射频(radio frequency,RF)加热是指用3 kHz～300 MHz频率的电磁波加热物料[1]。为了避免干扰其他的通信系统,美国联邦通信委员会为工业、科研和医疗行业规定了3个可用于加热的射频频率,分别是13.56 MHz±6.68 kHz、27.12 MHz±160.00 kHz和40.68 MHz±20.00 kHz[2]。射频加热技术是电磁场作用于物料,分子运动把电磁能转化成热能,使物料内外同时加热,具有加热迅速、均匀性好、节约能源、维护成本低等特点,被广泛应用于食品及农产品的杀虫、灭菌、干燥、解冻及烹饪等领域。图1为射频加热技术发展进程。
图1 射频加热技术发展进程
Fig.1 RF heating technology development process
由图1可知,射频加热技术最先应用于医疗,后来逐渐应用于食品及农产品之中。热处理是食品和农产品加工行业中一种非常常见的方法,目的是消除微生物,抑制有害酶的活性,以确保食品安全,避免使用防腐剂,延长产品保质期[3]。传统的加热技术由于过度的热处理以及对食品蛋白质和维生素的破坏,会导致产品质量和营养特性的退化[4]。而射频加热处理因其快速均匀加热的深度渗透能力,可以提供更加安全和高质量的食品。因此分析总结射频加热技术在食品及农产品解冻、干燥、灭菌、杀虫领域的研究,并提出其目前存在的问题和未来研究方向,对食品和农产品行业的发展具有重要意义。
1 射频加热技术的工作原理
目前,国内外都已经对射频加热的工作原理及射频加热的方法进行了广泛的研究。如图2所示为射频加热原理,射频加热原则上是在2个平行电极板之间施加电场,电极板之间是负载,比如食物[5]。当负载(含有极性分子,如水)暴露在交变电场中时,就会发生介电加热,负载内部的分子和离子从而产生以下两类热效应:
图2 射频加热原理
Fig.2 RF heating schematic
(1)欧姆加热效应(离子传导)
当物料两端施加不断变化的电场时,物料内部的自由电子和离子就会受到外界作用力的影响不断向带有相反电荷的位置移动,在移动的过程会与其他粒子发生碰撞,这些碰撞产生摩擦和热来加热物料。
(2)波动能量加热效应(偶极子转动)
将物料放在交变电场中,物料内原有的极性分子(主要是水分子)发生电偶极矩转向,非极性分子也会因电荷或原子核位置的改变而变为极性分子,极性分子随着电场的极性变化每秒钟旋转数百万次,导致分子间的摩擦产生热量。
值得注意的是,2种热效应是同时存在的,都与负载的导电能力和介电性能有关。物料的自身特性和所施加电磁场的频率决定了哪种热效应起主要作用,当外加电磁波频率远小于物料特征频率时(射频13.56 MHz、27.12 MHz和40.68 MHz),离子传导起主要作用;而当外加电磁波频率远大于物料特征频率时(微波915 MHz或2 450 MHz),主要是偶极子转动起加热作用[3]。无论哪一种本质上都是把电磁能转换为内能的过程。
在介电加热过程中,电磁能量的一部分被负载表面阻挡和反射,其余部分被负载吸收并产生加热效应,电磁能量的强度会随着穿透深度的增加而逐渐减小[6]。当电磁能量衰减到其表面值的1/e(e=2.718)时,电磁波通过材料的距离称为穿透深度,其值可以通过公式(1)进行计算:
(1)
式中:c为真空中光速,3×108 m/s;f为频率,Hz;ε′为介电常数,用来衡量物料存储电场能量的能力;ε″为介质损耗因子,用来衡量物料消耗电磁能转化为热能的能力;一般用介电常数ε′和介质损耗因子ε″来表示物料的介电性能,两者的关系可用复相对介电常数ε*=ε′-jε″来描述,其中
物料的介电性能是用来描述产品受到射频电场作用的重要参数[7]。由公式(1)可知电磁波的穿透深度dp受频率f和物料介电特性的影响,当物料的介电特性一定时,电磁波的穿透深度dp与频率f成反比。由此可知,因射频波的频率相对于微波频率较低,所以射频具有较大的穿透深度。
物料的介电特性对于理解射频电磁能与这些物料的相互作用至关重要。介电特性连同热特性和其他物理特性,以及电磁场的特性决定了电磁能的吸收和食品材料在介质加热应用中的加热状态。大多数物料的介电性能随几个因素而变化。在食品中,水的含量通常是一个主导因素[8]。同时,介电性能还取决于施加的交变电场的频率、物料的温度以及物料的密度、成分和结构[9]。通常情况下,物料中初始温度及含水量越高的部位,介电常数和损耗因子值越大,使该位置的加热速率越快。HUANG等[10]研究了在射频处理过程中水分、温度和盐含量对山核桃仁介电性能的影响。结果表明核桃仁的介电常数值随频率的增加而降低,随含水量和温度的增加而升高,电磁功率在核桃仁中的渗透深度随频率、温度和含水量的增加而急剧下降。
对于已知的介电材料,如果忽略在射频加热过程中对空气的热量损失,则介质材料单位体积耗散的功率Q(W/m3)和加热速率(dT/dt,K/s)可以用公式(2)和公式(3)计算:
Q=σE2=2πfε0ε″E2=55.63×10-12fε″E2
(2)
(3)
式中:σ为电导率,s/m;E为电场强度,V/m;ε0为真空中的介质常数,8.854×10-12F/m;ε″为介质损耗因子;f为频率,Hz;ρ和Cp为物料的密度和比热容,单位分别为kg/m3和J/(kg·k)。
由公式(2)可知,如果射频加热单元的频率和电压是固定的,那么物料的ε″值越大,它吸收能量就越多。由公式(3)可知,射频加热速率与物料的介电损耗因子ε″和电场强度E的平方成正比,与物料的密度ρ和比热容Cp成反比。当电场强度、物料密度和物料的比热容给定时,物料的ε″值越大,温度上升的速度就越快。
2 射频加热技术的特点
2.1 射频加热技术的优点
射频的主要优点包括可以立即穿透食物20 cm或者更深,从而实现更均匀、更有效地加热,并且能够有效的限制副作用,如降低食物质量[11]。这种食品加热技术可以用于巴氏杀菌,加工现成食品或二次加热。
在电子微波炉中使用的微波,难以实现均匀解冻。而射频的波长比微波要长,所以能够更深入到冷冻品内部,从而可以实现解冻的均匀性[12]。同时,在大量生产过程中,为了防止微波的辐射泄露,需要额外设置防护装置,大大增加了运营成本。大量文献证明[13-15],构建射频加热系统更容易快速均匀加热,并保持最终产品的质量。
射频加热技术除了具有更深的穿透力和均匀快速加热之外,还具有选择性加热的潜在特性。根据公式(2)和公式(3),在相同的射频加热条件下,由于ε″值不同,不同的材料产生的热量可能不同。这种加热模式称为射频选择性加热。
2.2 射频加热技术的缺点
目前因射频加热技术还未成熟,所以大多数关于射频技术的研究未得到广泛的工业应用。
与传统加热方法相比,射频加热在提高加热效率和减少质量损失方面具有潜力,但对食品质量的负面影响或多或少仍然存在。对于射频加热技术的应用,加热均匀性一直是首要考虑的问题。虽然射频能量的波长相对较长(与微波相比)通常会导致食品中更可预测的温度分布,但对于在容器中加热的食品来说,一些局部过热仍然是一个问题。样品大小、形状、表面积、射频加热器设计不良以及材料介电性能的不均匀都会导致电场分布不均匀,进而导致温度分布不均匀。
2.3 射频加热技术的模拟实现
目前射频加热的不均匀性在干果、谷物、肉类、新鲜水果和蔬菜等各种食品和农产品中都有研究。大多数研究人员通过使用COMSOL软件进行计算机模拟仿真,来研究射频加热过程中各种相关参数对其加热均匀性的影响,从而进行优化[16]。根据GUO等[17]的研究,借助数学建模方法和结果仿真,可以预测和指导改进腔体内的电磁场,以提高射频加热的均匀性。FERRARI-JOHN等[18]研究表明了可以通过调整产品的位置、几何特征以及样品周围的空间来实现射频加热的均匀性。黄智[19]以大豆为主要研究对象,在试验的基础上利用COMSOL软件构建并求解了射频处理过程中的三维传热有限元模型,根据模拟结果提出改善大豆射频加热均匀性的有效措施。COMSOL软件界面简单易用,极大地简化了计算,减少了计算时间。图3为利用COMSOL软件进行有限元建模的流程图。
图3 COMSOL软件有限元建模流程图
Fig.3 COMSOL software finite element modeling flow chart
研究表明,只要设置适当的参数和条件,可以通过计算机建模预测射频作用下物料的加热模式。通过利用COMSOL软件建立准确的模型,分析影响模型精度的因素,用于指导实验的优化,节省时间和成本。
3 射频加热技术的应用
3.1 解冻
冻藏是食品的主要贮藏方式之一,而解冻过程是影响冻藏食品品质的重要因素。传统的空气解冻方法和水解冻方法通过加热产品的外表面来实现解冻,热量难以从外表面传递到产品中心,耗时长且极易导致微生物的增加和营养成分的流失,使产品的品质降低,故而已经不能满足现代食品工业的发展需求[20]。
射频解冻作为一种新型的冷冻食品解冻方式,其利用食品的介电特性,使食品通过介电加热快速升温,达到解冻的目的[21]。与其他解冻方式相比,射频加热解冻速度更快,加热更均匀,对食品的品质影响更小,能够显著降低解冻汁液流失率,且易于控制,有效避免了解冻过程中的品质下降等问题[22]。表1为射频解冻技术的研究成果。
表1 射频解冻技术研究成果
Table 1 Research results of RF thawing technology
产品处理条件结论参考文献冷冻牛肉 频率:40.68 MHz,功率:400 W当牛肉样品厚度小,底面积大,水平放置时,射频解冻均匀性较好。[23]冷冻猪肉 频率:27 MHz,功率:6 kW极板间距越小,冻肉厚度越小,解冻所需时间越短。[24]冷冻羊肉 频率:27.12 MHz,功率:6 kW冷冻羊肉厚度不宜太大,形状以扁平为宜, 120 mm 的极板间距效果最优。[25]狭鳕鱼糜 频率:27.12 MHz,功率:2 kW射频功率、极板间距和间歇时间都会影响狭鳕鱼糜解冻所需的时间。[26]冷冻金枪鱼频率:13.56MHz,功率:1 kW当上极板尺寸与样品相似时,金枪鱼肌肉温度分布更均匀。与常规解冻相比,射频解冻系统的解冻时间缩短了3倍。[27]冷冻鱼浆 频率:27.12 MHz,功率:6 kW射频解冻鱼浆,解冻速度相比微波较慢,但温度分布较为均匀,失热效应较弱,不影响鱼浆品质。[28]冷冻鸡胸肉频率:27.12 MHz,功率:10 kW采用65 mm的电极间隙设置,可使约225 g的鸡胸肉在温度分布均匀的情况下充分解冻,且速度快,滴漏损失小。[29]
由表1可知,射频可以实现快速、安全、高品质的食品解冻,并且上下极板间距、解冻样品尺寸和大小、射频功率等因素都会影响射频解冻的时间和效果。射频解冻可以降低能源消耗,大功率的射频设备比相同功率的微波设备制造成本更低,更适于工业化生产。目前NXP公司推出了一款专为高频ISM频段的射频解冻应用而设计的器件MHT1803A,该器件具有出色的损耗、耐用性和高效率。同时,射频解冻也可以用于独立的台面厨房电器或一体化的其他电器,如冰箱、冰柜或烤箱等烹饪用具中[30]。
3.2 干燥
干燥是许多农产品和食品行业中不可缺少的过程。其研究指出,大量的农产品和食品需要通过干燥来延长保质期、保留原始味道以及保持营养价值[31]。
与传统干燥相比,射频干燥能够为许多农业应用和食品行业提供诸多优势[32]。例如,农民和工业食品生产商在抢收作物,以免干燥时间过长而造成作物干瘪。对于谷物、豆类和种子,射频干燥方法可以更快速地去除水分、缩短加工时间,使作物发挥最大潜力和营养价值。射频能量同时也为干燥木材、药物和纺织品提供了选择。
目前的研究更多的是将射频干燥与热风、真空等传统干燥方法相结合的技术[33]。表2为射频加热技术用于食品干燥的研究成果。
表2 射频干燥技术研究成果
Table 2 Research results of RF drying technology
产品干燥方法结论参考文献带壳核桃6 kW、27.12 MHz热风辅助射频干燥系统比热风干燥和真空干燥速度快,质量好。[34]鸭蛋 6 kW、27.12 MHz热风辅助射频干燥系统盐和蔗糖增加,介电性能增加,导致射频干燥速率增加。[35]杏果 6 kW、27.12 MHz 射频干燥系统,极板间距固定为 6 cm射频处理后,杏果的黄酮、多酚、维生素C含量增加。[36]榛果 6 kW,27.12 MHz 射频干燥系统热风辅助射频干燥榛果的总酚含量、过氧化值和多酚氧化酶活性均高于热风干燥。[37]苦瓜 6 kW,27.12 MHz 射频干燥系统热风辅助射频干燥的苦瓜具有较好的显色性, 叶绿素、抗坏血酸和总酚的保留率较高。[38]猕猴桃 3 kW,27.12 MHz 射频真空干燥系统射频真空干燥脱水的猕猴桃具有更好的颜色稳定性,更高的维生素C保留率和更高的再水合能力[39]胡萝卜块6 kW、27.12 MHz热风辅助射频干燥系统干燥过程相对均匀,干燥后的胡萝卜块具有预期的发红度和较高的硬度[40]
由表2可知,与单一的干燥技术相比,组合干燥方法具有较高的能源效率和产品质量,在经济上更可行。因此,需要进一步研究开发不同的射频-常规组合干燥技术,并从干燥速率、产品质量、能耗和食品安全等方面对这些组合干燥方法进行优化。
3.3 灭菌
食品经常受到害虫和微生物的污染,例如微生物和酶会导致食品腐败变质,害虫会影响一些食品农产品的货架期。食品的保质期通常是有限的,而经过射频处理之后,可以延长食品的贮藏时间[41]。例如,伍潇洁等[42]采用射频加热处理稻谷,比较了不同射频条件处理后稻谷贮藏品质的变化,结果表明采用适宜的射频处理条件有利于保持稻谷的贮藏性能。
在针对农作物收获后要进行灭菌处理的问题上,射频加热技术相对容易应用和没有化学残留物,而被用作替代化学熏蒸和其他传统的加热方法[43]。射频加热可以在不损害农产品的情况下选择性地加热和杀灭微生物/害虫,是由于目标微生物/害虫与宿主食品的介电损耗因子差异很大[44]。
CHEN等 [45]对孜然种子的连续射频巴氏灭菌进行了验证,经过研究表明射频在孜然种子的工业巴氏灭菌方面具有巨大的潜力,并且在连续RF巴氏灭菌后未发现明显的质量损失。LIU等[46] 研究开发了一种射频巴氏灭菌低水分食品粉末的微生物验证方法,以水分活度为(0.45±0.02)的小麦粉为模型。研究证实了射频加热技术在巴氏灭菌低水分食品中的应用潜力。表3总结了已发表的将射频加热用于农产品巴氏灭菌的研究结果。
表3 射频巴氏灭菌技术研究成果
Table 3 Research results of RF pasteurization technology
产品灭菌方法致病菌降低量参考文献巴旦木热风辅助射频(27.12 MHz、6 kW),射频加热到72 ℃并保温15 minE.coli ATCC 25922 / >4 lg CFU/g[47]鸡蛋 热水辅助射频(40.68 MHz、2 kW),射频加热到 60 ℃,然后用 56.7 ℃ 热水保温 15 minS.Typhimurium ATCC 53647/>5 lg CFU/g[48]小麦粉射频加热到 75 ℃(27 MHz、0.5 kW)S. Enteritidis PT 30 / > 4.98 lgCFU/g;E.faecium/>3.24 lg CFU/g[49]牛肉 射频加热到 55 ℃(27.12 MHz、6 kW)E.coli/>5 lg CFU/g[50]鱼 射频加热到 120～130 ℃(27 MHz、9 kW)Bacillus subtilis (PCI912) spore/5 lg CFU/g[51]黑胡椒射频加热130 s到80 ℃(27.12 MHz、6 kW)Salmonella spp./5.93 lgCFU/g;E.faecium / 3.89 lg CFU/g[52]核桃 热风辅助射频(27.12 MHz、6 kW),射频加热到70 ℃并保温40 minS.aureus ATCC 25923/>4 lg CFU/g[53]玉米粒热风辅助射频(27.12 MHz、6 kW),射频加热到70 ℃并保温12 minAspergillus parasiticus/5～6 lg CFU/g[54]
由表3可知,将射频能量与其他技术相结合,例如热风辅助射频、热水辅助射频等,可以在降低食源性病原体的存活率的同时保持食品的质量。由于并不是所有的农产品,特别是对热敏感的食品,都能耐受控制害虫和微生物所需的热条件。所以研究热敏性和功能性成分是评价射频巴氏灭菌和消毒在一定保质期内对产品质量的影响的必要条件。
3.4 杀虫
对于射频杀虫的相关研究,基本可以分为高水分产品(如新鲜水果)和低水分产品(如豆类、精米、干果等)的射频杀虫[55]。目前的研究表明,在干货产品中较高温度对质量变化不敏感,所以与新鲜水果和蔬菜相比,射频杀菌和减少微生物在低水分食品中更容易实现[56]。例如,GARBATI PEGNA等[57]对人工浸染了半翅茧蜂幼虫、蛹和成虫的蜜枣进行射频处理,研究了4、5、6 min的射频处理对半翅茧蜂不同阶段的影响,结果发现6 min的射频处理可确保半翅茧蜂幼虫、蛹和成虫的死亡率。处理后的蜜枣水分含量和颜色没有明显变化。表4为射频杀虫技术的研究成果。
表4 射频杀虫技术研究成果
Table 4 Research results of RF insecticide technology
产品杀虫方法结论参考文献 开心果射频加热到 55 ℃(27.12 MHz、6 kW)快速有效杀灭常见仓储害虫印度谷螟,同时对开心果品质与贮藏稳定性均无显著影响。[58]精米射频加热到 54 ℃并保温12 min(27.12 MHz、6 kW)百分之百杀灭谷蠹,且整体温度均匀性相对最好,并不影响不同品种精米的理化品质。[59]核桃热风辅助射频加热到55 ℃保温 5～6 min(27.12 MHz、6 kW)射频处理可有效杀灭米蛾及其虫卵,且不影响核桃的品质及其贮藏稳定性。[60]板栗热风辅助射频加热到55 ℃保温 5 min(27.12 MHz、6 kW)能有效杀灭板栗内的桃蛀螟和控制板栗中的霉菌,处理后的板栗贮藏品质未发生明显变化。[61]松木热风辅助射频加热到50 ℃保温 3 min(27.12 MHz、6 kW)射频处理能完全杀灭松木的大小蠹虫并确保木材品质不受影响。[62]小麦射频加热到 60 ℃(40.68 MHz、2 kW)射频处理后害虫死亡率达90%以上,同时小麦成分无显著差异,不影响粮食的食用价值。[63]
由表4可知,产品在经过射频处理后杀虫效果良好,且处理前后的品质基本无差异。大多数低水分含量的产品不仅受到害虫或微生物的侵害,而且在收获后受到害虫卵或微生物孢子的侵害[64]。所以研究各种可能被污染的微生物的致死动力学对制定有效的射频巴氏灭菌和灭虫方案具有重要意义。
4 射频加热技术的未来发展方向
(1)目前有很多文献研究了如何用不同的方法克服射频加热不均匀的问题,但这些研究大多是从食品材料的角度进行的。另一方面,大多数运行中的射频系统是按照启发式标准构建的,而不是根据特定的产品或过程设计和定制的。未来需要进行广泛的研究,探索不同的方法来适当设计射频系统,使其具有更好的加热均匀性。例如,研究人员可以根据其工作参数(如频率、输出功率和保持时间)和样品的介电特性进行适当的设计。同时,也可以基于计算机模拟来正确设计电极(例如,不同形状和大小),以实现更均匀的电磁场分布。
(2)尽管目前关于射频加热对粮食质量影响的研究越来越多,但这些研究大多集中在常量营养素含量的变化上。粮食中的碳水化合物、蛋白质、脂类等宏量营养素不仅是人类所需的重要成分,而且具有独特的功能特性,在食品加工过程中发挥着重要作用。未来的研究需要系统地探讨对粮食中蛋白质理化性(如吸收、乳化、发泡性质)、碳水化合物(如消化、膨胀、糊化性质)和脂质(如脂肪酸组成和氧化稳定性)的影响。此外,射频加热对粮食及其制品中某些生物活性化合物和抗氧化活性的影响也需要进一步研究。
(3)食品的介电性能直接影响到射频加热的升温速率和穿透深度,然而目前还缺乏各种食品射频介电特性作为频率、温度、水含量、密度、黏度和成分的函数的数据。这些信息不仅对于提高对温度分布的理解是必不可少的,而且在射频加热系统的设计中也很重要,所以建立介电特性与其他影响因素的相关函数关系可以进一步加快射频加热系统的设计进程。
过去几十年对于射频加热技术的研究结果清楚地表明,它具有快速均匀加热的深度渗透能力,可以提供更加安全和高质量的食品。在不久的将来,射频加热技术将是一种非常有吸引力的加工技术。
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