微波功率与初始水分对小麦淀粉-面筋系统热质传递及膨胀特性的数值模拟研究

《Current Research in Food Science》：Numerical investigation of coupled heat-mass transfer and expansion in wheat starch-gluten systems during microwave processing: Role of power and initial moisture

本研究针对微波加热小麦基食品过程中温度分布不均的问题，通过建立多物理场耦合模型，系统研究了微波功率和初始水分含量对小麦淀粉-面筋体系热质传递及体积膨胀的影响。研究发现，较高功率和水分含量可加速加热干燥并促进体积膨胀，同时揭示了水分通过增强微波吸收能力而强化温度-压力-水分耦合梯度的作用机制。研究结果为优化小麦基食品微波加工工艺提供了重要理论依据。

　　

在当今快节奏的生活中，微波炉因其快速、高效的加热特性已成为厨房中不可或缺的设备。然而，许多人在使用微波炉加热面食类食品时，都会遇到一个令人困扰的问题——食物受热不均，有些部分已经过热，而另一些部分却还是凉的。这种加热不均匀现象不仅影响口感，更可能导致食品安全隐患。对于食品工业而言，如何优化微波加工工艺，提高小麦基食品（如面包、面条、馒头等）的加热均匀性和最终产品质量，是一个亟待解决的重要课题。

传统上，研究人员通过实验尝试改进微波加工过程，但实验方法成本高、周期长，且难以揭示食品内部复杂的物理化学变化机制。特别是在微波加热过程中，食物内部同时发生着热量传递、水分迁移、压力变化和体积膨胀等多种物理过程，这些过程相互耦合、相互影响，形成了一个复杂的动态系统。为了深入理解这些机制，江南大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室的研究团队在《Current Research in Food Science》上发表了一项创新性研究，他们通过数值模拟的方法，对小麦淀粉-面筋系统在微波处理中的热质传递和膨胀行为进行了系统研究。

本研究主要采用了多物理场耦合模拟技术，通过COMSOL Multiphysics软件构建了包含电磁场、热传递、质量传递和固体力学四个模块的数值模型。研究以不同水分含量（45%、50%、55%）的小麦淀粉-面筋体系为对象，在三种微波功率（250W、440W、900W）条件下进行模拟，并通过实验数据对模型进行了验证。

4.1. 模型验证

研究人员通过比较模拟结果与实验数据，验证了所建立模型的准确性。温度验证显示，模拟值与实验值高度吻合，同时揭示了微波加热的非均匀性特征——样品中心温度高于边缘温度。此外，水分损失和体积膨胀率的模拟结果也与实验测量值一致，证明了该模型能够可靠地预测微波加热过程中小麦淀粉-面筋体系的动态变化。

4.2. 电磁场分布

研究发现，微波腔内电场分布不均匀，且随着微波功率的增加，这种不均匀性更加明显。尽管样品旋转有助于改善加热均匀性，但样品内部仍存在明显的电场强度差异，边缘区域电场强度较高。有趣的是，水分含量的增加并未改变电场分布模式，但降低了样品内的平均电场强度，这可能与高水分体系的微波耦合能力变化有关。

4.3. 温度分布

模拟结果显示，所有样品的温度分布均呈现非均匀模式，中心区域温度高于边缘区域，形成明显的"热点"。随着加热的进行，热量从中心向表面和边缘传递，温度差异逐渐减小。研究表明，较高微波功率会加速温度上升，形成更陡的温度梯度，加剧加热不均匀性；而水分含量的增加会影响加热速率，高水分体系在加热后期表现出更好的温度均匀性。

4.4. 水分浓度

水分迁移受温度梯度、压力梯度和浓度梯度共同驱动。模拟发现，样品内部水分浓度呈径向分布，从内部向外部逐渐降低。较高微波功率加速了水分损失，而水分含量的增加则使水分分布更加均匀。特别值得注意的是，50%水分含量的体系在微波加热后表现出相对较低的水分损失率，表明可能存在一个最优水分含量范围。

4.5. 应力应变和体积变化

研究将样品视为线弹性材料，分析了湿胀和热膨胀对体积变化的贡献。模拟结果表明，样品边缘接触容器的区域应力较大，而内部应力相对较低。随着加热时间延长，内部应力逐渐增加，导致样品变形和体积膨胀。较高微波功率和水分含量均会促进内部应力增加和体积膨胀，其中水分含量通过影响微波吸收能力，进而影响温度梯度和压力梯度，最终驱动体积膨胀。

4.6. 微波加热方案评估

通过多水平分类设计方法，研究人员评估了不同微波功率-时间组合对水分损失率、体积膨胀率和淀粉糊化度的影响。结果表明，440W加热120s的方案在不同体系中均获得了较高的合意值，被认为是实现高膨胀率和低重量损失的最佳选择。同时，适当的水分含量（50%）与中等微波功率（440W）相结合，能够获得更理想的产品品质。

本研究通过建立多物理场耦合模型，深入揭示了小麦淀粉-面筋体系在微波处理过程中的热质传递和膨胀机制。研究发现，微波功率和水分含量是影响加热效果的关键因素，它们通过改变电磁场分布、温度梯度、水分迁移和内部应力，最终影响产品的加热均匀性、水分损失和体积膨胀。研究不仅为理解微波加热复杂机制提供了新视角，还为优化小麦基食品微波加工工艺提供了理论指导和实践方案。特别值得一提的是，研究确定的440W-120s最佳加热方案以及水分含量的优化建议，对于食品工业提高微波食品质量具有重要的应用价值。这项研究标志着食品微波加工领域从经验性探索向理论化、精准化控制迈出了重要一步，为未来开发更高效、更均匀的微波食品加工技术奠定了坚实基础。