射頻技術(shù)及其在低水分活度食品中的應(yīng)用

鄧 云 王竹怡 鐘 宇 岳 進

錢炳俊 王丹鳳 趙艷云

（上海交通大學(xué)食品科學(xué)與工程系，上海 200240）

射 頻 （radio frequency，RF）是 指 頻 率 范 圍 為 3～300MHz的高頻交流電磁波。射頻加熱是依靠物體吸收電磁波能將其轉(zhuǎn)換成熱能，不須任何熱傳導(dǎo)過程，物料內(nèi)部和表面幾乎是同時加熱、同時升溫的快速加熱新技術(shù)［1］。與傳統(tǒng)加熱方式相比，RF不僅干燥速率快，而且加熱也較為均勻。射頻比微波加熱具有更好的加熱均勻性、更大的穿透深度、更穩(wěn)定的溫度控制和更高的產(chǎn)品質(zhì)量。同時，射頻是一種非離子化輻射技術(shù)，不同于X－射線或伽馬射線產(chǎn)生的高能量能改變分子結(jié)構(gòu)，它產(chǎn)生的能量不會使水分子離子化，因此被視為安全的熱處理方法。RF技術(shù)具有無化學(xué)污染、殺菌滅蟲效率高和對原有物質(zhì)品質(zhì)無損傷等優(yōu)點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療方面都有廣泛應(yīng)用。目前，13.56，27.12，40.68 MHz是工業(yè)和醫(yī)療行業(yè)中常用的射頻頻率［2］。自20世紀中期開始，射頻技術(shù)已逐漸被用于食品或農(nóng)產(chǎn)品的干燥、蒸煮、加熱、解凍、燙漂和殺菌等［2］。由于食品或農(nóng)產(chǎn)品中的污染物（細菌、害蟲等）的介質(zhì)損耗因數(shù)明顯高于處理物料，所以RF首先對害蟲進行選擇性加熱，這樣在短時低溫下獲得滿意的滅菌效果，且RF加熱均勻、不損傷分子結(jié)構(gòu)及維持產(chǎn)品的品質(zhì)。因此，RF技術(shù)在低水分食品或農(nóng)產(chǎn)品（水分活度≤0.6）如堅果、大米等的殺菌或保鮮等領(lǐng)域的應(yīng)用成為國際上的研究熱點。

1 射頻加熱原理

射頻加熱屬于介電加熱，當介質(zhì)處于電場中時，在高頻交變電場作用下，物體中一些偶極分子如水、脂肪等交替的帶上正電荷和負電荷，取向極化。由于極性變化極為迅速（比如27MHz，2 700萬次／s），分子仍然持續(xù)通過觸發(fā)運動使其自己再次對準電場的極性。鄰近分子之間的碰撞產(chǎn)生的動能和摩擦力能夠在產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生熱量。此外，電離作用可以解離加熱介質(zhì)中的離子，相反電荷離子的相互碰撞使介質(zhì)發(fā)熱。射頻加熱基本可分為平行電極板、偏置電極和交錯電極（staggered electrodes）3種［3］。平 行 板 電 極 系 統(tǒng) 是 最 常 用的一種RF系統(tǒng)：被加熱介質(zhì)置于兩平行電極板之間，且不與電極接觸，多用于加熱或干燥比較厚的材料。在偏置電極RF系統(tǒng)中，一系列棒狀或管狀電極（相鄰電極極性相反）位于同一平面，且與加熱介質(zhì)平行，適用于厚度不高于10mm的薄層產(chǎn)品。交錯電極RF系統(tǒng)中的兩排棒狀、桿狀或管狀電極位于傳送帶兩側(cè)，電場強度由改變兩排交錯電極之間的距離來控制，適用于高度小于10mm的物料的處理。與偏置電極設(shè)計相比較，交錯電極RF系統(tǒng)的電場更均勻。

2 介電特性及測定

與高頻加熱有關(guān)的介電性能包括材料的磁導(dǎo)率（permeability）、電容率（permittivity）和導(dǎo)電性等［4］。材料的介電常數(shù)（ε′）和損耗因數(shù)（ε″）由電容率決定，它們都影響了RF加熱效果。ε′和ε″是介電特性ε的實部和虛部：

式中：

ε—— 介電常數(shù)；

ε′—— 介電常數(shù)實部；

ε″——介電常數(shù)虛部即損耗因數(shù)。

其中ε′與材料的電容特性有關(guān)，在恒定條件下ε′是一個常數(shù)，它反映了材料吸收、傳導(dǎo)和反射電能的能力。ε″與材料的電阻特性有關(guān)，將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能的能力。低ε″的材料吸收能量少，在電場中的加熱效果很差。絕大多數(shù)食品物料的ε″是正值且小于其ε′。理論上，ε″＝ε′tanδ，其中δ為損耗角，tanδ損耗角正切，是所消耗的能量與儲存能量之比，稱為耗散因數(shù)或介質(zhì)損耗正切。當ε′和ε″同時都很小時，電磁波穿透深度最深。理論上介質(zhì)損耗因數(shù)與穿透深度呈反比。但是，介電常數(shù)對穿透深度的影響比耗散因數(shù)（tanδ）的影響更大一些。如果耗散因數(shù)小于1，它的影響是非常小的。材料組成成分也會影響RF穿透深度，比如穿透深度隨著鹽的加入而降低，隨脂肪和水分含量增加而增加［5］。

文獻［6～8］概括了目前常用的介電特性的7種測定方法：同軸探針法、平行板法、傳輸線法、集總電路、諧振腔法、自由空間法和時域光譜法。選擇何種測定方法取決于所測定的材料、所需頻率的范圍和準確度以及設(shè)備成本等因素。目前測定食品介電特性的最常用方法有3種：同軸探針法、傳輸線法和諧振腔法（圖1）。同軸探針法是利用反射系數(shù)與介質(zhì)的阻抗關(guān)系來計算復(fù)介電常數(shù)，該法提供了寬帶頻率測量，減小了樣品的干擾。該法對樣品形狀和盛裝樣品的容器沒有特殊的要求，使用簡便易行 （圖1（a））。傳輸線法是將樣品置入封閉的傳輸線中，必須恰好填滿傳輸線的橫截面，如圖1（b）所示。該法比探針法更準確更靈敏，但操作困難且耗時。相比較而言，諧振腔法采用了單模諧振腔，將已知形狀的樣品放入腔中，諧振腔反射功率和共振頻率的變化可用來計算樣品的介電特性（圖1（c））。該法比較準確，尤其適合低介電損耗因數(shù)的樣品，但只能提供在固定頻率下的介電特性［6］。

3 低水分活度食品的介電特性的研究

材料的介電性能主要取決于頻率、溫度、水含量和化學(xué)組成等因素［1，11］。與大量有關(guān)食品在微波頻率條件下的介電性能的數(shù)據(jù)比較而言，關(guān)于食品尤其是低水分活度食品或農(nóng)產(chǎn)品在RF頻率范圍內(nèi)的介電性能的可利用信息非常有限［12，13］。當去殼黃色飼料玉米水分含量從10%增加到35%，其介電常數(shù)在頻率為20MHz時從3.4增加到6.7，在300MHz時從2.8增加到5.2。相對損失因數(shù)、耗散因數(shù)和導(dǎo)電性與水分含量沒有特定的規(guī)律，在20MHz時ε″的最大值為22.5，頻率為300MHz時ε″的最大值為11.2［14］，介電常數(shù)和溫度時間呈線性關(guān)系。靳志強等［15］采用網(wǎng)絡(luò)分析儀和同軸探頭技術(shù)測定了含水率為13%～22%的玉米在頻率10～3 000MHz、溫度25～85 ℃下的介電性能：在10～3 000MHz和25～85℃下玉米的介電常數(shù)和介電損耗因數(shù)隨頻率升高而逐漸降低，隨溫度和含水率上升而增加。Nelson［16］開發(fā)頻率范圍在5～12GHz的不同容積密度和水分含量的糙米、高粱米和白米的介電常數(shù)的預(yù)測模型，該模型是采用頻率為5，20，40，100，300，1 000，2 450，11 660MHz下所得的數(shù)據(jù)建立的，其常數(shù)可用來計算每一種頻率和水分含量條件下每一種大米的介電常數(shù)。模型提供一種可操作的簡便方法用于估計大米的介電常數(shù)，但為了其精確值需要進行直接測量。含水量為11%～16%的糙米的介電常數(shù)隨著頻率的增加而單調(diào)減少，從50Hz頻率下的10～20減少至12GHz頻率下的2～3。損耗因數(shù)隨著頻率的增加而下降，但是沒有呈現(xiàn)介電常數(shù)那樣的規(guī)律。低水分含量的高粱米和白米的損耗系數(shù)在1～100MHz范圍內(nèi)呈增加趨勢。當頻率超過5MHz，大米的容積密度與ε′間呈線性關(guān)系。25℃下容積密度為0.66～0.83g／cm3、水分含量介于9%～21%的硬質(zhì)紅冬小麥品種的介電損耗因數(shù)隨頻率升高而增加，但在最高的頻率下則存在介電弛豫的跡象［17］。介質(zhì)損耗因數(shù)通常隨著水分含量的增加而增加，但是其變化和頻率是不一致的。每一個品種在高水分含量和高頻率條件下，介質(zhì)損耗因數(shù)都會出現(xiàn)弛豫。

圖1 測定介電特性的常用方法［6，9，10］Figure 1 Common methods to measure food dielectric properties［6，9，10］

Lawrence等［18］測定了在0～40℃、水分含量3.2%～8.9%、頻率0.100～110MHz條件下機械去殼山核桃仁隨溫度變化的介電常數(shù)。山核桃介電常數(shù)和損耗系數(shù)隨著頻率的增加而下降，隨著溫度的下降而下降。Wang等［9］測定了杏仁和胡桃在20～60℃，27.12MHz條件下的介電特性。杏仁的介電常數(shù)和損失因數(shù)分別為5.8～6.0和0.6～1.2，而胡桃的介電常數(shù)和損失因數(shù)分別為4.9～5.3和0.3～0.6。開放末端同軸探頭技術(shù)測量顯示在頻率10～300MHz，溫度25～100℃，水分含量3%～32%（干基）的澳洲堅果果仁的介電特性：穿透深度隨頻率和溫度上升而降低，損耗因數(shù)隨溫度和水分含量降低而減?。?］。

Boldor等［19］測定了不同密度、溫度和水分含量的帶殼和去殼花生在300～3 000MHz條件下的介電特性。結(jié)果顯示帶殼花生的介電常數(shù)和損失因數(shù)的值分別在0.01～0.2和0.005～0.05，去殼花生的介電常數(shù)和損失因數(shù)的值分別在0.05～0.5和0.01～0.2。文獻［20］研究了20 ℃和130MHz～4GHz條件下豌豆的介電常數(shù)。豌豆的介電常數(shù)和損耗因素均與頻率（100～450MHz）高度線性相關(guān)，而且水分含量控制介電常數(shù)從5.5～5.8到18～20以及損耗因數(shù)（1～6）的變化。豌豆中的水分大多數(shù)是非結(jié)合水，在頻率為276MHz時，相對介電常數(shù)和水分含量在本質(zhì)上呈線性關(guān)系。

Ma等［21］發(fā)現(xiàn)在9.4MHz條件下，當水分含量恒定時，綠茶的介電常數(shù)的實部（17～30）和虛部（20～3.6）與密度（0.261～0.580g／cm3）線性相關(guān)。

4 射頻技術(shù)在低水分活度食品中的應(yīng)用

射頻加熱能具備了改善食品質(zhì)量的潛能，可以潛在地提高產(chǎn)品質(zhì)量，所以射頻加熱在食品工業(yè)領(lǐng)域的前景一片光明。目前該技術(shù)成功用于烘烤、熱燙、解凍和干燥等食品加工領(lǐng)域，但在低水分活度食品中的應(yīng)用研究報道仍不多，主要集中在堅果和大米等產(chǎn)品。

4.1 堅果

Wang等［22］發(fā)現(xiàn)RF在3min內(nèi)將胡桃核心升到53℃并保持5min，能夠全部殺死三齡和四齡飛蛾害蟲，對胡桃的過氧化值和脂肪酸沒有影響。此外，胡桃在27MHz下加熱到55℃，接著在熱空氣中保持5min，RF全部殺死了五齡的海軍橙色蟲，除水分含量略微降低外，對胡桃酸度、感官品質(zhì)和殼特性沒有影響［23］。Nelson等［24］觀察到RF可以控制美洲山核桃的象鼻蟲，但降低了種子的發(fā)芽率。RF在56℃下保持7min能完全殺死蛹，在55～58℃下5～10min能有效控制豆類的象鼻蟲和茶水蛾，且不影響種子發(fā)芽率［25］。當澳洲堅果水分含量達到0.03kg／kg干基時，熱風(fēng)－射頻聯(lián)合干燥的干燥效率是單獨熱風(fēng)干燥的2倍，且堅果的氧化程度隨干燥時間增加而增加［3］。

4.2 大米

Pattaya等［26］考察了射頻對稻谷倉儲中危害最嚴重的害蟲－谷蠧的殺滅作用，研究表明：在27.12MHz，70℃條件下處理3min，可100%殺死谷蠧，而稻谷生活力維持在91%。Suchada等［27］比較了熱風(fēng)及射頻熱風(fēng)聯(lián)合干燥稻谷的干燥效率，相較于單一熱風(fēng)模式，聯(lián)合干燥使得干燥時間節(jié)約了38%以上，節(jié)約能耗可達90%，對大米品質(zhì)影響不大。在60℃以上射頻處理大米，會使大米色澤變亮、黃度加深、硬度上升、粘彈性下降，而在60℃以下射頻處理的大米品 質(zhì) 與 對 照 無 顯 著 差 異［28］。Pan［29］研 究 表 明 RF（16.6MHz，45～60℃，1～4h）和紅外輻照（5 300W／m2，10～30s）有效地殺死了侵害大米的谷蠹和麥蛾，不影響大米碾磨品質(zhì)，但是RF加熱過程中導(dǎo)致大米的水分含量降低了0.53%。Mirhoseini等［30］發(fā)現(xiàn)面粉中害蟲在13.56MHz、45℃下 處 理45s，或 27.12MHz、46 ℃ 下 處 理35s，40.68MHz、47℃下處理15s后完全被殺死，雜擬谷盜在13.56，27.12，40.68MHz下 的 敏 感 溫 度 分 別 是 40，38，43℃；大米中害蟲在13.56MHz、57℃下處理105s，或27.12MHz、58℃下處理95s后完全被殺死，米象在13.56，27.12MHz下的敏感溫度分別是48，50℃。Langua－Solar等［31］報道了RF在55～50℃下處理糙米5min對麥蛾的殺死率可達99%。

4.3 其它

此外，Sacilik等［32］研究了水分含量（5.33%～16.48%）、容積密度和RF頻率（5～10MHz）對葵花籽介電特性的影響，發(fā)現(xiàn)水分含量是影響種子介電特性最重要的因素，介電特性隨著水分含量和容積密度的增加而增加，隨著RF頻率的增加而降低。Lyman等［33］研究表明RF處理減少了棉籽自由脂肪酸的形成，但引起了異味的產(chǎn)生。RF處理抑制了黃豆中的生長抑制酶活性，保持比未經(jīng)處理的黃豆更好的品質(zhì)［34］。油菜籽在壓榨之前經(jīng)過RF預(yù)處理后提高了油菜籽出油率，且不改變油的品質(zhì)［35，36］。

5 展望

射頻技術(shù)作為一種快速加熱方法，具有良好的滅蟲殺菌效果，對人體和環(huán)境無危害。在食品保鮮與加工方面有獨特優(yōu)勢，既改善食品的保質(zhì)期和安全性，又可以用于開發(fā)高附加值的新型產(chǎn)品。因此，射頻加熱技術(shù)在低水分活度食品保鮮和加工有著廣闊的發(fā)展前景。但是，食品化學(xué)組成存在差異，需要更多的研究以建立食品介電特性數(shù)據(jù)庫及潛在的包裝；作為新型殺菌手段，需要進一步研究RF對失活微生物的效率，對產(chǎn)品品質(zhì)及貨架期的影響，以及殺菌過程溫度在產(chǎn)品中的分布。此外，為滿足將來RF在大規(guī)模工業(yè)化體系中的應(yīng)用，RF處理過程中的傳熱傳質(zhì)特性模擬、加工效率、經(jīng)濟成本等也需進一步深入研究。這將為RF在食品工業(yè)或農(nóng)業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用提供有利的技術(shù)支撐。

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