狹鱈魚糜射頻解凍均勻性優(yōu)化

胡曉亮 ，王錫昌，李偉強 ，朱福全 ，張柔佳，王培來 *

1.上海旅游高等?？茖W校（上海 201418）；2.上海師范大學旅游學院（上海 201418）；3.上海海洋大學食品學院（上海 201306）

射頻產(chǎn)生的高頻交變電磁場激發(fā)食品內(nèi)部的離子振動及水分子極性轉(zhuǎn)動導致摩擦生熱，其所攜帶能量較低，所以只具有加熱效應，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，解凍時間往往過長，存在汁液流失嚴重的現(xiàn)象，且容易受到微生物侵染[2]。有學者對射頻解凍和傳統(tǒng)解凍方法進行比較研究，將一定初始溫度的凍結(jié)食品解凍至目標溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)射頻解凍所需的時間遠遠小于傳統(tǒng)方法。相比傳統(tǒng)的解凍方法所需時間長、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有局部過熱的現(xiàn)象[4]。因此應用射頻解凍狹鱈魚糜過程中存在由于介電特性變化導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工業(yè)化的應用，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，影響狹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)不同位置的電場強度差異較大，因此射頻功率、電極板間距、間歇加熱時間等因素均會影響冷凍魚糜解凍的均勻性[7]。對計算評價物料解凍均勻性方法進行介紹，在此基礎上應用COMSOL Multiphysics軟件建立的數(shù)學模型探究不同因素變化對解凍后魚糜表面溫度分布的影響，根據(jù)數(shù)值模擬試驗結(jié)果，以射頻功率、極板間距和間歇時間為試驗因素，以狹鱈魚糜解凍所需時間和溫度標準偏差作為解凍效果的評定指標，設計三因素三水平的正交試驗，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 儀器與設備

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

1.3 方法

1.3.1 解凍均勻性的評價方法

根據(jù)設定的步長，通過COMSOL Multiphysics軟件所建立的數(shù)學模型計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個面上的溫度分布圖，對比不同因素變化對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，計算溫度均值Tmean和標準偏差TSD。對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溫差（ΔT=Ttop-Tlow），計算標準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準偏差越小，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，加熱時間300 s，加熱步長10 s/步。

1.3.3 極板間距對解凍均勻性的影響

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，加熱時間300 s，加熱步長10 s/步。

1.3.4 間歇時間對解凍均勻性的影響

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，間設定為先加熱180 s，后分別停機間歇60，90和120 s，繼續(xù)加熱120 s，加熱步長10 s/步。

1.3.5 正交試驗優(yōu)化射頻解凍工藝

根據(jù)數(shù)值模擬試驗結(jié)果，以對狹鱈魚糜溫度分布影響較大的射頻功率、極板間距和間歇時間為試驗因素。采用溫度傳感器監(jiān)測魚糜內(nèi)部各測溫點溫度變化，以全部測溫點溫度達到-4 ℃作為解凍完成的標志，記錄狹鱈魚糜解凍所需時間。以狹鱈魚糜解凍所需時間和溫度標準偏差作為解凍效果的評定指標，設計三因素三水平的正交試驗，確定適合狹鱈魚糜射頻解凍的較優(yōu)技術參數(shù)[13]。試驗因素水平見表2。

表2 因素水平編碼表

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用MATLAB 7.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用正交設計助手V3.1進行正交試驗分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 射頻功率對解凍均勻性的影響

由圖1可知，隨著射頻功率變化，狹鱈魚糜在xy截面上的電場強度分布存在明顯差異，電場強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截面上的電場強度均呈軸對稱分布，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度相對較小。

圖1 不同射頻功率下魚糜表面的電場強度分布圖

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，但魚糜各層的冷點位置始終位于魚糜的中心部位，熱點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區(qū)域面積最小，熱點溫度也最低，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數(shù)量最多，熱點區(qū)域面積最大，熱點溫度也最高。Soyer等[14]對雞肉的射頻加熱試驗得出類似結(jié)論，隨著射頻功率增加，冷凍雞肉的升溫速率提高，但雞肉冷熱點溫差增加，雞肉樣品的邊角部位會形成局部過熱現(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準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 ℃，標準偏差值最小，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，標準偏差逐漸增大，溫度分布均勻性逐漸變差；射頻功率增加到5.0 kW時，狹鱈魚糜最高溫度可達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。射頻功率變化會影響狹鱈魚糜內(nèi)部冷熱點的數(shù)量和位置分布，射頻功率較低時，狹鱈魚糜具有較好解凍均勻性。Uyar等[6]應用射頻加熱肉塊也得出類似結(jié)論，電磁波進入物料后，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，但魚糜各層的冷點位置始終位于魚糜的中心部位，熱點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區(qū)域面積最小，熱點溫度也最低，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數(shù)量最多，熱點區(qū)域面積最大，熱點溫度也最高。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準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 ℃，標準偏差值最小，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，標準偏差逐漸增大，溫度分布均勻性逐漸變差；當極板間距減小到7 cm時，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)極板間距的變化會影響狹鱈魚糜內(nèi)部冷熱點的數(shù)量和位置分布，當極板間距較大時，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 間歇時間對解凍均勻性的影響

由圖4可知，隨著射頻加熱間歇時間變化，魚糜表面的溫度分布存在一定差異，但魚糜各層的冷點位置始終位于魚糜的中心部位，熱點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有明顯的局部過熱現(xiàn)象，魚糜表面熱點區(qū)域面積最大，熱點溫度也最高，溫度分布均勻性較差；隨著射頻加熱間歇時間增加，魚糜表面熱點區(qū)域面積逐漸減少，熱點溫度也逐漸降低。

圖4 不同間歇時間下魚糜的溫度分布圖

不同射頻間歇時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間的狹鱈魚糜最高溫度與最低溫度的差值和標準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 ℃，標準偏差值最大，溫度分布均勻性最差；隨著射頻加熱間歇時間增加，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，標準偏差逐漸減小，溫度分布均勻性逐漸提高；當射頻加熱間歇時間增加到120 s時，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。射頻加熱間歇時間的變化影響狹鱈魚糜內(nèi)部冷熱點的數(shù)量和位置分布，當射頻加熱間歇時間較長時，狹鱈魚糜具有較好解凍均勻性。

表5 不同間歇時間的魚糜溫度數(shù)據(jù)表

2.4 正交試驗結(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準偏差和解凍所需時間代表魚糜解凍效果優(yōu)劣的指標，對狹鱈魚糜射頻解凍工藝進行優(yōu)化。由正交試驗結(jié)果（表6）及方差分析結(jié)果（表7）可知，射頻功率、極板間距和間歇時間對狹鱈魚糜解凍后溫度的標準偏差的影響的主次順序為：射頻功率（A）＞極板間距（B）＞間歇時間（C）。單從狹鱈魚糜解凍后溫度的標準偏差這一指標考慮，由方差分析可知，不同射頻功率和極板間距變化對狹鱈魚糜溫度標準偏差有極顯著影響；間歇時間變化對狹鱈魚糜溫度標準偏差具有顯著影響；再比較極差大小得出：狹鱈魚糜射頻解凍的較優(yōu)工藝應為A1B3C3，即射頻功率1.5 kW、極板間距15 cm、間歇時間2.0 min。

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

2.5 驗證試驗結(jié)果

根據(jù)正交試驗結(jié)果，設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、間歇時間2.0 min。用此技術參數(shù)對其進行驗證，做3組平行試驗。圖5為驗證試驗得到的解凍后的狹鱈魚糜上表面溫度分布圖，魚糜的冷點位置始終位于魚糜的中心部位，熱點位置始終位于魚糜的邊角區(qū)域，采用正交試驗獲得的較優(yōu)工藝來解凍狹鱈魚糜，魚糜表面熱點區(qū)域面積較小，溫度分布較為均勻。

表6 L9(33)正交試驗表及試驗結(jié)果

表7 3種因素對魚糜標準偏差影響的方差分析

表8 3種因素對魚糜解凍時間影響的方差分析

圖5 較優(yōu)工藝下魚糜的溫度分布圖

驗證試驗得到的解凍后的狹鱈魚糜的溫度數(shù)據(jù)和解凍所需時間如表9所示。采用射頻功率1.5 kW、極板間距15 cm、間歇時間2.0 min解凍狹鱈魚糜，魚糜上表面平均溫差15.2 ℃，溫度標準偏差2.5 ℃，解凍均勻性較好，平均解凍所需時間8.2 min。驗證試驗結(jié)果與優(yōu)化預期結(jié)果較為相符，表明試驗得出的工藝參數(shù)可以較好地應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，影響狹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)不同位置的電場強度差異較大。射頻功率、電極板間距及間歇加熱時間等因素均會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計時，需考慮這些因素對溫度分布的影響，避免出現(xiàn)熱點區(qū)域過多、熱點溫度過高導致的解凍不均勻問題。

由正交試驗結(jié)果可知，對狹鱈魚糜解凍后溫度的標準偏差的影響的主次順序為：射頻功率（A）＞極板間距（B）＞間歇時間（C）。對狹鱈魚糜解凍所需時間影響的主次順序為：極板間距（B）＞射頻功率（A）＞間歇時間（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、間歇時間2.0 min。驗證試驗結(jié)果表明：魚糜上表面平均溫差15.2 ℃，溫度標準偏差2.5 ℃，解凍均勻性較好，平均解凍所需時間8.2 min。驗證試驗結(jié)果與優(yōu)化預期結(jié)果較為相符。