新型加熱技術在食品加工中的應用及其研究進展

王楠，侯旭杰

（塔里木大學生命科學學院，南疆特色農產品深加工兵團重點實驗室，新疆阿拉爾843300）

加熱處理作為食品加工重要的工藝環節之一，可以根據加熱方式分為：直接和間接加熱。目前，國內食品加工領域通常采用間接加熱法。由于間接加熱法存在熱表面效應，被加熱的食品物料品質會顯著降低，并且熱能利用率較低[1]。因此人們迫切要求在食品熱加工過程中盡可能地保留住食品物料的營養成分以及色、香、味，并提高熱能的利用效率[2]。

為了滿足現代食品加工行業發展的要求，新型加熱技術相繼問世并得到廣泛應用。新型加熱技術作為一種極具潛力的食品加工技術，具有易操作、無污染、熱能利用率高、食品加工質量好等優點，隨著電磁爐、微波爐以及光波爐進入家庭，新型加熱技術已然進入了我們的生活，帶我們進入新的生活方式。由于它們產生熱能的原理不同，對食品的影響可能也會不同。本文旨在分析幾種新型加熱方式的基本原理及對食品的影響，探討各個加熱方式的技術特點和優缺點。

1 電磁感應加熱技術

1.1 技術原理

電磁感應加熱的原理：電子線路板的組成部分會產生交變磁場，含鐵質容器放在上面，容器表面就會切割交變磁力線，磁力線切割容器時，容器底部會產生無數的小漩渦流，渦流會使容器底部的鐵原子發生高速且無規則的運動，原子之間互相碰撞、摩擦而產生熱能，從而達到加熱食品物料的效果[3]。現在家庭和工業上使用的電磁爐、電磁灶都是采用這種電磁加熱技術。

1.2 技術特點

食品加工是能源消耗最大的行業之一，蒸汽等傳統的加熱方式能耗大、效率低而被新型加熱技術逐漸取代，電磁感應加熱技術具有安全性能高、生產效率高、自動化能力強、可靠性高、能效高、成本低等優點。在電磁場中由于含鐵質容器自身產生熱量，熱量轉化率最高時可達95%。Levacher等[4]使用電磁加熱在帶式輸送機上加熱扁平狀產品可節省50%的能源，加熱液體產品可節省20%的能源。電磁殺青過程中，熱效率可達50%～60%，能耗比傳統殺青低了40%[5]。用電磁感應加熱技術從柑橘中提取果膠[6]，發現感應加熱時間比水浴加熱時間顯著縮短了60 min，制備的果膠產量更高，并且兩種方式提取的果膠理化性質基本一致。

1.3 技術的應用現狀

電磁感應加熱技術在延長煎炸油的使用壽命上已獲得專利[7]，通過檢測游離脂肪酸、醛的含量發現其形成的速率降低，煎炸油的品質得到提高，從而延長了煎炸油利用的時間。紀俊敏等[8]對大豆油、花生油、玉米油進行電磁加熱，發現酸價、過氧化值隨著加熱時間的延長而升高，丙二醛值則是呈先升高后下降的趨勢，并且發現電磁加熱對3種油品質的影響都小于常規加熱產生的影響。據推測，感應加熱可以在油炸過程中提供電子，從而形成一個減少油脂氧化的環境。然而，抗氧化的確切物理或化學機制尚未被發現[9]。蔣靜[10]用電磁感應加熱鯽魚湯，發現在電磁加熱過程中，蛋白質含量不斷增多，總氨基酸、必需氨基酸以及呈味氨基酸含量在不斷的升高，必需氨基酸占總氨基酸的比例也顯著上升，必需氨基酸指數（essential amino acid index）值在不斷地增大，魚湯蛋白質的營養更加均衡。

電磁加熱技術在茶葉殺青方面得到廣泛應用，并取得了很好的效果。吳偉誼[5]采用電磁加熱技術對茶葉進行殺青處理，通過感官評審發現電磁殺青明顯提高了茶葉的品質，經過電磁殺青處理后的半成品茶和成品茶色澤翠綠、香氣清高、滋味鮮爽。這是因為電磁殺青過程中溫度呈分段調控，升溫速度快、時間控制準，能夠迅速破壞酶活性，減少葉綠素的損失，使茶葉香氣得到充分發揮，較好的保持了茶葉中茶多酚、葉綠素、氨基酸的含量，從而保證了茶葉的色澤、香氣等品質。電磁殺青作為高效電加熱節能產品，在同等條件下要比電阻式加熱節電達40%以上，熱效率高達60%，預熱時間縮短了2/3，加工時不會產生高溫環境，使電能得到大量節約，達到了節能降耗的目的。電磁殺青技術可以減少生產費用，降低生產成本，提高產品競爭力，給茶葉加工生產企業帶來巨大經濟效益的同時也帶來了顯著的社會效益。

1.4 技術的不足之處

盡管電磁感應加熱在食品加工應用中存在多項專利，但是仍然存在一些問題，比如：電磁感應加熱對食品物料的加熱溫度控制精度不高，存在加熱不均勻現象，容器底部容易糊；具有局限性，只能加熱鐵質容器；加熱功率控制不穩定，受電壓力影響較大，當操作不當或負載不合適時會燒壞內部芯片；有些電磁感應加熱系統在雷擊時不能正常工作，還會干擾周圍其他電器，具有一定的輻射，對小孩和孕婦會產生危害。這就需要今后在進一步研究，其中包括半導體技術的改進，開發具有靈活性和熱分布的多輸出功率轉換器，并不斷完善控制系統，進一步的研究電磁加熱技術在醫療以及工業應用性能參數[11]。

2 微波加熱技術

2.1 技術原理

微波是波長在1 mm～1 m范圍內電磁波，當食品物料放到微波中后，微波會使食品物料中的水分子迅速擺動，從而使食品產生熱效應，還會以高速的分子振蕩激發出極性分子不停地改變取向而產生非熱效應。伴隨著微波熱效應的發現，微波加熱技術也隨即進入全新的發展階段[12]。

2.2 技術特點

微波加熱技術由于不需要熱傳導過程所以加熱速度很快，工業加工通常使用915 MHz和2 450 MHz微波加熱食品物料，這就說明在1秒內極性分子轉動9.15×108次或 2.45×109次，可見其加熱速率相當快，微波加熱處理藍莓汁，具有時間短、酚類物質和顏色損失少等特點[13]，對食品物料品質可以最大限度的保持。微波加熱還具有選擇性加熱的特點，不同性質的食品物料對微波的吸收程度不一樣，含水量越高的食品物料加熱速率就會越快?，F在微波加熱工藝技術也越來越智能化，操作簡單，對環境的污染非常小，且熱效率轉換非常高。

2.3 技術的應用現狀

微波已廣泛應用于食品、藥品、化工和醫療等行業，在食品行業中，微波主要用于解凍、加熱、干燥和滅菌等領域。微波加熱技術在食品加工領域中具有獨特的優越性。微波加熱非常迅速，可以在短時間內使產品達到所需的溫度。Song等[14]建立微波真空熱傳遞模型，該模型可用于預測微波真空加熱冷點的位置，并選擇相應的加熱點以確保高效加熱，另外，微波真空加熱過程中合理選擇微波功率和真空度至關重要。Mirzaee等[15]發現葡萄汁在微波600 W和較低壓力條件下濃縮后的品質最佳，營養成分及顏色損失最少，操作壓力在果汁濃縮中有重要影響。Mahboubeh等[16]發現微波加熱方法降低了黑桑汁中花青素的降解，在較低的壓力7.3 kPa下花青素含量保留較好，色澤的保持也較好。

微波由于加熱速度快常用來解凍食品。FILIZ等[17]發現微波解凍比碳素纖維板輔助艙室解凍和自然解凍所需時間更短，并且更有利于保持較好的營養，提高加熱效率。常規解凍的主要問題是空間需求大，時間長，可能導致細菌開始生長繁殖。而微波解凍是將食品利用微波能進行穿透性的快速加熱，使食品內外同時解凍并迅速升溫到-2℃不滴水的狀態，從而較好的保持了食品的品質。牛紅霞等[18]和章寧瑛等[19]研究不同的解凍方式分別對沙棘和藍莓果實品質的影響，發現微波解凍后的果實在汁液流失、硬度等方面均優于其他方式，VC、總酚等物質含量也較其他方式高。

和傳統的滅菌方法相比較而言，微波滅菌速度快、更有利于保持食品的營養成分。周笑犁等[20]發現微波和巴氏滅菌對獼猴桃汁中可溶性固形物、總酸、總糖以及pH值等影響不顯著，但微波滅菌率可以達到99.99%，還可以很好的保持獼猴桃汁原有的色澤和品質。鉏曉艷等[21]發現微波滅菌時間45 s，功率280 W時魚肉水分損失最少，魚肉的硬度、外形及口感也都比較理想。王近近等[22]用巴氏滅菌和微波滅菌處理枇杷果汁，發現兩種滅菌方式中果汁的pH值和可溶性固形物沒有顯著性差異，具有相同的殺菌效果。然而，微波殺菌可以完全鈍化多酚氧化酶和過氧化物酶的活性，從而可以提高果汁中VC和總酚的含量，使抗氧化能力達到較高的水平。

微波干燥是脫水方法的新成員。在常規干燥中，水分最初從表面閃蒸掉，剩余的水分緩慢地擴散到表面。然而，在微波干燥中，熱量直接在材料內部產生，產生更高的熱傳遞，因此比常規加熱升溫更快。微波真空干燥比空氣干燥和冷凍干燥的干燥速率高出22倍和53倍，其干燥的南瓜基質孔徑比空氣干燥和冷凍干燥至少小12倍，微波真空干燥改變了南瓜基質以形成高度多孔的結構，有利于干制品再復水[23]。Gennaro等[24]發現在70℃和80℃微波恒溫干燥下蘋果片的質地和復水性得到改善，顏色沒有差異。由于從物料內部直接蒸發水分，所以物料內部結構破壞小，對物料的損害也較小，可以得到更好的品質。Cao等[25]發現微波干燥比冷凍干燥的大麥草能較好的保留葉綠素和類黃酮物質，以及色澤和氣味。Pakonkiad等[26]發現微波輔助熱空氣干燥的堅果果仁色澤更加明亮，且更易儲存，但是果仁質地較硬。

2.4 技術的不足之處

在食品工業上微波加熱技術還是發展相對較緩慢的，主要是由于微波設備運行成本以及加工安全性等問題。微波爐的脈沖火力會使食品物料加熱不均勻，使其長期應用于食品再加熱，并且存在高頻電磁波的輻射。Wappling等[27]也提出了微波加熱技術中加熱不均勻的問題。微波波能施加器、介電性能、熱性能以及食品物料的幾何形狀、尺寸等都會影響加熱不均勻。微波加熱在加熱技術方面要深入研究食品物料與微波間相互作用的機理，實現定量化研究；從宏觀以及微觀不同角度，從理論分析到實驗模擬再到建立數學模型，深入研究食品物料的傳熱機制，實現對微波加熱設備的精確設計以及工藝的精確優化。

3 紅外加熱技術

3.1 技術原理

紅外線是一種波長在0.75 μm～1 000 μm范圍內的非可見光。根據紅外線波長的長短分為3種，近紅外線（1 μm～3 μm）、中紅外線（3 μm～40 μm）、遠紅外線（40 μm～1 000 μm）。紅外線是具有一定可穿透性的電磁波，可將能量通過輻射傳播，這就是紅外線輻射傳熱的實質。

3.2 技術特點

紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，在通訊、探測、醫療、軍事等方面有廣泛的用途。因此具有很高的安全性，光波爐就是根據紅外加熱技術原理制造的，其產熱快、冷卻也很快，而且不挑鍋具，使用范圍擴大到所有的平底鍋具。

紅外加熱技術作為一種輻射加熱技術，可以穿透食品物料表面到達內部，加快了紅外加熱速率，而且近紅外波不會加熱空氣和介質，所以能量轉換效率更高[28]。與傳統的加熱方法比具有以下優點：1）紅外線具有較強的穿透力，物料內外能同時進行加熱；2）紅外線加熱不需傳熱介質，熱效率高；3）紅外線可以局部加熱，能節省能源；4）紅外線加熱溫度易控制、且升溫迅速；5）紅外線加熱無污染、安全性高。

3.3 技術的應用現狀

現在的食品加工中滅酶的方法有熱處理法、添加抗氧化劑法或者抑制劑法等。紅外線滅酶早在1956年就有應用在芹菜和蘋果上，雖然沒能成功，但是打開了紅外滅酶的先河。馬海樂等[29]發現紅外滅酶與輻射距離、樣品厚度有關，厚度較大的馬鈴薯片酶失活速率較慢，并且滅活90%多酚氧化酶所需的時間較長。多酚氧化酶會引起果蔬的褐變，影響其外觀品質，所以滅活多酚氧化酶提高產品品質，延長貯藏時間至關重要[30]。

隨著科學技術的發展，國內的大量專家學者對紅外加熱技術做了大量研究。司旭等[31]對樹莓進行紅外干燥，發現干燥溫度與干燥速率有顯著影響、與功率無顯著影響，而功率對樹莓品質以及抗氧化活性有顯著影響；較低的功率有利于產品色澤、花青素以及抗氧化活性的保留。紅外加熱時物料內部熱量在不斷積累，溫度持續升高，物料表面隨著水分在不斷蒸發溫度也隨之降低，物料整體就形成一個溫度差，溫度由內向外不斷擴散，導致水分由內向外加劇擴散，干燥速率隨之上升。由此可見干燥溫度越高速率越快，物料內部的結構也可以得到較好的保持，干燥后物料的孔徑也會減小，這對干燥品復水后品質恢復起到重要作用。

張磊等[32]對紫甘藍進行紅外干燥，發現干燥速率與溫度有較大影響、與干燥距離和風速影響不大；樣品的復水率與干燥溫度和功率有較大影響、與干燥距離和風速影響不大。李聰等[33]研究發現紅外干燥的桃渣多酚保留率較高，而且干燥速率較大，干燥溫度越高多酚保留量越多。

除此之外，紅外干燥不僅在果蔬的干燥中應用廣泛，在殺菌領域中也有廣泛的應用并且殺菌效果明顯。食品在儲藏過程中，食品會遭到微生物感染而引起腐敗變質，紅外加熱技術比殺菌劑、防腐劑更安全，紅外線可使食品內部蛋白質受熱凝固從而微生物代謝受到阻礙而死。Huang等[34]用紅外對即食熱狗表面殺菌，發現處理后的熱狗品質沒有明顯變化，但能達到很好的殺菌效果。張鑫等[35]發現紅外處理的脫水菠菜，可以在殺菌的同時較好的保留住葉綠素，并且紅外輻射與后期保溫相結合，能夠避免食品物料長期高溫，從而達到更好的品質。大多數水果在儲藏時期都會感染霉菌，時間一長可能會出現霉變現象，Tanaka等[36]用紅外處理采摘后的草莓，發現紅外可以防止草莓在儲藏期發生霉變反應。紅外輻射技術可以有效的殺死食品中的致病菌，還可以保持住食品原有的品質。

3.4 技術的不足之處

紅外加熱技術由于利用紅外輻射元件發出紅外線，被加熱物體吸收紅外線后直接轉變成熱能，但是食品物料中各組分對紅外線的吸收程度不一致，就導致了在同一紅外波長下，不同食品物料的加熱程度就會不一致，并且該技術存在熱量不易擴散，熱效率利用較低等缺點，而且紅外加熱還受到物料厚度的影響，對于物料體積較大、厚度較厚的情況下加熱所需時間較長，對加熱效果有一定的影響。紅外加熱技術現在多用于干燥和滅菌方面，在食品物料加熱的方面應用較少，所以在紅外加熱機理方面的研究要更加深入。

4 射頻加熱技術

4.1 技術原理

射頻（radio frequency，RF）是一種頻率范圍為10 MHz～300 MHz的高頻交流電磁波。食品物料置于射頻波中時，交變電磁場作用于食品物料，使物料內的極性分子往復旋轉，帶電離子往復移動，因此置于射頻波中食品物料內的極性分子和帶電離子與周圍分子產生摩擦而發熱，從而使得使含水物料在整個體積內同時加熱，加快了物料的升溫速率。

4.2 技術特點

射頻加熱具有選擇性加熱的特點，由于食品物料的介電損耗因子不同，所以不同食品物料產生的熱量就不同，在加熱相同時間后不同的食品物料的最終溫度也不一樣；介電損耗因子隨含水量增大而增大，所以含水量高的食品物料加熱會更快一些；射頻加熱是從食品物料內部加熱所以加熱速率快，Tang等[37]對牛肉、火雞肉進行了射頻加熱，發現射頻加熱時間僅為蒸煮加熱時間的三分之一，并且兩種加熱方式對感官與品質無顯著性差異；射頻頻率遠遠低于微波頻率，其對食品物料的穿透深度要遠遠大于微波，射頻加熱處理大塊食品物料時就要優于微波加熱。

4.3 技術的應用現狀

早在1940年，射頻加熱技術已在肉制品的解凍、面包焙烤、蔬菜的脫水干燥與燙漂等研究領域中應用，使射頻加熱技術在食品中進一步深入研究成為可能。馮憲超等[38]比較了射頻加熱和蒸煮加熱對西式火腿品質和肌原纖維蛋白特性的影響，發現射頻加熱有利于降低肌原纖維蛋白的氧化程度，進而有助于提高西式火腿的保水性，從而改善西式火腿的質構特性。張永迪等[39]對蘋果片進行射頻加熱，發現隨著射頻加熱溫度的升高，蘋果片顏色變亮、硬度減小、細胞破壞程度增大，射頻燙漂的溫度和時間對多酚氧化酶的活性有影響。在射頻波的作用下，物料內極性分子和可溶性鹽離子成為最好的吸收射頻介質，極性分子開始由隨即分布轉變為有序排列，這樣就促使了分子運動，相互間摩擦加劇，可溶性離子也在交變電場的作用下往復運動，使得物料溫度升高，物料內蛋白質、核酸、酶等變性失活。

近年來，射頻殺菌因其快速、整體、對物料品質損傷小的特點受到越來越多的關注。有研究表明射頻可以使農產品中的菌類減少數量達到至少4個對數周期[40]。Rui Lia等[41]采用射頻對杏仁進行殺菌，發現射頻加熱1.5 min后，大腸桿菌的減少量可達到5個對數周期，且杏仁的顏色、過氧化值、脂肪酸值和脂肪酸組成等品質幾乎不受影響，符合杏仁行業使用的良好質量標準。Jiao等[42]發現射頻聯合熱風加熱能抑制真菌并能保證谷物種子的活力、發芽率、色澤以及酶活力等生理生化特性，當玉米種子含水率為12.0%和15%時，黃曲霉菌分別下降了3和4個對數周期，說明較高的含水率會促進殺菌效果。溫度會使物料中的帶電粒子運動而影響它的介電特性，水分含量會增加物料的介電損耗因子，從而導致含水量高的溫度升高快。

射頻與微波加熱原理相類似，但是對于食品的穿透深度而言射頻波是微波的幾十倍，加熱均勻度更高，所以在食品干燥中有很大的優點。張波[43]發現射頻聯合熱風干燥核桃可以縮短干燥時間，提高干燥速率，而且核桃氧化程度低，核桃品質沒有顯著性影響。Wang等[44]發現射頻聯合熱風干燥可以提高夏威夷堅果干燥的均勻性，和單獨熱風干燥相比，射頻聯合熱風干燥能使干燥時間縮短一半以上，并且過氧化值和游離脂肪酸值均較小，堅果品質較好。Jumah等[45]建立了一種射頻輔助流化床干燥的擴散模型，該模型可快速預測各種工藝參數下的干燥曲線，可適當控制電場強度、頻率、溫度等參數來提高干燥效率。這為今后射頻加熱技術的深入研究又前進了一步。

4.4 技術的不足之處

射頻加熱技術較傳統加熱技術而言有很多優點，也應用到一些相關的領域，但是射頻加熱技術在解凍方面存在食品的邊角加熱過度現象，導致加熱均勻性較差，而且現階段射頻加熱技術仍停留在實驗室操作上，在實際生產中應用很少見，一些研究結果在實際生產中仍存在不可避免的問題，因此在射頻加熱技術機理以及食品內部的濕度分布在射頻加熱技術過程中的變化規律上還要深入研究。

5 結論與展望

電磁、微波、紅外、射頻加熱技術都是利用電磁波加熱，也就有相同的特點，就是加熱速度快，能源利用率高，而且對環境的污染較小。電磁是利用加熱介質利用介質傳熱的原理，而微波、紅外、射頻是利用物料自身的介電性質在物料內部產熱，熱效率會更高。射頻波長最長，對物料的穿透力度也較微波、紅外大，在體積較大物料上更具有優勢。而不同的加熱技術都存在加熱不均勻現象，要克服這些問題就要從加熱機理方面深入研究，還可以將不同的加熱技術聯合起來使用，充分發揮其特點，達到經濟效能最大化。就目前而言應用最廣泛的是微波加熱技術以及電磁加熱技術，但是都存在一定的安全問題，使用時會產生一定的輻射。而紅外加熱技術在醫學領域也有應用，相對安全，光波爐就是根據其原理生產的，光波爐比電磁爐的應用更加廣泛，它不挑加熱容器，比微波爐更加安全，不存在高頻電磁波的輻射，具有很大的應用前景。

我國食品工業目前有許多從事新型加熱技術研究和應用的科研、生產單位，每年都有新的技術以及工藝投入應用。新型加熱技術在食品領域中的應用將越來越廣泛，在很大程度上促進了食品工業的發展，尤其對于產品價值高、質量要求嚴、用傳統工藝難以解決的食品物料，現代新型加熱技術發揮著重要作用。今后會有更多的新型加熱技術以及復合加熱技術問世，各種加熱技術相互取長補短，發揮組合優勢。新型加熱技術以其獨特的加熱特點，進一步提高了食品加工的生產效率、工藝水平和食品質量與安全性，也必將推動中國食品加工行業的快速發展，在食品加工行業中的應用前景將十分廣闊。