紅外加熱技術在食品加工中的應用及研究進展

高 揚 解鐵民 李哲濱 洪 濱 盧淑雯

GAO Yang XIE Tie-min LIZhe-bin HONG BinLU Shu-wen

（黑龍江省農業科學院食品加工研究所，黑龍江 哈爾濱 150086）

(Food Processing Institute,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin,Heilongjiang 150086,China)

隨著科學技術的高速發展，越來越多的能源被大量消耗，由于傳統能源不可再生，因此能源短缺的問題越來越突出。傳統的食品加熱方法效率低、能耗大、環境污染嚴重、且影響食品的品質。因此，為了滿足現代食品加工行業發展的要求，許多新型加熱技術應運而生，且已逐步應用。其中，紅外加熱技術作為一種新型加熱技術，不僅節能高效、清潔環保、而且可較好的保證產品品質[1～3]。

紅外加熱技術由于其自身的優點，已經在很多行業得到了廣泛的應用，例如：塑料加工、印刷造紙、油漆涂飾、紡織印染、醫療衛生、機械制造等。自20世紀80年代初期開始，紅外加熱技術在食品加工中開始推廣使用。隨著能源的大量消耗，新型節能技術的應用以及新能源的開發得到了廣泛關注[1,3]。文章通過對紅外加熱技術在食品加工領域中的理論分析以及相關的試驗研究進行論述，揭示紅外加熱技術的基本原理，并闡述紅外加熱技術在食品加工過程中的相關應用，以期為紅外加熱技術在食品加工中的推廣使用提供一定的參考價值。

1 紅外加熱機理及其對食品組分的影響

1.1 紅外加熱機理

圖1 電磁波頻譜圖[5]Figure 1 Electromagnetic wave spectrum

傳熱的發生主要通過以下3種方法實現：導熱、對流和輻射[4]。傳統的加熱方式主要通過燃燒燃料或是通電進行加熱，物體外部受熱產生熱量并通過熱空氣對流或是導熱的方式來傳遞到物料中。而紅外線輻射出的熱能是通過電磁波的形式產生的，紅外波長的范圍在可見光和微波之間，可歸納為3個波段，如圖1所示，即近紅外（NIR）、中紅外（MIR）和遠紅外（FIR），3個紅外波段相對應的光譜范圍為0.75～1.40，1.4～3.0 和 3～1 000 μm[5，6]。一般來說，紅外加熱技術在食品加工行業中應用主要以遠紅外輻射為主，因為大部分食品的組分其吸收紅外輻射的范圍主要集中在遠紅外波段上[7]。

紅外加熱的原理實質就是紅外線的輻射傳熱過程，紅外線作為一種電磁波，有一定的穿透性，能夠通過輻射傳遞能量[8]。當物體受到紅外線照射時，會發生反射、吸收、穿透的現象，如圖2所示，而判斷紅外加熱是否有效，主要是通過紅外線被物體所吸收的程度來決定的，紅外線的吸收量越大，其加熱的效果越好。當紅外放射源所輻射出的紅外線波長和被加熱物體的波長一致時，被加熱的物體吸收了大量的紅外線能量，使得物體內部的原子和分子產生共振，相互之間發生摩擦并產生熱量，從而使被加熱物體的溫度升高，達到快速有效的加熱物體的目的[9,10]。

圖2 紅外線輻射衰減原理圖Figure 2 Extinction of radiation

1.2 紅外加熱對食品組分的影響

食品是由不同的生化分子、生物高分子、無機鹽和水組成的復雜的混合物。由于每種食品的組分、結構以及表面狀態都不一樣，所以它們對紅外線的吸收程度也不一樣，因此每種食品都擁有自己的紅外吸收范圍[11]。科研人員[12]通過研究發現，每種食品的紅外吸收范圍主要是其內部組分的紅外吸收范圍互相疊加的結果。由于食品所含的各種組分對不同波長的紅外線吸收程度不同，但各組分所吸收的紅外線的波段并不互補，而是相互重疊，所以整體來說，食品對各波段的紅外線吸收程度不同，即食品組分對紅外射線的吸收強度具有選擇性。

Sandu等[7]通過對食品中主要成分的紅外吸收范圍進行研究，研究發現水的吸收光譜與主要食品組分的紅外吸收波段相比較，可以得出食品組分的吸收光譜其中一部分在光譜區內存在重疊。其中水對紅外入射光線吸收狀況的影響在所有波長中占據主導地位，其紅外輻射吸收范圍在2～11μm；氨基酸類、多肽和蛋白質的紅外輻射吸收范圍在3～4和6～9μm，且該范圍的吸收量最大；另一方面，脂類在整個紅外輻射范圍中的3～4，6和9～10μm的3個吸收波段呈現出強吸收現象；而碳水化合物的吸收波段在3和7～10μm[7]。通過食品主要組分紅外線吸收波段對比可以看出食品的主要組分對紅外線的吸收程度不同，都有自己的紅外吸收范圍，并且各組分的紅外線吸收波段相互重疊，其中水的紅外輻射吸收范圍最大，基本囊括了其他食品主要組分的吸收波段。

2 紅外加熱技術的應用及研究進展

由于紅外加熱的技術特點以及內在優勢是傳統的加熱技術無法比擬的，因此其在食品加工領域具有非常廣闊的發展前景。現階段，紅外加熱技術已經逐漸開始應用在干燥、滅酶、殺菌等食品加工過程中。

2.1 紅外干燥脫水

食品經脫水干燥后，可以延長儲存時間，方便運輸，是重要的食品加工處理手段之一。傳統的食品干燥方法都是采用熱風干燥的方式進行脫水處理的，但由于其干燥過程耗時長、污染嚴重、能耗大、且影響被干燥產品的感官品質，因此，希望尋找出一種快速、高效、節能、無污染的新型干燥技術來取代傳統的干燥方法。

2.1.1 紅外干燥技術 紅外加熱技術作為一種新型的干燥技術用于食品干燥過程中具有很多優點：①縮短干燥時間；②提高能源使用效率；③產品受熱均勻；④產品品質高；⑤紅外輻射熱慣性小，容易實現溫度的精確控制；⑥節省空間且不污染環境[13]。由于上述優點，紅外干燥技術在最近幾年已經成功的應用在果蔬脫水產品加工技術中，例如：馬鈴薯、洋蔥、蘋果等果蔬。

相關科研人員對紅外干燥動力學的影響因素進行了研究。Masamura等[14]將馬鈴薯切成薄片放在紅外發射器下進行干燥試驗，試驗過程中發現紅外發射器的表面溫度越高，即發射器的輻射功率越大，馬鈴薯薄片的干燥速率越快，其達到干燥脫水效果所需的時間越少。因此，通過上述試驗得到物料的干燥速率與紅外發射器輻射的功率成正比。Fu等[15]通過采用紅外加熱的方法對蝦的脫水干燥過程進行優化，在紅外發射器之間空氣溫度不變的情況下，通過調整紅外發射器與蝦之間的輻照距離，發現蝦的干燥速率并沒有顯著的變化。因此，通過研究得到紅外發射器與物料之間的距離對其干燥速率沒有顯著的影響，而干燥速率與紅外發生器之間的空氣溫度成正比。Nowak等[16]以蘋果片為被干燥物料，分別采用紅外干燥和熱風干燥兩種方法對其進行干燥脫水試驗，通過研究發現采用紅外干燥方法處理過的蘋果片比采用熱風干燥的品質更好，干燥速率更快，效率更高。但蘋果片的厚度不宜過厚，試驗證明遠紅外線大約可穿透蘋果10mm深。因此，采用紅外干燥技術進行干燥脫水，被干燥物料的厚度越小，其干燥速率越快，干燥的效果越好。胡潔等[17]以胡蘿卜片為材料，研究了紅外干燥過程中切片果蔬的溫度分布和變化的規律，并對其數學模型進行建立，研究表明通過遠紅外輻射的方式干燥切片胡蘿卜時，其干燥過程中溫度的分布和變化規律與切片的厚度密切相關。因此，通過上述研究得到紅外發射器的輻射功率、發射器之間的空氣溫度以及樣品的切片厚度對物料的干燥速率有著顯著的影響。

2.1.2 紅外聯合干燥技術 盡管紅外干燥技術作為一項新型干燥技術有很廣闊的發展前景，但是其并不適用于所有的干燥過程。由于紅外干燥技術干燥速率快，物料被干燥的過程中熱量是由內向外產生，使其干燥過程更為均勻。但是由于紅外線穿透深度有限，所以紅外干燥技術的應用還具有一定的局限性。研究人員[18]通過試驗證明采用紅外干燥技術對物料進行干燥并且延長輻射時間，會導致物料膨脹，最終使其破裂。因此，為了更好的應用紅外干燥技術，采用與其他干燥技術聯合的方式進行干燥，可解決其應用過程中所存在的局限性。

Dostie等[19]采用紅外輻射與對流加熱聯合的方式對不同類型的物料進行干燥試驗，通過研究發現對層厚、多孔的物料采用紅外加熱與對流加熱相互結合的方法進行干燥會使產品的品質更高、更節能。Afzal等[20]對大麥的干燥過程進行研究，采用紅外輻射與對流加熱相互結合的干燥方式與單獨用對流加熱的方式進行對比，發現加熱溫度在40，55，70℃時組合式比對流加熱能耗分別減少156%，238%，245%，試驗證明采用紅外輻射與對流加熱聯合的干燥方式對大麥進行干燥比傳統對流加熱的干燥效果更好。Sakai等[5]通過對傳統的紅外干燥設備進行改進，開發了一臺可連續使用的干燥裝置，其裝備了遠紅外加熱器、近紅外加熱器、熱風爐，該裝置采用紅外輻射與熱風干燥聯合的方式進行干燥，不僅可以降低成本，減少干燥時間，而且溫度可操控，但是為了提高干燥效率，蔬菜的尺寸需要限制，其厚度不能超過5mm。Lin等[21]采用紅外加熱與冷凍干燥相結合的方式對甘薯進行烘干脫水，經試驗發現該組合式干燥方法比其它單一方法的干燥時間縮短一半。郁雯霞等[22]研制出了遠紅外聯合真空低溫干燥設備，并通過多次試驗對其進行優化設計，優化后的設備不僅能達到較高的真空度，其真空度、干燥功率的大小也可調整，還解決了加熱過程中遠紅外輻射不均勻的問題，為遠紅外真空干燥技術的研究提供了可靠的設備條件。通過上述研究可知，紅外干燥技術與其他干燥技術相互結合會比單一方式進行干燥更有效，而且會產生更好的協同效應。

2.2 紅外加熱滅酶

2.2.1 紅外加熱滅酶在谷物中的應用 谷物中含有多種影響其品質和貯藏效果的酶類，例如：脂肪酶、淀粉酶、脂氧化酶等，因此對谷物進行滅酶處理可提高其品質、延長貯藏時間。現階段谷物中常用的滅酶方法主要是添加抗氧化劑法或酶抑制劑法[23]，但其效果不明顯，且污染原料，為了滿足谷物加工發展的要求，相關研究人員正尋求新的滅酶方法。脂氧化酶是一種可以使大豆變質的酶，Kouzeh等[24]發現對大豆進行60 s的紅外輻照處理可使95.5%的脂氧化酶失活，而且與傳統的滅酶工藝相比，不會影響大豆本身的品質。與此同時，相關研究人員[25～27]對其他谷物進行紅外加熱試驗還發現，在30～40℃條件下，紅外加熱會對谷物中的脂肪酶和α-淀粉酶的酶化反應產生抑制作用，促進酶的滅活。綜合上述，采用紅外加熱技術對谷物進行滅酶處理不僅清潔環保、而且能保證谷物品質。

2.2.2 紅外加熱滅酶在果蔬中的應用 果蔬中主要包含過氧化物酶、脂肪氧化酶、過氧化氫酶、抗壞血酸氧化酶、多酚氧化酶、蛋白酶等。這些酶在果蔬中作為生物催化劑促進其內部的生物化學反應，其中有些酶對果蔬的貯藏效果和品質產生影響，例如：過氧化物酶、多酚氧化酶等會引起果蔬的褐變，影響其外觀品質；脂肪氧化酶和蛋白酶會加快果蔬的劣變過程，并產生難聞的臭氣；抗壞血酸氧化酶會引起抗壞血酸的氧化，造成果蔬內部VC的流失。因此，在對水果和蔬菜進行冷凍、包裝、干燥等過程前進行滅酶處理，可提高其品質，并延長貯藏時間[28～30]。

張琥等[31]以馬鈴薯為原料，研究抑制酶促褐變的方法。試驗通過對馬鈴薯片采用紅外和漂燙兩種滅酶方法進行處理，比較其多酚氧化酶的相對活性，研究表明采用紅外加熱滅酶處理后的馬鈴薯片比傳統方法處理的多酚氧化酶滅活率更高，且產品的熱損傷率更低。Galindo等[32]在對胡蘿卜片冷凍干燥之前，將經過紅外加熱處理后胡蘿卜片的細胞和組織的破壞程度與傳統熱燙法處理后的胡蘿卜片進行對比。通過研究發現，經過紅外加熱處理的胡蘿卜片只有表面0.5mm深度的組織細胞被破壞，而傳統的熱燙方法處理的胡蘿卜片其60%的組織細胞被破壞，嚴重影響胡蘿卜的品質。潘忠禮等[33]以蘋果、胡蘿卜、馬鈴薯為原料，分別采用紅外加熱和傳統蒸汽滅酶的方法進行試驗，研究表明當物料達到一定溫度時（≤80℃）可完全滅酶，而采用紅外加熱方法達到滅酶溫度所需的時間比傳統蒸汽滅酶方法節省一半以上的時間，并且能量利用率是傳統滅酶方法的4倍。綜上所述，在對果蔬進行冷凍、包裝、干燥之前，對其進行紅外加熱滅酶處理，不僅可將原料中所含的影響其風味的酶類滅活，還能盡可能地減少加熱過程對原料組織細胞的破壞，降低熱損傷率，保證果蔬的品質和風味。與此同時，由于紅外輻射不加熱空氣和介質，且具有穿透性，因此能量利用率更高，更節能。

2.3 紅外加熱殺菌

在食品保存過程中，細菌等微生物會引起其變質，為了延長食品的貯藏時間，通常向食品中加入防腐劑或是殺菌劑來抑制微生物的侵襲，但這些制劑同時也會污染食品，帶來安全隱患。而采用紅外加熱技術對食品進行殺菌處理則可以避免上述問題發生，食品中的微生物經紅外輻射處理，使得其內部蛋白質受熱凝固，導致新陳代謝受阻，以至其死亡[34,35]。紅外加熱的殺菌效果主要受到下列因素的影響：輻射能量強弱、波長峰值、頻帶寬度、樣品厚度。

2.3.1 能量強弱的影響 Hamamaka等[36]采用紅外加熱技術對小麥進行滅菌，并對其表面的殺菌過程進行研究。通過研究發現，紅外加熱過程中當輻射的能量分別達到0.5，1.0，1.5，2.0 kW時小麥顆粒的表面溫度分別達到45，65，95，120℃，其表面的菌落數依次減少。研究者[37]曾對相同的細菌懸浮液進行紅外輻射殺菌試驗，其輻射的能量分別為6，8，10，12 kW。試驗證明輻射能量達到12 kW時，被照射懸浮液的菌落數最少。因此，紅外輻射的能量越高，病菌滅活的效果越好，提高紅外輻射的能量可加速導致病菌的滅活。

2.3.2 波長峰值的影響 Hamanaka等[36]對枯草桿菌的滅活效率進行研究，試驗分別采用3個紅外加熱器（A、B、C），其波長分別為950，1 100，1 150mm，對同一樣品進行紅外輻射滅菌，在輻射溫度相同的條件下，試驗發現病菌的滅活率A要高于B和C。上述研究表明，隨著波長峰值的增加，紅外輻射所傳遞的能量會隨之遞減。因此，紅外輻射的波長越短，其所傳遞的能量越大，同時病菌的滅活效率也會越高。

2.3.3 頻帶寬度的影響 食品與微生物所含的各種組分對不同波段的紅外線吸收程度不同，為了確保病菌的滅活效果，對主要組分的紅外吸收方式進行研究是非常有意義的。Jun等[38]用光學帶通濾波器將紅外加熱過程中紅外線的波長范圍控制在5.88到6.66μm內，并將該波段的紅外輻射用于玉米粉中黑曲霉和鐮刀菌的滅活。研究發現在上述波長范圍內采用紅外輻射滅菌可使微生物內的蛋白變性，與正常波段的紅外加熱相比黑曲霉與鐮刀菌的滅活率提高340%。因此，不同的微生物由于組分不同導致對紅外輻射的吸收程度也不同，只有找到微生物對應的紅外吸收波段，才能達到更好的殺菌效果。

2.3.4 樣品厚度的影響 Sawai等[39]通過研究證明隨著樣品厚度的增加，其溫度增加的程度降低。Hashimoto等[40]研究發現紅外輻射透過細菌懸液40μm的薄層后，能量衰減90%。相關研究人員[41，42]同時還發現，減少樣品的厚度可提高真菌孢子、大腸桿菌和金葡萄菌的滅活率。通過上述研究表明，由于紅外線的穿透性較低，紅外輻射對微生物滅活率的影響是隨著樣品厚度的增加而減小的。

3 展望

紅外加熱技術作為一種新型的加熱技術，與傳統的加熱技術相比存在不可比擬的優勢，包括提高能源使用效率、加熱過程物料受熱均勻、產品品質高、節省空間、不污染環境等，由于這些優勢的存在，使得紅外加熱技術在食品加工行業中有著非常廣泛的應用前景。但在中國，紅外加熱技術在食品加工中的應用仍處于起步階段，還未形成規模，尤其是在各類食品的紅外加熱機理及其工藝方法的基礎理論研究方面，與其他發達國家相比還存在很大的差距。因此，對紅外加熱技術在食品方面的應用加以深入研究、加強紅外加熱技術的理論研究和應用領域的試驗與探討、學習發達國家的先進經驗、大力推廣新型加熱工藝，是當前相關研究工作的主要任務。與此同時，隨著紅外加熱技術的廣泛應用，也必將推動中國食品加工行業的快速發展。

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