速凍玉米的微波解凍溫度變化規(guī)律及能量利用研究

鄭明珠，蘇 慧，劉景圣*，閔偉紅，張大力，蔡 丹

(吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118)

速凍玉米的微波解凍溫度變化規(guī)律及能量利用研究

鄭明珠，蘇 慧，劉景圣*，閔偉紅，張大力，蔡 丹

(吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118)

為探索一種更節(jié)能的解凍方式，采用微波場技術對速凍玉米進行解凍，以玉米穗數(shù)量為變量，通過連續(xù)解凍和間歇解凍兩種解凍方式，研究玉米穗不同部位的溫度變化規(guī)律及其對微波能量吸收效率的影響。結果表明，微波連續(xù)解凍和間歇解凍過程中，玉米穗不同部位呈現(xiàn)相同的溫度變化趨勢，即解凍初期，玉米的表面溫度＞籽粒溫度＞玉米軸的中心溫度，隨著解凍時間的延長，玉米軸的中心溫度迅速升高，形成從玉米軸中心到表面的溫度梯度。與微波連續(xù)解凍相比，微波間歇解凍得到的產(chǎn)品溫度分布較均勻，微波吸收效率較高，且吸收效率隨著速凍玉米數(shù)量的增加而增加，當玉米數(shù)量達到4穗時，對微波能量的吸收效率趨于穩(wěn)定，此時微波能量利用率為50.2%。

速凍玉米；微波間歇解凍；微波吸收效率

鮮食玉米是一種營養(yǎng)豐富的粗糧。隨著科學技術的進步，人民生活水平的提高和健康意識的增強，以及流通領域和冷鏈系統(tǒng)的日益完善，速凍鮮食玉米逐漸擁有廣闊的市場前景，得到眾多消費者的喜愛。由于凍結食品在自然環(huán)境中亦能融化解凍，所以食品的解凍問題往往被人們所忽視。解凍是凍結物料受熱融解恢復到凍結前新鮮狀態(tài)的過程[1]。從保持解凍物料新鮮程度的角度來講，盡可能地縮短解凍時間是十分必要的。這是由于凍結食品在解凍升溫過程中細菌隨之大量繁殖，會引起食品腐敗和品質下降等問題。目前，速凍玉米的解凍方法為傳統(tǒng)熱水蒸煮，使得營養(yǎng)物質大量流失，嚴重破壞了即食玉米的食用口感。微波解凍通過控制微波能的大小，實現(xiàn)整體加熱，迅速進入最大冰晶生成帶而達到最佳加工狀態(tài)，最大限度地克服常規(guī)解凍方法所存在的弊病[2]。有關速凍玉米的微波解凍實驗研究，國內(nèi)外尚未見報道，不能給微波解凍以技術支撐。雖然一些企業(yè)生產(chǎn)的速凍玉米標明可用微波加熱，但對微波加熱條件沒有明確說明[3]。本實驗研究速凍玉米在微波場中解凍時的溫度變化規(guī)律，總結速凍玉米的微波解凍條件及其微波吸收特性，以期為速凍玉米的工業(yè)化解凍提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料

天景速凍糯玉米 (以下簡稱速凍玉米) 吉林天景食品有限公司。

1.2 儀器與設備

微波爐 上海松下微波爐有限公司；Testo720單通道測溫儀(精度為0.2℃) 德國德圖儀器有限公司；M192088量熱器 北京中西遠大科技有限公司；101AIET電熱鼓風干燥箱 上海試驗儀器廠有限公司；分析天平 島津國際貿(mào)易(上海)有限公司；中藥粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 速凍玉米的含水率測定

將整穗速凍玉米稱質量，并記錄數(shù)據(jù)，在60℃烘箱烘1h，用粉碎機磨粉并稱質量。將磨粉的樣品充分混合，分為兩部分。一部分用于比熱容測定，另一部分用于含水率測定。含水率測定方法參照GB/T 20264—2006《糧食、油料水分兩次烘干測定法》[4]。

1.3.2 速凍玉米的比熱容測定

利用混合法[5]測定速凍玉米的比熱容。在量熱器內(nèi)裝入一定質量的熱水，再將一定溫度和質量的樣品放入量熱器中，和熱水充分混合，待達到平衡溫度為止。速凍玉米的比熱容(C凍)根據(jù)式(1)計算。

式中：Cs為水的比熱容/(J/(g·℃))；ms為熱水的質量/g；ts為熱水的溫度/℃；m為速凍玉米的質量/g；to為速凍玉米的初始溫度/℃；tp為平衡溫度/℃；Como為量熱器的熱容量/(J/℃)。

量熱器的熱容量Como需在正式實驗前進行測定。采用熱水和冷水混合法，在量熱器中先加入質量為ma，溫度為ta的冷水，然后再加入質量為mb，溫度為tb的熱水，達到平衡溫度tf為止。量熱器的熱容量按公式(2)計算。

式中：Ca、Cb均為水的比熱容/(J/(g·℃))。

1.3.3 速凍玉米微波解凍過程中的幾點假設

速凍玉米的實際解凍過程是一個伴隨有相變過程的非穩(wěn)態(tài)導熱過程，且相變時固液區(qū)的成分會不斷發(fā)生變化，使得模擬過程較復雜。為了便于對解凍過程進行分析，做如下幾點假設：a.進行實驗的速凍玉米樣品初始溫度均一致；b.不計相變過程中的自然對流；c.速凍玉米物性均勻且各向同性；d.解凍區(qū)及凍結區(qū)的熱物性參數(shù)不隨溫度變化；e.在解凍過程中，樣品只吸收微波能量，不考慮與微波爐內(nèi)的空氣的熱交換損失；f.解凍結束后的測溫過程中，忽略環(huán)境對樣品溫度的影響[6]。

1.3.4 速凍玉米微波解凍終點溫度選擇

解凍終點溫度一般選擇在－2～－4℃為宜，取此溫度范圍為解凍終點也是節(jié)能降耗的最佳選擇[7]。從解凍的能量角度來分析，物料解凍通過－5～0℃溫度范圍的最大冰晶生成帶所需的能量約占整個解凍過程總能量的一半以上[8]。此時，物料溫度緩慢上升，處于逐漸軟化的狀態(tài)，而外觀上凍品無滴水現(xiàn)象，不影響其他加工操作。因此，微波解凍也選擇此溫度范圍為解凍終點。

1.3.5 微波解凍過程中的溫度變化規(guī)律

經(jīng)預實驗證明，低功率解凍可以獲得相對均勻的溫度分布。本實驗選擇微波功率為300W。每次選取250g左右的速凍玉米進行實驗。處理結束后，迅速將速凍玉米取出，利用測溫儀測量玉米籽粒溫度、玉米軸的中心溫度和表面溫度，并記錄測溫儀接觸樣品10s時的讀數(shù)，即為樣品的解凍溫度。其中，玉米的籽粒溫度和玉米軸的中心溫度利用插入式探頭進行測量，玉米的表面溫度利用表面探頭進行測量。解凍樣品的截面圖如圖1所示，將插入式溫度探頭插入圖中1、2、3、4處的玉米籽粒中，所得4個值的平均值為樣品的籽粒溫度；將插入式探頭插入玉米軸中心5cm處，測得的溫度為樣品的中心溫度；將表面探頭接觸到1、2、3、4處籽粒表面，所得4個值的平均值為樣品的表面溫度。

圖1 玉米樣品內(nèi)選取的溫度測量位置Fig.1 Temperature measurement location selected from maize ear

1.3.6 微波連續(xù)解凍工藝

單穗速凍玉米的微波連續(xù)解凍條件：微波功率300W，時間分別為140、120s；雙穗速凍玉米的微波連續(xù)解凍條件：微波功率300 W，時間分別為24 0、210s。3穗速凍玉米的微波連續(xù)解凍條件：微波功率300W，時間為300s。4穗速凍玉米的微波連續(xù)解凍條件：微波功率300W，時間為390s。比較不同處理時間的溫度變化情況和微波吸收效率。

1.3.7 微波間歇解凍工藝

速凍玉米的解凍功率采用300W，單穗、雙穗、3穗、4穗速凍玉米的解凍時間分別為120、210、300、390s。速凍玉米的微波間歇解凍方案[9]如圖2～5所示。

圖2 單穗速凍玉米的微波間歇解凍條件Fig.2 Intermittent microwave thawing protocol for an ear of maize

圖3 雙穗速凍玉米的微波間歇解凍條件Fig.3 Intermittent microwave thawing protocol for two ears of maize

圖4 3穗速凍玉米的微波間歇條件Fig.4 Intermittent microwave thawing protocol for three ears of maize

圖5 4穗速凍玉米的微波間歇條件Fig.5 Intermittent microwave thawing protocol for four ears of maize

1.3.8 解凍過程中的熱量吸收效率

通過公式(3)可以計算速凍玉米對微波的吸收效率[10]。

式中：η為速凍玉米對微波的吸收效率/%；Q為速凍玉米吸收的總熱量/J；W為微波爐所做的功/J。

微波解凍過程中速凍玉米吸收的總熱量公式[11]為：

式中：C為速凍玉米的比熱容/(J/(g·℃))；m為微波解凍速凍玉米的質量/g；ΔT為微波解凍前后速凍玉米的溫度變化/℃。

速凍玉米解凍過程中微波爐所做的功：

式中：P為微波輸出功率/kW，微波爐的輸出功率按總功率的60%計算[12]；t為微波解凍時間/s。

根據(jù)速凍玉米的解凍終點參數(shù)，即可得出速凍玉米吸收的總熱量和微波爐所做的功，然后利用公式(3)即可計算出速凍玉米的微波吸收效率。比較連續(xù)解凍和間歇解凍的微波吸收效率。

2 結果與分析

2.1 速凍玉米的比熱測定結果

2.1.1 量熱器的熱容量測定結果

表1 量熱器的熱容量測定結果Table 1 Thermal capacity of heat measuring apparatus

取質量均為50g的冷水、熱水，熱水溫度分別為50、55、60℃，對應的冷水溫度為19.2、19.6、19.1℃，量熱器的數(shù)據(jù)結果見表1。將表1中的數(shù)據(jù)代入公式(2)進行計算，將3次計算結果取平均值即量熱器的熱容量，為29.80J/℃。

2.1.2 速凍玉米的含水率測定結果

表2 速凍玉米的含水率測定結果Table 2 Water content of quick-frozen maize

從表2可以看出，速凍玉米含水率因個體不同而存在差異，速凍玉米的含水率主要分布在52.3%～64.7%之間。

2.2 速凍玉米的比熱容測定結果

選取8種含水率的樣品進行實驗，量熱器的比熱容計算參數(shù)測定結果見表3。

表3 速凍玉米的比熱容計算參數(shù)測定結果Table 3 Specific heat capacity of quick-frozen maize

將表1、3中的數(shù)據(jù)代入公式(1)中，不同含水率速凍玉米的比熱容測定結果見表4。

表4 不同含水率速凍玉米的比熱容測定結果Table 4 Specific heat capacity versus water content of quick-frozen maize

對表4中的數(shù)據(jù)進行分析，得出速凍玉米的比熱容(y)和樣品含水率(x)的回歸方程y=0.03880.3173(x介于52.3%～64.7%之間)，相關系數(shù)R2=0.9554。因此，速凍玉米的比熱容和其含水率呈線性相關，隨著樣品含水率的增加，速凍玉米的比熱容也相應增加(圖6)。

圖6 速凍玉米比熱容與含水率回歸關系圖Fig.6 Regression relationship between specific heat and water content of quick-frozen maize

2.3 不同微波解凍方式條件下單穗玉米的溫度變化

從圖7、8可以看出，解凍初期，速凍玉米的表面溫度均高于玉米軸的中心溫度和籽粒溫度，這可能是由于物料表層吸收微波能量，部分冰迅速融化成水，導致表面溫度迅速升高[6]。解凍后期，隨著解凍時間的延長，玉米的中心溫度迅速升高，高于玉米的表面溫度和籽粒溫度。這是因為在微波解凍后期，凍結樣品內(nèi)部的凍結層在微波穿透方向上吸收微波能和外層的熱傳導而融化，具有更高的能量密度，且熱量不易散失，使得整個凍結食品的溫度梯度發(fā)生了轉換，形成了由中心到表面的溫度梯度。這個結論與微波加熱自身獨特的優(yōu)點相符合，即“由里及表”，實現(xiàn)物料的整體加熱[13]。當微波連續(xù)加熱80s后，玉米軸的中心溫度開始高于表面溫度和籽粒溫度，而間歇解凍在60s時，玉米軸的中心溫度就高于其表面溫度和籽粒溫度。這表明與微波連續(xù)解凍相比，微波間歇解凍可以明顯縮短到達解凍終點的時間，這與Chamchong等[14]的研究結果一致，充分體現(xiàn)了微波間歇加熱在食品解凍中的優(yōu)勢。

圖7 微波連續(xù)解凍單穗玉米的溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curve of an ear of quick-frozen maize during continuous microwave thawing

圖8 微波間歇解凍單穗玉米的溫度變化曲線Fig.8 Temperature change curve of an ear of quick-frozen maize during intermittent microwave thawingg

2.4 不同微波解凍方式條件下玉米的溫度變化

由表5可知，對比分析速凍玉米的兩種解凍方式，可以發(fā)現(xiàn)單穗玉米間歇解凍120s與連續(xù)解凍140s，玉米的中心溫度、籽粒溫度和表面溫度基本相同。因此對于單穗玉米采用間歇解凍比連續(xù)解凍的時間縮短20s，且整個玉米的溫度梯度分布較小。當解凍時間均為210s時，對兩種不同的解凍方式進行了實驗。結果表明，間歇解凍玉米的中心溫度、籽粒溫度和表面溫度皆高于連續(xù)解凍玉米所對應的溫度，基本與連續(xù)解凍240s玉米的溫度一致，但連續(xù)解凍240s玉米樣品表面有局部過熱的現(xiàn)象，無法實現(xiàn)均勻解凍，因此利用間歇解凍不僅可以實現(xiàn)均勻解凍，而且可以將解凍時間縮短30s。從3穗速凍玉米和4穗速凍玉米的解凍情況看，當解凍時間相同時，間歇解凍的玉米溫度分布較均勻，而連續(xù)解凍的玉米表面都會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，這是由于間歇解凍可使“熱點”集中的熱量得以向玉米的其他部位擴散，這樣就把各部分的溫度控制在不影響產(chǎn)品質量的范圍內(nèi)，充分吸收微波能量，實現(xiàn)均勻解凍，這與Virtanen等[15]的報道相一致。

表5 不同數(shù)量速凍玉米的微波解凍情況Table 5 Effects of thawing modes and the number of maize ears on temperature distribution

2.5 微波解凍過程中的熱量吸收效率的計算由表6可知，對于不同物料量的速凍玉米，采用間歇解凍的微波吸收效率均高于連續(xù)解凍，且隨著物料的增加，吸收效率分別增加了2.1%、2.4%、3.0%和

表6 不同解凍方式對速凍玉米的微波吸收效率比較Table 6 Effect of thawing modes on microwave absorption efficiency of maize

3.6%。這是由于間歇解凍可以使速凍玉米內(nèi)部熱傳導的效應增加，從而保證了微波能量的充分利用[16]。從不同物料量的微波解凍結果可以看出，隨著物料量的增加，速凍玉米對微波的吸收效率也相對增加，當物料達到4

穗時，增加幅度基本趨于穩(wěn)定，此時微波能量利用率為50.2%。

3 結 論

3.1 速凍玉米的含水率介于52.3%～64.7%之間時，其比熱容在1.7314～2.2445J/(g·℃)范圍內(nèi)變化，與含水率呈正相關，相關系數(shù)R2=0.9554，這表明速凍玉米的含水率和其比熱容線性相關，隨著速凍玉米水分含量的增加，其比熱容也相應增加。

3.2 在速凍玉米的微波解凍過程中，表面溫度、籽粒溫度和玉米軸的中心溫度都存在著不同的溫度變化規(guī)律。解凍初期，表面溫度較籽粒溫度高，玉米軸的中心溫度最低，隨著解凍時間的延長，玉米軸的中心溫度迅速升高，形成從玉米軸中心到表面的溫度梯度。

3.3 選取微波功率為300W解凍速凍玉米，與微波連續(xù)解凍相比，微波間歇解凍到達解凍終點所需的時間較短。對于單穗速凍玉米，解凍時間縮短20s；當物料量為雙穗時，解凍時間縮短30s。隨著物料量的增加，連續(xù)解凍過程中玉米穗的表面都會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，無法實現(xiàn)均勻解凍；而間歇解凍可以有效降低整個玉米穗的溫度梯度，避免熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。因此，當速凍玉米的數(shù)量較多時，微波間歇解凍是一種理想的解凍方法。

3.4 采用微波間歇方式進行解凍時，速凍玉米對微波的吸收效率明顯高于連續(xù)解凍。微波吸收效率隨著物料量的增加而增加，當速凍玉米的物料量為1000g(4穗)時，微波吸收效率達到50.2%，基本趨于穩(wěn)定。這個有利的結果可以為速凍玉米的工業(yè)化解凍提供參考。

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Temperature Change and Energy Utilization of Quick-frozen Maize during Microwave Thawing

ZHENG Ming-zhu，SU Hui，LIU Jing-sheng*，MIN Wei-hong，ZHANG Da-li，CAI Dan
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

To obtain a more energy-efficient thawing approach, quick-frozen maize was thawed by microwave field technology in either a continuous or intermittent mode under conditions of varying number of maize ears in this paper. The regularity of temperature change in different parts of maize ear and its effect on microwave energy absorption were explored. The results showed that different parts of maize ear displayed identical temperature change trend during both continuous and intermittent thawing. The surface of maize ear exhibited the highest temperature, followed by grain temperature and cob temperature during the early stages of thawing. As the thawing time was prolonged, the central temperature of maize cob was promptly elevated,forming a temperature gradient from the central axis of maize cob to the surface of ear. In comparison with continuous thawing,intermittent thawing resulted in more even temperature distribution and higher microwave energy absorption, which rose as the number of maize ear was increased and tended to remain stable at 50.2% until the number of maize ear reached 4.

quick-frozen maize；intermittent microwave thawing；microwave absorption efficiency

TS213.4

A

1002-6630(2011)07-0173-05

2010-12-21

國家“863”計劃項目(2008AA100802)

鄭明珠(1979—)，女，講師，博士，研究方向為食品加工。E-mail：zhengmzhu@163.com

*通信作者：劉景圣(1964—)，男，教授，博士，研究方向為糧食深加工。E-mail：liujs1007@sina.vip.com