射頻加熱技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

李玉林 - 焦 陽(yáng) 王易芬,5 -,5

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海海洋大學(xué)食品熱加工工程技術(shù)研究中心，上海 201306； 3. 國(guó)家淡水水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)分中心﹝上海﹞，上海 201306；4. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心， 上海 201306；5. 奧本大學(xué)生物系統(tǒng)工程系，美國(guó) 奧本 36849-5417)

食品加熱在單元操作中占據(jù)著重要的地位，其過(guò)程直接影響食品的最終質(zhì)量和安全性，關(guān)系到公眾的健康[1]。加熱時(shí)間、目標(biāo)溫度、加熱均勻性、能耗、產(chǎn)品品質(zhì)等都是人們?cè)谑称窡峒庸み^(guò)程中考慮的重要因素[2]。

射頻加熱作為一種新型的加熱方式，是利用食品分子在電磁波中的運(yùn)動(dòng)，使得食品在射頻加熱器內(nèi)升溫，達(dá)到加熱效果。相比較傳統(tǒng)加熱方式，射頻加熱具有加熱速度快、加熱均勻、穿透深度大等優(yōu)點(diǎn)，有潛力作為新興技術(shù)應(yīng)用于食品工業(yè)中。然而，食品物料的復(fù)雜特性均影響其在射頻加熱過(guò)程中的溫度分布均勻性，如物料的介電特性、熱特性、形狀、大小、組分等[3]，使得射頻加熱技術(shù)在多種領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用尚需一定研究。本文擬介紹射頻加熱的概念、特點(diǎn)，及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用和現(xiàn)存問(wèn)題，總結(jié)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在射頻加熱中運(yùn)用現(xiàn)狀，并提出射頻加熱的發(fā)展前景以及未來(lái)研究的方向。

1 射頻加熱原理特點(diǎn)以及能耗分析

1.1 射頻的概念

射頻(Radio Frequency)是指頻率為3 kHz～300 MHz的高頻電磁波，一般在家用、工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域允許應(yīng)用的頻率為13.56，27.12，40.68 MHz[4]。

射頻和微波加熱過(guò)程同屬介電加熱過(guò)程，其原理可簡(jiǎn)單描述為在物料內(nèi)部將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程。在介電加熱過(guò)程中，由于波段加熱機(jī)理不同，食品在電磁場(chǎng)中一般由極性分子轉(zhuǎn)動(dòng)或離子傳導(dǎo)主導(dǎo)生熱。微波加熱過(guò)程由極性分子轉(zhuǎn)動(dòng)主導(dǎo)，食品中的極性分子隨著高頻電磁場(chǎng)的極性快速變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致分子間摩擦產(chǎn)生熱量；射頻加熱過(guò)程主要以離子轉(zhuǎn)動(dòng)生熱，電場(chǎng)不斷變化導(dǎo)致離子總是向帶有相反電荷的方向運(yùn)動(dòng)，使得離子間不斷碰撞摩擦生熱[5]。圖1分別描述了這兩種機(jī)理。

圖1 電磁加熱過(guò)程中偶極子旋轉(zhuǎn)和離子傳導(dǎo)生熱 原理示意圖

Figure 1 Schematic diagram of dipole rotation and ion conduction principles in electromagnetic heating

1.2 介電特性

介電特性對(duì)射頻加熱食品有重要的影響，它決定了食品和電磁能之間的相互作用，也是影響射頻加熱效率的關(guān)鍵因素[6]。

介電特性主要用介電常數(shù)與介電損耗來(lái)表示，表述為：

ε*=ε′-jε″，

(1)

式中：

ε*——復(fù)介電特性，F(xiàn)/m；

ε′——介電常數(shù)，電介質(zhì)儲(chǔ)存外電場(chǎng)能量的能力，F(xiàn)/m；

ε″——介電損耗，電介質(zhì)存損耗電場(chǎng)能量的能力，F(xiàn)/m。

對(duì)于熱傳遞可忽略的射頻加熱過(guò)程，由于介電材料和電場(chǎng)之間的相互作用而引起的溫升可用式(2)表示[7]：

(2)

式中：

ρ——物料密度，kg/m3；

Cp——物料比熱，J/(kg·℃)；

ΔT——物料的溫升，℃；

f——頻率，Hz；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；

ε0——真空介電常數(shù)，8.85×10-12F/m。

物料的介電特性受頻率、溫度、脂肪含量、水分含量、鹽分含量等的影響[8]。一般來(lái)講，ε′和ε″在射頻頻段范圍均隨頻率的升高而減?。浑S溫度的升高而增大；隨著脂肪含量的升高而減小；隨著水分含量的升高而增大；ε′隨鹽分含量的升高而減小，而ε″隨鹽分含量的升高而增大[9]。

穿透深度用于描述電磁波進(jìn)入某種介質(zhì)的深度，把垂直于表面的平面波的能量在介質(zhì)內(nèi)部衰減到它在表面值的1/e時(shí)的深度叫做穿透深度，一般用dp來(lái)表示，受溫度、食品組分等影響?？梢杂檬?3)計(jì)算：

(3)

式中：

c——光速，3×108m/s。

穿透深度在加熱過(guò)程中用以預(yù)測(cè)待加熱物料的厚度，以保證加熱過(guò)程中加熱效率及溫度均勻性。

1.3 射頻加熱的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)加熱方式如熱空氣、水浴、蒸汽加熱等，均依賴(lài)于食品本身的導(dǎo)熱特性實(shí)現(xiàn)由外至內(nèi)的加熱過(guò)程，而射頻加熱以其整體加熱的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)加熱方法相比具有較大優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表1。

表1 射頻加熱與傳統(tǒng)加熱的特點(diǎn)對(duì)比

與傳統(tǒng)加熱方式相比，射頻加熱盡管設(shè)備成本投入高，但具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有優(yōu)越性。Wang等[12]利用射頻對(duì)核桃進(jìn)行殺蟲(chóng)處理，探索所需能耗和成本。研究表明，當(dāng)每小時(shí)對(duì)1 561.7 kg的核桃進(jìn)行殺蟲(chóng)時(shí)，射頻能源利用率為79.5%，平均每公斤能量消耗花費(fèi)0.002 7美元，與溴代甲烷熏蒸的成本相當(dāng)。總體來(lái)講，射頻加熱能量轉(zhuǎn)換效率較高，加熱速度快，在能耗核算方面與傳統(tǒng)方法相當(dāng)甚至更優(yōu)。

2 射頻加熱技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

2.1 射頻在食品干燥中的應(yīng)用

食品物料熱敏感性較強(qiáng)，干燥溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)食品品質(zhì)有顯著影響。射頻干燥以其整體加熱、穿透深度大的優(yōu)勢(shì)，能夠減輕食品表面結(jié)殼現(xiàn)象，提高傳質(zhì)效率，適用于去除傳統(tǒng)干燥過(guò)程降速段難以去除的水分，顯著縮短干燥時(shí)間，獲得更高的食品品質(zhì)。另外，將射頻技術(shù)結(jié)合其他干燥方式，如：熱風(fēng)干燥，可得到更適于食品干燥的工藝。

Silva等[13]對(duì)澳洲堅(jiān)果進(jìn)行試驗(yàn)，用熱風(fēng)單獨(dú)干燥時(shí)可以將籽粒水分從33%降低至1.5%，但耗時(shí)1個(gè)月以上，且游離脂肪酸值已達(dá)到1.2%(規(guī)定合格值不高于1.5%)，因此需要研究其他新的干燥工藝來(lái)縮減干燥時(shí)間，減少其營(yíng)養(yǎng)的損失。Suchada等[14]比較了射頻聯(lián)合干燥和熱風(fēng)干燥稻米的效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合干燥較熱風(fēng)干燥時(shí)間節(jié)約了38%以上，同時(shí)節(jié)約能耗達(dá)90%，品質(zhì)無(wú)顯著差異。Wang等[15]用熱風(fēng)輔助射頻加熱系統(tǒng)來(lái)干燥澳洲堅(jiān)果，分別用40，50，60 ℃的熱風(fēng)聯(lián)合6 kW，27 MHz的射頻加熱系統(tǒng)對(duì)堅(jiān)果進(jìn)行干燥，最終發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)輔助射頻加熱系統(tǒng)干燥比單獨(dú)的熱風(fēng)干燥時(shí)間縮短50%，并且發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的熱風(fēng)干燥比熱風(fēng)輔助聯(lián)合干燥后的過(guò)氧化值(PV)和游離脂肪酸值高(FFA)，且在加熱時(shí)間為240，360 min時(shí)數(shù)值較明顯，在240 min時(shí)單獨(dú)的熱風(fēng)干燥較熱風(fēng)射頻聯(lián)合干燥過(guò)PV和FFA分別高出0.03 meq/kg和0.02%，而在360 min時(shí)PV和FFA分別高出0.09 meq/kg和0.04%。張波[16]利用射頻熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃，結(jié)果表明單獨(dú)使用熱風(fēng)干燥和射頻熱風(fēng)聯(lián)合干燥將核桃水分含量干燥到8%分別需要240，100 min，且干燥完成后射頻熱風(fēng)聯(lián)合干燥過(guò)的核桃過(guò)氧化值明顯低于熱風(fēng)干燥的，分別為0.34，0.58 meq/kg，而自由脂肪酸值和顏色值2個(gè)指標(biāo)在2種干燥之間并無(wú)顯著性差異。

2.2 射頻在食品殺菌中的應(yīng)用

射頻加熱的整體加熱特性能夠?qū)Υ髩K食品整體滅菌，尤其是射頻可以迅速穿透并加熱多孔性物料，因此對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品物料的滅菌具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[11]。

OrsatV等[17]利用27.12 MHz的射頻加熱火腿，結(jié)果表明當(dāng)射頻加熱物料5 min時(shí)其中心溫度達(dá)到75～85 ℃，后進(jìn)行高阻隔材料真空包裝，火腿的保質(zhì)期可延長(zhǎng)至28 d。劉嫣紅等[18]利用射頻—熱風(fēng)聯(lián)合技術(shù)處理了保鮮白面包，與傳統(tǒng)的熱風(fēng)處理方式相比，射頻—熱風(fēng)處理可以在更低的溫度時(shí)達(dá)到要求的殺菌效果，且加熱速率是傳統(tǒng)加熱方式的30倍，可以更好地保證面包的品質(zhì)。呂曉瑩等[19]以鮮榨獼猴桃汁為研究對(duì)象，沙門(mén)氏菌為受試菌，使用固定頻率27.12 MHz 的射頻設(shè)備進(jìn)行處理，探索了處理時(shí)間、極板間距以及獼猴桃汁厚度對(duì)射頻殺菌效果的影響，證實(shí)最優(yōu)化條件下射頻處理可使獼猴桃汁中的沙門(mén)氏菌下降8個(gè)數(shù)量級(jí)以上。試驗(yàn)中也比較了巴氏殺菌和射頻殺菌對(duì)獼猴桃汁中VC含量的影響，結(jié)果表明巴氏殺菌后的VC保留率為93.2%，而射頻殺菌的保留率高達(dá)98.1%。Rossana Villa-Rojas等[20]對(duì)面粉進(jìn)行了射頻滅菌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加熱時(shí)間為8.5～9.0 min、溫度達(dá)到75 ℃時(shí)，表面加熱均勻性最好，其中的沙門(mén)氏菌和屎腸球菌能夠減少5～7個(gè)數(shù)量級(jí)。

可見(jiàn)射頻技術(shù)在食品滅菌中效果顯著，并且能更好地保留食品中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

2.3 射頻在食品解凍中的應(yīng)用

射頻解凍速度快，生產(chǎn)設(shè)備易實(shí)現(xiàn)連續(xù)性，且能夠穿透大部分包裝材料，適于帶包裝食品的解凍，防止外部細(xì)菌的入侵繁殖；射頻解凍過(guò)程不使用水，沒(méi)有廢水排除問(wèn)題，作業(yè)環(huán)境優(yōu)良。因此，射頻解凍技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景[21]。

Jason等[22]將3.18 kg、-29 ℃的魚(yú)置于極板間距為6 cm 的電極板之間進(jìn)行射頻(36～40 MHz)解凍，最終發(fā)現(xiàn)射頻解凍僅需12 min，而利用空氣解凍需要16 h，水解凍則需要3 h，而且射頻解凍滴瀝損失少，氣味、風(fēng)味更好。Pizza等[23]利用功率為4 kW、頻率為27.5 MHz的射頻解凍豬肉(35 cm×10 cm×11 cm)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其中心溫度達(dá)到4 ℃時(shí)，表面溫度達(dá)到13 ℃。Farag等[24]對(duì)瘦肉、肥肉與瘦肉質(zhì)量比為1∶1的混合肉、肥肉3種類(lèi)型的牛肉進(jìn)行了解凍試驗(yàn)，分別利用射頻與空氣解凍溫度范圍在-1～5 ℃，重為4 kg的牛肉，比較解凍后的溫度分布，結(jié)果表明，對(duì)于瘦肉而言解凍時(shí)間射頻解凍比空氣解凍少，并且終點(diǎn)溫度分布較均勻，但肥肉和混合肉的均勻性比瘦肉差。Koray等[25]比較了微波和射頻解凍冷凍蝦塊，分別運(yùn)用915 MHz的微波和27.12 MHz 的射頻將蝦塊從-22 ℃解凍，發(fā)現(xiàn)微波分別利用500 W和1 kW的功率將物料解凍至-5～-3 ℃時(shí)分別需要10，4 min，而射頻電極板高度分別在150，160 mm解凍至相同的溫度時(shí)分別需要11，7 min，通過(guò)紅外成像可得，微波加熱表面溫度分別達(dá)到7.3 ℃(500 W)和18.6 ℃(1 kW)，而射頻加熱后表面溫度低于0 ℃，且電極板與物料的距離越大加熱后溫度均勻性越好。因此，與微波相比，射頻解凍均勻性更好。

因此，相比較于傳統(tǒng)的空氣解凍出現(xiàn)的食品表面發(fā)干、失重較大，水解凍造成的微生物侵入食品以至于污染，微波解凍帶來(lái)的加熱不均勻、穿透深度小等缺點(diǎn)，射頻解凍技術(shù)能夠帶來(lái)更高品質(zhì)更安全的食品。

2.4 射頻在食品蒸煮及漂燙中的應(yīng)用

Laycock等[26]分別用射頻加熱器和水浴鍋加熱3種形式的肉類(lèi)(整塊的，不均勻攪碎的和均勻攪碎的)，發(fā)現(xiàn)在27.12 MHz 下的射頻加工到72 ℃時(shí)3種肉類(lèi)所需時(shí)間分別為13.25，13.5，5.83 min，而水浴加工下時(shí)間分別為151，130，109 min，并且射頻加工后肉質(zhì)口感好，色差和滴瀝損失較水浴加熱少。Zhang等[27]研究了肉糜的射頻水浴聯(lián)合蒸煮過(guò)程。通過(guò)控制不同的循環(huán)水溫度、輸入功率、加熱時(shí)間、升溫后保持時(shí)間4個(gè)變量，當(dāng)將肉糜定型包裝后進(jìn)入80 ℃的循環(huán)水中，在500 W射頻加熱器中加熱30 min，待樣品超過(guò)72 ℃ 之后維持2 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)射頻—循環(huán)水聯(lián)合加熱時(shí)間比傳統(tǒng)蒸汽加熱時(shí)間減少79%，射頻處理后肉糜樣品的質(zhì)量損失小于傳統(tǒng)的蒸汽加熱，且射頻處理后肉糜的硬度、膠著性、咀嚼性較傳統(tǒng)加熱方式高。Mcekenna等[28]對(duì)27.12 MHz、500 W的射頻和蒸汽加工火腿肉進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)將腿部的火腿肉最冷點(diǎn)加熱到73 ℃時(shí)，射頻約需40 min，而蒸汽加熱則需120 min，射頻加熱較蒸汽加熱后肉類(lèi)的硬度值高出6.12～14.31 N，咀嚼度高出3.12～4.28 N，彈性高出1.35～1.52 mm，滲透試驗(yàn)最大負(fù)荷高出1.52～3.47 N，因此在這些方面射頻加工方式較蒸汽加工效果好。Guo等[29]研究了射頻加熱和傳統(tǒng)蒸汽加熱后碎牛肉中大腸桿菌的存活狀況，結(jié)果表明，在2種加工方式均可以控制大腸桿菌的前提下，射頻處理時(shí)間為蒸汽加熱處理的1/30，并且溫度均勻。Bilal等[30]對(duì)雞胸肉進(jìn)行射頻蒸煮試驗(yàn)，將包裝好的新鮮雞胸肉分別用射頻和水浴蒸煮，射頻加熱至中心溫度達(dá)到74 ℃時(shí)需要23.8 min，但水浴加熱需41.3 min，并且射頻加工的雞胸肉溫度分布比水浴加熱均勻。

張永迪等[31]運(yùn)用射頻對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行了燙漂處理，用不同極板間距將蘋(píng)果分別加熱至70～95 ℃的6個(gè)不同溫度后停止?fàn)C漂，結(jié)果發(fā)現(xiàn)極板間距為115 mm時(shí)升溫速度最快，而極板間距為125 mm時(shí)升溫最慢，從22 ℃升到95 ℃，分別需95，140 s，且電極板高度分別為115，125 mm，溫度加熱到75 ℃時(shí)PPO(多酚氧化酶)酶活性均不足10%，但加熱到85 ℃ 時(shí)酶活性分別為24.6%，0.5%，射頻燙漂的溫度和時(shí)間均對(duì)PPO的滅活有影響，以此進(jìn)行射頻加熱進(jìn)一步的探索。

綜上研究結(jié)果表明，射頻處理的食品汁液損失少，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值保留完好，殺菌效果顯著，而且加熱時(shí)間短且更加均勻。射頻加熱可以方便地與其他方式結(jié)合使用，如：水浴加熱，可獲得更加優(yōu)化的工藝。

3 射頻加熱過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬

3.1 建模分析的意義

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，用有限數(shù)量的未知量逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)模擬射頻加熱系統(tǒng)可以得到可觀察、分析、操控的模型[32]，求解計(jì)算機(jī)模型獲得射頻加熱時(shí)肉眼觀察不到的溫度場(chǎng)和電磁場(chǎng)，有利于精細(xì)化分析加熱效果。

射頻建模過(guò)程是一個(gè)涉及多物理耦合的電磁和熱傳導(dǎo)方程解的多物理問(wèn)題。自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，射頻加熱過(guò)程的數(shù)值模擬過(guò)程開(kāi)始被廣泛探索并驗(yàn)證。模擬過(guò)程分為兩個(gè)部分：極板之間和物料內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布以及電磁能轉(zhuǎn)化為熱能后的溫度場(chǎng)分布求解。

3.2 運(yùn)用COMSOL建模

COMSOL Multiphysics?是一款基于有限元的大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究及工程耦合計(jì)算。在射頻加熱中，用COMSOL軟件模擬物料加熱過(guò)程的溫度變化和電磁場(chǎng)分布，并運(yùn)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)模型的準(zhǔn)確性和精度。目前，在射頻加熱過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬研究中，COMSOL Multiphysics?已經(jīng)成為最廣泛最通用的模擬工具。已有研究證明基于COMSOL開(kāi)發(fā)的模型在水果[33]、魚(yú)類(lèi)[34]、肉類(lèi)[35]、干果[36]以及大量低水分食品[37]物料的射頻加熱過(guò)程中都與試驗(yàn)結(jié)果相符。

在此基礎(chǔ)上，COMSOL建模還用于射頻加熱過(guò)程的溫度分布均勻性分析，以及溫度，分布均勻性提升方案的開(kāi)發(fā)，以節(jié)約大量試驗(yàn)帶來(lái)的人力、物力及財(cái)力。Huang等[38]曾用6 kW、27.12 MHz的射頻加熱器對(duì)大豆粉加熱，并用COMSOL軟件模擬溫度分布，對(duì)比證明其與試驗(yàn)的溫度分布基本一致，仿真結(jié)果表明，射頻加熱樣品的均勻性受使用容器的介電特性和厚度的影響，當(dāng)周?chē)萜鞯慕殡姵?shù)與樣品的比值為0.01%～0.10%時(shí)，加熱均勻性最好，且容器材料的厚度為100，200 mm時(shí)加熱均勻性較其他厚度好。為分析樣品的形狀和放置方位對(duì)加熱速率和溫度分布的影響，Birla等[39]模擬了球形樣品在射頻加熱過(guò)程中不同因素對(duì)加熱效果的影響，結(jié)果表明放置在空氣中的球形物料在射頻電極板下加熱時(shí)具有不均勻性，但將球形物料置于水中時(shí)可顯著提高均勻性，并提出假設(shè)將球形物料運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)可提高射頻加熱的均勻性。所開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)模型可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)由樣品介電特性、尺寸、形狀對(duì)加熱的影響。

Jiao等[37]對(duì)花生醬進(jìn)行了射頻滅菌過(guò)程模擬及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，用27.12 MHz、6 kW的射頻加熱聚酰亞胺(PEI)材料環(huán)繞的花生醬，發(fā)現(xiàn)PEI環(huán)繞后的花生醬被射頻加熱得更加均勻，證明了運(yùn)用介電特性類(lèi)似材料環(huán)繞樣品對(duì)于加熱均勻性提高的有效性。Jiao等[40]為進(jìn)一步驗(yàn)證在花生醬上、下表面放置不同直徑(2，4，6，8，10 cm)的PEI材料塊對(duì)其加熱均勻性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PEI直徑為8 cm時(shí)均勻性最好，整個(gè)樣品中溫差最大為9 ℃，而不加PEI的花生醬溫差為17 ℃。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到溫度不均勻性值可知，當(dāng)PEI厚度為1.3 cm 時(shí)不均勻性數(shù)值最小，這證明了輔助材料對(duì)射頻加熱過(guò)程中冷點(diǎn)溫度提高的有效性。Llvae等[41]對(duì)射頻解凍金槍魚(yú)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)據(jù)模擬，用13.56 MHz的射頻將樣品從-60 ℃ 解凍至-3 ℃，并進(jìn)行了不同電極板尺寸的加熱效果對(duì)比，結(jié)果證實(shí)，當(dāng)樣品與電極尺寸相近時(shí)加熱更加均勻。

運(yùn)用COMSOL Multiphysics?軟件模擬及求解射頻加熱過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 運(yùn)用COMSOL Muptiphysics? 有限元多物理場(chǎng) 軟件模擬射頻加熱流程圖

Figure 2 The flow chart of COMSOL Multiphysics?simulation of a radio frequency heating process

4 結(jié)論

射頻加熱是一種很有前景的食品加熱技術(shù)，具有加熱速度快、穿透深度大及選擇性加熱等優(yōu)勢(shì)，但仍具有一定程度的加熱不均勻性問(wèn)題。由于缺乏針對(duì)食品樣品詳盡具體的研究、設(shè)備投資高且工藝探索復(fù)雜等多種原因，目前國(guó)內(nèi)外尚未將射頻加熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。為了更好地將射頻加熱技術(shù)應(yīng)用于食品工業(yè)，需要對(duì)射頻加熱技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與探索，包括：

(1) 對(duì)物料的介電特性進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。物料的介電特性因成分不同而不同，并且隨溫度、頻率、成分等的變化而變化，對(duì)介電特性深入探索可以作為數(shù)值模擬時(shí)的輸入?yún)?shù)，并且以此為基礎(chǔ)計(jì)算穿透深度，以確定射頻加熱時(shí)物料的最優(yōu)堆積厚度。

(2) 射頻加熱存在邊角過(guò)熱的弊端。由于射頻能量在邊角的聚集性和熱逃逸現(xiàn)象，使得升溫過(guò)快的邊角更熱，食品品質(zhì)下降?，F(xiàn)有研究中所開(kāi)發(fā)的加熱均勻性提高方案仍然不具有普適性、工業(yè)化應(yīng)用等特點(diǎn)，射頻加熱技術(shù)的拓展應(yīng)用仍受限于加熱均勻性。

(3) 射頻在食品工業(yè)應(yīng)用探索尚不全面。射頻加熱在食品工業(yè)領(lǐng)域的研究方向拓展多集中在滅菌、殺蟲(chóng)、解凍等領(lǐng)域，在食品干燥、烘焙中應(yīng)用較少。另外，因畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品等樣品成本高、工藝探索復(fù)雜，目前射頻加工食品種類(lèi)大多集中在谷類(lèi)和干果中，尚需進(jìn)一步拓展。

(4) 工業(yè)化生產(chǎn)受限。目前，絕大多數(shù)有關(guān)射頻加熱技術(shù)的研究還基于小型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，將其研究結(jié)論真正應(yīng)用于放大工業(yè)化生產(chǎn)較困難。更主要的原因是，射頻加熱設(shè)備投資較高，且一般食品廠商不熟悉設(shè)備操作及原理，不具備運(yùn)用射頻加熱設(shè)備自主開(kāi)發(fā)加工工藝的能力，因此限制了射頻加熱技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用。更多更系統(tǒng)的基于射頻加熱技術(shù)的產(chǎn)品工藝研究能夠?yàn)闈撛谟脩?hù)提供更好的服務(wù)支持，射頻加熱設(shè)備、工藝開(kāi)發(fā)和能耗等各項(xiàng)成本的估算可為射頻加熱技術(shù)在食品工業(yè)界的推廣提供更有力的數(shù)據(jù)支持。

(5) 深入運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬方法探索射頻加熱過(guò)程。運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬方法模擬物料的射頻加熱過(guò)程，可直觀地顯示出物料內(nèi)部電磁場(chǎng)及溫度分布，用以進(jìn)一步探索射頻加熱的應(yīng)用領(lǐng)域并開(kāi)發(fā)優(yōu)化的加熱方案。

[1] 沈玉棟, 柳春紅, 孫遠(yuǎn)明, 等. 食品質(zhì)量與安全專(zhuān)業(yè)的發(fā)展與構(gòu)想[J]. 食品與機(jī)械, 2014, 30(3): 264-267.

[2] 張寧, 王冉冉, 李法德. 射頻加熱技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品和食品工業(yè)的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 食品工業(yè), 2013, 34(11): 199-203.

[3] MARRA F,ZHANG Lu, LYNG J G. Radio frequency treatment of foods: review of recent advances[J]. Journal of Food Engineering, 2009, 91(4): 497-508.

[4] PIYASENA P, DUSSAULT C, KOUTCHMA T, et al. Radio frequency heating of foods: principles, applications and related properties: a review[J]. Critical Reviews in Food Science & Nutrition, 2003, 43(6): 587-606.

[5] MEDA V, ORSAT V, RAGHAVAN V, et al. Microwave heating and the dielectric properties of foods[J]. Microwave Processing of Foods, 2005, 5(5): 61-75.

[6] LYNG J G, ZHANG Lu, BRUNTON N P. A survey of the dielectric properties of meats and ingredients used in meat product manufacture[J]. Meat Science, 2005, 69(4): 589-602.

[7] NELSON S O. Review andassessment of radio-frequency and microwave energy for stored-grain insect control[J]. Transactions of the Asae, 1996, 39(4): 1 475-1 484.

[8] 郭文川, 朱新華. 國(guó)外農(nóng)產(chǎn)品及食品介電特性測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(2): 308-312.

[9] ZHANG Lu, LYNG J G, BRUNTON N P. The effect of fat, water and salt on the thermal and dielectric properties of meat batter and its temperature following microwave or radio frequency heating[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 80(1): 142-151.

[10] 李興暢, 楊天平, 楊琳, 等. 胡桃木板材高頻真空二次干燥[J]. 家具, 2017, 38(2): 9-12.

[11] 劉嫣紅, 楊寶玲, 毛志懷. 射頻技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品和食品加工中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2010, 41(8): 115-120.

[12] WANG Shan, MONZON M, JOHNSON J A, et al. Industrial-scale radio frequency treatments for insect control in walnuts I: Heating uniformity and energy efficiency[J]. Postharvest Biology and Technology, 2007, 45(2): 240-246.

[13] SILVA F A, AJR M, MAXIMO G J, et al. Microwave assisted drying of macadamia nuts[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 77(3): 550-558.

[14] SCHADAV, CHAISATHIDVANICH K, THANAPORNPOONPONG S N, et al. Aging milled rice by radio frequency heat treatment[J]. Proceedings of Internationnal Research on Food Srcurity， 2006, 36(2): 14-25

[15] WANG Yun-yang, ZHANG Li, JOHNSON J, et al. Develo-ping hot air-assisted radio frequency drying for in-shell macadamia nuts[J]. Food & Bioprocess Technology, 2014, 7(1): 278-288.

[16] 張波. 核桃射頻熱風(fēng)聯(lián)合干燥特性及品質(zhì)變化研究[D]. 西安: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2017: 10-21.

[17] ORSAT V,LI Bai, RAGHAVAN G S V. Radio frequency heating of han to enhance shelf life in vacuum packing[J]. Jouranl of Food Proccess Engineering, 2004, 27(4): 267-283.

[18] 劉嫣紅, 唐炬明, 毛志懷, 等. 射頻熱風(fēng)與熱風(fēng)處理保鮮白面包的比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(9): 323-328.

[19] 呂曉英, 吳倩, 李光輝, 等. 獼猴桃汁射頻殺菌工藝初探[J]. 食品工業(yè)科技, 2015, 23(8): 267-270.

[20] VILLA-ROJAS R, ZHU Ming-jun, MARKS B P, et al. Radiofrequency inactivation of Salmonella, Enteritidis PT 30 and Enterococcus faecium, in wheat flour at different water activities[J]. Biosystems Engineering, 2017, 156(4): 7-16.

[21] 李修渠. 高頻波解凍新技術(shù)[J]. 肉類(lèi)工業(yè), 2001(10): 26-29.

[22] AFAILIJ C, HASSAN S R. Dielectric thawing of fish, Experiments with frozen white fish[J]. Food Technology, 1962, 16(6): 101-112.

[23] PIZZA A, PEDRIELLI R, BUSETTO M. Use of radio frequencies in the meat processing industry： Effects on the quality characteristics of meat and cooked meat products[J]. Industria Conserve, 1997, 72: 122-133.

[24] FARAG K W, LYNG J G, MORGAN D J, et al. Dielectric and thermophysical properties of different beef meat blends over a temperature range of -18 to +10 ℃[J]. Meat Science, 2008, 79(4): 740-747.

[25] PALAZOGLU T K, WELAT Miran. Experimental comparison of microwave and radio frequency tempering of frozen block of shrimp[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2017, 41(3): 292-300.

[26] LAYCOCK L, PIYASENA P, MITTAL G S. Radio frequency cooking of ground, comminuted and muscle meat products[J]. Meat Science, 2003, 65(3): 959-965.

[27] ZHANG Lu, LYNG J G, BRUNTON N P. Effect of radio frequency cooking on the texture, colour and sensory properties of a large diameter comminuted meat product[J]. Meat Science, 2004, 68(2): 257-268.

[28] MCKENNA B M, LYNG J, BRUNTON N, et al. Advances in radio frequency and ohmic heating of meats[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 77(2): 215-229.

[29] GUO W, TIWARI G, TANG Ju-ming, et al. Frequency, moisture and temperature-dependent dielectric properties of chickpea flour[J]. Biosystems Engineering, 2008, 101(2): 217-224.

[30] KIRMACI B, SINGH R K. Quality of chicken breast meat cooked in a pilot-scale radio frequency oven[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2012, 14(2): 77-84.

[31] 張永迪, 周良付, 李宇坤, 等. 射頻加熱燙漂對(duì)蘋(píng)果片理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2015, 17(5):134-141.

[32] 邢敏, 黃嵐. 計(jì)算機(jī)模擬仿真教學(xué)的研究與實(shí)踐[J]. 現(xiàn)代教育科學(xué), 2007, 46(1): 152-153.

[33] BIRLA S L, WANG S, TANG Ju-ming, et al. Improving heating uniformity of fresh fruit in radio frequency treatments for pest control[J]. Postharvest Biology & Technology, 2004, 33(2): 205-217.

[34] LLAVE Y, LIU Shi-xiong, FUKUOKA M, et al. Computer simulation of radiofrequency defrosting of frozen foods[J]. Journal of Food Engineering, 2015, 152(C): 32-42.

[35] MARRA F, LYNG J, ROMANO V, et al. Radio-frequency heating of foodstuff: Solution and validation of a mathematical model[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 79(3): 998-1 006.

[36] ALFAIFI B, TANG Ju-ming, JIAO Yang, et al. Radio frequency disinfestation treatments for dried fruit: Model development and validation[J]. Journal of Food Engineering, 2014, 120(1): 268-276.

[37] JIAO Yang, TANG Ju-ming, WANG Shi-jian. A new strategy to improve heating uniformity of low moisture foods in radio frequency treatment for pathogen control[J]. Journal of Food Engineering, 2014, 141(22): 128-138.

[38] HUANG Zhi, ZHU Han-kun, YAN Rong-jun, et al. Simulation and prediction of radio frequency heating in dry soybeans[J]. Biosystems Engineering, 2015, 129(1): 34-47.

[39] BIRLA S L, WANG Shi-jian, TANG Ju-ming. Computer simulation of radio frequency heating of model fruit immersed in water[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 84(2): 270-280.

[40] JIAO Yang, SHI Huo-jie, TANG Ju-ming, et al. Improvement of radio frequency (RF) heating uniformity on low moisture foods with Polyetherimide (PEI) blocks[J]. Food Research International, 2015, 74(8): 106-114.

[41] LLAVE Y, LIU Shi-qiong, FUKUOKA M, et al. Computer simulation of radiofrequency defrosting of frozen foods[J]. Journal of Food Engineering, 2015, 152(C): 32-42.