肌肉食物冷凍與解凍過程的數學模擬

Abstract

冷凍是一種能夠將食品的新鮮度保存在原先狀態下的方法。然而，需要食品時便需要將其解凍，解凍的過程則會傷害食品的品質，因此本研究則是利用熱質傳的方法去模擬食品內部在冷凍與解凍的過程，而不管在冷凍或是解凍的過程皆會牽扯到相變化的問題。相變化指的是在固相轉為液相時，其物質的熱物理性質也會跟著轉變，而邊界也會跟著移動而改變，是一個相當複雜的數學式。因此本研究則是利用焓值法來解決固-液相介面移動的問題，因為焓值為代表物質的總熱量，其熱量的傳遞則與熱焓值有關，不需精確瞭解邊界實際移動的狀況，便可利用較簡易的數值方法去模擬。本次利用有限元素分析軟體COMSOL Multiphysics 3.5a 耦合熱傳模組與質傳模組進行暫態分析求解，肌肉食物在冷凍與解凍的過程其溫度與水分的變化。在實驗的部分，除了量測豬肉解凍過程的溫度變化外，也利用超音波的特性，在不同介質下其穿透速率不同，且在過中程不會破壞豬肉，藉由量測超音波的反射訊號推測食品中冰晶的含量。本次研究結果顯示，模型與洪(2007)所作的牛肉冷凍過程在完全冷凍前，其溫升變化與實驗值完全符合，冷凍後則有些許誤差，但其趨勢與終溫與模擬結果仍然相近，因此本模型適用於模擬牛肉的冷凍過程。另外，在婁(1999)的魚肉解凍實驗值也相當符合，尤其在解凍溫度20°C時，其溫度變化與實驗值幾乎重疊； 解凍溫度為10°C時，解凍前的溫度變化也幾乎與實驗一致，解凍後則有1-2°C的誤差值出現，但趨勢仍相近，所以本模型對於魚肉的解凍過程也適用。最後，本次的豬肉模擬結果與實驗結果在溫度的曲線上，雖然中心和表面至中心一半處的模擬溫度都略低於實驗值，但其趨勢仍是符合實驗結果，而且在解凍過程中所量測得超音波訊號也與模擬結果相符，因此本模型適用於肌肉食物冷凍與解凍的過程。