自熱食品加工技術研究進展

◎ 田紅梅

（國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100160）

自熱食品是指不依靠電、火等加熱方式，利用內置加熱袋加熱的預包裝食品，因具有操作簡便、安全無毒、快速衛生等優點，備受外出旅游、野營戶外運動、野外工作和救援以及加班人員的青睞。自熱食品良好的市場反響及巨大的市場潛力，進一步促進了自熱食品加工技術研究領域的蓬勃發展。研究人員在自熱食品加工技術、自熱裝置研發、自熱食品質量安全風險分析等方面進行了深入研究[1-2]。本文基于自發熱食品的研究文獻，圍繞自熱食品發展歷史及現狀、自熱食品原材料加工技術及自熱食品發熱劑加工技術等方面進行論述，總結自熱食品目前存在的問題，以期為自熱食品的開發、加工技術的提升及產業化應用提供支撐。

1 自熱食品發展歷史及現狀

自熱食品最初屬于軍用食品，20 世紀70 年代美軍開始研究食品自熱技術，為軍隊野戰訓練和作戰提供食品保障。姜煒等[3]將美軍對自熱食品的研究按時間順序和技術水平大致分為3 個階段。第一階段為“短回路電化學電池反應”自熱食品（1970ü 1983 年），該階段自熱食品的自熱裝置加工、儲存難度大，外觀靈活性差，不能完全滿足食品自熱的需要。第二階段為“鎂水反應”自加熱食品（1983 年起），該階段使用的無焰自加熱器初步克服了第一代自加熱器的許多缺陷，已在自熱食品上得到應用。但該自加熱器在加熱反應過程中會產生氫氣，有安全隱患，因此進行了改進：在加熱板上加入清除劑，去除反應中產生氫氣的一些物質，用多層鋁箔包裝鎂熱水器，增強其防潮防水性能，從而防止在潮濕環境中運輸和儲存產生氫氣。第三階段為“酸堿酸酐”自熱食品（1991 年起），該階段使用的是一種安全、高效的新型自加熱器，具有產熱量高、用水少、安全性高、成本低等優勢。我國自熱食品的開發研究起步稍晚，從20 世紀80 年代中期開始，目前具有較為成熟的食品自熱技術。

隨著人們生活節奏的加快，消費水平的提升和旅游業的快速發展，自熱食品開始應用于民用食品，成為方便食品的新成員。例如，2016 年自熱火鍋橫空出世，2017 年被貼上“網紅”標簽，2018 年成為“雙11”等購物節瘋搶的對象。雖然自熱食品起步較晚，但發展迅猛，增長率遠高于方便食品行業平均增長率。相關數據顯示，2015ü 2019 年間自熱食品市場規模從20 億元持續增長至35 億元[4]。中國食品工業協會數據顯示，2021 年中國自熱食品市場規模達45 億元，同比增長7.14%，目前仍處于快速增長期。在自熱食品品牌方面，既有統一、三全、康師傅等傳統知名品牌的積極參與，也造就了自嗨鍋、宏綠、皓康、辣味客、蜀道難等一大批新晉知名品牌，同時還有以海底撈、小肥羊為代表的餐飲企業的實力加盟。自熱食品產品種類日益豐富，自熱火鍋、自熱米飯類產品不勝枚舉，還有自熱面條、自熱燒烤[5]、羊肉泡饃[6]等多種自熱食品陸續進入市場。

2 自熱食品食料加工技術

食品本身的營養、風味及外觀均影響消費者的選擇。自熱食品的用料搭配以及加工方法通常基于傳統菜肴，不僅易于消費者接受，而且也降低了研發成本。如何使食品加工后在一定的儲存期內維持品質穩定，再次加熱時達到或接近現場制作的口感是自熱食品開發面臨的一項難題。

淀粉老化是含淀粉類食品普遍面臨的技術問題。自熱米飯、面條保質期較長，在儲存過程中會出現淀粉老化，彈性、黏性受到嚴重影響，導致硬度升高，口感變差，同時消化吸收率也會因此下降[7-8]。目前，研究人員對于淀粉老化的發生機理和影響因素已有較為深入的認識，已開發出眾多抑制淀粉老化的手段，如控制pH 值，添加乳化劑、增稠劑、植物多糖、酶制劑和海藻糖等抗老化成分[9-10]。因此，自熱食品可參考借鑒現有的抗淀粉老化手段。蔡華珍等[11]開發了一種自熱型牛肉營養炒飯，選用食味值較高的珍珠大米或粳米類，浸泡后加入0.40%～0.45%海藻糖、0.40%～0.45%可溶性大豆多糖以及0.26%～0.30%食用油，進行蒸制后用冷風冷卻，再與輔料一同炒制，該產品很好地控制了米飯回生，置于4 ℃放置20 d 老化焓值仍低于1 200 J·g-1。李永富等[12]提出通過大米品種的復配解決自熱米飯回生問題，經過篩選，確定以一種米質較軟且回生值較低的大米（南粳9108）與米質較硬且回生值較高的大米（淮稻5 號、稻花香、秋田小町）按5 ∶5 復配能夠顯著提升自熱米飯抗回生效果，4 ℃儲藏14 d 后，硬度顯著低于單一的米飯，其相對結晶度接近于南粳9108，回生焓比南粳9108降低了20.3%。

除淀粉老化問題外，產品質地、風味都對產品感官品質有重要影響，面條彈性和延展性差、斷條率高，米飯咀嚼性和風味欠佳，涼面彈性和韌性不佳等，都是阻礙自熱食品品質提升的常見問題。縱偉等[13]提出利用氮氣作為介質對面條進行流態化炒制，可以防止炒面斷裂，同時通過氮氣隔絕氧氣，還可以防止油脂高溫氧化。趙萌等[14]研究了預制條件和干燥方式對自熱米飯品質的影響，預制米飯的黏性、硬度、回彈性和咀嚼性隨水添加量的增加而下降；隨著蒸煮時間的增加，預制米飯的硬度先降低后增加，咀嚼性降低；在不同干燥方式下，冷凍干燥法制備的米飯復水后質地性能最好，而鼓風干燥法獲得的米飯風味更為濃郁。趙志峰等[15]研究了原料和處理方式對米涼面質地的影響，將大米浸泡后再制粉，可以改變淀粉分子結構，使吸水速度提升3～5 倍，同時利于加熱熟化成型；將米粉與豌豆淀粉按1 ∶2 混合比僅以大米為原料制得的米涼面，更接近傳統米涼面的質感。

3 自熱食品發熱劑加工技術

發熱劑不僅影響自熱食品的加熱效果，進而影響食用感受，還影響使用的便利性、安全性以及加工成本。酸稀釋、酸堿中和、堿溶解、無機鹽水化等過程都會釋放能量，目前利用這些過程已開發出豐富的發熱劑種類。衡量發熱劑發熱效果的因素主要包括產熱速度、持續時間、放熱量等，另外還要考慮使用安全性，也不能有令人不愉快的氣味產生。常見的發熱劑主要包括以下幾種。①用化學純級氯化鋁、硫酸鎂、氧化鈣、氯化鈣、硫酸鋁和氯化鎂制備的發熱劑，該類發熱劑成本高。②以生石灰粉和鋁粉為原料制備的加熱劑，此類發熱劑存在發熱速度慢、產熱持續時間較短的不足。③使用剛玉、赤鐵礦、金屬鋁、石英和莫來石制備的發熱劑，此類產品起熱溫度高、成分復雜，基本不適合用于加熱食品。④用鐵粉、食鹽、木屑（用作水的載體）和催化劑制備的發熱劑，此類發熱劑發熱溫度低，通常無法滿足加熱食品和飲品的需要。

不同的應用場合對發熱劑的性能要求不同，例如用于身體保暖的發熱劑溫度不能過高，但期望持續時間長，而用于食品加熱的發熱劑通常期望更快的加熱速度和更高的加熱溫度。不同食品的適宜食用溫度可能存在一定差異，因此有必要根據自熱食品的具體類型選擇最佳的加熱劑。為制備性能不同、更加優異的發熱劑，研究人員主要從加熱劑組分的選擇及配比方面進行了研究。章明洪等[16]以氧化鈣為發熱劑研發出一種自熱食品發熱包，第一加熱包由無紡布和吸水性致密材料包裝粉狀氧化鈣和碳酸氫鈉制成，第二加熱包由帶微孔的塑料薄膜包裝顆粒狀氧化鈣制成。粉末狀加熱劑與易滲透的無紡布結合，接觸水時可以迅速釋放熱量，顆粒狀加熱劑與透水性可調的塑料薄膜結合，可以減緩化學反應，延長加熱時間，從而滿足加熱速度和加熱時間的要求。汪寶忠等[17]研究比較了單獨使用硫酸鎂、氯化鈣、氯化鎂、硫酸鋁、氯化鋁作為加熱劑的加熱效果，發現氯化鋁的效果顯著好于其他無機鹽，將10 g 氯化鋁、7.5 g 硫酸鋁與10 g 氧化鈣復配可以解決氧化鈣水合生成的氫氧化鈣具有腐蝕性的問題，所得加熱劑放熱量大、放熱速度適中，安全無毒。該研究同時指出容器體積的限制使發熱劑稀釋度很小，導致發熱劑實際放出的熱量遠低于理論值。張良等[18]針對鋁基發熱劑在低溫環境下（<10 ℃）難啟動，極端低溫下（-30 ℃）不啟動的問題，將鋁基發熱劑和有獨立包裝的防凍堿液、低溫發熱劑結合在一起制成了極端低溫下自熱裝置。該裝置中，低溫發熱劑中的金屬與防凍堿液中的氫氧根在低溫下發生反應迅速產熱，可以達到200 ℃的瞬時高溫，會將鋁基加熱包的整體溫度提高到50 ℃以上，在加入外部水一段時間后，中心溫度達到120 ℃以上，該技術適于極端環境。

除發熱材料外，輔料的使用也有助于改善發熱劑的使用性能。余家友[19]研制的發熱包中除發熱劑外，還添加了包埋劑、緩釋均布劑、除濕劑，包埋劑能幫助水浸透組織內部，使發熱劑發熱均勻，避免局部溫度過高，在包埋劑的作用下，水可以與發熱劑充分接觸，延長加熱時間，減少發熱劑的包裹現象；緩釋均布劑能有效使水在發熱劑中均勻分散，提高發熱劑的發熱效率，延長發熱的持續時間；除濕劑可吸收發熱劑放熱過程中產生的水蒸氣，消除大量水蒸氣堆積滯后反應帶來的安全隱患，提高發熱的安全性。除大量水蒸氣帶來的安全隱患外，金屬與水反應產生的氫氣同樣帶來了安全性問題[20]。高文中[21]研制了一種由鈀粉、鋁粉及活性炭粉組成的無氫發熱劑，將鈀粉作為氫氣吸收劑，充分混合后可以吸收鋁粉和水反應產生的氫氣。李群等[22]也研發了一種無氫發熱劑，由Fe-KMnO4-MnO2體系、具有絡合作用的緩沖體系、活性炭-無水硫酸鎂體系三元體系組成。以Fe-KMnO4-MnO2代替Fe-H2O 和CaO-H2O 體系，利用KMnO4對Fe 的氧化還原反應釋放化學能，無氫氣釋放，更為安全；MnO2起催化作用，可延長放熱時間；緩沖體系維持pH 值，利于反應平穩進行，能借助對金屬離子的絡合作用使反應平衡向右進行；活性炭具有吸附穩定作用，硫酸鎂溶液有儲能作用，可延長持續加熱時間。劉崇歆等[23]提出了一種通用、快捷測定食品自發熱劑產氫量的方法，對自熱食品相關行業標準的建立與生產質量的控制具有重要意義。該研究對10 種市售主流產品發熱包產氫氣的量進行了測定，結果表明不同品牌產品的產氫量均處于較高水平，產氫能力差異顯著，其中鎂鐵系自發熱劑產氫量為539.95～567.06 mL·g-1，鋁系自發熱劑產氫量為225.32～510.95 mL·g-1。

4 自熱食品目前存在的問題

4.1 營養風味存在改進空間

淀粉老化、油脂氧化、過度加熱滅菌等導致自熱食品與現加工菜肴的口感存在一定差距。隨著自熱食品產業的日漸成熟，消費者對產品品質提出了更高的要求，未來應注重研究適應自熱食品長期儲存、后期二次加熱的加工方法，使自熱食品具有更佳的口感。另外，自熱食品水分含量高，適合微生物繁殖，對產品殺菌技術提出了較高的要求。在保證產品儲存要求的基礎上，盡量降低殺菌處理對產品口感風味的影響，針對不同食材（如主食、肉類、蔬菜）選擇最佳的殺菌方式還有待進一步研究。營養也是衡量食品質量的一個重要因素，市售自熱米飯主要包括咖喱牛肉、宮保雞丁、風味什錦、魚香肉絲和土豆牛肉等，雖然口味多樣，但蔬菜類原料多以根莖類為主，營養較為單一。因此，新鮮蔬菜類的加工儲存還需要進一步研究。

4.2 加熱效率有待提升

自熱食品加熱處理過程中存在熱量損失嚴重的問題。影響自加熱效果的因素復雜，除改進發熱劑組成外，還應關注充分釋放熱能的方法，以提高食品內容物的傳熱效率[24-25]。火鍋類產品由于食材浸在水中，水具有較好的流動性和導熱性，使容器中的內容物易于加熱，而米飯等固體類食品則存在傳熱困難的問題。因此，發熱劑的選擇、分布設計需要考慮內容物的特點。

4.3 包裝材料存在隱患

自熱食品在加熱過程中，包裝溫度可達到80 ℃以上，存在增塑劑和揮發性有機化合物從包裝材料中遷移釋放的風險。商用加熱袋的包裝主要采用PP 復合無紡布材料，無紡布可防止加熱劑泄漏，并具有一定的親水性，水可以迅速遷移到加熱包內部，激活放熱反應。如果加熱袋的無紡布包裝被污染，在食品加熱過程中，污染物可能會隨產生的水蒸氣污染食品。另外，加熱包在使用過程中會產生大量的蒸汽，對于需要開放式加熱的產品，如自熱火鍋，產生的水蒸氣會與食品接觸并凝結到被加熱的食品中，導致非食源性物質遷移到食品中。

4.4 環境污染問題不容忽視

自熱食品大量使用的塑料包裝和自熱包會帶來環境污染問題。自熱食品垃圾中存在高酸性、高堿性物質，可視為“有害廢物”，如果長期作為一般垃圾扔掉，可能會造成土壤酸堿度失衡。此外，金屬元素和大量堿性化合物可能反應不完全，有二次放熱的危險[26]。

4.5 安全標準體系尚需完善

自熱食品涉及組件多，成分復雜，標準體系建設尚且不能滿足行業發展需要的問題。目前還沒有自熱食品相關國家標準出臺，由中國質量萬里行促進會批準的團體標準《自熱方便食品標準》（T/CAQP 012ü 2020）于2020 年4 月15 日開始實施。發熱包方面，2020 年8 月重慶標準化協會發布了團體標準《食品用發熱包》（T/CST 3ü 2020），2021 年9 月，中國食品科學技術學會發布了團體標準《食品用加熱包（鋁基）》（T/CIFST 005ü 2021），這兩個標準為提高自熱食品的安全性發揮了重要的促進作用。另外，國家行業主管部門高度重視自熱食品的標準化工作，我國自熱食品的首項工業行業標準制定項目《自熱食品通用技術要求》（計劃編號：2020－1309T－QB），已獲工業和信息化部批復立項，正在緊鑼密鼓地制定過程中[27]。

5 結語

自熱食品不同于傳統的方便食品，它更加接近人們的日常餐食，更加符合人們的飲食習慣。自熱食品滿足了人們對食物營養、風味以及方便性的多方面需求，其市場的火熱絕不是曇花一現，而是有著龐大市場需求作為堅實的基礎，加上該類產品尤其受到青年一代的青睞，消費人群范圍會越來越廣，未來自熱食品的消費持續性、消費規模都非常樂觀。