射頻加熱技術在食品加工中的應用

胡曉亮 ，曹素璋 ，李偉強 ，鄧敏 ，張柔佳，林蘇欽 *

1.上海旅游高等專科學校（上海 201418）；2.上海師范大學旅游學院（上海 201418）；3.上海海洋大學食品學院（上海 201306）

熱處理過程會損害食品物料中的熱敏性物質，從而影響物料品質[1]。溫度和加熱時間是影響食品加熱過程中熱損傷程度的主要因素，傳統加熱方式主要通過熱傳導、熱對流等方式將熱量從外部熱源傳遞到食品內部，加熱時間較長，加熱均勻性較差，從而造成食品風味、色澤、質構及營養成分的損失[2]。如何快速加熱食品原料并保持其品質是食品加工領域迫切需要提高的技術。

射頻是一種頻率在1～300 MHz范圍間的電磁波，產生的高頻交變電磁場能引發食品物料內部的離子振動以和水分子的極性旋轉，從而使食品物料整體被加熱[3-5]。因其具備加熱快速和操作方便等優點，在食品熱加工領域的應用受到廣泛關注。

然而介電加熱具有選擇加熱的特性，應用射頻加熱食品物料過程中存在由于介電特性變化導致的不均勻性，即隨著被加熱物料溫度升高，食品物料的介電特性變化會導致熱點部位吸收能量越來越多，升溫越來越迅速，相應較冷部位吸收能量少，導致溫度分布差異增大[6]。對射頻加熱的機制和特點進行概述，闡述射頻加熱技術存在溫度分布的不均勻問題，分析加熱不均勻導致的后果，綜述射頻加熱技術在食品解凍、食品干燥、食品殺蟲及食品滅菌等領域的應用進展，并對射頻加熱技術發展方向進行展望。

1 射頻加熱的機理

射頻加熱的機理分為離子傳導和偶極旋轉[7]。食品物料中帶正電荷的離子向電場移動，帶負電荷的離子向沿相反方向移動，并隨交變電場前后移動，通過離子同其他分子間的碰撞或是水分子氫鍵的斷裂，離子動能轉化為熱能，從而實現食品加熱[8]。除了離子傳導機制外，食品內部極性分子的偶極旋轉是射頻加熱的另一種機制。水分子是食品材料中最具代表性的極性分子，由于食品中極性分子的偶極特性，食品處于射頻的交變電場中，食品內部的極性分子會沿著電場方向重新排列，并且這種排列以每秒數百萬次以上的頻率在交變電場中發生，從而導致分子間摩擦，產生大量熱能[9]。

2 射頻加熱技術的特點

2.1 快速、整體加熱

傳統加熱方式主要通過熱對流和熱傳導將熱量從外部熱源傳遞到物料內部，因其加熱不均勻且加熱時間長，通常會造成食品的色澤、質構和營養成分的劣變[10]。射頻加熱具有整體加熱的效果，無需熱傳導過程就能使被加熱物料內外部同時加熱、同時升溫，此種加熱方式能大幅減少升溫時間，減少能耗[11]。

2.2 選擇性加熱

射頻加熱具有選擇性加熱的特性，隨著被加熱食品物料溫度升高，食品的介電特性變化會導致熱點部位吸收能量越來越多，升溫越來越迅速，而相應較冷部位吸收能量少，導致溫度分布產生不均勻現象[12]。然而在農產品的殺蟲工藝中，射頻的選擇性加熱特性卻被充分得到利用，由于谷物類的農產品含水量遠低于害蟲的含水量，即谷物類農產品具有較低的介電損失。因此害蟲的射頻加熱速率要高于農產品，確保在有效殺滅病蟲害的同時不影響到谷物類的農產品品質[13]。

2.3 穿透深度大

對于水分和溫度相同的食品物料，射頻波的穿透深度要顯著高于微波，微波具有穿透深度小的局限性，微波加熱的應用還僅局限于小型物料[14-15]。Uyar等[2]對比應用射頻和微波解凍冷凍肉和魚，認為微波和射頻解凍肉和魚的效果差別不大。微波設備可用的功率更高，但是其穿透深度低于射頻，只適合解凍厚度小于4 cm的產品。應用微波加熱大型尺寸的食品物料時，會產生局部過熱現象，因此處理針對體型較大的食品物料時，射頻加熱要優于微波加熱。

2.4 非電離輻射

由于射頻的波長通常高于1 m，頻率低于300 MHz，量子能量小于10 eV，所以射頻加熱是一種非電離輻射技術，是一種相對安全的熱加工技術[16]。射頻加熱產生的能量不會破壞食品物料內部的分子構型和化學鍵，因此射頻加熱有利于保持食品物料原有的品質特性，能更好保持食品物料的色澤、風味等感官品質，能較好維持食品的彈性、硬度等質構品質，同時也能抑制微生物生長，確保食品的營養價值不發生劣變[17-20]。

3 射頻加熱技術在食品加工中的應用

射頻加熱具有整體加熱的特性，物料升溫速度快，可通過大幅降低加熱時間，提高產品品質。近年來，射頻加熱技術在食品解凍、食品干燥、食品殺蟲和食品滅菌等領域受到研究者的廣泛關注。

3.1 射頻解凍

傳統解凍方式通常采用空氣解凍或水解凍的方法，在處理大型尺寸的食品物料時，解凍時間往往過長，存在汁液流失嚴重的現象，且容易受到微生物侵染[21]。有學者分別對射頻解凍和傳統解凍方法進行比較研究，將一定初始溫度的凍結食品解凍至目標溫度，結果發現射頻解凍所需的時間明顯小于傳統方法。相比傳統的解凍方法所需時間長、耗能大的不足，射頻解凍可以有效提高食品的解凍效率[22]。

通過對比射頻解凍和微波解凍后食品物料的品質指標發現，射頻解凍可有效降低食品物料的汁液流失，抑制微生物的生長繁殖，能較好保持物料的色澤和營養成分。Miao等[23]應用頻率36～40 MHz的射頻來解凍魚塊，發現射頻解凍更好地保存魚的汁液和風味，有效抑制腐敗微生物的生長，減少揮發性鹽基總氮含量，延長貯存時間。Tiwari等[3]應用射頻解凍牛肉也得出類似的結論，射頻加熱解凍后的牛肉樣品汁液流失少，能更好保持食品物料的感官品質和營養價值。

然而，在凍結食品的射頻解凍工藝中，食品物料邊角區域溫度存在過熱的現象，導致解凍不均勻。Miao等[23]應用36～40 MHz射頻解凍鯡魚和白鮭魚，并探討影響魚體解凍均勻性的因素，認為射頻解凍后魚塊表面溫度分布存在不均勻現象，不均勻程度與解凍魚塊的厚度大小密切相關，魚塊的厚度越大，解凍均勻性越差。經射頻解凍后的食品物料的中間層的升溫速率要滯后于淺表層，這是由于水的熱傳導率僅為冰的熱傳導率的1/4左右，在解凍過程中，熱量不能充分地通過已解凍層傳入物料內部[24]。此外，電磁波能量從食品物料表面傳遞到內部會不斷衰減，致使物料中間層升溫較慢[25]。

3.2 射頻干燥

傳統熱風干燥溫度一般較高，在食品表面易形成硬殼，品質劣變，且伴隨著巨大的能量消耗[26]。采用射頻聯合熱風干燥具有更高的干燥速率，能更好保持食品物料的營養成分，受到研究者廣泛關注。王云陽[27]采用功率6 kW、頻率27.12 MHz的射頻加熱系統對澳洲堅果的干燥工藝開展試驗，結果表明，熱空氣輔助射頻僅需花費360 min就可完成澳洲堅果的干燥，而采用射頻設備中的熱空氣單獨干燥則需要消耗750 min。

直接利用射頻干燥食品，雖然干燥時間明顯比傳統方法短，但局部易出現過熱，導致食品微觀結構被破壞，產生褐變，影響復水率[23]。利用射頻輔助其他技術加工食品，可有效改善這些問題。有學者對射頻聯合流化床干燥技術提高干燥均勻性進行研究，Huang等[28]采用射頻噴動干燥處理胡蘿卜丁，觀察單級、雙級和三級射頻噴動干燥，發現在干燥的最后階段，胡蘿卜丁表面溫度均保持穩定、溫度分布較均勻，3種方法均未出現局部過熱的現象，這是由于射頻產生的熱量被噴動氣流不斷汽化冷卻造成的，雙級與三級噴動的色澤較好，類胡蘿卜素和葉綠素含量較高，且有較好的復水能力。

提高射頻干燥的均勻性是研究者最為關注的問題，Brodie[29]在對比熱空氣干燥和射頻干燥對意大利面的影響時，發現過高的射頻功率會引起意大利面的加熱不均勻現象。Lee[30]利用高光譜成像技術對射頻真空干燥過程中芒果片的水分分布情況進行研究，發現芒果片的中心區域和邊緣區域的水分存在明顯差異。射頻干燥的不均勻現象與食品物料的介電特性密切相關，食品物料介電特性的變化會影響物料表面的溫度變化[28]。Soyer等[11]研究發現，電磁波頻率在低頻下，物料中的離子含量是影響介電損失的主要因素，而在微波頻率下，物料中的水分含量和偶極子的旋轉會共同影響介電損失的變化。Tiwari等[3]研究也得出類似結論，電磁波頻率低于200 MHz時，離子導電性造成的介電損失占主導地位，即離子含量對物料介電損失的影響遠遠大于水分對介電損失的影響。

3.3 射頻殺蟲

相比于微波加熱，射頻具有穿透深度長的優勢，可緩解針對體積較大的食品物料加熱過程中熱逃逸的問題，為解決加熱均勻性并提高產品質量提供方向。Uyar等[10]對比應用射頻和微波的加熱效果，也得出類似結論，認為對于小體積樣品微波和射頻加熱效果差別不大，微波設備可用的功率更高，但是其穿透深度低于射頻，微波一般適合加熱厚度小于4 cm產品。有研究者對射頻加熱的殺蟲效果開展研究，侯莉俠[26]研究射頻熱處理對板栗品質的影響，并通過有限元分析軟件對射頻加熱后板栗的均勻性進行分析。結果表明，板栗在射頻加熱后存在邊角效應，塑料筐邊角處的板栗溫度比塑料筐中心溫度高。塑料筐內的板栗層與層之間用塑料板隔開、單層加熱、攪拌均可提高射頻加熱的均勻性。采用55 ℃熱風輔助射頻加熱，同時傳送帶以速率0.15 m/min運動，可使害蟲死亡率100%；利用射頻加熱系統輔以熱風將接種有皮落青霉的板栗加熱至60 ℃，可使板栗中的霉菌數量降低4個數量級。射頻熱處理和貯藏使板栗果仁和果殼的含水量降低，板栗的淀粉和可溶性總糖含量隨著貯藏時間增加先升高后降低；蛋白質、菌落總數隨著貯藏時間增加逐漸升高。

Birla等[31]采用橙子為研究對象，應用循環熱水聯合射頻加熱對橙子的殺蟲效果開展試驗。研究表明，射頻加熱的橙子升溫速度快，可大幅降低加熱時間，通過射頻加熱能使橙子內部溫度快速到達害蟲的熱致死溫度，但通過射頻加熱處理后的橙子在存儲期間VC等營養成分的保持存在一定影響，但與傳統采用熱水殺蟲法相比，橙子的營養物質劣變程度較小，能更有效維持橙子的感官品質及營養成分。

3.4 射頻滅菌

射頻加熱滅菌與傳統滅菌方法（如高溫滅菌、高壓滅菌等）相比，具有速度快、能有效降低食品營養成分的流失，且較好保持食品物料的感官品質的特點。呂曉英等[32]采用頻率27.12 MHz的射頻設備對獼猴桃汁的殺菌效果進行比較研究，射頻加熱可使獼猴桃汁中的沙門菌下降8個以上數量級，射頻殺菌處理具有較高的VC含量，能最大程度保持獼猴桃汁的營養成分。趙偉等[33]研究射頻加熱處理對椰菜粉殺菌效果的影響，也得出類似結論，認為射頻加熱可有效殺滅椰菜粉中的腐敗菌，經射頻連續加熱300 s，可將椰菜粉中的腐敗菌降低4.2個對數，且顏色基本不改變。對于低水分活度食品，射頻與冷激相結合能最大限度保持食品的品質，是一種很有前景的食品殺菌技術。

此外，射頻滅菌在肉制品加工工藝中也有著廣泛應用。陳年[34]采用27.12 MHz射頻處理午餐肉并對其加熱的均勻性和滅菌效果開展研究。研究表明，射頻加熱過程午餐肉內部升溫迅速，射頻加熱5 min就能使午餐肉中心溫度達到90 ℃以上。射頻加熱的效率約為常規高壓蒸煮升溫速率的5倍以上。射頻加熱能有效殺滅午餐肉的致病菌，采用射頻加熱20 min時午餐肉的硬度達到最大值，在加熱10 min內午餐肉的咀嚼性和黏聚性達到最大值，彈性、黏結性和回復性變化不大。射頻加熱能在保持食品物料品質的前提下，有效的殺滅食品物料的致病菌和腐敗菌，有著較好推廣前景和應用價值。

3.5 射頻蒸煮

除了在殺蟲、滅菌等領域的應用，射頻也被應用于食品的蒸煮加工工藝。Jumah[4]以肉糜為研究對象，對比研究射頻蒸煮和循環水浴加熱后的肉糜品質特性變化，研究發現，經射頻蒸煮后的肉糜在硬度、咀嚼性、剪切力等質構指標上要明顯優于循環水浴加熱，此外經射頻蒸煮后的肉糜保持了較好的色澤和感官品質。Farag等[5]對比研究射頻蒸煮和蒸汽加熱對牛肉品質的影響，研究表明，射頻蒸煮后的牛肉在彈性、咀嚼性等質構品質及維生素B1和維生素B2含量同蒸汽加熱無顯著性差異，但經射頻蒸煮后的牛肉可有效抑制脂肪氧化速率，射頻加熱能大幅縮短蒸煮時間，經射頻蒸煮僅需4.5 min，是傳統水浴加熱速度的30余倍，且射頻蒸煮后的牛肉具有較好均勻性。射頻蒸煮在保持食品物料品質的基礎上，大幅縮短加熱時間，顯著提高蒸煮效率，具有較好推廣應用前景。

4 結語與展望

介電特性的變化會引起食品物料加熱的不均勻性是射頻加熱中最受關注的問題[35]。設計合理的射頻加熱系統，提高電場均勻性是提高食品射頻加熱均勻性的主要手段，在射頻加熱腔內的反射可通過設計合理的導電珠子得到優化，轉盤、傳送帶均可提高電場的均勻性，且在設計研發射頻加熱工藝時，需考慮食品擺放位置、食品物料的尺寸等因素對電場的影響。

采用射頻加熱和其他加熱方式相組合來加熱物料是另一個新的研究方向，如熱空氣聯合射頻干燥、射頻聯合流化床干燥、射頻加熱聯合鹽水解凍等，結合幾種加熱方法優勢，針對加熱物料的特性和食品加工工藝的要求選擇適合的加熱方法進行組合，從而提高加熱效率，縮短加熱時間，最大限度保持食品原有風味和營養成分[29]。