射频加热技术在食品加工中的应用

胡晓亮 ，曹素璋 ，李伟强 ，邓敏 ，张柔佳，林苏钦 *

1.上海旅游高等专科学校（上海 201418）；2.上海师范大学旅游学院（上海 201418）；3.上海海洋大学食品学院（上海 201306）

热处理过程会损害食品物料中的热敏性物质，从而影响物料品质[1]。温度和加热时间是影响食品加热过程中热损伤程度的主要因素，传统加热方式主要通过热传导、热对流等方式将热量从外部热源传递到食品内部，加热时间较长，加热均匀性较差，从而造成食品风味、色泽、质构及营养成分的损失[2]。如何快速加热食品原料并保持其品质是食品加工领域迫切需要提高的技术。

射频是一种频率在1～300 MHz范围间的电磁波，产生的高频交变电磁场能引发食品物料内部的离子振动以和水分子的极性旋转，从而使食品物料整体被加热[3-5]。因其具备加热快速和操作方便等优点，在食品热加工领域的应用受到广泛关注。

然而介电加热具有选择加热的特性，应用射频加热食品物料过程中存在由于介电特性变化导致的不均匀性，即随着被加热物料温度升高，食品物料的介电特性变化会导致热点部位吸收能量越来越多，升温越来越迅速，相应较冷部位吸收能量少，导致温度分布差异增大[6]。对射频加热的机制和特点进行概述，阐述射频加热技术存在温度分布的不均匀问题，分析加热不均匀导致的后果，综述射频加热技术在食品解冻、食品干燥、食品杀虫及食品灭菌等领域的应用进展，并对射频加热技术发展方向进行展望。

1 射频加热的机理

射频加热的机理分为离子传导和偶极旋转[7]。食品物料中带正电荷的离子向电场移动，带负电荷的离子向沿相反方向移动，并随交变电场前后移动，通过离子同其他分子间的碰撞或是水分子氢键的断裂，离子动能转化为热能，从而实现食品加热[8]。除了离子传导机制外，食品内部极性分子的偶极旋转是射频加热的另一种机制。水分子是食品材料中最具代表性的极性分子，由于食品中极性分子的偶极特性，食品处于射频的交变电场中，食品内部的极性分子会沿着电场方向重新排列，并且这种排列以每秒数百万次以上的频率在交变电场中发生，从而导致分子间摩擦，产生大量热能[9]。

2 射频加热技术的特点

2.1 快速、整体加热

传统加热方式主要通过热对流和热传导将热量从外部热源传递到物料内部，因其加热不均匀且加热时间长，通常会造成食品的色泽、质构和营养成分的劣变[10]。射频加热具有整体加热的效果，无需热传导过程就能使被加热物料内外部同时加热、同时升温，此种加热方式能大幅减少升温时间，减少能耗[11]。

2.2 选择性加热

射频加热具有选择性加热的特性，随着被加热食品物料温度升高，食品的介电特性变化会导致热点部位吸收能量越来越多，升温越来越迅速，而相应较冷部位吸收能量少，导致温度分布产生不均匀现象[12]。然而在农产品的杀虫工艺中，射频的选择性加热特性却被充分得到利用，由于谷物类的农产品含水量远低于害虫的含水量，即谷物类农产品具有较低的介电损失。因此害虫的射频加热速率要高于农产品，确保在有效杀灭病虫害的同时不影响到谷物类的农产品品质[13]。

2.3 穿透深度大

对于水分和温度相同的食品物料，射频波的穿透深度要显著高于微波，微波具有穿透深度小的局限性，微波加热的应用还仅局限于小型物料[14-15]。Uyar等[2]对比应用射频和微波解冻冷冻肉和鱼，认为微波和射频解冻肉和鱼的效果差别不大。微波设备可用的功率更高，但是其穿透深度低于射频，只适合解冻厚度小于4 cm的产品。应用微波加热大型尺寸的食品物料时，会产生局部过热现象，因此处理针对体型较大的食品物料时，射频加热要优于微波加热。

2.4 非电离辐射

由于射频的波长通常高于1 m，频率低于300 MHz，量子能量小于10 eV，所以射频加热是一种非电离辐射技术，是一种相对安全的热加工技术[16]。射频加热产生的能量不会破坏食品物料内部的分子构型和化学键，因此射频加热有利于保持食品物料原有的品质特性，能更好保持食品物料的色泽、风味等感官品质，能较好维持食品的弹性、硬度等质构品质，同时也能抑制微生物生长，确保食品的营养价值不发生劣变[17-20]。

3 射频加热技术在食品加工中的应用

射频加热具有整体加热的特性，物料升温速度快，可通过大幅降低加热时间，提高产品品质。近年来，射频加热技术在食品解冻、食品干燥、食品杀虫和食品灭菌等领域受到研究者的广泛关注。

3.1 射频解冻

传统解冻方式通常采用空气解冻或水解冻的方法，在处理大型尺寸的食品物料时，解冻时间往往过长，存在汁液流失严重的现象，且容易受到微生物侵染[21]。有学者分别对射频解冻和传统解冻方法进行比较研究，将一定初始温度的冻结食品解冻至目标温度，结果发现射频解冻所需的时间明显小于传统方法。相比传统的解冻方法所需时间长、耗能大的不足，射频解冻可以有效提高食品的解冻效率[22]。

通过对比射频解冻和微波解冻后食品物料的品质指标发现，射频解冻可有效降低食品物料的汁液流失，抑制微生物的生长繁殖，能较好保持物料的色泽和营养成分。Miao等[23]应用频率36～40 MHz的射频来解冻鱼块，发现射频解冻更好地保存鱼的汁液和风味，有效抑制腐败微生物的生长，减少挥发性盐基总氮含量，延长贮存时间。Tiwari等[3]应用射频解冻牛肉也得出类似的结论，射频加热解冻后的牛肉样品汁液流失少，能更好保持食品物料的感官品质和营养价值。

然而，在冻结食品的射频解冻工艺中，食品物料边角区域温度存在过热的现象，导致解冻不均匀。Miao等[23]应用36～40 MHz射频解冻鲱鱼和白鲑鱼，并探讨影响鱼体解冻均匀性的因素，认为射频解冻后鱼块表面温度分布存在不均匀现象，不均匀程度与解冻鱼块的厚度大小密切相关，鱼块的厚度越大，解冻均匀性越差。经射频解冻后的食品物料的中间层的升温速率要滞后于浅表层，这是由于水的热传导率仅为冰的热传导率的1/4左右，在解冻过程中，热量不能充分地通过已解冻层传入物料内部[24]。此外，电磁波能量从食品物料表面传递到内部会不断衰减，致使物料中间层升温较慢[25]。

3.2 射频干燥

传统热风干燥温度一般较高，在食品表面易形成硬壳，品质劣变，且伴随着巨大的能量消耗[26]。采用射频联合热风干燥具有更高的干燥速率，能更好保持食品物料的营养成分，受到研究者广泛关注。王云阳[27]采用功率6 kW、频率27.12 MHz的射频加热系统对澳洲坚果的干燥工艺开展试验，结果表明，热空气辅助射频仅需花费360 min就可完成澳洲坚果的干燥，而采用射频设备中的热空气单独干燥则需要消耗750 min。

直接利用射频干燥食品，虽然干燥时间明显比传统方法短，但局部易出现过热，导致食品微观结构被破坏，产生褐变，影响复水率[23]。利用射频辅助其他技术加工食品，可有效改善这些问题。有学者对射频联合流化床干燥技术提高干燥均匀性进行研究，Huang等[28]采用射频喷动干燥处理胡萝卜丁，观察单级、双级和三级射频喷动干燥，发现在干燥的最后阶段，胡萝卜丁表面温度均保持稳定、温度分布较均匀，3种方法均未出现局部过热的现象，这是由于射频产生的热量被喷动气流不断汽化冷却造成的，双级与三级喷动的色泽较好，类胡萝卜素和叶绿素含量较高，且有较好的复水能力。

提高射频干燥的均匀性是研究者最为关注的问题，Brodie[29]在对比热空气干燥和射频干燥对意大利面的影响时，发现过高的射频功率会引起意大利面的加热不均匀现象。Lee[30]利用高光谱成像技术对射频真空干燥过程中芒果片的水分分布情况进行研究，发现芒果片的中心区域和边缘区域的水分存在明显差异。射频干燥的不均匀现象与食品物料的介电特性密切相关，食品物料介电特性的变化会影响物料表面的温度变化[28]。Soyer等[11]研究发现，电磁波频率在低频下，物料中的离子含量是影响介电损失的主要因素，而在微波频率下，物料中的水分含量和偶极子的旋转会共同影响介电损失的变化。Tiwari等[3]研究也得出类似结论，电磁波频率低于200 MHz时，离子导电性造成的介电损失占主导地位，即离子含量对物料介电损失的影响远远大于水分对介电损失的影响。

3.3 射频杀虫

相比于微波加热，射频具有穿透深度长的优势，可缓解针对体积较大的食品物料加热过程中热逃逸的问题，为解决加热均匀性并提高产品质量提供方向。Uyar等[10]对比应用射频和微波的加热效果，也得出类似结论，认为对于小体积样品微波和射频加热效果差别不大，微波设备可用的功率更高，但是其穿透深度低于射频，微波一般适合加热厚度小于4 cm产品。有研究者对射频加热的杀虫效果开展研究，侯莉侠[26]研究射频热处理对板栗品质的影响，并通过有限元分析软件对射频加热后板栗的均匀性进行分析。结果表明，板栗在射频加热后存在边角效应，塑料筐边角处的板栗温度比塑料筐中心温度高。塑料筐内的板栗层与层之间用塑料板隔开、单层加热、搅拌均可提高射频加热的均匀性。采用55 ℃热风辅助射频加热，同时传送带以速率0.15 m/min运动，可使害虫死亡率100%；利用射频加热系统辅以热风将接种有皮落青霉的板栗加热至60 ℃，可使板栗中的霉菌数量降低4个数量级。射频热处理和贮藏使板栗果仁和果壳的含水量降低，板栗的淀粉和可溶性总糖含量随着贮藏时间增加先升高后降低；蛋白质、菌落总数随着贮藏时间增加逐渐升高。

Birla等[31]采用橙子为研究对象，应用循环热水联合射频加热对橙子的杀虫效果开展试验。研究表明，射频加热的橙子升温速度快，可大幅降低加热时间，通过射频加热能使橙子内部温度快速到达害虫的热致死温度，但通过射频加热处理后的橙子在存储期间VC等营养成分的保持存在一定影响，但与传统采用热水杀虫法相比，橙子的营养物质劣变程度较小，能更有效维持橙子的感官品质及营养成分。

3.4 射频灭菌

射频加热灭菌与传统灭菌方法（如高温灭菌、高压灭菌等）相比，具有速度快、能有效降低食品营养成分的流失，且较好保持食品物料的感官品质的特点。吕晓英等[32]采用频率27.12 MHz的射频设备对猕猴桃汁的杀菌效果进行比较研究，射频加热可使猕猴桃汁中的沙门菌下降8个以上数量级，射频杀菌处理具有较高的VC含量，能最大程度保持猕猴桃汁的营养成分。赵伟等[33]研究射频加热处理对椰菜粉杀菌效果的影响，也得出类似结论，认为射频加热可有效杀灭椰菜粉中的腐败菌，经射频连续加热300 s，可将椰菜粉中的腐败菌降低4.2个对数，且颜色基本不改变。对于低水分活度食品，射频与冷激相结合能最大限度保持食品的品质，是一种很有前景的食品杀菌技术。

此外，射频灭菌在肉制品加工工艺中也有着广泛应用。陈年[34]采用27.12 MHz射频处理午餐肉并对其加热的均匀性和灭菌效果开展研究。研究表明，射频加热过程午餐肉内部升温迅速，射频加热5 min就能使午餐肉中心温度达到90 ℃以上。射频加热的效率约为常规高压蒸煮升温速率的5倍以上。射频加热能有效杀灭午餐肉的致病菌，采用射频加热20 min时午餐肉的硬度达到最大值，在加热10 min内午餐肉的咀嚼性和黏聚性达到最大值，弹性、黏结性和回复性变化不大。射频加热能在保持食品物料品质的前提下，有效的杀灭食品物料的致病菌和腐败菌，有着较好推广前景和应用价值。

3.5 射频蒸煮

除了在杀虫、灭菌等领域的应用，射频也被应用于食品的蒸煮加工工艺。Jumah[4]以肉糜为研究对象，对比研究射频蒸煮和循环水浴加热后的肉糜品质特性变化，研究发现，经射频蒸煮后的肉糜在硬度、咀嚼性、剪切力等质构指标上要明显优于循环水浴加热，此外经射频蒸煮后的肉糜保持了较好的色泽和感官品质。Farag等[5]对比研究射频蒸煮和蒸汽加热对牛肉品质的影响，研究表明，射频蒸煮后的牛肉在弹性、咀嚼性等质构品质及维生素B1和维生素B2含量同蒸汽加热无显著性差异，但经射频蒸煮后的牛肉可有效抑制脂肪氧化速率，射频加热能大幅缩短蒸煮时间，经射频蒸煮仅需4.5 min，是传统水浴加热速度的30余倍，且射频蒸煮后的牛肉具有较好均匀性。射频蒸煮在保持食品物料品质的基础上，大幅缩短加热时间，显著提高蒸煮效率，具有较好推广应用前景。

4 结语与展望

介电特性的变化会引起食品物料加热的不均匀性是射频加热中最受关注的问题[35]。设计合理的射频加热系统，提高电场均匀性是提高食品射频加热均匀性的主要手段，在射频加热腔内的反射可通过设计合理的导电珠子得到优化，转盘、传送带均可提高电场的均匀性，且在设计研发射频加热工艺时，需考虑食品摆放位置、食品物料的尺寸等因素对电场的影响。

采用射频加热和其他加热方式相组合来加热物料是另一个新的研究方向，如热空气联合射频干燥、射频联合流化床干燥、射频加热联合盐水解冻等，结合几种加热方法优势，针对加热物料的特性和食品加工工艺的要求选择适合的加热方法进行组合，从而提高加热效率，缩短加热时间，最大限度保持食品原有风味和营养成分[29]。