輻射傳熱機(jī)理及其在烹飪工藝中的應(yīng)用進(jìn)展※

楊銘鐸 苗榕芯 崔瑩瑩

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游烹飪學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076;2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)中式快餐研究發(fā)展中心博士后科研基地，黑龍江 哈爾濱 150076；3.四川旅游學(xué)院，四川 成都 610010)

隨著社會(huì)發(fā)展，加熱方式不斷改變，以輻射傳熱方式為主的烹飪方式仍占有餐飲絕大部分市場。輻射傳熱又稱熱輻射，是熱傳遞的一種基本方式。近年來，利用輻射傳熱烹制菜肴逐漸成為研究熱點(diǎn)。然而食物在烹制過程中并非一種傳熱方式單獨(dú)作用，而是兩種或三種傳熱方式共同作用制作出美味的菜肴。為了使得烹飪菜肴更美味，營養(yǎng)價(jià)值更高，以輻射加熱為主的新型烹飪?cè)O(shè)備相繼研發(fā)且應(yīng)用廣泛。本文對(duì)國內(nèi)外輻射傳熱在烹飪方法、烹飪?cè)O(shè)備中的研究進(jìn)行梳理分析，以期為烹飪工藝中輻射傳熱的發(fā)展和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 輻射傳熱的基本特征

烹飪中的傳熱方式主要包括輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流三種形式。其中，輻射傳熱是指高溫物體以電磁波的形式向空間發(fā)射能量來傳遞熱量。與傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱差別主要表現(xiàn)為：熱輻射可在真空中傳遞，導(dǎo)熱和對(duì)流在介質(zhì)中才可實(shí)現(xiàn)；熱輻射可產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)換，對(duì)流和傳導(dǎo)只有能量轉(zhuǎn)移。根據(jù)波長的不同，電磁波包括無線電波、紅外線、可見紫外線、γ-射線、χ-射線以及電子線，其中紅外線和無線電波用于食品烹飪，γ-射線、χ-射線及電子線用于食品殺菌。紅外線(波長范圍在0.72～1000μm之間)是處于可見光和微波間的一種波線，紅外線可分為近紅外線、中紅外線和遠(yuǎn)紅外(如表1所示)。在紅外輻射加熱過程中，紅外線照射到被加熱食物表面時(shí)，一部分反射，一部分透過，一部分被食物吸收。食物吸收紅外線的原因是：食物分子運(yùn)動(dòng)與紅外輻射頻率相一致，產(chǎn)生共振或轉(zhuǎn)動(dòng)，食物將紅外輻射吸收轉(zhuǎn)化成分子熱運(yùn)動(dòng)，隨物料溫度升高，食物分子運(yùn)動(dòng)加速，導(dǎo)致其水分喪失。通常紅外輻射作用于濕食材表面，傳遞機(jī)制主要依靠水含量，在加熱過程中，輻射傳熱的形式會(huì)發(fā)生改變，反射和吸收會(huì)隨水含量的減少而下降。因此，烹制食材時(shí)根據(jù)食材薄厚應(yīng)選擇適宜的紅外加熱方式，短波紅外可透過表層作用于食材內(nèi)部，而遠(yuǎn)紅外被表層吸收。紅外線輻射加熱的特點(diǎn)有：吸收性好，高分子物質(zhì)可吸收3～25μm的輻射能；紅外線和電磁波一樣具有直射性，被照射的部分升溫快，未被照射的部分升溫慢；紅外線和可見光一樣具有反射性，被加熱物體的溫度與照射距離平方成反比例關(guān)系，被加熱食材距離紅外線越近，其加熱效率越高[1]。

表1 紅外線輻射波長分類

微波是指波長在1～1000mm，頻率波段在300MHz～300GHz范圍內(nèi)電磁波，其能量比無線電波大得多。傳熱主要利用分子的被動(dòng)極化現(xiàn)象，由于內(nèi)部正負(fù)電荷分布不均勻產(chǎn)生極性。水可作為吸收微波最佳傳熱介質(zhì)，凡含水的物質(zhì)必能吸收微波。當(dāng)食材接收到微波時(shí)，促使食材分子間的分極增大，并導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)方向隨著微波的正負(fù)半周振蕩而變化，由于微波頻率高，正負(fù)半周變化速率快，故食材分子之間產(chǎn)生高速摩擦，進(jìn)而生成熱量。與傳統(tǒng)加熱由表及里方式不同，微波輻射加熱是通過高頻振蕩產(chǎn)生“內(nèi)摩擦”致熱的。微波傳熱的特點(diǎn)為：加熱速率快，可使被加熱食材本身成為發(fā)熱體，進(jìn)而不再需要熱傳導(dǎo)的過程，因此，可在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到加熱的效果；微波加熱時(shí)電磁波可均勻滲透到食材各個(gè)部分，可對(duì)原料均勻加熱；微波加熱時(shí)只能通過被加熱原料來吸收而生熱，極大提高熱效率；熱慣性小易于控制；既可以較多地保存食物營養(yǎng)價(jià)值又可對(duì)食物進(jìn)行殺菌[2]。

總之，凡溫度為絕對(duì)零度以上的一切物質(zhì)都擁有向外發(fā)射輻射粒子的能力，輻射粒子所具備的能量被稱為輻射能。物體所保持的溫度越高，其輻射的能力就越強(qiáng)，物體將本身的熱能轉(zhuǎn)化為向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象被稱為熱輻射。1971年，Nowak等[3]最早從理論上推導(dǎo)出兩平行板間進(jìn)場輻射公式。Volokitin等[4]經(jīng)推導(dǎo)得出近場輻射量比遠(yuǎn)場輻射的斯蒂芬-玻耳茲曼定律的計(jì)算結(jié)論大5～6個(gè)數(shù)量級(jí)。新疆馕坑食品利用黑體輻射進(jìn)行熟制，在計(jì)算輻射能時(shí)應(yīng)用到普朗克黑體輻射公式[5]。因此，計(jì)算烹飪工藝輻射能時(shí)，針對(duì)不同的輻射傳熱選擇不同的計(jì)算公式。利用輻射傳熱烹飪食物與其他烹飪方式相比熱效率高，常規(guī)的加熱方式如蒸汽、火、風(fēng)、油等都是通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量從被加熱物體的外部傳到內(nèi)部，升溫時(shí)間長，然而輻射傳熱通常是內(nèi)外共同加熱的方式，因此可實(shí)現(xiàn)短時(shí)加熱；通常的加熱方法，若提高加熱的速率，就會(huì)形成外焦里生的現(xiàn)象，而輻射傳熱時(shí)食物各部分均能接收電磁波，均勻性得到改善；輻射傳熱的設(shè)備通常體積小，加熱效率高，穿透能力強(qiáng)，方便家庭使用；增加食品風(fēng)味，且能較好保存食物的營養(yǎng)素并且對(duì)烹飪食品具有很好的殺菌效果；具有高效、節(jié)能、環(huán)保、改善品質(zhì)的特點(diǎn)，便于智能化控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。

2 輻射傳熱在烹飪工藝中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 烹飪?cè)O(shè)備的應(yīng)用進(jìn)展

紅外線設(shè)備，紅外線設(shè)備是指通過電熱元件及電阻絲進(jìn)行通電發(fā)熱，在使用時(shí)利用紅外線對(duì)原料直接加熱輻射的一類設(shè)備。此類設(shè)備在烹飪中應(yīng)用廣泛，以電烤箱、電子消毒柜、紅外干燥箱等作為典型的代表。對(duì)于紅外設(shè)備在食品食用品質(zhì)方面的研究，李宏燕等[6]為使羊肉串具有外焦里嫩的品質(zhì)，利用電熱管與紅外線復(fù)合加熱的方法，第一段為電熱管加熱，加熱空氣85℃，烤制5min，第二段為2kw短波紅外加熱管加熱，時(shí)間2min，可為開發(fā)工業(yè)化烤制食品提供理論依據(jù)。張令文等[7]以豬后腿為試驗(yàn)材料，探討遠(yuǎn)紅外輔助油炸和普通熱傳導(dǎo)油炸對(duì)豬肉片品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)紅外輔助油炸方式促使掛糊的豬肉片色澤更好、肉質(zhì)軟嫩且降低脂肪含量。Sheridan等[8]利用遠(yuǎn)紅外技術(shù)對(duì)牛肉餡餅加工，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)餡餅中心溫度與餡餅中脂肪含量成正比，遠(yuǎn)紅外處理方式可減低由于干燥和高溫引起的肉餅表面出現(xiàn)碳化的情況，與傳統(tǒng)方式相比可節(jié)能55%。綜上，紅外設(shè)備有效解決了其他設(shè)備加熱不均勻的弊端，為食品工業(yè)化發(fā)展提供了保障。

食品安全方面，Sengun等[9]研究了歐姆—紅外組合蒸煮系統(tǒng)對(duì)肉丸微生物質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肉丸樣品中好氧細(xì)菌在紅外熱通量為1.96和4.50之間時(shí)數(shù)量減少，并且經(jīng)紅外加熱處理后霉菌、酵母菌、金黃色葡萄球菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、沙門氏菌、單核細(xì)胞增生李斯特氏菌和大腸桿菌O157：H7均不存在，表明歐姆—紅外組合烹飪?nèi)馔杈哂芯薮鬂摿?。Gasperlin等[10]比較電烤與紅外烤箱2種烤制方法對(duì)雞胸肉產(chǎn)生雜環(huán)胺含量的影響，結(jié)果得出當(dāng)溫度相同時(shí)，電烤箱產(chǎn)生烹制雞肉產(chǎn)生的雜環(huán)胺含量比紅外烤箱產(chǎn)生的量多，不同加工工藝雜環(huán)胺種類與含量如表2所示。綜上，紅外設(shè)備加熱的食品有害物質(zhì)較少，且對(duì)環(huán)境無污染，然而高溫度的紅外設(shè)備會(huì)對(duì)灶具周邊及內(nèi)部形成損壞，不利于長時(shí)間使用。因此，開發(fā)環(huán)保集成紅外設(shè)備應(yīng)是未來的研究方向，且具有良好的發(fā)展前景。

微波設(shè)備，傳統(tǒng)微波爐輸出功率是固定值，對(duì)食物加熱不連續(xù)，耗能高。在傳統(tǒng)微波爐基礎(chǔ)上研究出多種新型微波爐，并將微波爐與其他烹飪儀器聯(lián)用可提升食物品質(zhì)。劉忠義等[11]研究水浴鍋、變頻微波爐、非變頻微波爐和直噴微波爐對(duì)白蘿卜Vc、風(fēng)味物質(zhì)和質(zhì)構(gòu)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，非變頻微波爐和直噴微波爐保留Vc效果較其他兩種好，且加熱溫度應(yīng)控制在85℃～95℃，保溫5 min。林向陽等[12]利用微波爐—蒸汽聯(lián)合技術(shù)加熱冷凍饅頭，應(yīng)用MRI技術(shù)測量饅頭復(fù)熱過程中水分遷移情況，結(jié)果表明此技術(shù)可減少饅頭內(nèi)部水分流失。韓忠等[13]利用聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE電泳)法分別檢測豬肉微波和水浴加熱后G—肌動(dòng)蛋白變形情況，對(duì)比分析得出豬肉經(jīng)700W變頻加熱70s后持水能力強(qiáng)、蒸煮損失少、耗能最低。Nykvist等[14]研究微波烤牛肉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波加熱能量“集中”在烤架中心軸上，因此使用圓柱形烤架使微波頻率具有更深的穿透優(yōu)勢(915MHz)，在烹飪時(shí)間和溫度均勻性上具有優(yōu)勢。綜上，微波設(shè)備與其他設(shè)備聯(lián)用提高了食品的營養(yǎng)品質(zhì)，且不同功率下食品的營養(yǎng)元素變化不大，相較于傳統(tǒng)烹制方式，微波聯(lián)用技術(shù)對(duì)食品的營養(yǎng)元素破壞較小，是未來微波應(yīng)用的主要形式。

微波干燥設(shè)備的應(yīng)用，Zhang等[15]利用微波真空冷凍干燥設(shè)備干燥魚片，研究發(fā)現(xiàn)，適量的水分含量、微波功率和真空度可有效提高魚片的膨化率和脆度。Takaharu等[16]以扇貝柱為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比熱風(fēng)干燥與微波真空干燥兩種方式對(duì)扇貝柱的影響，表明利用微波真空干燥時(shí)間短、效率高、產(chǎn)品復(fù)水性好。又如利用真空冷凍干燥設(shè)備將傳統(tǒng)菜肴干制，在家簡單復(fù)水后即可食用且品質(zhì)較好。徐競[17]以回鍋肉為研究對(duì)象，研究真空干燥回鍋肉最優(yōu)工藝為復(fù)水含量140%～150%，溫度65℃～85℃，時(shí)間20～30min為最優(yōu)。然而，學(xué)者們對(duì)于微波干燥設(shè)備的熱能形式還存在爭議；對(duì)于非熱效應(yīng)及特殊效應(yīng)的概念還存在混淆。部分研究學(xué)者認(rèn)為微波干燥技術(shù)的干燥效果中包含傳統(tǒng)加熱方法中不具備的非熱效應(yīng)；還有部分學(xué)者認(rèn)為微波干燥技術(shù)中具有干燥的特殊效應(yīng)?？偨Y(jié)得出，非熱微波干燥技術(shù)與加熱溫度并不具有相關(guān)性，無法用溫度界定。而微波特殊效應(yīng)與溫度之間具有一定的相關(guān)性。因此，為了更加科學(xué)化地加熱、干燥食物，應(yīng)深入探究微波干燥技術(shù)的熱能表現(xiàn)形式。

表2 加工方法對(duì)肉制品中雜環(huán)胺含置的影響

2.2 烹飪方法的應(yīng)用進(jìn)展

烤主要是通過空氣和烤汁作為傳熱介質(zhì)進(jìn)行傳熱的，傳熱形式為熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)?？揪哂猩郎厮俣瓤?、可形成獨(dú)特風(fēng)味的特點(diǎn)。因此在日常烹飪中廣泛應(yīng)用?？偨Y(jié)國內(nèi)外的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)烤制的研究主要集中于肉制品有害物質(zhì)食品安全以及營養(yǎng)品質(zhì)等方面。

食品安全方面，夏楊毅[18]采用紅外線烤制方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)烤乳豬，提高食用安全和品質(zhì)的同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)烤制時(shí)間和溫度對(duì)榮昌烤乳豬的硬度、剪切力和色澤有顯著影響，所產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)主要包括：醛類25種、酮類7種、醇6種、酸3種、醚1種、酯4種、烴類化合物15種等共計(jì)68種揮發(fā)性物質(zhì)。Sinha[19]比較以輻射傳熱方式為主的三種烹飪方式，包括鍋煎、烘烤和燒烤中牛排雜環(huán)胺有害物質(zhì)的含量，發(fā)現(xiàn)烘烤方式與煎鍋和烤制相比雜環(huán)胺含量最低?？偨Y(jié)得出，經(jīng)明火直接烤制的食品會(huì)產(chǎn)生大量的苯并芘，而紅外線燒烤有效減少了苯并芘的產(chǎn)生。燒烤時(shí)由于動(dòng)物性原料中的油脂直接長時(shí)間與明火接觸酸敗氧化進(jìn)而產(chǎn)生有害物質(zhì)。因此烘烤時(shí)減少食品與明火接觸將有助于食品安全，今后仍應(yīng)致力于研發(fā)紅外短時(shí)的烘烤設(shè)備。

食用營養(yǎng)及品質(zhì)方面，Roldan等[20]研究磷酸鹽對(duì)烤熟羊肉理化和感官特性的影響，羔羊腰部注射含有0.2%或0.4%磷酸鹽混合物溶液經(jīng)烤箱烘烤后，樣品韌性隨著磷酸鹽添加量增加而降低，多汁性得到改善，并提高了烘烤羊肉的紋理結(jié)構(gòu)。Xiao等[21]采用過熱蒸汽和沖擊復(fù)合聯(lián)用技術(shù)，與傳統(tǒng)和單一加工技術(shù)相比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)烤制食材具有更高的傳熱效率，加熱均勻，縮短加熱時(shí)間，營養(yǎng)物質(zhì)的流失程度也極大地降低。為了降低烘烤過程中原料營養(yǎng)成分的損失，可組合多種烘烤設(shè)備于一體。綜上，目前大多數(shù)烤制方面的研究多集中于營養(yǎng)控制、食用品質(zhì)安全等方面。對(duì)于烤制過程中的傳熱動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)過程并沒有過深地進(jìn)行研究，目前國內(nèi)僅有鄧力等學(xué)者致力于此方面的研究。今后應(yīng)加深對(duì)傳熱動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)方面的研究，并應(yīng)優(yōu)化烤制器械的傳熱模型，為進(jìn)一步提升肉制品食用品質(zhì)、降低烤制能源而提供有利的依據(jù)。

微波與烤的傳熱方式相同，都是利用熱輻射傳遞熱量使食物熟制，區(qū)別在于微波熱量傳遞順序由里及表，烤傳熱由表及里。微波烹飪的主要特點(diǎn)為傳熱傳質(zhì)效率高，對(duì)食物營養(yǎng)破壞程度小，可在短時(shí)間內(nèi)使食物成熟，但是風(fēng)味和色澤不突出。微波是近20年才進(jìn)入中國并逐漸普及，國內(nèi)對(duì)微波食品研究較少，只有少量點(diǎn)心和肉類預(yù)制品，幾乎沒有專門生產(chǎn)微波食品的廠家。通過分析國內(nèi)的參考文獻(xiàn)將微波處理的研究進(jìn)展總結(jié)如下：

食用營養(yǎng)及品質(zhì)方面，Henrik等[22]研究發(fā)現(xiàn)，微波加熱對(duì)蛋白質(zhì)有一定影響，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)未完全變性，微波對(duì)β-乳球蛋白的伸展和變性都有著一定的加強(qiáng)作用。Chuan等[23]在研究不同烹飪方法對(duì)彩色辣椒的抗氧化性中，運(yùn)用不同烹調(diào)方法(微波、炒、水煮)處理不同品種的辣椒，結(jié)果表明微波加熱以及炒制的烹飪方法更適合辣椒烹制成熟，并且其抗氧化成分得以最大限度地保留下來。李超[24]對(duì)微波烹飪牛肉工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究表明，試驗(yàn)最優(yōu)技術(shù)參數(shù)為：牛肉絲寬度2.5mm、青椒絲寬度2mm，加熱時(shí)間為6min、加熱火力為高火(P-100%)。綜上，不同烹調(diào)方法(烤、煎炸、微波和歐姆烹飪)對(duì)肉制品的顏色、嫩度、蒸煮損失等具有不同的影響，微波烹飪與傳統(tǒng)烹飪相比雖可降低能源，但烹調(diào)會(huì)導(dǎo)致較高的烹飪損失；微波技術(shù)有利于優(yōu)化原料蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高肉品的營養(yǎng)價(jià)值，對(duì)于某些蛋白質(zhì)，微波處理會(huì)促使其成為聚合物，降低原料的營養(yǎng)價(jià)值。因此，優(yōu)化微波設(shè)備將成為下一步的研究方向。

食品殺菌保鮮方面，微波具有一定的熱效應(yīng)，可迅速而有效殺死微生物。Juan等[25]研究發(fā)現(xiàn)微波能在短時(shí)間內(nèi)有效殺死蘋果汁中的大腸桿菌。這證明了微波加熱處理有一定的殺菌作用。Venkatesh等[5]經(jīng)過試驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)了微波加熱可實(shí)現(xiàn)對(duì)香腸的殺菌效果處理。此外，微波技術(shù)在肌肉解凍效果上也具有廣泛的研究，恰當(dāng)?shù)慕鈨龉β蕦⒂行ПＷC肉品的食用品質(zhì)。綜上，微波處理有利于食品殺菌保鮮，然而由于其加熱的不均勻性，致使食品的食用品質(zhì)遭到破壞，加之實(shí)際的生產(chǎn)中通常應(yīng)用高效的大功率微波設(shè)備，因此未來應(yīng)致力于研發(fā)微波水浴加熱技術(shù)，并提升大功率微波殺菌技術(shù)的均勻性。

3 展望

輻射傳熱與常規(guī)傳熱方式不同，多為由里及表反方向?qū)?，這使得輻射傳熱在傳統(tǒng)烹飪、食材加熱干燥和食品加工方面具有很大優(yōu)勢的同時(shí)還應(yīng)用于食物殺菌，并且不斷向其他領(lǐng)域拓寬，如催化化學(xué)反應(yīng)、新材料輻射加工處理等。然而，與歐美日等發(fā)達(dá)國家相比，我國對(duì)于烹飪傳熱機(jī)理研究不夠深入，烹飪加工設(shè)備研究力度不夠，起步較晚。輻射傳熱對(duì)溫度較為敏感，一旦過度輻射傳熱便會(huì)促進(jìn)食物中有害物質(zhì)的產(chǎn)生，導(dǎo)致食品油脂品質(zhì)的惡化，增加食品當(dāng)中的二英含量，過度輻射加熱還會(huì)導(dǎo)致食物中酶活性降低?？偨Y(jié)得出，常規(guī)加熱情況下丙烯酰胺的產(chǎn)生量為30μg/kg，而利用熱輻射加熱后食物中丙烯酰胺含量為260～276μg/kg，是常規(guī)加熱的8～9倍。其次，以輻射傳熱為主的烹飪?cè)O(shè)備制作出食物某些風(fēng)味方面的表現(xiàn)不如熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式加工食物，安全衛(wèi)生等方面并不樂觀。

食物在進(jìn)行微波輻射加熱時(shí)，本身的介電物質(zhì)含量對(duì)加熱效果有極大影響，食物加熱前的溫度與成熟所需時(shí)間有很大關(guān)系。因此，輻射傳熱原理和烹飪?cè)O(shè)備需要進(jìn)一步研究與改進(jìn)，先進(jìn)烹飪儀器更需要大力推廣。根據(jù)人們的需要及食材的性質(zhì)烹飪菜肴時(shí)應(yīng)選擇適宜的烹飪工藝和傳熱設(shè)備，為使菜肴營養(yǎng)價(jià)值高、味道鮮美，烹飪時(shí)往往采用熱輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種傳熱方式復(fù)合作用，三種傳熱方式復(fù)合作用機(jī)理需要進(jìn)一步探討。