【摘 要】
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射频加热是近年来应用于食品加工行业的一项新型加热技术,因其加热速率快、可整体加热等优势而应用于干燥、杀菌、杀虫、解冻、烘焙、钝酶等方面,但是由于射频加热存在边角热效应,所以在实际应用中物料会加热不均匀,而已有方案虽改善了加热均匀性,却使加热速率有所下降,使处理时间延长,导致食品的品质下降,有的方案虽不影响加热速率,但是需改造设备,成本较高且操作复杂。另外,物料介电特性和热特性会影响物料的射频加热速
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(31671909);
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射频加热是近年来应用于食品加工行业的一项新型加热技术,因其加热速率快、可整体加热等优势而应用于干燥、杀菌、杀虫、解冻、烘焙、钝酶等方面,但是由于射频加热存在边角热效应,所以在实际应用中物料会加热不均匀,而已有方案虽改善了加热均匀性,却使加热速率有所下降,使处理时间延长,导致食品的品质下降,有的方案虽不影响加热速率,但是需改造设备,成本较高且操作复杂。另外,物料介电特性和热特性会影响物料的射频加热速率,因而有一些物料在射频场下加热相对缓慢,这限制了射频加热在这些物料上的应用。基于以上原因,如果通过改变包装容器结构就可以改善加热不均的问题,提高加热缓慢物料的加热速率,就可以扩大射频加热的应用范围。针对上述问题,同时受到多孔物料在交变电场中的加热规律的启发,本文将分散性包装结构应用于液体物料氯化钠溶液和固体物料大米中,显著提升了液体的射频加热速率,也使固体物料的加热均匀性得到改善,将分散性结构应用于大米杀虫,取得了明显效果。为探究孔分散结构对电磁场和温度分布的影响,用COMSOL Multiphysics建立了大米射频加热的仿真模型,并利用验证后的模型探究了包装容器结构参数对射频加热的影响,主要研究成果如下:(1)在探究溶液浓度和颗粒分散结构的颗粒直径对氯化钠溶液的射频加热过程影响的研究中:为分析氯化钠溶液的射频加热规律,因此测定了不同浓度氯化钠溶液的介电特性,发现氯化钠溶液的介电常数和介电损耗系数与温度成线性关系。介电常数随温度的升高而减小,随溶液浓度的增加先增大后减小。介电损耗因子随温度和溶液浓度的增加而增大。随着氯化钠溶液浓度的增加,加热速率先增大后减小。不同溶液中最大加热速率对应的颗粒直径并不相同,但不同颗粒直径的分散结构均能显著提高加热速率,且加热速率随颗粒直径的增大先增大后减小。此外,测定的侧面和上表面的加热均匀性指数表明:水平面的加热均匀性优于垂直平面。(2)在探究孔分散结构对大米射频加热影响的研究中:发现孔分散结构能够提升大米的射频加热速率并改善加热均匀性。对不同孔分散结构的研究结果表明:竖向孔优于横向孔;空心优于实心;相同孔径下,射频加热速率随孔数量的增加而增大;孔数量相同时,射频加热速率随孔径的增大而总体呈现增大趋势。孔数为8孔时,在冷区集中、交错分布和等距分布三种分布方式中,等距分布具有更快的加热速率和更好的加热均匀性。对不同含水率的大米,孔分散结构都能明显提升射频加热速率,且都使加热均匀性得到改善。将12孔分散结构应用于射频杀虫中,经过相同处理时间后,含有孔分散结构的样品中米象和赤拟谷盗的死亡率显著高于对照组。(3)利用验证后的大米射频加热模型探究容器圆角半径、壁厚、材料及长宽比对射频加热的影响,发现对于PP材料,增加圆角半径可以改善加热均匀性且不太影响物料的升温。对于不同的包装材料,增大壁厚对物料的加热均匀性和体积平均温度的影响不同,在PP材料中,增加容器的壁厚会使加热均匀性指数先下降后上升,而对PC和PET这两种材料,加热均匀性指数随着壁厚的增加而下降;PP材料的壁厚对温度的影响比较有限,即不会导致物料温度大幅变化,而在PC和PET材料中,物料的体积平均温度都随壁厚的增加而上升,但在PET中上升的更明显。最后,长宽比对于PET容器中大米的射频加热均匀性影响不大,温度随长宽比增大而升高,因此,适当增大容器的长宽比能够使物料体积平均温度上升的同时改善加热均匀性。
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