食品復熱技術發展與應用分析

王樂，閆宇壯，馮國勇，魏文松，劉崇歆，張春江

1.中國人民解放軍32181部隊（西安 710000）；2.中國農業科學院農產品加工研究所農業部農產品加工重點實驗室（北京 100193）

在人類進化歷程中，人們逐漸演化形成了以熱食為主的膳食模式。經過熱處理，食物變得安全、營養、美味，因此熱食模式促進了人類的進化。近年來，隨著食品工業的進步，社會生活節奏的加快，精深加工食品在膳食組成中的比例越來越高。食品在消費之前需要進行復熱，以便達到最佳的食用體驗，因此食品復熱作為食品消費前的重要一環，對食品食用品質呈現發揮著重要作用。

傳統的食品復熱多采用明火傳導加熱，能源消耗大、熱能利用低，且容易造成環境污染。近些年興起的化學復熱技術、電加熱與復熱技術等，推動了整個產業的進步。該研究旨在分析化學復熱、電能復熱等食品復熱技術的原理、優缺點以及應用現狀，為食品復熱技術的研究及工業化應用提供參考。

1 化學復熱技術

1.1 技術原理

化學復熱技術是指在一定激發條件下，特定的熱源物質和激活劑發生化學反應產熱，再通過一定的傳熱形式，將熱量傳遞給食品以達到復熱的技術[1]。目前，常見熱源形式可分為三大類：氧化反應式、水合反應式和無火焰燃燒式。其中最常用的熱源是水合反應式，水合反應式的主要代表類型有生石灰與水型、鋁與水型、鐵與水型、鎂與水型以及混合金屬與水型。

1.2 技術特點

1.2.1 技術優點

第一，化學復熱裝置攜帶使用方便。目前食品用化學發熱包不用火，不用電，只需加入少量水，即可實現食品復熱目的，操作簡單。第二，復熱速度快，時間短。化學加熱技術中的熱源和激活劑反應迅速，可在短時間內產生大量的熱量用于食品復熱，而且待復熱的食品多為預制食品，復熱效率高。第三，使用不受時間、地點限制。化學復熱方式省去了傳統加熱方式的復雜程序和器具，便于操作，受時間和地點的限制小。

1.2.2 技術缺點

第一，復熱后產品品質亟需改善。采用目前技術復熱后的食品，產品品質保持不佳，連食性較差。第二，發熱裝置產熱率和熱利用率還需提高。目前商品化發熱包多為鋁水型和鎂鐵型，反應后產生的熱量利用效率較低。第三，安全性和環保性仍有不足。鋁水型、鎂鐵型發熱包在反應過程中產生氫氣，在密閉環境中有爆炸風險，反應殘余物作為固體廢物，對環境的影響不容忽視。

1.3 應用現狀

化學復熱技術最初應用于軍用食品的復熱。美國納蒂克研發工程中心在1980年研制出鎂鐵型的軍用食品加熱裝置，實現了美軍野外食品熱食化保障[2]。隨之歐洲、日本等國家和地區也逐漸研制出方便米飯復熱裝置，并逐漸形成市場化應用[3]。近年來，隨著科技的進步，化學加熱技術已歷經了五代，包括生石灰型、鋁水型、Mg/Fe型、酸酐堿酐型和空氣激活型。美國HeatGenie公司研發的化學自加熱裝置，在食品罐體底部裝設發熱裝置，裝置扭轉一定角度可啟動激活發熱體系，快速完成食品加熱。潘國貴[4]發明的食品快速復熱裝置，由外殼體和內殼體兩部分組成，內殼體外側連有通水管，外殼體上設有通氣裝置，內、外殼體之間形成帶攪拌的加熱空腔，避免內部熱量大量損失，復熱效果較好。

2 電能復熱技術

2.1 歐姆加熱技術

2.1.1 技術原理

歐姆加熱又稱導電加熱和電阻加熱[5]，其原理是利用食品自身的導電性來加熱食品。食品中含有可電離的酸或鹽，當電流通過食品時，內部產生電阻熱效應，促使食品內部溫度升高，從而達到食品復熱的目的[6]。歐姆加熱技術應用于食品復熱，熱量產生于食品內部，從而可以實現快速復熱，但需要保證物料與電極接觸良好，對于形狀不規則的食品復熱較為困難。

2.1.2 技術特點

2.1.2.1 技術優點

第一，歐姆加熱過程中，電流直接通過食品進行導電加熱，無需借助傳熱面和介質間的溫度差，因此食品內加熱較均勻，有效避免了食品局部過熱和傳熱面焦糊現象。第二，歐姆加熱系統的熱量是根據焦耳定律產生的，其加熱程度和速率取決于食品本身的電導率，熱量滲透不受物料尺寸和形狀的影響，與微波加熱、射頻加熱等方式相比，歐姆加熱的能量轉化率可達95%以上。第三，歐姆加熱通過電源控制系統進行，除動力泵外無其他運動部件，加熱過程中不同物料切換無需清洗設備，整體操控簡單，容易實現自動化，應用于商業化生產可降低生產成本、提高生產效率[7]。

2.1.2.2 技術缺點

第一，部分食品不具有導電性（如脂肪、冰、骨骼等）或電導率不隨物料溫度呈線性變化時（如食品成分不均勻、固液混合不穩定等），歐姆加熱會造成食品加熱不均及局部過熱現象[8]。第二，歐姆加熱是流場、溫度場和電場耦合的過程，加熱過程較為復雜，在加熱后期隨著電導率的升高，物料的加熱速度較難控制。第三，在加熱過程中，食品中的蛋白質、脂肪等組分可能會粘附在電極表面，影響電極的穩定性、導電性和使用壽命，從而降低加熱效率和產品品質。

2.1.3 應用現狀

20世紀70年代，Sanders等[9]發明了歐姆加熱裝置，并對肉和魚進行了熱加工；20世紀90年代，英國APV Baker公司開發了商用歐姆加熱裝置[10]。20世紀末，隨著新型鈦、鉑材料的產生以及電子信息技術的發展，歐姆加熱技術逐漸向實用化、產業化發展。目前日本的ISUMI Food Machinery和Frontier Engineering公司、英國的C-Tech Innovation公司、瑞士的Nestle Corporation和德國的法蘭克福香腸加工企業等均引入了歐姆加熱裝置，歐姆加熱裝置在食品解凍、滅菌和加熱等方面逐漸被推廣應用[11]。我國歐姆加熱技術研究起步較晚，目前研究多處于實驗室階段，產業化應用較少。吳忠等[12]設計了一種歐姆加熱裝置，并研究了獼猴桃漿在流動過程中的歐姆加熱效果。Guo等[13]采用歐姆加熱技術處理4種不同填充方式的土豆泥食品，利用麥克斯韋方程組和電場分析準確地預測了加熱過程中的熱量變化，為歐姆裝置在工業生產上的應用提供支撐。馮晚平等[14]發明了一種歐姆加熱凍肉解凍裝置。采用耐高濕、耐腐蝕且絕緣性良好的尼龍做成冷凍杯體，在銅板表面設置強度大、硬度大、抗腐蝕性強的鈦極板來解決電腐蝕問題。

2.2 微波加熱技術

2.2.1 技術原理

微波加熱是電磁輻射、交變電場和熱傳遞共同作用的結果，是一種“冷熱源”，在加熱過程中不產生熱氣，其原理為食品在微波作用下，物料內的極性分子快速移動，偶極子旋轉，極性分子和離子相互摩擦瞬時產生熱量，從而達到復熱食品的目的。微波加熱能夠產生兩方面的效果，一是微波能轉化為熱能實現對物料加熱，二是微波與物料中的生物活性組分或混合物等相互作用而產生非熱效應，抑制或提升其生物活性[15]。

2.2.2 技術特點

2.2.2.1 技術優點

第一，加熱速度快、時間短。微波具有較強的穿透性，熱量直接在食品內部產生和傳遞，縮短了加熱時間，提高了生產效率。第二，食用品質保持好。微波能穿透到食物內部進行加熱，避免了外焦內生、外干內濕現象，同時微波具有低溫殺菌優勢，能夠提高殺菌產品品質[16]。第三，食物營養成分保存高。微波加熱具有熱效應和非熱效應，在將食物完成加熱的同時，能夠減少食品營養成分破壞和損失。

2.2.2.2 技術缺點

微波加熱的缺點主要體現在加熱不均方面。介質對微波能量的吸收受介電常數影響，由于不同食品中水和鹽分的含量不同，介電常數和耗損因數也會不同，微波加熱過程中就會出現加熱不均勻現象。Li等[17]對微波加熱不均勻問題及解決措施進行了綜述，指出可通過改善微波腔內電磁場分布的均勻性和食品在微波腔內運動的均勻性來改善微波加熱的效果。

2.2.3 應用現狀

20世紀40年代，Spencer第一個申請了有關微波加熱技術的專利，開啟了微波加熱的篇章；到60年代，微波加熱技術在食品、醫藥、工業、農業等方面開始被廣泛應用。我國微波加熱技術研究稍顯滯后，產業應用始于20世紀70年代[18]。近年來，隨著微波加熱技術的不斷進步，各種形式微波爐的出現，微波加熱成為一種重要的食物復熱方式。微波爐在美國、日本、澳大利亞等發達國家普及率已達80%～90%，國內一線城市的普及率也高達95%以上。但是開展微波加熱的工業化應用研究卻稍顯遲滯。Filiz等[19]研究了微波解凍、碳纖維板輔助倉解凍和自然解凍土豆丁的效果，結果表明微波解凍所需時間最短，能夠更好地保持食品營養成分和外觀品質。喬學彬等[20]探究微波復熱功率和加熱時間對速凍醬拌雞絲品質的影響，結果發現微波功率為640 W、加熱時間為60 s時產品的感官品質、水分含量、剪切力和出品率的分值最優。楊豐銘等[21]通過使用掃頻源與多端口，發明了一種四端口微波腔體加熱結構，解決了微波加熱不均勻問題。

2.3 遠紅外加熱技術

2.3.1 技術原理

紅外線是一種波長在0.7～1000 μm之間，位于可見光與微波之間的電磁波，根據波長不同可分為近紅外線、中紅外線和遠紅外線。其加熱原理是利用加熱元件所發出來的遠紅外線照射到食品上，其熱能以電磁波的形式被食品分子吸收，從而達到加熱的目的。紅外加熱過程中，大多數食品輻射能量密度最大波長剛好在遠紅外波長范圍，而且水中羥基鍵伸縮振動的固有頻率與波長2.7 μm的電磁波相同，因此紅外加熱中應用的主要是遠紅外線[22]。

2.3.2 技術特點

2.3.2.1 技術優點

第一，加熱效率高。遠紅外加熱不需要傳熱介質，直接通過輻射將熱量傳遞給食品，避免了介質因素導致的熱量散失。此外，遠紅外加熱可穿透到食品內部進行加熱，加熱效率高。第二，溫度易于控制。遠紅外加熱過程中輻射熱慣性小，食品無需和熱源接觸，食品不會焦化，易于實現智能控制，便于大規模生產。第三，安全環保成本低。遠紅外輻射過程中，輻射能與發熱體溫度呈正比，可節省大量能源，而且輻射加熱中對人體和環境無不良影響。

2.3.2.2 技術缺點

第一，加熱不均勻。不同食品組分對紅外線的吸收效率不同，從而導致食品加熱不均。第二，加熱效果受食品特性影響較大。加熱體積較大、密度較大的食品時，熱量在食品內不易擴散，影響加熱效率和食品品質。

2.3.3 應用現狀

遠紅外線加熱技術首先出現于1953年，至20世紀80年代，國外開始在食品工業中推廣應用[23]。我國在各類食品的紅外加熱機理和工藝方法等基礎理論研究方面，與發達國家相比還存在很大差距。目前該技術多應用于食品滅酶、殺菌和干燥等方面。Sheridan等[24]應用中波紅外線和遠波紅外線對肉餅進行加熱，結果發現遠波紅外線對肉餅的加熱速度優于中波紅外線。Udomkun等[25]研究了遠紅外加熱爐和常規加熱爐對雞塊和油炸介質的熱分布和理化性質的影響，結果發現遠紅外加熱具有較高的加熱速率和較均勻的熱分布。王安敏等[26]設計了一種食品快速解凍設備，該設備由紅外加熱裝置、超聲霧化加濕裝置和溫濕度控制裝置三部分組成，在加熱的同時可控制設備內的溫濕度，提高解凍后食品的口感。

2.4 電磁感應加熱技術

2.4.1 技術原理

電磁感應加熱是指電源產生的交變電流通過線圈產生交變磁場，導磁性物質置于其中切割交變磁力線，從而在物體內部產生無數的小漩渦流，渦流使物體內部的原子高速且無規則地運動，原子互相碰撞、摩擦而產生熱能，從而達到加熱的目的。電磁感應加熱可分為靜態加熱和動態加熱。靜態電磁感應加熱是將導磁性物質放在交變電磁場中，交變電磁場提供非靜電力，在金屬內部形成感應渦流，渦流產生焦耳熱從而加熱物體。靜態電磁感應技術在食品中的主要應用是電磁爐。動態電磁感應是利用多相旋轉磁場或旋轉的永磁體產生的交變磁場進行加熱。動態電磁感應加熱不僅基于交變磁場中鐵心的渦流、磁滯效應，同時還利用了鐵磁物質運動切割磁力線，在定子閉合線圈中感應旋轉電勢的電流效應。動態電磁感應將旋轉電機傳統意義上的“損耗”轉化為有效熱能，提高了熱功率，并且安全環保[27]。

2.4.2 技術特點

2.4.2.1 技術優點

第一，電磁感應加熱速度快，效率高。電磁感應加熱避免了熱交換或熱輻射過程中的熱損失，熱量轉化最高可達95%[28]。第二，使用中綠色節能。電磁感應加熱無明火產生、無燃料消耗、無廢物排放，清潔環保。第三，易于實現機械化和自動化。感應加熱使用的工作元件，抗疲勞和使用壽命較高，安裝后易于實現自動化生產，降低成本。

2.4.2.2 技術缺點

第一，精準控溫較難。目前難以準確測量負載內食品溫度，溫控精度不高，易導致食品加熱不足或加熱過度，尤其是加熱容器底部極易焦化。第二，應用范圍受限制，存在輻射風險。目前電磁加熱技術只能加熱鐵質容器，并且功率控制系統不穩定，受電壓影響較大，對周圍其他電器易產生干擾，存在一定的輻射性。第三，技術研發不足，工業化成本較高。目前，電磁感應加熱技術的性能參數研究不夠深入，感應部件互換性和適應性較差，工業化應用投入成本高。

2.4.3 應用現狀

20世紀初電磁感應加熱技術首先應用于工業領域，80年代后期，隨著電子產業的進步，該技術在裝備性能、效率、體積等方面有了巨大提升，應用領域和使用范圍也越來越廣。20世紀50年代，我國才開展電磁感應技術的自主研發和創新，目前我國電磁感應加熱技術發展迅速，在食品領域有了廣泛的應用[29]。Qiu等[30]采用在鍋底和線圈之間引入絕熱層的方法，建立了電磁爐的電磁熱耦合模型，提高電磁爐系統的加熱效率，節約加熱時間。Levacher等[31]研究發現對傳輸帶上的扁平狀產品進行電磁感應加熱，可節省50%的能源，加熱液體產品可節省20%的能源。王旭寧等[32]設計了一種電磁加熱式食品加工機，通過電磁線圈盤、金屬盤、杯體和杯座復熱合理設計，提高了食品加工機的加熱效率。

2.5 射頻加熱技術

2.5.1 技術原理

射頻是指頻率為10～300 MHz的高頻電磁波。射頻加熱是利用食品分子在電磁波中的運動將電磁能轉化為熱能的過程[33]。當食品物料處于射頻場時，食品中的偶極分子（如水和脂肪等）在高頻電磁波作用下趨向極化，發生振動并摩擦生熱，實現食品加熱目的。射頻能量不會使水分子離子化，是一種非離子化輻射技術。

2.5.2 技術特點

2.5.2.1 技術優點

第一，加熱速率快。食品在射頻場中的加熱速率與物料介電損耗因子呈正比，無需熱傳導過程，直接將所吸收的電磁波轉化成熱能，加熱速率快。第二，穿透性強，均勻性好。射頻加熱可瞬間在食品內部均勻、精確地產生熱量，且穿透性比微波更強，不受食物的導電性、尺寸、密度影響[34]。第三，具有水分自平衡效應。水分在食品中分布并不均勻，含水量高的部分介電損耗越大，食品的加熱速率也就越大，該部分射頻加熱的能量會更集中，水分蒸發更大，食品中的水分分布會趨向均勻。

2.5.2.2 技術缺點

第一，技術開發不足。近年來雖然對射頻技術的研究越來越多，但大多數研究仍限于實驗室水平，尚需要突破大量工程化技術才能實現工業化應用。第二，存在產品局部加熱過度問題。射頻加熱食品過程中在一定程度上會出現局部過熱現象，導致食品品質降低。第三，經濟成本較高。射頻加熱設備昂貴，工業成本較高。

2.5.3 應用現狀

20世紀中期，美國學者首次提出了射頻加熱的概念，并將其應用于肉制品加熱、蔬菜加工和面包制作等領域。隨著該技術的不斷發展，其應用范圍也逐漸擴大到冷凍食品解凍、食品烘焙以及食品殺菌等方面。20世紀末射頻加熱技術引入中國，但其應用范圍僅限于醫療行業和工業行業[35-36]。近年來，隨著對射頻技術的研究和認識不斷深入，該技術在食品的加熱、干燥和滅菌等方面逐漸得到應用。Zhang等[37]研究表明，相比于傳統蒸煮加熱，射頻加熱后肉糜的持水性、硬度和咀嚼性更好，質量損失更小。Zhu等[38]開發了一種簡化的圓柱形電磁波導體，并建立了相關計算機仿真模型，以提高高水分食品射頻加熱的均勻性。Yang等[39]研究了射頻加熱對冷凍魚糜的解凍效果，結果發現27.12 MHz的射頻波可以對魚糜樣品進行加熱，熱分布的均勻性良好，解凍樣品的凝膠性質不受影響。

3 技術對比與發展趨勢分析

3.1 復熱效率比較

化學復熱過程中發熱包與食品不完全接觸，存在較大的熱量損失，較之其余復熱方式，其復熱效率最低。歐姆加熱將食品作為電阻，利用食品自身的電阻效應產熱，其復熱效率優于化學復熱技術。微波、遠紅外、電磁和射頻加熱技術都是利用電磁波進行加熱，其中電磁感應加熱技術需要通過介質傳熱，而微波、遠紅外和射頻加熱是利用物料自身的介電性質進行加熱，復熱效率會更高。此外，射頻的波長大于紅外和微波，對物料的穿透力度也更大，復熱大體積食品物料時更有優勢，遠紅外線的穿透能力沒有微波強，但其波長更短，能量更高。

3.2 食品品質影響

化學加熱和電磁感應加熱都需通過介質傳熱實現，會存在傳熱面加熱過度或內部加熱不足現象，而且化學加熱過程中難以控制加熱溫度和進度，會對食品品質有較大影響。歐姆、微波、遠紅外和射頻加熱技術都是直接在物料內部進行加熱，有效避免了傳熱面焦糊或內部加熱不足現象，復熱后的食品品質會較好。但當食品成分不均或固液混合時，不同食品部位的阻抗以及對電磁波的吸收程度會不同，因此，歐姆、微波、遠紅外和射頻加熱技術會存在加熱不均現象。

3.3 安全環保性

化學加熱中的鋁水型自熱包反應會產生氫氧化鈣，具有一定腐蝕性，水合型反應過程中伴隨氫氣的產生，在密閉環境中累積會存在安全風險。微波、電磁和射頻加熱過程中存在一定的輻射，可能會對機體造成健康損傷[40]；遠紅外技術已經在醫學領域開展應用，相對安全；歐姆加熱過程中不存在輻射問題，是幾種技術中最安全的。

3.4 發展趨勢

化學復熱技術依托其簡單便捷、可隨時隨地開展的優勢，目前在軍用食品和方便食品（如自熱火鍋、自熱米飯等）中具有廣泛的應用，但其存在一定的安全和污染風險，并且復熱效率不高，需要進行持續的技術革新。歐姆加熱應用范圍主要為流體和半流體食品，技術操作簡單，加工成本低，新電極材料的出現可形成連續式歐姆加熱技術，實現工業化應用，未來在食品復熱中會占有一席之地，目前在發達國家中歐姆加熱正處于商業化推廣和設備完善階段。微波加熱和電磁感應加熱技術（主要為家用微波爐和電磁爐）目前應用最廣泛，其成本低、技術成熟、操作簡單；遠紅外和射頻加熱技術加熱效率更高，應用范圍更廣泛，但目前技術應用尚處于起步階段，要實現工業化應用還有很長的路要走。

4 結語與展望

我國食品產業發展迅速，新技術、新工藝、新裝備不斷投入產業應用，電磁爐、微波爐、紅外烤箱等加熱裝置已成為大眾廚房中的基本復熱器具，但現有復熱技術大多存在加熱不均、工業化應用難等缺點。因此，未來還需要針對工業加工、家庭使用、戶外應用等不同場景，開發專業化、系列化的食品復熱技術與裝備，重點研發不同復熱技術的工藝參數、加工適宜性，并研制系列裝備；同時重視技術的融合應用，將多種技術進行結合，取長補短，發揮雙重優勢，例如將微波加熱和射頻加熱進行結合，在保留微波加熱優勢的同時又具備了射頻加熱的優點[41]，以進一步提高食品品質和復熱效率。