微波解凍水產品仿真研究

黃永赟，袁躍峰

浙江海洋大學海洋工程裝備學院（舟山 316000）

隨著經濟水平的提高，人們的生活質量也在提升，水產美食成為人們餐桌上鐘愛的佳肴。為保持水產的品質及營養價值，水產在運輸和生產過程中會采用冷凍保鮮技術，冷凍保鮮包括冷凍、冷藏、解凍等環節，其中冷凍和解凍是重要的環節[1-2]。

凌勝男等[3]通過對比鳀魚的微波解凍、超聲輔助解凍、鹽水解凍和冷餐室解凍效果得出，微波解凍耗時最短，解凍后鳀魚持水力最好；王琳琳等[4]以凍結耗牛肉背最長肌為試驗對象，通過對比靜水、微波、冷藏、室溫和空氣解凍的方式得出，在耗牛肉的解凍過程中，微波解凍可以一定程度上維持肌肉的新鮮度，并且TVB-N含量和菌落總數最低；馬翼飛等[5]在小黃魚解凍試驗中，對比靜水、流水、微波、低溫空氣和超聲波解凍，結果顯示微波解凍的速度最快；Cai等[6]試驗對比常規解凍、微波解凍，得出微波聯合真空解凍大嘴鱸魚可以保持解凍魚片的質量；Watanabe等[7]指出微波解凍所需的時間短，褐變水平明顯低于20 ℃的空氣解凍；Peng等[8]對冷凍芒果進行解凍，相比于超高壓解凍、空氣解凍、水解凍，微波解凍能大幅縮短解凍時間，提高芒果的質量，減少顏色變化和滴落損失，減少硬度和維生素C含量的損失。

根據前人的試驗與經驗可以得出：相對于傳統的解凍方式，微波加熱具有解凍時間短、效率高、控制簡單的特點[9]。微波是指頻率在300 MHz～300 GHz的高頻電磁波。微波最早被發現能夠加熱是在1945年，美國Raytheon公司科學家Percy Spencer在做雷達試驗時偶然發現衣服口袋里的巧克力融化，通過多次的試驗改進，終于在公司的幫助下發明了世界上第一臺體型巨大微波爐[10]。

在之后的發展中，為避免通信干擾，美國聯邦通信委員會規定用于加熱的微波爐為2.45 GHz和915 MHz。其中，家用微波爐的頻率為2.45 GHz，工業用微波爐主要是915 MHz。

1個分子在電場中會因為它的極性在電場中發生偏移，在高頻交變的電磁場中，被放置在電磁場中的物體內極性分子將不會再隨機運動，它們運動的方向會隨著電場的快速變化而快速移動，這樣的快速移動使分子與分子之間相互碰撞、摩擦產生熱量。由于這種熱量是從物體內部產生的，因此微波解凍可以在非接觸的情況下完成解凍過程，更為方便快捷。

此次試驗通過仿真研究分析冷凍魚解凍后的電場分布和溫度分布，改變冷凍魚所處的位置高度，研究不同位置下的解凍情況。

1 仿真設計

設計18 L規格為315 mm×315 mm×185 mm的長方體微波腔體；波導管放置在左前方正中間，規格50 mm×78 mm×18 mm。在微波爐的腔體正中放入1條冷凍魚，魚的模型如圖1所示。微波解凍的模型如圖2所示。設微波爐加熱時間5 s，波導口輸入功率1 000 W，電磁波模式TE10模，頻率2.45 GHz。此次工作中，計算機仿真的硬件環境：11th Gen Intel（R）Core（TM）i7-11800H，主頻2.30 GHz，32GB RAM。軟件環境COMSOL Multiphysics 6.0。

圖1 冷凍魚的模型

圖2 微波解凍模型

物體的介電特性影響物體在微波解凍過程中的解凍效果。物體的介電特性如式（1）所示。

式中：ε’為介電常數；ε’’為介電損耗；j為。ε’和ε’’分別為物體對電場的響應和形成電偶極子消耗的能量。

在實際情況中，1條魚的身體部位有各自不同的物理屬性，魚頭、魚鰭、魚肉、魚尾由于不同的形狀及物理特性具有不同的介電性質，這些不同的性質使得魚在現實中解凍時呈現出不同的解凍特性。這些特性在軟件中無法精確建模，故仿真中只建立魚頭、魚身和魚尾，并且將魚頭、魚身、魚尾視為同一種物質，賦予相同的物理屬性。將魚的初始溫度設為-20℃，并且抬高一定高度，抬高的高度H為0，25，50，75，100和125 mm，分析魚的溫度分布。仿真所采用的材料參數如表1所示[11]。材料的其他物理屬性使用仿真軟件默認的數值。

2 仿真結果

以魚不抬高即H=0 mm時為例，分析魚的溫度及電場模分布如圖3。

圖3 解凍時魚的溫度及電場模分布

由圖3（a～b）可以看出，魚的高溫地區主要是魚與腔體的接觸區、魚身內部和魚身中部靠后的區域。由于魚的介電常數是復數，在解凍的過程中發生電磁損耗，魚的內部溫度較高[12]。畫出此時魚的電場模分布，如圖3（c～d）所示。通過對比可以發現，魚的溫度分布情況與電場模的分布情況高度相似。在微波傳播過程中，部分電磁能轉換成介質的熱能[13]，即冷凍魚的熱能Pv，按式（2）計算。

式中：Pv為微波耗散能量，J；f為微波頻率，Hz；ε0為真空介電常數，F/m；ε’’為相對介電損耗；E為電場強度，V/m。

在其他條件不變的情況下，電場強度越高，能量越大，魚所對應位置的溫度也就越高。所以電場模分布極大地影響解凍物體的溫度分布情況。

由圖4和圖5可以看出：在H=25，100和125 mm 時解凍情況相對明顯，此時S11參數的值分別為-7.214 2，-6.735 7和-7.555 7 dB，相對較低，即反射回源端的能量較少；在H=50和75 mm時，S11參數的值分別為-2.155 7和-2.015 9 dB，相對較高，反射回源端的能量較多，微波解凍的效果并不顯著。綜上，冷凍魚所處的位置高度會影響解凍的速度。

圖4 在5 s時魚的溫度分布

圖5 不同H下的S11參數

3 結論與展望

通過仿真分析，電場的分布情況會極大程度上影響冷凍魚的解凍效果，電場的分布與冷凍魚的溫度高度相似。電場強度越高的地方，冷凍魚的溫度越高。冷凍魚所處的位置高度會影響微波能的傳播，在不同的高度下有不同的解凍情況。

微波爐已成為熱門家用電器，微波解凍也是一種方便快捷的解凍方式，隨著微波解凍相關研究的深入，微波解凍技術也會逐漸更迭，優秀的解凍技術將帶來更便利的生活。