無線電波加熱技術(shù)在水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

歐陽杰　宋艷艷　胡曉亮　沈建

摘要 無線電波加熱是近年來興起的一種加熱新技術(shù)，具有物料升溫速度快、整體加熱、節(jié)能等特點，可大幅降低加熱時間，提高產(chǎn)品品質(zhì)。主要對射頻和微波2種無線電波加熱技術(shù)在水產(chǎn)品解凍、干燥、殺菌等方面的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行總結(jié)，對存在的問題及產(chǎn)生的原因進行分析，以期為無線電波加熱技術(shù)在水產(chǎn)品加工中更好的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 無線電波;加熱;解凍;干燥;殺菌

中圖分類號 TS254文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）21-0017-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.006

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

The Application of Radio Wave Heating Technology in the Processing of Aquatic Products

OUYANG Jie， SONG Yanyan， HU Xiaoliang et al

（Fishery Machinery and Instrument Research Institute， Chinese Academy of Fishery Sciences， Key Laboratory of Ocean Fishing Vessel and Equipment， Ministry of Agriculture， National R&D Branch Center for Aquatic Product Processing Equipment，Shanghai 200092）

Abstract Radio wave heating is a new heating technology that has emerged in recent years. It has the advantages of fast heating speed， energy conservation and overall heating， which can greatly reduce heating time and improve product quality. The research and application of radio wave heating technology were summarized， such as radio frequency and microwave used in thawing， drying and sterilization of aquatic products， and the existing problems and causes of radio wave heating were analyzed in this paper to provide theoretical and technical support for the better application of radio wave heating technology in aquatic products processing.

Key words Radio wave;Heating;Thawing;Drying;Sterilization

基金項目 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所基本科研業(yè)務(wù)費項目（2017YJS0012）;上海市自然科學基金項目（16ZR14 45000）。

作者簡介 歐陽杰（1983—），男，湖南婁底人，副研究員，碩士，從事水產(chǎn)品加工技術(shù)與設(shè)備研究。通信作者，研究員，從事水產(chǎn)品加工設(shè)備技術(shù)研究。

收稿日期 2019-05-22;修回日期 2019-06-03

加熱處理是水產(chǎn)品加工中最常用的技術(shù)手段之一，如解凍、蒸煮、干燥、烘烤殺菌等均需要不同程度的熱處理[1]。但熱處理過程會損害水產(chǎn)品中的熱敏性物質(zhì)，從而影響物料的品質(zhì)[2]。溫度和加熱時間是影響食品加熱過程中熱損傷程度的主要因素，傳統(tǒng)加熱方式主要通過熱傳導、熱對流等方式將熱量從外部熱源傳遞到食品內(nèi)部，加熱時間較長，加熱均勻性較差，從而造成水產(chǎn)品風味、色澤、質(zhì)構(gòu)及營養(yǎng)成分的損失[3-4]。無線電波加熱是近年來興起的一種加熱新技術(shù)，其加熱原理是利用高頻交變電磁場激發(fā)食品內(nèi)部的離子振動以及水分子極性轉(zhuǎn)動導致摩擦生熱，具有物料升溫速度快、整體加熱的優(yōu)點，可大幅降低加熱時間，提高產(chǎn)品品質(zhì)[5-9]。隨著無線電波加熱技術(shù)的不斷成熟，其在食品加工中的應(yīng)用越來越廣泛，在水產(chǎn)品加工領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多[10-13]。筆者主要對射頻和微波2種無線電波加熱技術(shù)在水產(chǎn)品解凍、干燥、殺菌等方面的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行總結(jié)，對存在的問題進行分析，以期為無線電波加熱技術(shù)在水產(chǎn)品加工中更好的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。

1 無線電波加熱在水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

近年來，無線電波加熱技術(shù)在水產(chǎn)品加工的多個環(huán)節(jié)被廣泛研究和應(yīng)用，關(guān)于水產(chǎn)品無線電波加熱解凍、干燥、殺菌等的研究報道比較多，研究主要集中在加熱過程中水產(chǎn)品的品質(zhì)變化、工藝參數(shù)優(yōu)化等，關(guān)于加熱過程中溫度分布及有效控制、加熱均勻性保障等方面的研究相對較少。

1.1 無線電波加熱解凍

射頻是無線電波的一種，其頻率在1～300 MHz，具有整體加熱的特性，無須熱傳導過程就能使被加熱物料內(nèi)外部同時加熱、同時升溫，并且加熱速度快。此種加熱方式能大大減少升溫時間，減少能耗，提高加熱的均勻性，從而提高解凍效率并最大可能地保持食品品質(zhì)[14-15]。朱傳琴等[16]研究設(shè)計了諧振頻率為27.1 MHz的平板電容式無線電波解凍系統(tǒng)，并應(yīng)用該系統(tǒng)對冷凍鲅魚進行解凍試驗，研究發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)的解凍方法，無線電波解凍能更好地保持鲅魚的感官品質(zhì)，當解凍頻率在25.1～30.8 MHz內(nèi)，解凍時間為925～1 268 s，解凍效率高，具有較好的應(yīng)用推廣前景;Jason等[17]解凍鯡魚和白鮭魚，發(fā)現(xiàn)使用無線電波（36～40 MHz，6 kW）解凍，魚體溫度可以在12.5 min內(nèi)從-29 ℃快速升高到-1～7 ℃，比起16 h的空氣解凍和3 h的流水解凍，無線電波解凍更好地保存了魚的汁液和風味;Marra等[18]利用間歇式無線電波將肉從-20 ℃升高到-8 ℃，解凍時間縮短到原來的1/30，并且溫度分布更加均勻，能量消耗更低;王亞盛[19]應(yīng)用27.1 MHz無線電波對冷凍鲅魚進行解凍，發(fā)現(xiàn)無線電波解凍鲅魚效果優(yōu)于微波解凍和一般常用的解凍方法，鲅魚升溫14 ℃所需要的平均解凍時間為17.7 min，樣品的色澤和質(zhì)構(gòu)較好，解凍均勻，在諧振時樣品魚的解凍速度最快，無線電波解凍具有快速、高效、加熱均勻等特性，有著較好的應(yīng)用價值。

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，微波解凍是指利用電磁波作用于冷凍水產(chǎn)品中的分子極性基團，特別是凍品中的水分子，使其在電場中改變極性分子的軸向排列，造成分子間互相旋轉(zhuǎn)、振動、碰撞，產(chǎn)生劇烈摩擦而發(fā)熱，解凍速度快、解凍效率高、解凍后品質(zhì)較好[20]。崔瑾等[21]研究了不同頻率的微波對黃花魚的解凍效果，表明在一定厚度內(nèi)的凍魚微波解凍效果較好，微波頻率越高，其穿透深度越小;馬燕等[22]比較了不同解凍方式下翡翠貽貝的理化品質(zhì)，結(jié)果表明微波解凍法較適宜，解凍快速且解凍后樣品的揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）值較低，感官品質(zhì)較好，翡翠貽貝的鮮度和質(zhì)量要高于空氣解凍;李念文等[23]在對大目金槍魚塊的解凍研究中也得出了相似的結(jié)論，認為微波解凍后魚肉的鮮度較好，較好地保持了金槍魚的色澤、質(zhì)構(gòu)，其菌落總數(shù)僅為3.011 CFU/g，解凍后的魚肉適合用于直接生食;劉玉敏等[24]比較了不同解凍方法對冷凍貝類和魚類解凍效果，結(jié)果表明與傳統(tǒng)空氣解凍相比，微波解凍能有效抑制腐敗微生物的生長，解凍后樣品的感官品質(zhì)較好。

1.2 無線電波加熱干燥

干燥是水產(chǎn)品加工與貯藏最常用的方法之一，除了日曬和熱風等傳統(tǒng)干燥方法外，近年來不斷涌現(xiàn)出新的干燥方法，如微波干燥，其獨特的介電加熱特性使干燥速率大大加快，同時具有選擇性和穿透性好、無余熱等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工等方面。鄭潔等[25]研究認為微波功率500 W對蝦的干燥效果最好;張倩等[26]研究了不同微波功率密度和脈沖間歇比對蝦夷扇貝閉殼肌營養(yǎng)成分的影響，并對其工藝參數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)果表明較低的微波功率和較小的脈沖間歇比有利于物料中蛋白質(zhì)、多糖、粗脂肪和脂肪酸等營養(yǎng)成分的保留。為了最大程度保留物料原有品質(zhì)，聯(lián)合2種或者多種干燥方式，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，將成為未來水產(chǎn)品干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)志強等[27]研究表明熱泵-微波聯(lián)合干燥羅非魚片可縮短1/3的干燥時間，且復水率明顯增加;張國琛等[28]研究了脫毒海星微波-真空干燥工藝的優(yōu)化，得出脫毒海星的最佳微波真空干燥條件為微波功率密度4 W/g，脈沖時間60 s 和真空度0090 Mpa;張國琛等[29]利用微波-真空干燥對蝦，結(jié)果表明微波干燥功率密度與干燥速度成正相關(guān)，與收縮率成負相關(guān)。

1.3 無線電波加熱殺菌

微波殺菌主要利用其電磁場的熱效應(yīng)和非熱生物效應(yīng)。熱效應(yīng)是指微波在微生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，破壞微生物內(nèi)部穩(wěn)態(tài)從而殺滅微生物;非熱生物效應(yīng)是指微波電場會改變微生物膜的正常電位，影響細胞內(nèi)的離子濃度，從而使細菌無法進行正常的新陳代謝進而死亡[30]。將微波技術(shù)用于水產(chǎn)品的滅菌是利用微波的選擇投射作用使食品內(nèi)外受熱均勻，迅速升溫殺滅細菌，故能很好保持物料的營養(yǎng)價值。李桂芬等[31]研究了微波殺菌對帶魚段保鮮的效果，發(fā)現(xiàn)微波殺菌試驗組在13 d后開始腐敗變質(zhì)，對照組在第3天即開始腐敗變質(zhì)，說明微波殺菌可以顯著延長產(chǎn)品的貨架期;金聲瑯等[32]以魚丸中最耐熱的大腸桿菌作為指示菌，對比了魚丸的微波滅菌和加熱滅菌效果，確定了微波強度和殺菌時間均與殺菌效果成正相關(guān)，經(jīng)微波殺菌的樣品在8 d之后檢測均保持無菌狀態(tài)，但對感官質(zhì)量與水含量的影響大于加熱滅菌;吳東雷等[33]進行了濕紫菜微波殺菌技術(shù)的研究，確定了紫菜水分含量與微波處理時間均對殺菌效果有顯著影響，在微波功率600 W的條件下處理20 s 的紫菜與常規(guī)紫菜殺菌（85 ℃殺菌30 min、100 ℃殺菌15 min）相比，殺菌時間更短，紫菜營養(yǎng)物質(zhì)保留更多，色澤更好。

2 無線電波加熱存在的問題及分析

無線電波加熱比較適合均勻性較好的物料，如魚糜和魚糜制品，加熱整魚等均勻性不是特別好的物料時，加熱過程會存在局部過熱、加熱不均勻等問題，對水產(chǎn)品品質(zhì)造成較大影響，有關(guān)無線電波加熱技術(shù)的改進仍處于實驗室探索階段，加上無線電波加熱設(shè)備的造價比較昂貴，部分還依賴進口，水產(chǎn)品加工企業(yè)實際生產(chǎn)中應(yīng)用還比較少，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的實例也較少見報道。

2.1 引起加熱不均勻的原因

盡管在過去幾十年的時間里，無線電波加熱技術(shù)迅猛發(fā)展，但溫度分布不均仍是食品介電加熱過程中的主要問題，這也是阻礙無線電波加熱技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的原因之一[34-35]。圖1為典型的加熱不均勻的物料溫度分布示意圖，物料的邊角部位溫度要遠高于中心溫度。

在無線電波加熱過程中，許多因素都會影響其溫度分布規(guī)律。首先，是食品本身的熱物性和介電特性都會隨著水分含量及溫度的改變而發(fā)生變化，一般來說，食品材料的介電損耗會隨著溫度的升高而增大，這使得無線電波加熱過程（特別是射頻干燥過程）變得更為復雜。同時，當無線電波功率較大時，不均勻加熱的現(xiàn)象也會更加嚴重，這是由于食品吸收的電磁波能與電場強度的平方成正比。因此，當無線電波功率較高時，食品冷熱點間的溫差將增大。其次，在無線電波加熱過程中，許多因素都會影響電場的均勻性。雖然無線電波加熱屬于整體加熱，但電場的不均勻分布勢必會導致食品內(nèi)部溫度的不均勻分布，食品中高溫區(qū)域意味著加熱過程中該位置的電場強度較高，而低溫區(qū)域則表示該位置的電場強度較低。影響電場分布的因素大致可分為2種：腔體本身的設(shè)計和食品負載間的相互影響。對于無線電波加熱腔來說，波導管的位置、腔體的形狀，甚至腔體中的某些懸掛部件（如攪波器）都會影響加熱腔內(nèi)電場的分布。而食品負載間的相互影響是指不同類型食品的介電特性、厚度、形狀、尺寸以及穿透深度都不相同，從而會引起電場分布的不均勻。

2.2 加熱不均勻?qū)е碌钠焚|(zhì)變化

有研究發(fā)現(xiàn)，無線電波加熱后，食品冷熱點之間的溫差可達 60～80 ℃。在無線電波加工過程中，加熱后食品品質(zhì)劣化、微生物安全等問題都是由加熱不均勻引起的。對于無線電波解凍來說，由于水的介電損耗遠遠大于冰的介電損耗，因此不均勻加熱會導致部分區(qū)域已融化，而部分區(qū)域仍處于凍結(jié)狀態(tài)，若將食品材料全部解凍至目標溫度，極易導致高溫區(qū)域汁液流失率大、解凍品質(zhì)較差。對于無線電波干燥來說，高溫會引起食品變硬，并出現(xiàn)焦化，而低溫區(qū)域則會導致水分在該區(qū)域內(nèi)聚集。對于無線電波殺菌過程來說，若在冷點區(qū)域，食品的最終溫度未達到滅菌的目標溫度，則會導致殺菌不完全，引發(fā)食品安全問題。

此外，無線電波加熱食品的溫度分布與傳統(tǒng)加熱不同。對于固體食品材料來說，傳統(tǒng)加熱方式一般為熱傳導和表面對流，熱量傳遞的方向總是由食品表面向內(nèi)傳遞，因此冷點一般位于食品的幾何中心位置，熱點則位于食品表面。而無線電波加熱后，食品內(nèi)部的冷熱點根據(jù)電場分布的不同，可位于食品中的任意位置。探究無線電波加熱食品的溫度分布規(guī)律，確定其冷熱點位置，也是保持食品加熱后的品質(zhì)、提高加熱均勻性的基礎(chǔ)，從而指導無線電波加熱工藝的優(yōu)化。

3 結(jié)語

隨著無線電波加熱技術(shù)的不斷突破以及無線電波發(fā)生裝備研發(fā)與制造技術(shù)的不斷成熟，無線電波加熱技術(shù)在水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用將不斷拓展，具有巨大的潛在市場和廣闊的應(yīng)用前景。無線電波加熱技術(shù)的研究與應(yīng)用不僅能提升水產(chǎn)品熱加工效率，提高熱能利用率，減少排放，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，而且能有效保障水產(chǎn)品及其加工制品的品質(zhì)，起到提質(zhì)增效的作用，促進水產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展 。

47卷21期 歐陽杰等 無線電波加熱技術(shù)在水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

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