PDF《制作美味的膨化食品》

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2017 图3. 左图: 时长为

15 秒的膨胀过程中, 米粒的真实的体积膨胀和模拟体积膨胀的对比;

右图: 仿 真结果显示了气体压力的产生过程. 图4. 膨化过程中的温度 (上图, 单位为 ℃) 、 第 一主拉伸应力 (中图, 单位为 Pa) , 以及有效塑 性应变 (下图) . 图注: Undeformed geometry - 变形前的形状;

Effective Plastic Strain - 有 效塑性应变 食品加工 出具有相同品质的食品. 我们想要确定的 是, 不同的工艺究竟会对食品的口感、 含 水量、 含油量, 甚至对人体的健康产生怎 样的影响. 研究团队面临的最大挑战在于影响 食品最终状态的因素实在是太多了. 将蒸 谷米加热到 200℃ 时, 液态水将会迅速蒸 发, 从而导致米粒内的气压升高, 并发生 相变. 米粒从一开始刚性的玻璃态迅速转 变成了柔软的、 具有一定弹性的橡胶态, 进而膨胀成最终的形状. 在此过程中, 加 热时间、 初始含水量和含盐量也起着决定 性的作用. ? 模拟相互影响的物理现象 为了理解这些因素协同作用的过程, 从而找到理想的加工条件, Tushar Gulati (Datta 教授当时的学生)开展了一项旨在 揭开谷物膨胀之谜的研究工作. 他使用 COMSOL Multiphysics? 软件 对膨化蒸谷米粒内部的力学、 热力学、 材 料和流体性质进行了 分析. 从数值分析的角度来看, 这个问 题极具挑战性. Datta 教授评论道, 为此, 我们的团队 对多 孔介质中的 流动、多相输送、 固体 力学、 传热, 以及其 他涉及电磁特性的情 况(例如微波加热) 进行了研究. Gulati 建立了一 个多相的多孔介质模 型, 用于研究质量和 动量的变化、 能量的 传递以及体积的大幅膨胀. 模型分析了固 体大米的不同形态, 液态水和气态水, 以 及毛细流动、 二元组分扩散和压力驱动流 等水分输送方式. 他将米粒假设为一种弹 塑性材料, 并获取了米粒的机械位移和膨 胀这两项数据. 仿真分析的结果显示了米粒膨胀过程 中不同阶段的温度、 湿度、 压力、 蒸发率、 体积应变、 孔隙率和应力水平等参数随空 间和时间的分布情况 (图3和图 4) . 研究团队使用显微 CT 图像重建技 术测定了大米的膨胀比, 并对大米微观结 构的演化过程进行了 可视化处理, 从而验证 了计算模型的准确性. 在测定工作中, Gulati 还发现膨胀比容易受 到蒸发率和固体基质 渗透性的影响. 基于上 述 工作, 研究团队获得了一个 全耦合模型, 它涵盖 了膨胀过程中包括相 变在内的多种不同行 为. Gulati 将传递模型 与大形变耦合在一起, 测试了不同的盐含量 对体积膨胀、 蒸发和材 料属性的影响. 盐会降 低玻璃-橡胶态的转变温度, 这意味着加 入盐后, 米粒会在较低的温度下更加快速 地发生膨胀. Datta 教授补充道: 仿真结果显示了 米粒内部的各类初始性质, 以及这些性 质在加热过程中随时间的变化.这些结 果是无法通过实验测量得到的.模型向 我们展示了米粒膨胀、 干燥和收缩的完整 过程. 仿真 App 为我们 呈现了一种全新的 教学方式. 在食品安 全课程中,App 成 为了强大的跨学科 学习工具. 它让学生 可以实际地模拟出 许多假想的场景. ?― ashim k. datta, 教授 康奈尔大学 cn.comsol.com

9 食品加工 图5. 左图: 稻米膨化过程中不同阶段的 CT 扫描图. 右图: 仿真分析显示了孔隙率的预测结果. 图6. Datta 教授的学生开发的用于研究罐装食品的计算 App. 使用者可以更改罐头尺寸和加热 时间等参........