一種食品企業快速預加熱的方法

趙國婧,孫 旭,林 靜

(1. 南昌市青云譜區市場監督管理局,南昌市青云譜區市場監管保障中心,330001,南昌;2. 江西省科學院應用物理研究所,330096,南昌)

0 引言

隨著消費者對食品安全問題的擔憂和對高質量產品的需求的增加,人們對新興技術的興趣正在急劇增加,包括對即食餐的非熱和熱加工[1]。微波加熱作為一種新興技術,在過去的幾十年里得到了廣泛的研究。設計合理的微波系統能夠生產安全和高質量的預包裝。作為一種體積加熱方法,與蒸餾或熱水處理等傳統加熱方法相比,微波加熱提供了更短的處理時間和更均勻的加熱[2]。

通過與食品和設備公司多年的合作研究,開發出一種新的系統設計,將921 MHz單模微波腔中的微波加熱與高溫循環水相結合,為預包裝食品提供可預測的加熱模式。2019年,江西陽光乳業有限公司安裝了第一個微波輔助熱滅菌系統[3],每分鐘可處理30份食物,用于商業生產貨架穩定的食物。2020年,江西陽光乳業已安裝更多容量更大的殺菌系統。921 MHz單模腔設計的相同概念最近被用于開發微波巴氏殺菌系統(后文簡稱系統)[4],以控制冷藏或冷凍即食餐中的細菌和病毒病原體[5]。系統主要面向那些可能沒有足夠的工程和研發能力的中小型食品公司。需要有效、簡單和方便的工具來幫助工廠工程師為各種類型的產品和包裝幾何形狀繪制運行圖、工藝進度表。

圖1顯示了按照試點比例運行圖設計的示意圖。該系統包括4個部分:預熱、微波加熱、保溫和冷卻。在操作中,金屬框架載體中的食品包裝首先在預加熱區中加熱,以達到均勻的溫度,然后被輸送到微波加熱區。在微波加熱部分,食品溫度迅速上升到目標巴氏殺菌溫度。然后,包裹通過維持段運輸,以在冷點獲得一定的微波加熱,最后,移動到冷卻段。微波加熱部分由4個921 MHz單模腔體組成,其中填充了低電導率的熱循環水。浸泡在水中的食品包裝通過體積微波加熱和地表水加熱相結合的方式進行。這種組合提供了可預測的加熱模式,不需要家用微波爐中常見的邊緣加熱。921 MHz微波的波長更長(在空氣中為0.33 m),與2 453 MHz微波(在空氣中的波長為0.12 m)相比,921 MHz微波在食品包裝內提供更均勻的加熱。因此,與工業應用的2 453 MHz多模腔設計相比,921 MHz單模腔設計更適合于加熱各種形狀和厚度的包裝餐食。

圖1 微波巴氏殺菌系統原理圖設計

巴氏殺菌產品的保質期取決于系統的工藝條件。例如,加工至70 ℃并保持2 min的食品在低于5 ℃的儲存條件下預計有10天的保質期,而加工至90 ℃并保持10 min的食品在相同的儲存溫度下保質期為6周。在系統工藝開發中,加熱速率由幾個因素決定,包括熱特性、介電特性和食物的厚度。預測系統中食物加熱速度和均勻程度的能力有助于選擇適當的參數,例如微波功率、傳送帶速度、容器溫度、處理時間等。

在過去的幾十年中,數值模擬已被用于模擬系統的921 MHz單模腔中的電場。在這些模擬研究中,時域有限差分法用于確定通過微波空腔移動的食品包裝的3D加熱模式。使用計算機視覺方法通過實驗驗證了模擬結果。

雖然模擬對于加熱模式和冷點穩定性相關的關鍵問題以及使用移動傳感器在冷點進行精確溫度測量的適用性提供了非常有用的解釋,但模擬工作需要高性能計算機和較長的計算時間用于展現工業規模的連續過程。此外,由于涉及食品載體運動、微波傳播和傳熱現象的復雜物理過程,開發數值模型和解釋結果需要專業知識。食品公司,尤其是中小型公司,普遍缺乏此類知識和相關專業知識。或者,可應用分析方法來全面了解各種食品的微波加熱。Jain等[6]根據麥克斯韋方程開發了一個分析模型,以幫助開發滅菌系統處理的工藝計劃。食物類模型使用豌豆、大米和土豆泥食品進行了驗證,這些食品具有相對較大范圍的食品物理特性(例如,體積比熱、介電常數和損耗因子)。該分析模型可用于評估食品特性和包裝厚度對15 MHz單模腔加熱過程中食品包裝冷點加熱速率的影響。

加熱速率是制定包裝食品系統加工計劃的重要參數。它與食品中的微波場強度以及食品的介電特性和厚度密切相關。食物和電磁波的相互作用主要受食物介電特性的影響,這會影響微波能量的耗散。食物的厚度影響穿透到食物中間層的微波的功率強度。微波加熱中的加熱速率強烈影響系統的最終產品溫度和能量效率。開發加熱速率預測工具可以指導制造商估算所需的加工時間。該工具還可用于選擇食品成分以實現相對均勻的加熱、減少工藝開發時間并生產更高質量的產品。

1 材料和方法

1.1 材料模型

1.1.1 實驗假設 在系統中包裝食品通過微波加熱部分進行加熱(圖1)。本文采用以下4個假設來簡化中試系統微波加熱部分預包裝食品冷點溫度升高的計算(圖2)。

圖2 微波滅菌系統概念模型:微波在矩形食物加工區域的頂部和底部的同相傳播

1)系統中的微波加熱部分由4個微波發生器組成(圖1)。在每個輻射器中,等量的以TE10模式(一種波傳導模)傳播的微波通過頂部和底部波導施加。兩束波以0°相位差進入空腔,并在位于空腔中心的食品包裝內產生駐波。電磁波沿z方向傳播,并在y方向通過921 MHz單模腔中產生電場(圖2)。假設電磁波從頂部和底部正常入射到浸入水中的矩形食物上。

2)食品是固體和各向同性的線性材料。食品材料通常表現出非磁性,相對磁導率(μr)設置為1。

3)入射電場強度(E0)是用于計算微波加熱過程中溫度升高的重要操作參數。E0的大小設置為1 kV/m,這是從先前研究中的計算機模擬模型獲得的。所選值足以模擬具有各種介電特性和厚度的食物中的能量分布。然而,需要相對于食品中某個位置的更精確的E0(即某個位置的有效E0,E0eff)來估算工業系統中的實際加熱速率。根據之前的研究,冷點通常位于食物的中心層,因為微波腔中的高溫循環水同時對表面進行加熱。因此,選定測試食物中心層的冷點處計算溫度升高。測試食品中心層的E0eff為0.527 kV/m,是根據初步系統運行中測量的微波部分溫度升高反向計算的,使用厚22 mm的測試食品,含鹽量為0.6%。

4)循環水傳熱對冷點溫度升高的影響可以忽略不計,因為在短時間微波加熱范圍內,微波產生的體積熱量比從循環水到食物中心的熱擴散要快得多。因此,僅使用微波加熱來估計系統微波加熱區的溫度升高。微波加熱部分(圖1)中4個喇叭施加器的總長度用于根據食品包裝的移動速度計算系統中的微波加熱時間。

1.1.2 開發的數學模型 基于上述假設,應用從麥克斯韋方程導出的一維簡化模型來計算食品橫截面中冷點處的電場強度:

(1)

式中,E為食品內部冷點距界面z(m)處的電場強度(V/m)(L/2為食品中心位置),L為食品厚度(m),Tw/f是傳輸系數,Rw/f是垂直入射到水和食物界面的反射系數,γf是在食物中的傳播常數。這2個系數可以寫成:

(2)

(3)

γf=α+jβ

(4)

式中,α是衰減常數,β是相位常數。表示為:

(5)

(6)

式中,f是頻率(Hz)。

1.1.3 溫度增量計算 計算食物內部電場的導出方程式(方程式1)用于估算溫度和電場。將獲得的電場強度值轉換為每單位體積耗散的微波功率P(z) (W/m3):

P(z)=2πfε0εr″|E|2

(7)

傳熱方程的一般形式為:

(8)

式中,T是溫度(℃),k是介質的熱導率(W/m· ℃),而ρCp是體積比熱(mJ/m3·℃)。

如2.1.1節所述,加熱時僅考慮耗散的微波功率。微波加熱期間的溫度升高可表示為ΔT(℃):

(9)

式中,t是微波加熱的時間(s)。

1.2 實驗驗證

1.2.1 樣品制備 驗證測試中使用了土豆泥冷結膠狀測試食品(含0、0.5%和1.0%的鹽)。測試食品由3%土豆泥片、0.75%低酰基冷結膠、1%L-賴氨酸,2% D-果糖,0.15%氯化鈣,0.4%二氧化鈦,92.7%～91.7%的蒸餾水和去離子(DDI)水,以及0～1%的食鹽。氯化鈣用于強化測試食品的凝膠結構,二氧化鈦作為白色著色劑,食鹽用于控制介電性能,L-賴氨酸和D-果糖作為前體M-1化學標記,用于確定加熱模式。

對于樣品制備,首先將低酰基冷結膠粉末與DDI水混合。將混合物在燒杯中加熱至90 ℃,同時攪拌,然后將土豆泥片和氯化鈣逐漸添加到混合物中。將混合物冷卻至75～80 ℃,加入鹽和二氧化鈦。在混合物的溫度達到65～75 ℃后,添加D-果糖和L-賴氨酸。最后,將這種充分混合的溶液倒入27 mm厚(尺寸:95 mm×140 mm×27 mm,樣品重量:280、310和340 g)和36 mm厚的托盤(尺寸:95 mm×140 mm×36 mm)中,樣品重量:430 g,溫度在65～75 ℃。在室溫(21 ℃)下冷卻后,將測試食品密封在托盤中并儲存在冰箱中(少于12 h)直至測試結束。

1.2.2 介電和熱性能測量 在25～100 ℃。介電特性如圖3所示。使用KD2-Pro熱特性測量儀在60～100 ℃下測量測試食品的熱特性(體積比熱ρCp和k)。3.706 mJ/(m3·℃)的平均ρCp用于計算ΔT。在60～100 ℃時,平均k為0.60。所有測量重復3次。

圖3 在921 MHz下含0、0.6%和1.0%鹽的土豆泥結冷膠凝膠測試食品的介電特性

1.2.3 系統處理 工藝條件見表1。各段工藝時間和溫度是根據初步試驗設定的。加工密封聚合物托盤中準備好測試食品,同時移動通過配備2個5 kW和1個8.7 kW微波發生器的系統的4個腔體。來自8.7 kW發生器的微波功率被平均分配給2個空腔。移動溫度傳感器放置在食品包裝內以測量預定冷點位置的溫度。溫度傳感器的分辨率為±0.1 ℃。加工了3種不同鹽含量(0、0.6%和1%)和4種不同厚度(22、24、27.5和36 mm)的測試食品。在每個測試運行中處理放置在食品包裝載體上的8個測試食品托盤。調整金屬載體中測試食物托盤的垂直位置,使測試食物的中間層與微波腔的中心平面對齊。在系統處理后,測試食物的不同橫截面切割圖像由CCD數碼相機(D90,Nikon Inc.,Tokyo,Japan)和鏡頭(AFS Nikkor DX18-70mm F3.5-4.5,尼康公司)拍攝。使用Pandit等[7]描述的計算機視覺軟件從圖像中確定樣品內部橫截面(x-z平面)的加熱模式。在每個條件下進行2次測試以重復實驗。

2016年12月，湖北省第一次全國地理國情普查工作全面完成，第一次全面查清了湖北省行政轄區范圍內面積約18.59萬平方公里的“山水林田湖草”等地表形態、地表覆蓋和重要地理國情要素。其成果豐碩，包括全部地理國情信息中的12個一級類，58個二級類，136個三級類，建成了省級地理國情普查數據庫，形成了分類詳細的國情基本統計數據，成果已向全省各市州縣提供了普查成果，用于城市建設與經濟社會發展。

表1 用于實驗驗證的系統工藝條件

1.3 微波穿透深度和J-T數

微波穿透深度(Dp)是產品表面與微波功率降低至36.8%的位置(產品內部)之間的距離。它是由下式計算得出的:

(10)

式中c是自由空間中的光速(2.99×108m/s)。

同時采用無量綱J-T數來解釋與介電特性和厚度相關的最大加熱速率:

(11)

式中λair是空氣中921 MHz微波的波長。

2 結果與討論

2.1 實驗和計算溫升的比較

使用Excel進行具有95%和98%置信區間的回歸分析,以驗證具有實驗結果的分析模型。所有計算均使用Matlab和Excel進行。

根據測得的介電特性(如圖3所示)和體積比熱(ρCp),不同厚度的土豆泥結冷膠測試食品中心層冷點處的溫度升高(ΔT)(22、25、27.5和36 mm)和鹽濃度(0、0.6%和1.0%)在系統中使用2.1節中開發的分析模型進行了估算。表2列出了測試食品的介電特性以及計算和實驗得出的ΔT。測試食品樣品的計算和實驗ΔT數值彼此接近(平均差異:1.9±1.2 ℃)。在所有鹽濃度下,隨著測試食物厚度的增加,ΔT降低。

表2 在921 MHz的微波加熱過程中模型食品的特定特性和溫度升高

根據計算數據,與相同厚度的0和1.0%含鹽測試食品相比,0.6%含鹽測試食品中心層的ΔT越大,表明加熱速率更快,除了36 mm厚的樣品。對于36 mm厚的樣品,0含鹽樣品具有最大的ΔT。計算出的ΔT數據略小于大多數測試食品樣品的測量值。這可能是因為計算沒有考慮從熱水到食物的熱傳遞和食物內部的熱傳導。少數數據點的不一致可能是由于個別測試食品樣本的測量厚度存在偏差。在微波加熱2.48 min的情況下,0.5 mm的厚度差異可能會產生0.34～0.94 ℃的差異。實驗和計算的ΔT數據之間的平均差異為1.9±1.2 ℃。這是可接受的,因為計算的主要目的是評估樣品特性和厚度對系統微波加熱部分中相對加熱速率的影響。

圖4 系統過程中不同鹽含量和厚度的測試食品在微波加熱過程中通過分析模型預測的溫度升高與實驗溫度升高的比較

2.2 測試食物的厚度和鹽含量對耗散能量的影響

使用分析模型(方程式1)計算沿微波傳播方向(z方向)的耗散能量,以了解厚度(22、25、27.5和36 mm)和鹽濃度(0、0.6和1.0 mm)在測試食品中的垂直加熱模式的影響。如圖5所示,來自頂部和底部波導的同相微波在食品包裝中產生了明確定義的節點和波腹以及深度(z方向)。隨著測試食物厚度的增加,測試食物中心層耗散的微波能量降低,而表面耗散的微波能量增加。對于含鹽量為0.6%的測試食品(圖5(b)),L=22、25、27.5和36 mm時,中央層的耗散能量分別為776.5、674.0、568.3和357.4 kW/m3。近表面區域的耗散能量從L=22 mm的316.4 kW/m3增加到L=36 mm的644.4 kW/m3。在L=22 mm時觀察到測試食物中心周圍的單個峰,而在L=27.5和36 mm時觀察到中心和表面的多個峰。含鹽量為0和1.0%的測試食品遵循含鹽量為0.6%的測試食品觀察到的趨勢。這些結果也遵循了之前研究的趨勢。

圖5 食物厚度和鹽含量對食物中沿波傳播方向(z)的耗散功率分布的影響:(a)0鹽,(b)0.6%鹽,和(c)1.0%鹽

圖5還清楚地說明了鹽含量對不同厚度的測試食物內部微波功率耗散的影響。對于厚度為22、25和27.5 mm的樣品,與含鹽量為0和1.0%的樣品相比,含鹽量為0.6%的測試食品在中央層的能量耗散更高。在22 mm厚的樣品中,中心層(x-z平面)0、0.6和1.0% 鹽度的耗散功率分別為600.3、776.5和688.3 kW/m3。對于36 mm厚的樣品,含鹽量為0的測試食品在中央層的能量耗散最高。此外,與相同厚度的其他含鹽量測試食品相比,含鹽量為1.0%的食品表面受熱更多。較高的鹽含量(導致較高的損耗因數)不能保證在微波加熱過程中食品中央層的能量耗散較高。原因是由于微波的穿透深度較淺,大部分微波能量都在食物表面消散了。Jain等[6]也對土豆泥、豌豆和大米測試食品顯示了類似的結果。應通過修改食品配方,選擇合適的食品損失系數范圍來調節微波滲透深度。

2.3 能量耗散分析結果與實驗加熱模式的比較

圖6顯示了測試食品在x-z平面(垂直截面)上的加熱模式隨厚度(22、25、27.5和36 mm)和含鹽量(0、0.6和1%)的變化。加熱模式圖像是通過使用計算機視覺方法[7]獲得的,該方法捕捉了系統中熱處理后測試食品的相對顏色變化。根據熱處理過程中彩色標記,紅色和藍色分別表示最大和最小熱強度。加熱模式結果與使用分析模型(圖5)計算的耗散微波能量非常吻合。無論鹽濃度如何,高溫點都位于較小厚度(22和25 mm)樣品的中央層。含鹽量為0的27.5 mm樣品的高溫點位置位于中央層,而含鹽量為0.6%和1.0%的27.5 mm樣品則經歷了表面加熱。無論鹽含量如何,36 mm厚的樣品都會經歷表面加熱,因為較厚的測試食物會限制能量滲透到中心層。這些趨勢與分析結果相似,分析結果表明,表面加熱隨著厚度的增加而增加。

圖6 不同含鹽量和厚度的土豆泥-冷結膠測試食品中x-z平面(沿樣品中心線的垂直截面)的加熱模式系統中熱處理后的食品

在每四分之一波長處,定位駐波的節點(最小振幅)和波腹(最大振幅)。波腹位于測試食物的中央層,而波節位于四分之一波長之外(圖5)。橫截面加熱模式(圖6)與理論計算相符;冷區和熱區(在x-z平面內)的位置,如加熱模式中的顏色變化所示(圖6),與分析計算結果中獲得的波腹和節點的位置一致(圖5)。

2.4 穿透深度和J-T數

滲透深度通常表示微波能量穿透產品的程度,見表2,滲透深度隨測試食物的鹽濃度而變化。其中,介電性能值是在50～90 ℃的溫度范圍內測得的介電性能數據的平均值。

例如,含鹽量為0、0.6%和1.0%的測試食品的平均滲透深度分別為26.8、10.5和7.7 mm。盡管921 MHz微波在0含鹽食品樣品中具有相對較深的穿透深度,但不同厚度的0含鹽樣品在冷點處的加熱速率并不總是高于較高鹽含量樣品的加熱速率。具體而言,0.6%含鹽樣品的穿透深度減少了50%,但樣品中心層的加熱速率高于22和25 mm厚度的0含鹽樣品。厚度為36 mm時,0含鹽樣品(ΔT=15.7 ℃)的冷點加熱速率高于0.6%和1%含鹽樣品(分別為ΔT=14.6和9.7 ℃)。但對于其他厚度(22、25和27 mm)的測試食品,0.6%含鹽樣品的加熱速率分別為ΔT=32.3、27.8和23.3 ℃,而ΔT=24.5、22.5和20.8 ℃,分別在0含鹽樣品中。穿透深度僅反映產品中橫波微波功率衰減系數e-1。在系統中,從頂部和底部傳播的微波疊加在微波腔內,從而在z方向上產生駐波。分析模型(方程式1)清楚地預測了這一點。Luan等[8]還使用3D數值模擬驗證了微波輔助熱處理系統中具有駐波模式的電場分布。因此,單靠穿透深度并不能完全解釋微波在系統中傳播的復雜現象。J-T數(公式11)是一個無量綱數,用于解釋介電特性和厚度與食品包裝冷點加熱速率之間的相關性。具有各種厚度和介電特性的測試食品的計算J-T數值包含在表2中。J-T數值隨著厚度和損耗因子的增加而增加。最高加熱速率和最低加熱速率下的J-T數分別為2.18(22 mm和0.6%含鹽樣品)和3.82(35 mm和1%含鹽樣品)。這一結果與Jain等[6]報告的結果相符,該結果指出食物中耗散的最大能量在1.8～2.2之間的J-T數范圍內。如3.1和3.2節所述,在給定的滅菌系統或系統和固定功率設置下,加熱均勻性和加熱速率在很大程度上取決于食物的介電特性和厚度。對于系統處理,J-T數可能是比穿透深度更好地估計加熱速率的指標。工藝開發人員可以通過檢查J-T數來簡單地評估加熱效率。如果值太高或遠小于1.8～2.2的J-T范圍,則可能需要調整工藝條件以提高加熱效率。因此,結合J-T數的分析模型可用于制定系統流程的處理計劃。但對于外行來說,使用分析模型仍然不是一件簡單的事情。因此,下面開發了一個簡化的圖表。

2.5 工程簡化圖表的開發

微波輔助熱加工,作為一項新興技術,目前還沒有標準的方法來估算包裝食品的溫升。上述驗證結果表明,該分析模型可用于估算具有不同厚度或介電特性的食品中冷點處的溫度升高。

基于本研究中開發的分析模型,開發了圖7所示的簡化圖表,用于估算本研究中使用的中試工藝條件下微波加熱期間的溫度升高。x和y軸分別表示微波加熱過程中平均溫度和平均加熱速率(℃/min)下的損耗因子。不同厚度食物樣品的曲線顯示了加熱速率、損耗因子和食物厚度之間的關系。1mJ/(m3·℃)的ρCp用于圖表開發。對于給定的食物,可以使用微波加熱期間食物在平均溫度下的損耗因子和食物的厚度來得到加熱速率的圖表值。食品的升溫速率可以用圖表值除以產品的實際ρCp值得到。

圖7 用于系統處理的具有標準體積比熱和介電常數(ρCp=1.0 mJ/(m3 ·℃)和ε′=70)的食品的開發圖表

通過重新分配產品配方或改變包裝厚度時,該圖表不僅可用于調整普通食品包裝(單隔間托盤或小袋)的加工加熱時間,還可用于填充不同食品成分的多隔間托盤。對于食品配方開發和厚度選擇,需考慮填充在多隔間托盤不同部分的不同食品成分應具有相似的加熱速率,以便獲得均勻高效的系統加熱過程。如果制造商選擇胡蘿卜(ρCp=2.3 mJ/(m3·℃)和εr″=20)作碎牛排的配菜(ρCp=3.2 mJ/(m3·℃)和εr″=50)在同一個雙隔間托盤中,胡蘿卜的加熱速率為10.4 °C/min(=24 °C/min除以2.3)(圖7中的C),遠高于牛排(5.9 °C/min,圖7中的A)。通過將牛排的厚度從36 mm減少到27 mm(圖7中的D),可以在同一托盤的兩個食物隔間中獲得相似的加熱速率,導致牛排中的加熱速率為10.3 ℃/min(33 ℃/min除以3.2),或通過添加更多鹽來增加胡蘿卜的εr″(圖7中的E),導致胡蘿卜的加熱速率為6.1 ℃/min(14℃/min除以2.3)。

3 結論

在系統中使用分析模型來估計微波加熱期間食品包裝內冷點的溫度升高。使用具有不同鹽濃度和厚度的測試食品的中試規模測試的實驗結果對其進行了驗證。基于分析模型計算出的測試食品的溫度升高與實驗結果基本一致。同時,J-T數可以作為能源效率指標,以確定加工具有不同介電特性和厚度的食品的工藝參數。根據分析計算開發了一個用戶查詢圖表,以直觀地表示加熱速率、介電損耗因子和封裝厚度之間的關系。該圖表可能會幫助食品開發人員和加工商優化食品配方和系統食品的加工計劃。