紅外輻射食品熱處理機制及應用研究進展

于賢龍 褚 斌 肖紅偉 張衛鵬 趙 峰 張宗超

(1. 山東省農業機械科學研究院，山東 濟南 250100; 2. 中國農業大學工學院，北京 100083; 3. 北京工商大學人工智能學院，北京 100048)

紅外線是介于可見光和微波之間的電磁波，光譜波長范圍廣，能夠廣泛適應多品類食品的不同加工領域[1]。紅外輻射加熱過程中無需傳熱介質，避免了加工過程污染物的生成，且在真空、常壓、高壓操作環境中均能夠完成高效率的傳熱過程，避免了溫度邊界層對傳熱過程的阻礙，具有傳熱速度快、加熱效率高的特點[2]。此外，對于具有一定厚度的食品物料，紅外輻射具有內部加熱特性，有利于提高物料的升溫速度[3]。研究[4-5]表明，紅外輻射加熱有助于減少抗性淀粉含量，提高面粉易磨性，同時改善淀粉類食品的消化特性。紅外輻射加熱存在熱效應與非熱效應的共同作用，能夠有效殺滅食品中細菌、真菌、蟲卵以及成蟲，保障食品安全與品質[6-7]。如圖1所示，紅外輻射加熱在滅酶、殺菌、烘焙、脫皮、干燥、解凍的食品加工環節展現出了巨大的應用潛力。

圖1 紅外加熱技術在食品加工中的應用Figure 1 The application of infrared heating technology in food processing

紅外加熱產生的熱量高，長期暴露在高強度的紅外線輻射下會引起產品品質劣變，造成營養成分特別是熱敏性成分損失嚴重的問題。因而，紅外輻射的熱加工過程中需要謹慎地對其進行精準化控制[8]。研究擬論述食品紅外輻射加熱理論的發展，綜述紅外輻射加熱在食品加工應用方向上的最新研究進展，解析紅外輻射加熱對食品品質的影響規律，總結闡述基于紅外輻射加熱的食品加工原理與工藝優化方法，以期為高效、高質、節能的食品加工裝備開發提供參考。

1 食品紅外輻射熱處理機制

1.1 匹配吸收理論

1938年，紅外輻射加熱被應用于油漆的固化干燥，此后紅外加熱技術逐步被應用于食品加工各領域[9]。1971年，基于紅外輻射加熱的反射、吸收、透過原理提出了遠紅外加熱的匹配吸收理論[10]。匹配吸收理論指出紅外線波長與被加熱物料的吸收波長相匹配時，其能量會被吸收而達到加熱的目的[11]。紅外源輻射峰、吸收峰與相應的黑體峰的匹配能夠提高輻射通量密度，同時保證能量的充分吸收[12]。朱文學等[13]發現物料的紅外光譜對含水率變化較為敏感，其影響程度甚至遠大于物料品種差異所造成的影響。根據普朗克黑體輻射定律，調節紅外源表面溫度能夠改變紅外源輻射紅外線波長，達到匹配的目的[14]。但是，農產品物料普遍為熱敏性物料，限制了紅外源溫度的可調節范圍。

1.2 非匹配吸收理論

在食品加工與貯藏過程中，物料本身具有一定的厚度或呈多層堆積的狀態放置，熱量穿透到物料深層往往更有利于傳熱過程的進行。侯蘭田等[15]在一定厚度的物料的紅外輻射加熱吸收譜研究中發現了紅外線的非匹配吸收現象。如圖2所示，在非匹配吸收理論下，紅外輻射加熱包括3個部分：表面反射、表面吸收和穿透吸收。采用非匹配吸收理論來選擇紅外源的波長避開物料的主吸收峰，可以同時對表面及內部層進行加熱。

圖2 食品紅外輻射加熱原理圖Figure 2 Schematic diagram of infrared radiation of food

食品作為生化大分子、生化聚合物、無機鹽和水組成的復雜的混合物，各組分具有獨特的紅外線吸收圖譜。

水、氨基酸、蛋白質、核酸、脂類、糖類的紅外特征吸收峰集中在3～11 μm[16]。選擇適宜紅外波段，有助于強化加工效率，提高產品品質。對于厚度較薄的食品物料，或者表面需要快速加熱，諸如脫皮、烘焙等操作，適宜選擇中、長波紅外源[17]。而對于厚度較厚的農產品物料，或者需要穿透深度較大的加工過程，諸如干燥、殺菌等操作，可根據“非匹配吸收”原理，選擇中、短波紅外輻射器作為紅外源，能夠有效提高熱量傳遞速率，同時保證加熱過程的均勻性。

2 紅外輻射在食品熱加工中研究與應用

2.1 紅外干燥技術

干燥是一種通過降低物料中含水量從而保存食品的最常用方法，也是人類已知的最古老的食品保存方法之一[18]。早在1941年，紅外輻射加熱已被應用于種子的干燥研究中，隨后紅外加熱提供的能量被證明適用于水果與蔬菜的脫水[19]。目前，紅外加熱技術已被廣泛應用于農產品的干燥研究與應用。

紅外輻射具有一定的穿透能力，有利于熱量向物料內部的傳遞。另外，紅外線具有分解大水分子團簇的能力，有利于加速物料水分的內擴散，從而強化干燥效率[20]。干燥效率的提高可以改善干燥過程的物料品質劣變。利用紅外加熱技術對蕎麥進行干燥相較于熱風干燥所需時間較短，且具有較好的外觀特性和較高的蛋白質含量[21]。紅外加熱溫度、切片厚度、輻射距離是影響加熱過程的關鍵因素。其中，紅外加熱溫度在蘋果片、香菇等物料干燥研究中其影響均高于切片厚度和輻射距離。巨浩羽等[22]研究得出適宜紅外溫度能夠抑制酶促褐變和降低美拉德反應而保證產品具有良好的色澤品質。王雪媛等[23]發現提高紅外加熱溫度能促進自由水與不易流動水的遷移。紅外干燥作為一個非穩態過程，單一的溫度參數難以適應不同階段物料的脫水需求。干燥前期采用較高的輻射溫度加快水分蒸發，而在干燥后期，采用較低的輻射溫度可以避免溫度過高引起的品質劣變[24]。

如圖3所示，紅外熱風干燥結合了輻射傳熱與對流傳熱傳質的優勢，能夠有效提高干燥效率[25]。紅外—熱泵聯合干燥方法兼具紅外輻射加熱快速、傳熱能力與熱泵干燥節能特點，實現了高效節能的干燥目的，在龍眼、魷魚片、金銀花等物料的干燥上表現出了良好的節能保質效果[26-28]。將紅外加熱方法應用于真空脈動干燥、真空冷凍干燥技術，開發出的紅外真空脈動干燥設備與紅外真空冷凍干燥設備具有干燥效率高、產品品質高的優點，所生產的茯苓、蜂花粉、玫瑰花干制品均具有較高的產品品質[29-31]。組合干燥方式結合了多種干燥技術的特點，干燥的傳熱傳質關系也相對復雜，創新參數控制方法實現干燥過程的智能控制對于高效、高質、節能干燥具有重要意義。

圖3 基于紅外輻射加熱的組合干燥方法Figure 3 Combined drying method based on infrared radiation heating

2.2 紅外漂燙熱處理技術

漂燙熱處理是果蔬加工中重要的工藝環節，起到提高干燥速率以及抑制組織氧化的作用。紅外漂燙為一種新型漂燙方式，在果蔬加工的預處理過程中進行了大量應用研究[32]。

紅外漂燙傳熱速度快，能夠穿透至物料內部進行加熱，強化了漂燙的酶滅活效率[33]。Yan等[34]研究發現，紅外輻射處理能夠破壞米糠中脂肪酶的空間結構而有效抑制其活性，降低了貯藏過程中游離脂肪酸含量的上升速度。另外，紅外漂燙熱處理增加了果蔬組織透性，可以加快脫水過程。Chen等[35]發現，在60，70，80 ℃下經紅外漂燙后熱風干燥時間分別減少了32.3%，41.1%，45.0%，顯著提高了整體的干燥速率。

與傳統熱水漂燙相比，紅外漂燙熱處理不存在廢液處理問題，同時避免了可溶性營養物質的流失[36]。與熱水漂燙干燥相比，紅外漂燙干燥所獲得胡蘿卜干片的維生素C保留率高出39%[37]。Kettler等[38]對比了花生在紅外漂燙和熱水漂燙下的貯藏動力學，與熱水漂燙相比具有更長的貯藏期，獲得的花生產品在室溫下保存18周未出現明顯氧化。

作為一種干式漂燙方式，紅外輻射傳遞給物料的能量會因水分蒸發被吸收而損失，這阻礙了物料漂燙的升溫，延長了漂燙時間。如圖4所示，增加空氣介質的相對濕度引起的冷凝潛熱釋放可以強化傳熱過程。Yu等[39]分析顯示，適當地提高空氣介質相對濕度可獲得較高的傳熱速率，又能提高物料內部溫度分布均勻度。而在紅外漂燙領域，Li等[40]提出利用紅外與蒸汽組合加熱對野菊花進行漂燙，與單一紅外漂燙相比具有更高的總酚、類胡蘿卜素和類黃酮含量，同時能有效抑制貯藏階段POD酶活性再生。但是，基于空氣介質強化紅外漂燙傳熱效率的研究鮮有報道，空氣介質對紅外漂燙的傳熱強化作用仍需進一步探索。

圖4 物料與高濕空氣介質對流傳熱原理圖Figure 4 Schematic diagram of convection heat transfer between material and high humidity air medium

2.3 紅外加熱焙烤技術

焙烤是一種在高溫下(>150 ℃)進行的食品加工方法，能夠創造出獨特的風味。紅外焙烤具有較高的傳熱系數，面團烘焙過程中紅外輻射提供的熱流量超過了總熱量的60%[41]。同時，紅外焙烤避免了對流烘焙物料重量損失嚴重的問題，有利于產品品質形成[42]。Lee等[43]研究表明茶葉經過紅外焙烤后總酚和黃烷醇含量大大提高，其抗氧化活性成分也能夠得到較高保持。此外，紅外焙烤用于面包烤制能抑制面包在貯藏過程中的硬化，相比對流焙烤能夠更好地維持產品在貯藏期的品質[44]。作為一種能量密集型操作單元，紅外輻射加熱可顯著降低焙烤能耗。Ploteau等[45]研究表明，在較低的空氣溫度下紅外烘焙所需的能量相對于傳統對流烘焙的減少了20%。目前，基于紅外加熱的食品焙烤技術已被廣泛用于面包、堅果、肉類等物料的加工研究與應用中。

紅外加熱常與熱風加熱、微波加熱等其他焙烤技術結合應用。Bagheri等[46]利用紅外聯合熱風方法顯著降低了花生仁的焙烤時間與焙烤能耗。紅外聯合微波焙烤能夠同時對物料內部與外部進行快速加熱，使得物料表面在較短時間內出現美拉德反應，并促進面包外皮與面包芯的同步形成[47]。Uysal等[48]探究了紅外聯合微波焙烤對榛子色澤、質地、水分、脂肪酸組成的影響，優化后的焙烤工藝在顯著縮短加工時間的基礎上能夠獲得較高質量的榛果。

2.4 紅外加熱脫皮技術

在罐頭、干果、嬰兒食品和果汁等食品的加工過程中，脫皮是一項重要的單元操作，能夠改善產品口感并去除農殘。應用廣泛的堿液和蒸汽去皮法會消耗大量的水資源，同時伴隨著高密度能量投入，去皮過程產生的廢水會帶來高鹽度和有機污染問題。

紅外輻射加熱能夠使物料表面快速升溫，是果蔬脫皮的一種有效方法。Li等[49]分析了紅外脫皮的瞬態傳熱傳質過程，發現紅外輻射加熱會使番茄表面溫度快速升高，而中心位置的溫度保持在低位值，有利于保持番茄硬度與降低營養物質的降解。與堿液和蒸汽的脫皮機制不同，紅外加熱可以致使細胞外角質層充足、細胞壁熱膨脹以及細胞層坍塌，引發表皮下壓力的累積與表皮強度下降，最終導致表皮開裂[50]。Wang等[51]獲得的棗的剝皮損失與堿液脫皮相比較低，且色澤維持較好。劉瑩等[52]利用催化式紅外技術促進了果皮與果肉的分離，相較于堿液去皮對果肉影響較小。

紅外輻射加熱脫皮過程中，輻射強度、輻射間距、加熱時間是影響脫皮效果的3個重要因素。輻射強度和輻射間距是影響物料表面熱通量的主要因素，而輻射時間則決定著物料的處理程度，通過縮小輻射間距與提供雙面加熱結構等措施能夠顯著提高脫皮速率[53]。但是處理時間過長會降低脫皮后產品品質，導致硬度降低，剝皮損失增大[54]。因此，精確的加熱時間控制是保證脫皮完成度與降低脫皮損失的重要前提。

2.5 紅外加熱殺菌技術

紅外線能夠使生物細胞中的蛋白質和核酸熱變性而抑制其活性，相較于對流加熱滅菌，紅外加熱能夠在短時間內使細菌、真菌、蟲卵等失活[55]。如表1所示，目前在多種食品物料中紅外輻射加熱均表現出了較強的滅菌能力。

表1 紅外處理對食品滅菌動力學與產品品質的作用Table 1 Effects of infrared treatment on food sterilization kinetics and product quality

不同峰值波長的紅外輻射線的滅菌效果有所區別，較短波長的紅外線對枯草桿菌具有較好的滅菌效果，而紅外吸收光譜特性隨細菌水分活度變化而變化[62]。因此，合適的紅外輻射波段有助于提高紅外輻射對食品的滅菌效果。研究[63]顯示，3.2 μm的紅外線可以更加顯著地使稻谷上霉菌與細菌失活。

紅外滅菌過程中會使食品表面溫度快速上升，導致物料內外存在較大溫度梯度，從而出現表面糊化、裂紋、爆腰等問題。Wilson等[64]探究了玉米紅外滅菌的紅外加熱溫度與溫度保持時間對玉米色澤、能耗、菌群失活程度的影響，優化后的紅外滅菌工藝能夠在提高滅菌程度的同時維持玉米的顏色。此外，研究[65]表明微生物在較高的溫度下維持較短時間會增加耐熱性，不利于微生物的失活。間歇紅外加熱能夠將物料內外溫度梯度最小化，而后期溫度保持能夠促進殘余菌群的失活，已成為當前紅外滅菌工藝研究的重點。

2.6 紅外加熱解凍技術

解凍是冷凍食品在加工前的重要工序，受冰晶作用易發生液汁損失、微生物繁殖、組織坍塌等問題。紅外輻射加熱通過引起速凍食品內部分子劇烈運動并將能量轉化為熱能而實現解凍。與傳統鼓風解凍方法相比，紅外輻射有助于降低解凍過程中細胞的液汁損失。Cai等[66]研究表明，紅外輻射解凍后的樣品松弛時間較小，說明細胞內的水轉化為游離水的量較少。

受穿透能力限制紅外輻射加熱解凍易造成表面溫度過高，加快表面水分蒸發而導致表面失水，同時出現蛋白質結構破壞等問題。為了抑制解凍過程中物料溫度的快速上升，Sakai等[67]采用間歇式紅外解凍方法可以將物料表面溫度控制在15 ℃以下，解凍前后金槍魚色差較小。從水分擴散原理出發，提高紅外解凍過程介質的濕含量有助于防止物料表面的水分散失。

為了實現食品解凍物料內外溫度均勻上升，Cao等[68]發現，磁性納米粒子輔助紅外解凍處理的樣品具有較高的新鮮度和品質，同時降低了甲醛和生物胺含量，有利于保證食品安全。Cai等[66]研究發現利用超聲波輔助紅外解凍可顯著提高單一紅外解凍下紅鼓魚的蛋白質結構，并且肌肉纖維更加光滑，能夠較好地保持紅鼓魚片的品質。因此，基于紅外輻射加熱的多物理場組合熱處理強化解凍過程的均勻性有助于降低解凍損傷。

3 結論

紅外加熱處理在食品加工領域具有深入的研究與應用。根據傳熱原理與加工特點合理選擇紅外線波段是實現高效、均勻熱處理的關鍵。間歇紅外加熱是降低熱損傷、降低能耗的重要手段，在解凍、滅菌處理方面具有顯著優勢。另外，基于紅外輻射加熱的多物理場組合熱處理能夠強化傳熱傳質過程，縮短加工時間，同時也有助于提高產品的品質。后續可從以下方面進行深入探究：① 創新紅外輻射器與加熱形式，改善加熱的均勻性與輻射強度的控制精度；② 結合傳熱傳質、理化試驗、能量分析等手段對食品紅外熱處理工藝進行優化；③ 開發多目標智能控制系統，著重考慮空氣介質相對濕度對食品紅外輻射熱加工過程的作用。