热风烘烤广泛应用于预油炸食品的加工中[1],通过高温空气的快速对流去除表面水分,并促进美拉德反应,使产品获得酥脆的口感,同时显著减少了油脂的使用[2-3]。传统的热风干燥主要依赖于传导和对流换热,常导致较长的烹饪时间和显著的水分梯度[4]。这些局限性使得热风单一加热方式在改善烹饪效率的同时,难以兼顾产品的感官品质。
微波加热通过电磁场与极性分子的相互作用,在体积内快速产生热量,从而显著提高加工速度和能效[5]。微波与热风的结合,形成了微波辅助热风(microwave-assisted hot air,MAHA)技术,其已成为提升食品烹饪效率和产品质量的重要方向。MAHA通过同步施加微波与热风,能够产生协同效应:微波迅速提升物料中心温度并产生内部蒸汽压,而热风则有效去除表面水分并增强脆度[6]。AN等[7]采用微波辅助热风干燥处理玉米,揭示了多物理场耦合对玉米干燥动力学、水分迁移及品质形成的调控机制,然而,这一协同机制仍然存在复杂性,尤其是在微波功率与热风参数的匹配上。因此,深入探讨MAHA工艺中微波和热风的动态匹配规律,是优化加工工艺的关键。数值模拟已成为研究多物理场耦合作用机制的重要工具。通过多物理场仿真模拟,能够在高成本、长周期实验前,检验协同作用机制,揭示加热不均匀性等内在问题,为热风与微波功率的匹配提供理论支持[8]。
薯条作为预油炸食品的典型代表,其品质受烹饪过程中正向温度梯度和反向水分梯度的共同作用控制,即表面水分的快速去除与内部水分的分布[9]。基于这一特点,本研究旨在通过实验与数值模拟相结合的方法,利用验证后的模型分析多物理场的动态特征,评估不同热风模式及微波功率对薯条质构、色泽及收缩率的影响规律;通过水分成像与微观结构分析,从水分迁移与组织结构重构的角度探讨品质提升机理。综上所述,本研究从多物理场耦合视角阐明了 MAHA提升品质的本质原因,可为高性能组合烹饪装备的工艺设计与智能化调控提供理论依据与方法参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
1.1.1 实验材料
实验原料选用冷冻预油炸薯条(购自江苏无锡)。为消除初始状态差异,薯条采购后置于-18 ℃ 环境下冻藏 48 h,以使物料内部温度分布与水分状态达到热力学平衡。
1.2 仪器与设备
GR5 Pro微蒸烤一体机,美的厨房电器制造有限公司;E5071C矢量网络分析仪,85070E同轴探针,美国Agilent公司;热常数分析仪TPS2500 s,瑞典Hot Disk;F862荧光式光纤温度变送器,RS485(Modbus),上海集迦电子科技有限公司;DS-41便携式分光测色仪,苏州普元实验器材有限公司;电热鼓风干燥箱,德国Binder公司;TA.XT plusC质构仪,英国Stable Micro System公司SU8220型扫描电子显微镜,日本Hitachi高科技公司。
1.3 实验方法
1.3.1 烹饪方法及程序
本研究设定了微波单独烹饪、热风单独烹饪及MAHA三种模式,不同模式烹饪时间均为10 min。工艺代号及参数设置如下:
微波烹饪:设定微波功率分别为1 500 W与1 200 W,对应代号M1 与M2。
热风烹饪:根据设备加热元件分布与热风循环方式,设定5种烹饪模式(图1和表1),分别标记为HA1、HA2、HA3、HA4与HA5。
表1 冷冻预油炸薯条的含水量与油含量
Table 1 The moisture and oil content of frozen pre-fried French fries model
名称组合功率/WM1—1 500M2—1 200HA1烘烤A+烘烤D1 600HA2烘烤C+烘烤E1 600HA3烘烤A+烘烤B1 600HA4烘烤B+烘烤C2 100HA5烘烤C+烘烤D2 100MAHA1HA1+M13100MAHA2HA2+M13 100MAHA3HA3+M13 100MAHA4HA4+M23 300MAHA5HA5+M23 300
注:“—”表示没有组合其他方式,仅为微波单独烹饪。
图1 微蒸烤一体机图示
Fig.1 Illustration of integrated microwave steam oven
微波辅助热风:将1 500 W和1 200 W微波分别与热风模式进行耦合,构建组合烹饪工艺MAHA1、MAHA2、MAHA3、MAHA4和MHA5。在不同MAHA组合模式下,设备的综合输入功率均维持在3 100～3 300 W 范围内。
实验前,从冷冻库中选取规格整齐、形态一致的薯条(100 mm×10 mm×10 mm)[电子版增强出版附图1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.046295,下同)],每组实验准确称取薯条(270±3)g。为了模拟并确保MAHA过程中的多物理场协同效应,将薯条单层均匀排布于陶瓷托盘(规格 375 mm×335 mm×30 mm)中。通过背部风扇的旋转作用,带动烤箱背部空气流动。经过不同加热管加热后,空气从挡风板结构的出风口吹出,并进入烤箱门体。此过程在烤箱主流域内形成循环,最终从进风口进入挡风板结构,实现了烤箱内空气的持续循环。
1.3.2 水分含量
薯条水分含量的测定步骤参照 GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。
1.3.3 表面色差
使用白板校准后,对薯条的L*、a*、b*进行测定,测定时镜头垂直并紧贴表面,防止漏光。总色差 ΔE根据公式(1)计算:
(1)
式中:
分别代表未处理前薯条的亮度值、红绿值和黄蓝值;
分别代表烹饪后薯条的亮度值、红绿值和黄蓝值。
1.3.4 质构
参考HUANG等[10]的方法,测试使用直径 2 mm的圆柱探头(P/2),测试速度2 mm/s,触发力10 g,穿刺深度4 mm。记录峰值力作为硬度指标。
1.3.5 收缩率
从不同加工阶段的薯条中心位置的3根样品,进行表观体积测定。测定过程中使用粒径为0.9～1.0 mm的小米作为置换介质,通过体积置换法获取每根薯条的体积。每个样品重复测量3次,取平均值作为最终数据,以保证实验结果的可靠性和可重复性。体积收缩率(shrinkage volume,SV)根据公式(2)计算:
(2)
式中:V0表示冷冻预油炸薯条的初始体积,Vt表示薯条加工后的体积。
1.3.6 水分弛豫及成像
基于低场核磁共振技术,本研究对烹饪后薯条内部水分的状态迁移及空间分布规律进行定量与可视化分析。a)横向弛豫时间测定:待烹饪后的薯条冷却至室温,精密称取试样2.00 g 置于直径为25 mm的核磁专用试管中,并将其固定于永久磁场的中心区域。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列采集薯条的横向弛豫信号,关键参数设定如下:重复采样等待时间为16 000 ms,回波时间为0.25 ms,累积回波数设定为14 000次,扫描累加次数为2次。每组处理均平行测定3次。b)核磁共振成像:为直观表征烹饪过程中物料内部水分的空间分布特征,利用核磁成像系统对薯条中段横截面进行质子密度加权成像。扫描参数设定如下:扫描视野为50 mm×50 mm,切层厚度2.5 mm,层间隙0.5 mm;采样重复时间为400 ms,回波时间为10 ms。信号采集采用256(频率方向)×192(相位编码方向)的矩阵大小,每组实验累加采集20 次以提高图像信噪比。原始图像重建后,通过图像处理软件进行伪彩增强处理,并最终导出 BMP 格式的高清图像用于定性分析。
1.3.7 冷场扫描电镜
薯条通过冷冻干燥除水后,切成厚度为1 mm 的薄片并喷金,在5 kV 的加速电压下操作以获得微观结构图像。
1.3.8 统计分析
所有实验均独立重复测定3次,取平均值作为最终实验结果。采用 SPSS 软件(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)进行单因素方差分析(ANOVA),使用 Duncan 多重比较法检验差异显著性,显著性水平设为P<0.05,使用Origin 2024软件绘图。
1.4 仿真模型
1.4.1 模型假设
为便于建立数值模拟模型,作如下假设:
a)空气视为非吸收性介质,其相对介电常数为1,介电损耗可忽略;b)模拟域内考虑重力对流场分布的影响;c)进入腔体的气流视为稳态同时速度分布均匀;d)微波腔壁视为理想导体,不发生能量耗散;e)忽略腔部悬浮颗粒、表面粗糙度与曲率对微波传播的影响;f)微波频率与功率在单次脉冲施加期间保持恒定,同时在瞬态热模拟过程中,电磁场的空间分布假定保持不变;g)由于静态和旋转2种配置在30 s内所测得的最大和平均温度值极为相近,因此旋转对磁场分布的影响可被忽略不计。
1.4.2 几何结构与系统构建
仿真框架如图1所示。数值模型构建基于实验所使用的微蒸烤一体机腔体结构,系统内包括上、下加热管形成的对流加热模块,实现腔体热空气循环;微波能量通过矩形波导耦合至腔体内部初温设为298.15 K。
1.4.3 控制方程
腔内电磁场分布由频域麦克斯韦方程求解,参考公式(3):
(3)
式中:
为电场强度,单位为 V/m;μr为相对磁导率;ω表为角频率,单位为 rad/s;c为真空中的光速,约为3×108 m/s;ε′为介电常数;ε″为介电损耗因子。
微波吸收产生的体热源项计算见公式(4):
(4)
式中:ε0为真空介电常数,数值为8.854×10-12 F/m; f为电磁场的频率(2 450 MHz)。
热传递过程参考公式(5)进行解析:
(5)
式中:ρ为薯条的密度,单位为 kg/m3;Cp为定压比热容,单位为 J/(kg·K);T为绝对温度,单位为
为速度矢量,单位为 m/s;k为导热系数,单位为W/(m·K); Qv为单位体积热源,单位为 W/m3。
流体场的分布计算参考公式(6)～公式(7):
(6)
(7)
式中:P为单位体积的压力梯度,单位为 N/m2;μ为动力黏度,单位为 Pa·s;g为重力加速度,单位为 m/s2。
1.4.4 计算域设置与求解策略
本研究基于实验室规模的微波系统,模型采用COMSOL Multiphysics(COMSOL Inc.,Sweden)建立,详细见附图2。模拟结合了频域内的电磁波分析与流体中的层流传热过程,采用RF模块中的频域方法求解麦克斯韦方程组,并使用广义最小残差迭代求解器进行计算。同时,通过并行直接求解器算法求解耦合纳维-斯托克斯方程的傅里叶热传导方程,以模拟瞬态热行为。RF模块与传热及流体流动模块相互耦合,构建了统一的多物理场模型,模拟中固定时间步长为1 s。为保证数值稳定性,启用了COMSOL内置的收敛监测功能。基于电磁场计算得到的体积热源进一步估算了温度场和表面热通量。
a-1 500 W;b-1 200 W
图2 不同烹饪方式薯条的表面温度分布图
Fig.2 Surface temperature of French fries under different cooking methods
1.4.5 材料参数
实验所用薯条的温变物性参数(包括介电常数、介电损耗、导热系数及比热容)均通过实验测定获得,并拟合成方程用于数值模拟。参考TAO等[11]的方法,薯条的电磁特性采用开口同轴探头法并结合矢量网络分析仪进行表征。同时,利用 Hot Disk 热常数分析仪对物料的导热系数及比热容进行测定。所有物性参数均在工艺设定的温度范围内进行多点采集,将拟合物性参数-温度公式对应带入到模型的材料,为后续数值模拟提供准确的输入参数。所需全部输入参数列于附表1。
1.4.6 温度均匀系数(coefficient of variation,COV)测定
为定量表征MAHA过程中物料温升的空间分布一致性,本研究引入COV作为评价指标[12]。从计算域中导出加工周期内物料区域的温度场数据,通过统计学分析定量解析其温升离散程度。COV越小,表明物料表面的热量分配趋于均匀,加工稳定性越高。其计算公式如公式(8)所示:
(8)
式中:N,从数值仿真模型导出的空间取样点总数;Ti,仿真模型导出的各空间节点实时温度值,
对应取样区域内所有空间节点的平均温度值,K。
1.4.7 模型验证
为验证多物理场仿真模型的准确性,本研究捕捉了MAHA1工艺条件下 5 min 时的温度分布数据作为验证基准。基于数值模拟获取了薯条阵列内代表性位点的温升曲线(附图1),并与通过光纤测温传感器采集的实验数据进行对比。结果显示(附图3),在整个加热周期内,各监测点的模拟升温趋势与实测结果吻合,定量证实了模型在预测温度演变的动态趋势及量值幅度方面具有良好的可靠性。模拟与实测间的微小差异主要归因于模型简化了微波透明陶瓷托盘的几何结构,忽略了托盘与物料间的接触热传导作用,该简化处理是导致局部温度预测偏差的主要诱因。
图3 不同烹饪方式薯条的表面热通量分布图
Fig.3 Simulated surface heat flux distribution of French fries under different cooking methods
2 结果与讨论
2.1 多物理场模拟仿真
2.1.1 电场分布
利用COMSOL模拟不同微波功率下薯条的电场强度分布(图2)。随着功率提升,电场强度显著增强,1 500 W组场强峰值达约4.0×103 V/m,同时发现微波电场分布具有高度非均匀性并呈现显著的“尖端与边缘效应”,物料棱角及末端因电磁波散射与相干叠加形成能量高值区。在CHEN等[13]对射频解冻猪肉温度均匀性的模拟研究中,同样发现因猪肉与周围空气介电特性差异,电磁场在棱角处发生偏转与集中,导致该区域成为能量聚焦的高电场强度区域。由于腔内驻波特性的影响,部分区域的电场强度较高,这些区域对薯条表面的加热作用更强,导致表面温度较高,形成明显的温度不均匀性。
2.1.2 温度分布
薯条温度场的变化是表征多物理场能量的重要依据。由于薯条阵列在腔体内呈现显著的空间分布规律,本研究选取几何中心区域(如图3 红色框所示)进行定量分析,探讨其在传热过程中的表现。图3展示了烹饪终点时刻,各组薯条表面的温度分布特征。在单一热风模式下,由于加热元件布局和热风循环路径的不同,各组的热响应差异明显:HA1和HA5 组的表面最高温升分别为316.3 K 和 324.6 K,整体高温区覆盖范围相对较大。然而,从整体能量水平来看,单一热风模式受限于较低的边界层对流换热系数,导致温升滞后,物料核心区域的热量传递受到严重制约。
引入微波辅助后,体积生热效应显著影响了传统热传导的局限,所有 MAHA 处理组的温升显著提高。其中,MAHA3表现出较强的局部热响应,其表面最高温度接近370 K,远高于其他组合模式。MAHA组的高温热点分布与电场强度峰值区域(图2)一致,表明微波能量与热风流场的优化耦合共同促进了加热效能的提升[14]。
2.1.3 热通量
表面热通量是衡量食品与空气界面能量交换强度的重要物理量,其变化特征决定了热能在物料表面分布的规律[15]。由于薯条阵列在腔体内展现出一定的空间分布相似性,本研究继续选取阵列中心区域作为代表(图4)。在单一热风模式中,热通量数值普遍较低且分布极为平缓;而当耦合微波体积生热后,组别表面热通量均出现显著增益。这一现象表明,微波生热效应与外部热风换热的叠加作用,使各MAHA组在烹饪初期即获得较高的瞬时热负荷。对比不同处理模式,MAHA3与MAHA4在局部区域虽表现出较强的能量聚集,但其热通量的空间分布较为离散;相比之下,MAHA1在微波与热风的协同作用下,表现出更强的物理稳定性,从而为薯条表面的快速热响应提供了理想的热场环境[16]。
图4 不同烹饪方式薯条的表面热通量分布图
Fig.4 Simulated surface heat flux distribution of French fries under different cooking methods
2.1.4 均匀性分析
为定量评估烹饪均匀性,本研究引入COV分析物料表面热通量的空间分布特性。计算结果表明(表2),单一微波模式的COV较高,M1和M2组分别为0.224与0.203,这与高功率电磁场分布的非均匀性特征相符。组合烹饪模式的COV降至0.09～0.12,证明热风对流有效缓解了微波引发的局部热点聚集。LI等[17]的研究也表明,微波干燥中引入热风能显著改善对流换热,降低物料温度的变异系数,从而提升加热均匀性。在各组的横向对比中,MAHA2表现出最优的空间分布一致性,其COV仅为0.092,明显优于MAHA1及MAHA3。这表明在MAHA2的处理条件下热风流场与微波能量分布实现了更有效的耦合,最大程度减少了物理场相干叠加导致的能量分布不均。
表2 薯条温度均匀性系数COV
Table 2 Temperature uniformity coefficient COV of French fries
组别M1M2MAHA1MAHA2MAHA3COV0.2240.2030.1040.0920.112
2.2 薯条性质变化
综合电场分布、温度场、热通量及COV指标来看,MAHA1、MAHA2、MAHA3这3组在微波-热风组合加热中表现出了明显的差异化优势:MAHA3加热强度最高但存在局部过热风险,MAHA1热通量较好,而MAHA2的均匀性系数最优。因此,进一步研究这3组不同微波功率与热风参数的耦合机制,为优化加热工艺提供关键参考。
2.2.1 硬度
薯条表层的硬度是评价烹饪品质的核心指标。MAHA薯条的硬度显著高于单一微波处理组(图5)。其中,尽管仿真显示 MAHA1、MAHA2 与 MAHA3 的物理场分布存在差异,三者间硬度的差异不显著(P>0.05)。在单一微波处理组内部,M1组的硬度显著高于 M2组,高功率微波增强了薯条能量的吸收,产生的更强内压驱动水分快外迁,在一定程度上显著增强物料的结构硬化程度[18]。
图5 不同烹饪方式对薯条硬度的影响
Fig.5 Effects of different cooking methods on the hardness of French fries
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2.2 收缩率
物料收缩率直观反映了烹饪过程中薯条组织的形貌稳定性。对比图6发现,单一微波组的收缩率维持在26%～28%的较低水平且差异不显著。在MAHA组薯条的收缩行为显著加剧。这主要是由于在MAHA过程中,薯条水分散失得更快,更容易发生变形[19]。MAHA1 组表现出最剧烈的体积收缩,这与其仿真结果中较高的局部热通量相匹配,内部水分快速外迁,诱发组织结构在结壳定型前发生塌陷。而MAHA2的收缩率较低,说明该条件下具有更优的热量传递,与仿真模拟中COV的分析呈现一致性。
图6 不同烹饪方式对薯条收缩率的影响
Fig.6 Effects of different cooking methods on the shrinkage of French fries
2.2.3 色差
从表3色差变化分析可知,MAHA处理组的L*值低于单一微波组,其中 MAHA3 组的亮度值最低。这一方面是因为MAHA模式下,热风对流的高温环境协同微波体积加热,加速了薯条表层美拉德反应及焦糖化反应的进程,促使褐变产物累积并减弱了物料表面的光反射能力,从而降低了L*值[20];另一方面,M2 处理组由于缺乏热风脱水作用,表面持水率较高,因而维持了最高的明亮度[21]。在红绿值a*方面,单一微波组数值小于0,而MAHA处理组则大于0,具有显著性差异。同时,MAHA2组的b*值为25.78±1.70,明显高于单一微波组,说明MAHA可以增强产品金黄色泽的饱和度,提升薯条加工的感官性。从综合色差值ΔE分析,以未处理的组为基准,在所有的MAHA组别中,MAHA1和MAHA2的色差数值有显著的差异。MAHA1和MAHA2组别可能更有效地促进了表层美拉德反应,使薯条色泽更接近理想的金黄色调。
表3 不同烹饪方式对薯条色泽的影响
Table 3 Effects of different cooking methods on color attributes of French fries
指标未处理M1M2MAHA1MAHA2MAHA3L∗75.63±3.65a61.95±0.59c67.72±0.41b60.47±1.17c60.37±0.17c58.92±0.66ea∗0.53±0.12b-1.72±0.09c-2.36±0.26d2.57±0.07a2.45±0.10a2.43±0.30ab∗1.53±0.66e20.31±0.31c17.67±0.33d28.07±0.79a25.78±1.70b26.22±1.52abΔE—23.34±0.49c18.21±0.11d30.65±0.43a28.72±1.48b29.88±1.57ab
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
2.2.4 水分含量及分布
水分含量是评价薯条烹饪效率以及影响品质的核心物理指标。如图7-a所示,薯条在微波和MAHA不同烹饪条件下的水分含量均随时间延长而呈现下降趋势,但脱水效率表现差异较大。单一微波烹饪脱水曲线较为平缓,烹饪10 min后其水分含量仍维持在较高水平,这主要是由于在该阶段薯条仍处于冷冻状态,微波引起的传热主要是发生在相变传热过程[22]。相比之下,MAHA的脱水速率显著提升,曲线斜率明显增大。其中,MAHA1组表现出较强的脱水效能,其水分含量在烹饪终点降至约66%,这归因于微波体积加热产生的高内压驱动力与热风表面水分移除效应实现了高效耦合,显著强化了传热过程中的势能[23]。
a-薯条的水分含量;b-薯条横向弛豫时间(T2)
图7 不同烹饪方式薯条的水分含量曲线以及横向弛豫时间(T2)反演谱
Fig.7 Water content curve and inversion spectrum of the horizontal time(T2)of French fries under different cooking methods
为进一步揭示不同处理条件下薯条内部水分存在状态及迁移规律,采用低场核磁共振技术对其横向弛豫特性进行了分析。根据横向弛豫时间(T2)的分布,水分可划分为3个组分:T21(0.1～10 ms)代表与淀粉、蛋白质等大分子紧密结合的结合水,迁移能力最弱;T22(10～100 ms)代表与组分松散结合的半结合水(或称束缚水),其流动性介于结合水与自由水之间;T23(100～1 000 ms)代表分布于细胞间隙或组织孔隙中的自由水,具有最高流动性,是加工过程中最易迁移和散失的水分组分。T2值越大,表明氢质子的自由度越大、与基质的结合力越弱,相应的水分也越容易被去除。由图7所示T2谱图可见,单一微波处理组的自由水峰面积较大,且弛豫时间较长,说明其内部自由水含量较高、流动性较强,结合前述水分含量结果可知,此时样品整体仍保留较多的自由水,脱水过程尚不充分。而在MAHA处理条件下,自由水峰出现明显减弱趋势,并伴随峰位左移,表明自由水数量减少,且运动受限程度增加;同时,半结合水峰也发生相应的位移与面积变化,反映出部分自由水脱除后,剩余水分与基质之间的结合状态发生了改变。其中,MAHA1组变化更为显著,自由水峰信号大幅衰减,该组在宏观层面表现出的高脱水效率,在微观层面同样体现为自由水的快速外迁和消耗。由此可见,MAHA工艺不仅改变了薯条的整体失水速率,也重塑了内部水分分布状态和迁移行为。宏观水分含量下降与微观弛豫特性变化之间呈现出良好一致性,共同表明MAHA能够更有效地促进薯条内部自由水去除,加快组织脱水进程[24]。
2.2.5 水分成像
利用磁共振成像技术获取的质子密度加权像可直观反映薯条内部氢质子的空间分布规律,图8中图像亮度的演变与物料内部水分的消长密切相关。不同烹饪条件下,薯条内部的水分分布呈现显著差异。在单一微波功率烹饪模式下,薯条呈现较大面积的黄色亮区,且信号分布较为分散,缺乏明显的物理边界。这表明在仅依赖微波体积加热时,物料内部的水分虽然被激活,但未能有效排出,导致持水率较高,无法在表层形成干燥屏障。相比之下,在热风与微波协同作用下,水分分布展现出明显的内亮外暗特征。通过进一步分析,物料外层区域仍保留了部分较亮的黄色或淡红色信号,这主要来源于预油炸过程中的油脂成分所产生的稳定背景信号。图像的这些差异揭示了水分梯度的演变规律:微波能有效驱动内部水分向外迁移,而热风烘烤则进一步打破表面水分平衡,最终实现反向水分分布梯度[25]。
图8 不同烹饪方式薯条的低场核磁共振成像图
Fig.8 Low-field nuclear magnetic resonance imaging of French fries under different cooking methods
2.2.6 微观结构
扫描电子显微镜直观揭示了不同烹饪方式对薯条微观组织结构的重塑作用,如图9所示。在单一微波处理组中,薯条横截面呈现出大面积致密积聚态,细胞轮廓模糊,缺乏发达的相互连通网络。这种紧实结构限制了水分迁移通道的构建,导致物料表层无法形成有效的疏松层。与之形成对比的是MAHA组,物料内部展现出规则且连通的蜂窝状多孔骨架。其中,MAHA1组的淀粉颗粒发生深度糊化,构建了分布均匀的物理通道。其物理本质在于微波体积生热产生的瞬时高蒸汽压驱动水分快速外迁,并在热风对流的实时脱水作用下快速定型,有效抑制了细胞壁在失水过程中的过度萎缩与坍塌。相比之下,MAHA2与MAHA3组局部可见微孔合并或细胞界限模糊的迹象,验证了能量负荷不均导致的结构微观失稳[26]。综上,通过观察薯条微观形貌演变可以证实,MAHA1工艺诱导形成的均匀多孔结构极大地降低了水分迁移阻力,促进了内部不易流动水与结合水的动态转化,导致自由水弛豫时间向左迁移,为薯条烹饪后外壳品质的形成提供了关键的形貌学依据。
图9 不同烹饪方式薯条的微观结构
Fig.9 Microstructure of French fries under different cooking methods
3 结论
结合模拟和实验数据,本研究分析了MAHA技术提升冷冻预油炸薯条烹饪品质的物理机制。仿真结果显示,微波体积生热与热风对流形成能量叠加,有效改善了单一热风模式下升温滞后以及不均匀的问题。在不同工艺组合中,MAHA3整体升温效果最明显,而MAHA2因电磁能分布相对更均匀,受热一致性较好。在仿真结果基础上开展的验证实验表明,MAHA处理组的产品感官品质有明显提升:薯条硬度增加,水分迁移行为也发生明显变化。核磁共振成像与水分动力学分析显示,内部形成由内向外的反向水分梯度,MAHA加速了自由水的脱除,同时使残余水分的结合程度升高,MAHA1终点的含水率下降至66%。微观结构观察进一步发现,MAHA处理组形成了相互连通的多孔骨架结构,有助于热量的快速传递和水分释放。本研究从多物理场耦合角度解释了MAHA改善薯条品质的主要机制,可为组合加热设备的工艺设计和优化提供参考。
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