微波解凍水產(chǎn)品仿真研究

黃永赟，袁躍峰

浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院（舟山 316000）

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們的生活質(zhì)量也在提升，水產(chǎn)美食成為人們餐桌上鐘愛的佳肴。為保持水產(chǎn)的品質(zhì)及營養(yǎng)價(jià)值，水產(chǎn)在運(yùn)輸和生產(chǎn)過程中會(huì)采用冷凍保鮮技術(shù)，冷凍保鮮包括冷凍、冷藏、解凍等環(huán)節(jié)，其中冷凍和解凍是重要的環(huán)節(jié)[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(shí)最短，解凍后鳀魚持水力最好；王琳琳等[4]以凍結(jié)耗牛肉背最長肌為試驗(yàn)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(shù)最低；馬翼飛等[5]在小黃魚解凍試驗(yàn)中，對比靜水、流水、微波、低溫空氣和超聲波解凍，結(jié)果顯示微波解凍的速度最快；Cai等[6]試驗(yàn)對比常規(guī)解凍、微波解凍，得出微波聯(lián)合真空解凍大嘴鱸魚可以保持解凍魚片的質(zhì)量；Watanabe等[7]指出微波解凍所需的時(shí)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(jìn)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(shí)間，提高芒果的質(zhì)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(jù)前人的試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)可以得出：相對于傳統(tǒng)的解凍方式，微波加熱具有解凍時(shí)間短、效率高、控制簡單的特點(diǎn)[9]。微波是指頻率在300 MHz～300 GHz的高頻電磁波。微波最早被發(fā)現(xiàn)能夠加熱是在1945年，美國Raytheon公司科學(xué)家Percy Spencer在做雷達(dá)試驗(yàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)衣服口袋里的巧克力融化，通過多次的試驗(yàn)改進(jìn)，終于在公司的幫助下發(fā)明了世界上第一臺(tái)體型巨大微波爐[10]。

在之后的發(fā)展中，為避免通信干擾，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)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(yè)用微波爐主要是915 MHz。

1個(gè)分子在電場中會(huì)因?yàn)樗臉O性在電場中發(fā)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(nèi)極性分子將不會(huì)再隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它們運(yùn)動(dòng)的方向會(huì)隨著電場的快速變化而快速移動(dòng)，這樣的快速移動(dòng)使分子與分子之間相互碰撞、摩擦產(chǎn)生熱量。由于這種熱量是從物體內(nèi)部產(chǎn)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(yàn)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)18 L規(guī)格為315 mm×315 mm×185 mm的長方體微波腔體；波導(dǎo)管放置在左前方正中間，規(guī)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(shè)微波爐加熱時(shí)間5 s，波導(dǎo)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(jì)算機(jī)仿真的硬件環(huán)境：11th Gen Intel（R）Core（TM）i7-11800H，主頻2.30 GHz，32GB RAM。軟件環(huán)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(shù)；ε’’為介電損耗；j為。ε’和ε’’分別為物體對電場的響應(yīng)和形成電偶極子消耗的能量。

在實(shí)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(zhì)，這些不同的性質(zhì)使得魚在現(xiàn)實(shí)中解凍時(shí)呈現(xiàn)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(zhì)，賦予相同的物理屬性。將魚的初始溫度設(shè)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(shù)如表1所示[11]。材料的其他物理屬性使用仿真軟件默認(rèn)的數(shù)值。

2 仿真結(jié)果

以魚不抬高即H=0 mm時(shí)為例，分析魚的溫度及電場模分布如圖3。

圖3 解凍時(shí)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(qū)主要是魚與腔體的接觸區(qū)、魚身內(nèi)部和魚身中部靠后的區(qū)域。由于魚的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，在解凍的過程中發(fā)生電磁損耗，魚的內(nèi)部溫度較高[12]。畫出此時(shí)魚的電場模分布，如圖3（c～d）所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)換成介質(zhì)的熱能[13]，即冷凍魚的熱能Pv，按式（2）計(jì)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(shù)，F(xiàn)/m；ε’’為相對介電損耗；E為電場強(qiáng)度，V/m。

在其他條件不變的情況下，電場強(qiáng)度越高，能量越大，魚所對應(yīng)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(shí)解凍情況相對明顯，此時(shí)S11參數(shù)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(shí)，S11參數(shù)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(huì)影響解凍的速度。

圖4 在5 s時(shí)魚的溫度分布

圖5 不同H下的S11參數(shù)

3 結(jié)論與展望

通過仿真分析，電場的分布情況會(huì)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(qiáng)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(huì)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(guān)研究的深入，微波解凍技術(shù)也會(huì)逐漸更迭，優(yōu)秀的解凍技術(shù)將帶來更便利的生活。