微波解冻水产品仿真研究

黄永赟，袁跃峰

浙江海洋大学海洋工程装备学院（舟山 316000）

随着经济水平的提高，人们的生活质量也在提升，水产美食成为人们餐桌上钟爱的佳肴。为保持水产的品质及营养价值，水产在运输和生产过程中会采用冷冻保鲜技术，冷冻保鲜包括冷冻、冷藏、解冻等环节，其中冷冻和解冻是重要的环节[1-2]。

凌胜男等[3]通过对比鳀鱼的微波解冻、超声辅助解冻、盐水解冻和冷餐室解冻效果得出，微波解冻耗时最短，解冻后鳀鱼持水力最好；王琳琳等[4]以冻结耗牛肉背最长肌为试验对象，通过对比静水、微波、冷藏、室温和空气解冻的方式得出，在耗牛肉的解冻过程中，微波解冻可以一定程度上维持肌肉的新鲜度，并且TVB-N含量和菌落总数最低；马翼飞等[5]在小黄鱼解冻试验中，对比静水、流水、微波、低温空气和超声波解冻，结果显示微波解冻的速度最快；Cai等[6]试验对比常规解冻、微波解冻，得出微波联合真空解冻大嘴鲈鱼可以保持解冻鱼片的质量；Watanabe等[7]指出微波解冻所需的时间短，褐变水平明显低于20 ℃的空气解冻；Peng等[8]对冷冻芒果进行解冻，相比于超高压解冻、空气解冻、水解冻，微波解冻能大幅缩短解冻时间，提高芒果的质量，减少颜色变化和滴落损失，减少硬度和维生素C含量的损失。

根据前人的试验与经验可以得出：相对于传统的解冻方式，微波加热具有解冻时间短、效率高、控制简单的特点[9]。微波是指频率在300 MHz～300 GHz的高频电磁波。微波最早被发现能够加热是在1945年，美国Raytheon公司科学家Percy Spencer在做雷达试验时偶然发现衣服口袋里的巧克力融化，通过多次的试验改进，终于在公司的帮助下发明了世界上第一台体型巨大微波炉[10]。

在之后的发展中，为避免通信干扰，美国联邦通信委员会规定用于加热的微波炉为2.45 GHz和915 MHz。其中，家用微波炉的频率为2.45 GHz，工业用微波炉主要是915 MHz。

1个分子在电场中会因为它的极性在电场中发生偏移，在高频交变的电磁场中，被放置在电磁场中的物体内极性分子将不会再随机运动，它们运动的方向会随着电场的快速变化而快速移动，这样的快速移动使分子与分子之间相互碰撞、摩擦产生热量。由于这种热量是从物体内部产生的，因此微波解冻可以在非接触的情况下完成解冻过程，更为方便快捷。

此次试验通过仿真研究分析冷冻鱼解冻后的电场分布和温度分布，改变冷冻鱼所处的位置高度，研究不同位置下的解冻情况。

1 仿真设计

设计18 L规格为315 mm×315 mm×185 mm的长方体微波腔体；波导管放置在左前方正中间，规格50 mm×78 mm×18 mm。在微波炉的腔体正中放入1条冷冻鱼，鱼的模型如图1所示。微波解冻的模型如图2所示。设微波炉加热时间5 s，波导口输入功率1 000 W，电磁波模式TE10模，频率2.45 GHz。此次工作中，计算机仿真的硬件环境：11th Gen Intel（R）Core（TM）i7-11800H，主频2.30 GHz，32GB RAM。软件环境COMSOL Multiphysics 6.0。

图1 冷冻鱼的模型

图2 微波解冻模型

物体的介电特性影响物体在微波解冻过程中的解冻效果。物体的介电特性如式（1）所示。

式中：ε’为介电常数；ε’’为介电损耗；j为。ε’和ε’’分别为物体对电场的响应和形成电偶极子消耗的能量。

在实际情况中，1条鱼的身体部位有各自不同的物理属性，鱼头、鱼鳍、鱼肉、鱼尾由于不同的形状及物理特性具有不同的介电性质，这些不同的性质使得鱼在现实中解冻时呈现出不同的解冻特性。这些特性在软件中无法精确建模，故仿真中只建立鱼头、鱼身和鱼尾，并且将鱼头、鱼身、鱼尾视为同一种物质，赋予相同的物理属性。将鱼的初始温度设为-20℃，并且抬高一定高度，抬高的高度H为0，25，50，75，100和125 mm，分析鱼的温度分布。仿真所采用的材料参数如表1所示[11]。材料的其他物理属性使用仿真软件默认的数值。

2 仿真结果

以鱼不抬高即H=0 mm时为例，分析鱼的温度及电场模分布如图3。

图3 解冻时鱼的温度及电场模分布

由图3（a～b）可以看出，鱼的高温地区主要是鱼与腔体的接触区、鱼身内部和鱼身中部靠后的区域。由于鱼的介电常数是复数，在解冻的过程中发生电磁损耗，鱼的内部温度较高[12]。画出此时鱼的电场模分布，如图3（c～d）所示。通过对比可以发现，鱼的温度分布情况与电场模的分布情况高度相似。在微波传播过程中，部分电磁能转换成介质的热能[13]，即冷冻鱼的热能Pv，按式（2）计算。

式中：Pv为微波耗散能量，J；f为微波频率，Hz；ε0为真空介电常数，F/m；ε’’为相对介电损耗；E为电场强度，V/m。

在其他条件不变的情况下，电场强度越高，能量越大，鱼所对应位置的温度也就越高。所以电场模分布极大地影响解冻物体的温度分布情况。

由图4和图5可以看出：在H=25，100和125 mm 时解冻情况相对明显，此时S11参数的值分别为-7.214 2，-6.735 7和-7.555 7 dB，相对较低，即反射回源端的能量较少；在H=50和75 mm时，S11参数的值分别为-2.155 7和-2.015 9 dB，相对较高，反射回源端的能量较多，微波解冻的效果并不显著。综上，冷冻鱼所处的位置高度会影响解冻的速度。

图4 在5 s时鱼的温度分布

图5 不同H下的S11参数

3 结论与展望

通过仿真分析，电场的分布情况会极大程度上影响冷冻鱼的解冻效果，电场的分布与冷冻鱼的温度高度相似。电场强度越高的地方，冷冻鱼的温度越高。冷冻鱼所处的位置高度会影响微波能的传播，在不同的高度下有不同的解冻情况。

微波炉已成为热门家用电器，微波解冻也是一种方便快捷的解冻方式，随着微波解冻相关研究的深入，微波解冻技术也会逐渐更迭，优秀的解冻技术将带来更便利的生活。