈魚糜上表面、中間層和下表面3個(gè)面上的溫度分布圖，對(duì)比不同因素變化對(duì)解凍后狹鱈魚糜表面溫度分布的影響，比較各條件下冷熱點(diǎn)的數(shù)量和位置分布[9]。通過MATLAB 7.0軟件提取各溫度矩陣中的最高溫度Ttop和最低溫度Tlow，計(jì)算溫度均值Tmean和標(biāo)準(zhǔn)偏差TSD。對(duì)比溫度矩陣中的最高溫度和最低溫度可分析狹鱈魚糜表面的冷熱點(diǎn)溫差（ΔT=Ttop-Tlow），計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差可反映溫度矩陣中各溫度與溫度均值間的離散程度，狹鱈魚糜表面溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，則表明射頻解凍均勻性越好；反之，則說明解凍均勻性較差[10-12]。

1.3.2 射頻功率對(duì)解凍均勻性的影響

射頻頻率為27.1 MHz正弦波，射頻功率分別設(shè)為2.0，3.0，4.0和5.0 kW，狹鱈魚糜為靜止加熱狀態(tài)，其位置位于加熱腔x方向和y方向中央?yún)^(qū)域，魚糜樣品尺寸為300 mm×200 mm×30 mm，魚糜下表面距電極板上端130 mm，加熱時(shí)間300 s，加熱步長10 s/步。

1.3.3 極板間距對(duì)解凍均勻性的影響

射頻頻率27.1 MHz正弦波，射頻功率2.0 kW，狹鱈魚糜采用靜止加熱狀態(tài)，極板間距分別設(shè)定為7，9，11和13 cm，其位置位于加熱腔x方向和y方向中央?yún)^(qū)域，魚糜樣品的尺寸300 mm×200 mm×30 mm，加熱時(shí)間300 s，加熱步長10 s/步。

1.3.4 間歇時(shí)間對(duì)解凍均勻性的影響

射頻頻率27.1 MHz正弦波，射頻功率3.0 kW，狹鱈魚糜采用靜止加熱狀態(tài)，其位置位于加熱腔x方向和y方向中央?yún)^(qū)域，魚糜樣品尺寸300 mm×200 mm×30 mm，魚糜下表面距電極板上端130 mm，間設(shè)定為先加熱180 s，后分別停機(jī)間歇60，90和120 s，繼續(xù)加熱120 s，加熱步長10 s/步。

1.3.5 正交試驗(yàn)優(yōu)化射頻解凍工藝

根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，以對(duì)狹鱈魚糜溫度分布影響較大的射頻功率、極板間距和間歇時(shí)間為試驗(yàn)因素。采用溫度傳感器監(jiān)測(cè)魚糜內(nèi)部各測(cè)溫點(diǎn)溫度變化，以全部測(cè)溫點(diǎn)溫度達(dá)到-4 ℃作為解凍完成的標(biāo)志，記錄狹鱈魚糜解凍所需時(shí)間。以狹鱈魚糜解凍所需時(shí)間和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差作為解凍效果的評(píng)定指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，確定適合狹鱈魚糜射頻解凍的較優(yōu)技術(shù)參數(shù)[13]。試驗(yàn)因素水平見表2。

表2 因素水平編碼表

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用MATLAB 7.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用正交設(shè)計(jì)助手V3.1進(jìn)行正交試驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 射頻功率對(duì)解凍均勻性的影響

由圖1可知，隨著射頻功率變化，狹鱈魚糜在xy截面上的電場強(qiáng)度分布存在明顯差異，電場強(qiáng)度隨著射頻功率增加而逐漸增大，4種射頻功率下的魚糜在xy截面上的電場強(qiáng)度均呈軸對(duì)稱分布，高電場區(qū)域位于魚糜的中心部位，高電場區(qū)域形狀呈中心向四周輻射狀，魚糜邊角部位的電場強(qiáng)度相對(duì)較小。

圖1 不同射頻功率下魚糜表面的電場強(qiáng)度分布圖

由圖2可知，隨著射頻功率變化，魚糜表面的溫度分布存在明顯差異，但魚糜各層的冷點(diǎn)位置始終位于魚糜的中心部位，熱點(diǎn)位置始終位于魚糜的邊角區(qū)域，魚糜中間層的溫度要明顯低于上下表面，魚糜上表面溫度要高于下表面溫度。采用2.0 kW射頻加熱后的狹鱈魚糜表面熱點(diǎn)區(qū)域面積最小，熱點(diǎn)溫度也最低，溫度分布最為均勻；隨著射頻功率增大，魚糜邊角部位會(huì)有明顯的局部過熱現(xiàn)象，采用5.0 kW射頻加熱后的魚糜表面熱點(diǎn)數(shù)量最多，熱點(diǎn)區(qū)域面積最大，熱點(diǎn)溫度也最高。Soyer等[14]對(duì)雞肉的射頻加熱試驗(yàn)得出類似結(jié)論，隨著射頻功率增加，冷凍雞肉的升溫速率提高，但雞肉冷熱點(diǎn)溫差增加，雞肉樣品的邊角部位會(huì)形成局部過熱現(xiàn)象。

經(jīng)不同功率射頻解凍后狹鱈魚糜的溫度數(shù)據(jù)如表3所示。經(jīng)不同功率的射頻解凍狹鱈魚糜后的最高溫度與最低溫度的差值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均存在明顯差異，采用2.0 kW射頻加熱后的狹鱈魚糜最高溫度26.3 ℃，最高溫度與最低溫度差值33.5 ℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差值最小，溫度分布最為均勻；隨著射頻功率增加，狹鱈魚糜的最高溫度逐漸增大，最低溫度逐漸升高，標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸增大，溫度分布均勻性逐漸變差；射頻功率增加到5.0 kW時(shí)，狹鱈魚糜最高溫度可達(dá)68.2 ℃，最高溫度與最低溫度差值72.7 ℃，溫度分布的均勻性較差。射頻功率變化會(huì)影響?yīng)M鱈魚糜內(nèi)部冷熱點(diǎn)的數(shù)量和位置分布，射頻功率較低時(shí)，狹鱈魚糜具有較好解凍均勻性。Uyar等[6]應(yīng)用射頻加熱肉塊也得出類似結(jié)論，電磁波進(jìn)入物料后，肉塊樣品中間部位的電場分布比較均勻，但在樣品邊角部位的電場發(fā)生扭曲，隨著射頻功率增加，肉塊的溫度分布均勻性變差。

圖2 不同射頻功率下魚糜的溫度分布圖

表3 不同射頻功率的魚糜溫度數(shù)據(jù)表

2.2 極板間距對(duì)解凍均勻性的影響

由圖3可知，隨著極板間距變化，魚糜表面的溫度分布存在明顯差異，但魚糜各層的冷點(diǎn)位置始終位于魚糜的中心部位，熱點(diǎn)位置始終位于魚糜的邊角區(qū)域，魚糜中間層溫度要明顯低于上下表面溫度，魚糜上表面溫度要高于下表面溫度。采用極板間距13 cm經(jīng)射頻加熱后的狹鱈魚糜表面熱點(diǎn)區(qū)域面積最小，熱點(diǎn)溫度也最低，溫度分布最為均勻；隨著極板間距減小，魚糜邊角部位會(huì)有明顯的局部過熱現(xiàn)象，采用極板間距7 cm經(jīng)射頻加熱后的魚糜表面熱點(diǎn)數(shù)量最多，熱點(diǎn)區(qū)域面積最大，熱點(diǎn)溫度也最高。這與Ozturk等[7]研究結(jié)果一致，射頻加熱后的狹鱈魚糜溫度分布均勻性整體較好，但隨著極板間距減小，魚糜邊角部位容易發(fā)生“熱逃逸”現(xiàn)象。

狹鱈魚糜在不同極板間距條件下經(jīng)射頻解凍后的溫度數(shù)據(jù)如表4所示。不同極板間距條件下經(jīng)射頻解凍后狹鱈魚糜的最高溫度與最低溫度的差值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均存在明顯差異，采用極板間距13 cm經(jīng)射頻加熱后的狹鱈魚糜表面最高溫度26.3 ℃，最高溫度與最低溫度差值33.5 ℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差值最小，溫度分布最為均勻；隨著極板間距減小，狹鱈魚糜的最高溫度逐漸增大，最低溫度也逐漸升高，標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸增大，溫度分布均勻性逐漸變差；當(dāng)極板間距減小到7 cm時(shí)，狹鱈魚糜最高溫度57.6 ℃，最高溫度與最低溫度差值62.4 ℃，溫度分布的均勻性較差。加熱腔內(nèi)極板間距的變化會(huì)影響?yīng)M鱈魚糜內(nèi)部冷熱點(diǎn)的數(shù)量和位置分布，當(dāng)極板間距較大時(shí)，狹鱈魚糜具有較好的解凍均勻性。

圖3 不同極板間距下魚糜的溫度分布圖

表4 不同極板間距的魚糜溫度數(shù)據(jù)表

2.3 間歇時(shí)間對(duì)解凍均勻性的影響

由圖4可知，隨著射頻加熱間歇時(shí)間變化，魚糜表面的溫度分布存在一定差異，但魚糜各層的冷點(diǎn)位置始終位于魚糜的中心部位，熱點(diǎn)位置始終位于魚糜的邊角區(qū)域，魚糜中間層溫度要明顯低于上下表面溫度，魚糜上表面溫度要高于下表面溫度。采用射頻連續(xù)加熱后的狹鱈魚糜邊角部位會(huì)有明顯的局部過熱現(xiàn)象，魚糜表面熱點(diǎn)區(qū)域面積最大，熱點(diǎn)溫度也最高，溫度分布均勻性較差；隨著射頻加熱間歇時(shí)間增加，魚糜表面熱點(diǎn)區(qū)域面積逐漸減少，熱點(diǎn)溫度也逐漸降低。

圖4 不同間歇時(shí)間下魚糜的溫度分布圖

不同射頻間歇時(shí)間后狹鱈魚糜的溫度數(shù)據(jù)如表5所示。射頻加熱采用不同間歇時(shí)間的狹鱈魚糜最高溫度與最低溫度的差值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均存在明顯差異，采用射頻連續(xù)加熱后的狹鱈魚糜最高溫度38.1 ℃，最高溫度與最低溫度差值44.9 ℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差值最大，溫度分布均勻性最差；隨著射頻加熱間歇時(shí)間增加，狹鱈魚糜的最高溫度逐漸降低，最高溫度與最低溫度差值也逐漸減小，標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減小，溫度分布均勻性逐漸提高；當(dāng)射頻加熱間歇時(shí)間增加到120 s時(shí)，狹鱈魚糜最高溫度26.1 ℃，最高溫度與最低溫度差值33.8℃，溫度分布的均勻性最好。射頻加熱間歇時(shí)間的變化影響?yīng)M鱈魚糜內(nèi)部冷熱點(diǎn)的數(shù)量和位置分布，當(dāng)射頻加熱間歇時(shí)間較長時(shí)，狹鱈魚糜具有較好解凍均勻性。

表5 不同間歇時(shí)間的魚糜溫度數(shù)據(jù)表

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，以狹鱈魚糜解凍后溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差和解凍所需時(shí)間代表魚糜解凍效果優(yōu)劣的指標(biāo)，對(duì)狹鱈魚糜射頻解凍工藝進(jìn)行優(yōu)化。由正交試驗(yàn)結(jié)果（表6）及方差分析結(jié)果（表7）可知，射頻功率、極板間距和間歇時(shí)間對(duì)狹鱈魚糜解凍后溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響的主次順序?yàn)椋荷漕l功率（A）＞極板間距（B）＞間歇時(shí)間（C）。單從狹鱈魚糜解凍后溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差這一指標(biāo)考慮，由方差分析可知，不同射頻功率和極板間距變化對(duì)狹鱈魚糜溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差有極顯著影響；間歇時(shí)間變化對(duì)狹鱈魚糜溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差具有顯著影響；再比較極差大小得出：狹鱈魚糜射頻解凍的較優(yōu)工藝應(yīng)為A1B3C3，即射頻功率1.5 kW、極板間距15 cm、間歇時(shí)間2.0 min。

由正交試驗(yàn)結(jié)果（表6）及方差分析結(jié)果（表8）可知，射頻功率、極板間距和間歇時(shí)間對(duì)狹鱈魚糜解凍所需時(shí)間影響的主次順序?yàn)椋簶O板間距（B）＞射頻功率（A）＞間歇時(shí)間（C）。從狹鱈魚糜解凍所需時(shí)間這一指標(biāo)考慮，由方差分析可知，不同射頻功率和極板間距變化對(duì)狹鱈魚糜解凍所需時(shí)間有顯著影響；間歇時(shí)間變化對(duì)狹鱈魚糜解凍所需時(shí)間沒有顯著差異；比較極差大小得出，狹鱈魚糜射頻解凍的較優(yōu)工藝應(yīng)為A3B1C3，即射頻功率2.5 kW、極板間距11 cm、間歇時(shí)間2.0 min。

比較極差的大小決定因素主次順序，由均值決定最好水平[16]。根據(jù)綜合平衡法取狹鱈魚糜最佳解凍參數(shù)A1B3C3，即射頻功率1.5 kW、極板間距15 cm、間歇時(shí)間2.0 min。

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定狹鱈魚糜解凍工藝參數(shù)：射頻功率1.5 kW、極板間距15 cm、間歇時(shí)間2.0 min。用此技術(shù)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，做3組平行試驗(yàn)。圖5為驗(yàn)證試驗(yàn)得到的解凍后的狹鱈魚糜上表面溫度分布圖，魚糜的冷點(diǎn)位置始終位于魚糜的中心部位，熱點(diǎn)位置始終位于魚糜的邊角區(qū)域，采用正交試驗(yàn)獲得的較優(yōu)工藝來解凍狹鱈魚糜，魚糜表面熱點(diǎn)區(qū)域面積較小，溫度分布較為均勻。

表6 L9(33)正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果

表7 3種因素對(duì)魚糜標(biāo)準(zhǔn)偏差影響的方差分析

表8 3種因素對(duì)魚糜解凍時(shí)間影響的方差分析

圖5 較優(yōu)工藝下魚糜的溫度分布圖

驗(yàn)證試驗(yàn)得到的解凍后的狹鱈魚糜的溫度數(shù)據(jù)和解凍所需時(shí)間如表9所示。采用射頻功率1.5 kW、極板間距15 cm、間歇時(shí)間2.0 min解凍狹鱈魚糜，魚糜上表面平均溫差15.2 ℃，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差2.5 ℃，解凍均勻性較好，平均解凍所需時(shí)間8.2 min。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化預(yù)期結(jié)果較為相符，表明試驗(yàn)得出的工藝參數(shù)可以較好地應(yīng)用于狹鱈魚糜的射頻解凍。

表9 較優(yōu)工藝下的魚糜溫度數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

在射頻加熱過程中，影響?yīng)M鱈魚糜解凍均勻性的因素多種多樣。射頻加熱腔體內(nèi)不同平面的電場分布不均勻，加熱腔體內(nèi)不同位置的電場強(qiáng)度差異較大。射頻功率、電極板間距及間歇加熱時(shí)間等因素均會(huì)影響冷凍魚糜解凍的均勻性，因此在狹鱈魚糜射頻解凍工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮這些因素對(duì)溫度分布的影響，避免出現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域過多、熱點(diǎn)溫度過高導(dǎo)致的解凍不均勻問題。

由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)狹鱈魚糜解凍后溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響的主次順序?yàn)椋荷漕l功率（A）＞極板間距（B）＞間歇時(shí)間（C）。對(duì)狹鱈魚糜解凍所需時(shí)間影響的主次順序?yàn)椋簶O板間距（B）＞射頻功率（A）＞間歇時(shí)間（C）。根據(jù)綜合平衡法取狹鱈魚糜最佳解凍參數(shù)A1B3C3，即射頻功率1.5 kW、極板間距15 cm、間歇時(shí)間2.0 min。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：魚糜上表面平均溫差15.2 ℃，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差2.5 ℃，解凍均勻性較好，平均解凍所需時(shí)間8.2 min。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化預(yù)期結(jié)果較為相符。