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在食品科学研究中，常见微波炉因加热不均匀等问题，难以用于研究微波场与食品成分的相互作用。研究人员开展单模微波系统的相关研究，发现溶剂体积和类型影响加热速率等，该成果为理解单模微波加热过程提供理论依据。
在现代食品科学研究的大舞台上，微波加热技术就像一颗闪耀的新星，蕴含着巨大的潜力。它在食品工业和科研领域有着广泛的应用前景，然而，这颗新星却也藏着不少 “小秘密”。传统的家用微波炉虽然常见，但它在用于深入研究微波场与食品成分之间的相互作用，以及精确控制食品中的化学或酶促反应时，却显得力不从心。由于其固有的加热不均匀性，在多模腔中，电磁场分布的变化和材料的异质性会导致热点和冷点的形成，这对于需要精确测量和对比分析的样品研究来说，无疑是一大阻碍。而且，家用微波炉磁控管的输出频率并不精准，常常产生不可预测的加热模式。这一系列问题，使得研究人员难以利用它来深入探究食品大分子的结构变化以及分子层面的作用机制。
为了攻克这些难题，来自国内的研究人员勇挑重担，踏上了探索之旅。他们聚焦于单模微波系统，希望能从中找到解决问题的钥匙。研究人员开展了多物理场数值模拟研究，深入探究微波加热的特性。他们重点研究了溶剂类型和体积对加热速率、温度分布、电场和功率耗散密度的影响。同时，他们还通过既定的加热方案，研究了不同单价盐溶剂中肌原纤维蛋白（MPs）在微波作用下的聚集行为。
经过一系列严谨的研究，研究人员得出了许多重要的结论。在加热速率方面，溶剂的体积和类型有着显著影响。实验数据显示，在特定测试条件下，2mL 和 3mL 体积的样品加热速率明显高于 1mL 和 4mL 的样品，而且这种变化与电场和功率耗散密度的分布较为一致。从温度分布来看，模拟和测量结果都表明，加热系统中存在明显的温度梯度，并且溶剂的体积和类型同样会对其产生影响。在溶液中，异常对流使得上层溶液温度升高，这种异常现象可能会对科研实验结果产生影响。以 MPs 的聚集行为为例，研究人员发现，选择合适的加热体积在单模微波系统中至关重要。
这些研究成果意义非凡。它为我们理解单模反应器中的微波加热过程提供了坚实的理论基础，帮助我们厘清了在实验室环境中常见的特殊微波效应。这不仅有助于食品科学家更深入地研究食品成分在单模腔中的化学反应过程，而且对于实现相对均匀的微波加热、探索反应机制有着重要的指导作用。该研究成果发表在《Food Physics》上，为相关领域的研究开辟了新的道路。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们利用 COMSOL Multiphysics 软件构建单模腔的几何模型，通过求解麦克斯韦方程（Maxwell’s Eq.）、傅里叶能量平衡方程等，对电磁场、热传递和流体流动进行耦合计算，实现多物理场数值模拟。同时，采用 Agilent 矢量网络分析仪测量样品的介电特性，利用 TPS 2500S Hotdisk 热常数分析仪测定热物理性质，还通过透射电子显微镜（TEM）观察 MPs 的聚集行为 。
下面具体来看研究结果：
- 单模微波系统中水和盐溶液的加热速率：研究人员首先研究了不同体积水在单模微波系统中的加热效率和时间 - 温度曲线。结果发现，相同输出功率下，加热速率随体积变化差异显著，顺序为 2mL > 3mL > 4mL > 1mL。而且，这种加热顺序与微波功率无关。对于 0.6M NaCl 溶液，其加热顺序与水不同，为 3mL > 2mL > 1mL > 4mL。KCl 溶液不同体积的加热曲线几乎相同。这表明液体体积和介电特性都会影响单模微波系统中的加热速率，而且不能仅依据单位质量或体积的功率密度来推断加热速率。此外，研究还指出，用 “W/g” 来比较不同系统的微波加热效果存在缺陷，应考虑介电特性等电磁参数。
- 单模微波加热的数值模拟结果：
- 电场分布：通过 COMSOL Multiphysics 模拟发现，不同液体的电场分布模式相似，但水中的最大电场强度明显高于盐溶液，NaCl 溶液的场强略高于 KCl 溶液。最高场强出现在光纤与溶液的界面处。不同体积液体的电磁功率耗散密度分布与电场分布一致，2 - 3mL 体积的液体功率耗散密度显著高于 1mL 和 4mL 的液体。
- 温度分布：模拟结果显示，相同微波加热条件下，盐溶液的温度高于水，KCl 溶液温度略高于 NaCl 溶液。冷却后，溶液上下层温度差减小，但 KCl 溶液的热扩散程度更高。同时，微波加热时液体存在温度梯度，上层温度高于下层，且该梯度与溶液体积有关。红外温度成像也证实了这种温度梯度的存在。
- MPs 溶液的微波加热特性和聚集行为：研究人员研究了不同浓度 MPs 溶液在 1mL 系统中的微波加热特性，发现加热速率随蛋白质浓度增加而增加，且 KCl 溶液的热响应更快。通过 TEM 观察发现，2mL 加热体积下，NaCl 和 KCl 溶液中 MPs 的聚集行为不同；1mL 加热体积下，差异消失，但 KCl 处理组聚集更紧密。这表明加热体积显著影响蛋白质溶液在微波加热处理中的表现。
在结论和讨论部分，研究再次强调了单模微波加热系统在科学研究中的重要性，但也指出食品科学家对其应用的理解还不够深入。本研究深入探讨了特殊微波效应和可靠性问题，揭示了溶液体积和类型对微波加热的重要影响。同时，研究还指出异常对流和温度梯度等现象可能会影响蛋白质的热聚集过程。在进行相关研究时，必须充分考虑加热体积、材料特性和单模微波系统的特点等因素。这不仅有助于避免对微波与食品化学系统相互作用的误解，还为后续更深入的研究和更精准的实验设计提供了重要参考，推动了食品科学领域在微波加热技术应用方面的发展。
