通过求解基于混合理论的不饱和传输方程和电磁方程，预测食物生物聚合物在微波煎炸过程中的质量变化

本研究通过建立孔隙介质流体传输模型与麦克斯韦方程耦合的机制，揭示微波油炸中温度、压力及油液渗透的动态过程。实验表明，微波油炸（2.45 GHz和5.8 GHz）可缩短法式薯条油炸时间33-76%，降低含油量3-33%，并因高强度加热形成更高孔隙压力，阻碍油分侵入。2.45 GHz微波渗透更深，导致油分吸收更少，但5.8 GHz能形成更致密酥脆外壳。模型验证显示预测温度、压力与实验数据吻合度达90%以上。

　　
微波油炸技术作为传统油炸的替代方案，近年来在食品工业中受到广泛关注。该技术通过结合微波加热与油浴 frying 的双重作用机制，在保持食品酥脆度的同时显著降低油含量。本研究通过构建多尺度耦合模型，系统解析了微波油炸过程中孔隙压力、温度场分布及油液迁移的动态规律，为工业化应用提供了理论支撑。

### 研究背景与意义
传统油炸技术存在能耗高、油耗大、营养流失严重等问题。微波油炸通过电磁场直接加热食品内部水分和脂肪，形成独特的加热机制。实验表明，微波油炸可将薯类制品的油炸时间缩短30%-75%，油含量降低3%-33%，且产品脆度更高。然而，其作用机理尚未完全明确，特别是孔隙压力动态变化对油液渗透的影响存在理论空白。

### 关键技术创新
研究团队采用混合介质理论（HMT）构建了首个完整耦合模型，创新性地将以下多物理场耦合纳入分析框架：
1. **电磁场-流体迁移耦合**：通过麦克斯韦方程计算电场分布，结合非饱和流体传输方程模拟孔隙压力与油液迁移
2. **热-力-质传递耦合**：建立包含温度场、应力场和水分迁移的三维耦合模型，实现从微观孔隙结构到宏观产品质地的全链条解析
3. **动态孔隙结构建模**：引入变形梯度张量描述食物体积变化，通过Burgers模型模拟黏弹性响应

### 核心发现
1. **孔隙压力主导油液渗透抑制**
- 微波加热导致孔隙压力峰值较传统油炸提高50%-70%，有效阻碍油相渗透（图11）
- 2.45GHz频段产生的强电场梯度使压力波动幅度较5.8GHz频段高35%
- 模拟显示，在达到相同终点水分（2g/g solids）时，微波油炸时间可缩短至传统油炸的24%-76%

2. **电场分布决定加热效率**
- 2.45GHz电场穿透深度（9.4mm）是5.8GHz（3.8mm）的2.5倍
- 靠近加热源（磁控管）的TopLeft位置电场强度最高，导致该区域孔隙压力上升更快（图13）
- 模拟显示，电场分布不均导致批次产品差异，建议采用旋转式样本夹（图5改进方案）

3. **热质传递耦合效应**
- 微波加热使中心温度达193-205℃（传统油炸<150℃），引发更快水分蒸发
- 表层干燥速度较核心区快3-5倍，形成类"壳-芯"结构（图17）
- 模型预测，5.8GHz频段样品脆度指数（Crust firmness）较2.45GHz高18%-25%

### 方法论突破
1. **多尺度建模体系**
- 微观尺度（<1mm）：建立孔隙级传质模型，考虑毛细压力与蒸汽压的动态平衡
- 中观尺度（1-10mm）：采用混合介质理论（HMT）预测非饱和流体传输特性
- 宏观尺度（>10mm）：通过有限单元法（FEM）模拟整体变形与温度场

2. **关键参数标定**
- 确定相对介电常数ε_r=3.8±0.2（2.45GHz）和ε_r=3.5±0.1（5.8GHz）
- 测定有效油渗透系数K_oil=2.1×10^-13 m2/s（基于Soxhlet提取数据）
- 建立微波功率耗散模型：P_dissipation=ε''·E2·ω·ρ（ω为角频率）

### 工业应用建议
1. **设备优化**：建议在5.8GHz波导入口增加可旋转样本架（图5改进方案），使不同位置样本受均匀电场作用，降低批次差异
2. **工艺参数设计**：推荐采用2.45GHz+800W功率组合，在180℃油温下 frying 时间控制在2-3分钟（较传统4-5分钟缩短40%-60%）
3. **质量控制指标**：
- 油含量<0.12g/g solids（达到商业标准）
- 脆度指数>1.5N·mm2（通过Burgers模型参数化）
- 留白率（Moisture Transfer Ratio）需>0.7（防止过度脱水）

### 产业化挑战与展望
1. **设备成本**：5.8GHz固态微波源较传统磁控管贵3-5倍，需开发经济型替代方案
2. **过程控制**：建议集成温度-电场双反馈系统（图26改进方案），实时调节功率输入
3. **标准化需求**：亟需建立微波油炸油含量（≤0.15g/g）、脆度（Shore A≥4.0）等关键指标的国家标准
4. **扩展应用**：模型已验证适用于薯片（R2=0.92）、肉干（R2=0.87）等多类食品，未来可拓展至3D打印食品的微波烧结工艺

### 结论
本研究首次建立微波油炸全链条耦合模型，揭示孔隙压力动态调控油液迁移的核心机制。通过2.45GHz/5.8GHz双频段对比实验，证实高频段（5.8GHz）在脆度形成方面更具优势，而低频段（2.45GHz）在油分去除效率上表现更佳。该模型为设计高效节能的微波油炸设备（如图5原型改进版）提供了理论依据，预计可使薯类制品的加工能耗降低45%-60%，同时提升产品品质稳定性。