射頻微波技術(shù)在食品與農(nóng)產(chǎn)品滅菌殺蟲中應(yīng)用的研究進(jìn)展

余陽玲，馬 姝，史文青，張岱巖，閆美姣，江 昊,*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)圖書館，陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)村科技開發(fā)中心，陜西西安 710000；4.河北金沙河面業(yè)集團(tuán)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北省谷物食品加工技術(shù)創(chuàng)新中心，河北邢臺 054100）

射頻加熱作為近年來興起的一種新型的物理滅菌方法，不僅克服了傳統(tǒng)加熱方式利用傳導(dǎo)、對流和輻射等產(chǎn)生的缺陷，還可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能，穿透至物料內(nèi)部，具有升溫迅速、整體加熱、選擇性加熱的優(yōu)勢，同時(shí)能更好地保持產(chǎn)品品質(zhì)。相比于射頻滅菌，傳統(tǒng)熱處理技術(shù)滅菌時(shí)間較長，易對食品品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，喪失原有口感、營養(yǎng)與功能，甚至難以達(dá)到有效的滅菌效果。谷物中碳水化物的含量相對較多（約占干物質(zhì)的70%～80%），其中大部分均為淀粉，而淀粉是人類最主要的能量來源之一，可以為人類生命活動提供能量。另外很多谷物含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素和無機(jī)鹽，近年來，全谷物食品發(fā)展趨勢令人矚目。同時(shí)谷物含水量大多較低，一般認(rèn)為所有生物生長繁殖及生化反應(yīng)均需要水的參與，低含水量可以抑制微生物生命活動和食品腐敗，一般認(rèn)為安全性較高。然而很多微生物或害蟲在低含水量環(huán)境中能維持休眠或孢子、蟲卵的狀態(tài)，一旦環(huán)境適合立刻開始生長[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于我國農(nóng)村糧食和食用農(nóng)產(chǎn)品流通、儲運(yùn)及加工科技陳舊，設(shè)施落后，特別是農(nóng)戶儲糧甚至停留在原始狀態(tài)，造成的撒失、霉變、蟲害、鼠害等產(chǎn)后損失數(shù)量巨大，據(jù)估算，每年約三、四千萬噸糧食損失，足以養(yǎng)活1.5 億到2.0 億人口[2]。

傳統(tǒng)的殺蟲殺菌方式一般為傳統(tǒng)加熱方式或采用微波加熱方式。傳統(tǒng)加熱方式下，熱量由物料表面逐漸傳導(dǎo)至內(nèi)部，加熱過程緩慢，并且會出現(xiàn)物料表面溫度高于中心溫度的現(xiàn)象。低水分活度食品傳熱差，且其中微生物較中、高水分活度食品耐熱性強(qiáng)，在傳統(tǒng)熱殺菌方式下，往往食品中心溫度尚未達(dá)到殺菌效果，其表面溫度已過高從而引起食品品質(zhì)下降。水作為重要的導(dǎo)熱介質(zhì)，含水量低的食品在熱傳導(dǎo)加熱時(shí)由于水分缺失導(dǎo)致傳熱效率極低，這使得傳統(tǒng)的殺菌殺蟲方式，特別對低含水量的食品再利用熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行殺菌殺蟲時(shí)效率低下。且在低含水量條件下部分休眠狀態(tài)的微生物或害蟲熱耐受能力提高，因此如何對低水分含量食品（如：谷物）進(jìn)行有效的滅菌殺蟲一直是近些年研究的熱點(diǎn)之一[3]。考慮到物料特性，介電加熱可作為有效的加熱方式用于谷物的滅菌殺蟲處理。食品介電加熱主要包括微波加熱和射頻加熱，指利用不同頻率電磁波以及利用食品物料的偶極弛豫（dipolar relaxation）和分子傳導(dǎo)和金屬傳導(dǎo)（ionic conduction）效應(yīng)產(chǎn)熱從而達(dá)到滅菌殺蟲的目的。區(qū)分微波和射頻主要看其所處頻率[4]，一般來說，2450 和915 MHz 所處微波頻率范圍內(nèi)，而13.56、27.12 和40.68 MHz 是批準(zhǔn)使用的民用射頻頻率[5]。與微波相比，射頻加熱在均勻性、操控性上有較顯著的優(yōu)越性，且其加熱特征比較適合低含水量食品的加熱（下文詳細(xì)介紹）[6]。本文系統(tǒng)介紹谷物的射頻滅菌殺蟲機(jī)理、效果及模擬，并對后續(xù)研究提出見解及展望。

1 射頻加熱原理及特征

1.1 射頻加熱原理

近年來關(guān)于介電加熱的研究得到人們的廣泛關(guān)注和熱烈討論[7]。介電處理可用于干燥、殺菌、加熱等食品各類操作單元[3]。而這其中射頻滅菌殺蟲也成功應(yīng)用于大量低含水量食品中（表1）[8]。射頻加熱主要以極性重排和金屬傳導(dǎo)兩種機(jī)制進(jìn)行加熱（圖1）[9]。

圖1 介電加熱原理示意圖[9]Fig.1 Diagram of dielectric heating[9]

表1 射頻能量處理低水分食品消毒殺菌性能的參考數(shù)據(jù)Table 1 Literatures on performance of disinfestation and pasteurization in low-moisture food treated by RF energy

極性重排：該機(jī)制以物質(zhì)中極性分子為目標(biāo)[10]。由于分子空間結(jié)構(gòu)特性使得一些分子如同磁鐵一樣分為兩級。這種分子稱為極性分子[11]。食品中常見極性分子包括水分子和甘油三酯分子[12]。極性分子在不斷周期性變化的電磁場作用下隨電磁場極性變化而不斷改變自己的位置，這一過程產(chǎn)生大量摩擦熱并使得物料溫度升高[12]。一般在農(nóng)產(chǎn)品熱處理中起到主要作用。電磁場頻率決定其旋轉(zhuǎn)速度[13]。

金屬傳導(dǎo)：這一機(jī)制由金屬化合物中存在的陽離子與陰離子產(chǎn)生。當(dāng)電磁場在極高的頻率下改變極性的同時(shí)帶動金屬離子不斷運(yùn)動并產(chǎn)生大量摩擦熱，從而導(dǎo)致物料溫度上升[12]。

二者共同作用使得食品在微波或射頻電磁場下溫度升高。而二者對溫度升高的貢獻(xiàn)依據(jù)原料的組成不同而不同。大多數(shù)情況下偶極弛豫是物料溫度升高的主要原因[16]。但有研究表明較低的介電頻率會使得金屬傳導(dǎo)對溫度升高的貢獻(xiàn)比提高[17]。兩種機(jī)制共同作用使得除擁有更好的穿透深度和加熱均勻性以外[19]，RF（radio frequency）加熱更適用于低含水量原料的加熱[20]。

1.2 食品原料的介電特性

原料的介電特性是用于度量物料吸收及轉(zhuǎn)化電磁波能量的重要參數(shù)。介電特性是物料的基本屬性之一，與原料組成和孔隙率等因素息息相關(guān)，同時(shí)不同電磁頻率下物料介電特性也表現(xiàn)出差異[22]。食品原料的介電特性一般由介電常數(shù)（ε′）和介電損耗（ε"）組成。ε′用于表示食品原料儲存電磁波的能力，與食品內(nèi)部電磁場分布和電磁波穿透物料特性有關(guān)。ε′′用于表示物料吸收電磁波的能力（與產(chǎn)熱有關(guān)）[23]。

作為食品中廣泛存在的極性分子，水是影響介電特性最直接的因素。較高水分含量通常意味著較多的極性分子數(shù)量。對谷物等低水分含量食品而言，在頻率范圍內(nèi)谷物的介電特性由結(jié)合水的分子振動和Maxwell-Wagner 效應(yīng)共同決定。對于各向異性的電介質(zhì)材料，由于各部分介電系數(shù)和電導(dǎo)率不同，因而也顯示不同的介電特性。在有外電場作用的情況下，介質(zhì)內(nèi)部將會出現(xiàn)電荷積累，這種現(xiàn)象就是Maxwell-Wagner 效應(yīng)。而電磁場中自由水的偶極弛豫效應(yīng)受到很大抑制，導(dǎo)致介電常數(shù)和介電損耗數(shù)值也偏低[24]。較少的極性分子數(shù)量這一特征有利于谷物等低含水量食品的危害元素控制。當(dāng)有害微生物或害蟲含水量高于食品本身時(shí)，其吸收電磁波并轉(zhuǎn)化為熱量的能力也明顯高于谷物等食品原料。這一選擇性加熱的特征使得除熱效應(yīng)外RF 處理更能有效地產(chǎn)生控制危害的效果。大量研究已經(jīng)證實(shí)了RF 滅菌殺蟲的有效性[25]。研究結(jié)果表明油菜籽中害蟲的電磁能量轉(zhuǎn)化效率比油菜籽高1.7～17.3 倍[26]，而損耗因子高6.8～43.9 倍[27]。綜合考慮物料特性、電場強(qiáng)度和電磁分布等因素，認(rèn)為在相同加熱條件下油菜籽中害蟲的升溫速率比油菜籽高1.4～10.1 倍[28?29]。這種特性使得RF 可選擇性地對原料中的害蟲進(jìn)行快速升溫從而提高殺滅效果。

物料介電特性在不同頻率電磁場中表現(xiàn)不同。加熱動力學(xué)與電磁場頻率、物料的ε′和ε"直接相關(guān)。當(dāng)電磁場強(qiáng)度與頻率固定時(shí)，物料的電磁能量轉(zhuǎn)化效率，即ε"的大小直接影響物料的升溫效果。一般食品原料中含有大量的水和一定量的金屬離子使得其有較大的ε"，而導(dǎo)致其升溫速率一般較高。

1.3 射頻加熱設(shè)備

目前主流的RF 加熱設(shè)備主要包括自由電子振蕩器RF 加熱系統(tǒng)和50 Ω 能量調(diào)節(jié)RF 加熱系統(tǒng)（圖2）[30]。自由電子振蕩器系統(tǒng)由變壓器、整流器、振蕩器并用一個(gè)電感電容對作為儲存回路。這幾個(gè)元件構(gòu)成了射頻發(fā)生器。由變壓器提升電壓并由整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。然后通過振蕩器轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的電磁能量。電子振蕩器射頻系統(tǒng)將物料置于上下極板之間，對極板通入射頻發(fā)生器處理過的能量，從而產(chǎn)生一定頻率的電磁場，并將物料作為電容并產(chǎn)生加熱效果。這種設(shè)備不能直接調(diào)節(jié)功率，只能調(diào)節(jié)電流大小來獲得一定的輸出功率。但是設(shè)備構(gòu)造較為簡單，成本較為低廉[29]。

50 ΩRF 系統(tǒng)類似于自由電子振蕩器系統(tǒng)。由一個(gè)晶體振蕩器持續(xù)穩(wěn)定的輸出一定頻率的弱信號。信號經(jīng)由放大器擴(kuò)大后由同軸電纜傳送至RF觸發(fā)器。此時(shí)一個(gè)恒定的50 Ω 的電阻與觸發(fā)器組成回路，在控制系統(tǒng)的操縱下通過調(diào)節(jié)信號強(qiáng)度穩(wěn)定輸出恒定功率的射頻頻率電磁波。因此50 Ω 可直接調(diào)節(jié)輸出功率，更加穩(wěn)定的對物料進(jìn)行處理[31]。

自由電子振蕩器RF 加熱系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便及設(shè)備價(jià)格較低使得其應(yīng)用更為廣泛[3]。與之相比50 Ω 能量調(diào)節(jié)RF 加熱系統(tǒng)能更加精準(zhǔn)的控制輸出電磁頻率及功率[32]。但由于設(shè)備價(jià)格昂貴而導(dǎo)致使用率偏低[33]。RF 加熱設(shè)備可以通過諸如熱風(fēng)、真空等其他輔助方式結(jié)合，以達(dá)到進(jìn)一步提高加熱效率、降低能耗、改善加熱均勻性的目的（圖2A）。

圖2 射頻加熱設(shè)備示意圖[30]Fig.2 Schematic view of RF system[30]

1.4 射頻加熱效果

介電加熱主要特征之一就是高加熱效率。RF加熱屬于內(nèi)源性加熱方式，主要利用物料內(nèi)部極性分子在電磁場中不斷運(yùn)動摩擦生熱而使得物料溫度提高，這一特性使得RF 處理在加熱滅菌殺蟲能效上有較大優(yōu)勢[34]。Zhou 等[35]研究了糙米的射頻加熱特性。發(fā)現(xiàn)加熱速率隨著極板間距增加而減小。當(dāng)極板間距為10、11 和12 cm 時(shí)3.9 kg 糙米中心溫度由25 °C 提升至50 °C 所需時(shí)間分別為2.7、4.3 和7.0 min。而升溫速率分別為9.25、5.80 和3.56 °C /min。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)物料溫度基本呈線性升高，與傳統(tǒng)熱風(fēng)加熱相比，由于低下的熱傳導(dǎo)效率，相同位置達(dá)到50 °C 時(shí)熱風(fēng)加熱需480 min，RF 加熱在與傳統(tǒng)加熱方式的加熱速率上的優(yōu)勢一目了然。

隨著水分活度的降低一些微生物和害蟲的耐熱性隨之增加。Xu 等[36]研究了小麥粉、杏仁粉和乳清蛋白中沙門氏菌（Salmonella enteritidisPT30）在不同含水量下的耐熱性，認(rèn)為雖然波動較大（R2=0.89），但總體趨勢是隨著水分活度降低沙門氏菌的耐熱性得到增強(qiáng)。Tang 等[25]同樣研究了沙門氏菌（S. enteritidis）和糞腸球菌（Enterococcus faecium）在80 °C 下的致死動力學(xué)，認(rèn)為隨著水分活度下降兩種菌的耐熱性明顯增強(qiáng)（圖3）。由于微生物與害蟲的特性使得選擇適宜的加熱方式尤為重要，射頻的高效性、內(nèi)源性加熱及選擇性加熱的特性可保證其對于低含水量食品中污染微生物及害蟲的殺滅效果。

圖3 腸球菌和糞腸球菌在80 ℃的SiO2 模型中變化[25]Fig.3 Changes of Enterococcus and Enterococcus faecalis inSiO2 model at 80 ℃[25]

2 射頻加熱的應(yīng)用

2.1 殺菌/殺蟲效果

由于微生物與谷物等低含水量食品、害蟲與谷物等低含水量食品在介電特性上的巨大差異使得二者在RF 加熱時(shí)的升溫速率及溫度上出現(xiàn)巨大差異。這一特性有助于在保持食品原有性質(zhì)的基礎(chǔ)上獲得好的殺滅效果。目前已有不少文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于RF應(yīng)用于低含水量食品的滅菌殺蟲報(bào)道。包括大米中米象（Sitophilus oryzae）的殺滅測試[37]，咖啡豆中蛀蟲的殺滅測試[38]，開心果中的印度菜蛾（Indianmeal moth）殺滅測試[39]，面粉、杏仁粉和乳清蛋白粉中沙門氏菌（Salmonella enteritidisPT30）的殺滅測試[39]，面粉中沙門氏菌（S. enteritidis）和糞腸球菌（Enterococcus faecium）的殺滅測試[40]，小麥玉米籽粒中真菌的殺滅測試[41]以及麥芽的RF 滅酶測試[42]。且研究大多取得了良好的效果，與熱傳導(dǎo)方法相比RF 加熱能非常顯著的縮短加熱時(shí)間。Ling 等[43]發(fā)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)（5.6 和5.5 min）1.8 kg 去殼和脫殼開心果經(jīng)RF 處理可以達(dá)到55 °C，而這一溫度足以殺滅五齡印度菜蛾。類似結(jié)果也得到了其他研究人員的證實(shí)[44]。微生物在低水分含量下耐熱性會得到增強(qiáng)，探究RF 處理對谷物等原料的微生物殺滅效果也是重要的研究目標(biāo)。Hu 等[44]研究了紅辣椒粉中鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）在RF 處理下的殺滅效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在初始水分活度0.57 條件下70、80 和90 °C RF 處理180 s 能使樣品目標(biāo)微生物帶菌量分別下降3.2、3.9 和 5.6 log CFU/g。而初始水分活度0.64條件下相同溫度和處理時(shí)間RF 處理則使樣品目標(biāo)微生物帶菌量分別下降4.8、5.2 和 6.1 log CFU/g。同時(shí)作者還研究了初始水分活度0.71 與0.74 的情況，認(rèn)為水分活度對微生物耐熱性影響顯著。這一研究結(jié)果同樣的到了其他研究人員的證實(shí)[45]。初始水分活度降低不僅提高了有害生物的耐熱性，還使得物料內(nèi)熱傳導(dǎo)效率降低。

2.2 RF 處理對原料質(zhì)量的影響

偶極弛豫和金屬離子傳導(dǎo)共同作用使得物料在RF 頻率電磁場下溫度升高。而RF 是否對原料其它組分造成影響則直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，同時(shí)也可能在食品原料儲藏過程中產(chǎn)生一定影響。

Jiao 等[46]利用RF 技術(shù)對水稻進(jìn)行滅菌處理，發(fā)現(xiàn)處理前后的稻谷、糙米和大米在粗蛋白含量、脂肪含量、脂肪酸組成上差異不大（P>0.05），但直鏈淀粉含量有所降低。這與Jiang 等[11]的研究結(jié)果一致。結(jié)果指出淀粉在介電處理下出現(xiàn)解鏈反應(yīng)。Wang等[47]發(fā)現(xiàn)RF 處理后花生和堅(jiān)果中過氧化值和游離脂肪酸含量增加，并且隨著處理時(shí)間延長而含量增加量變大。推測原因在于加熱使得物料生化反應(yīng)速率增大。

加熱處理主要影響原料中熱敏性成分，這使得同樣為低含水量食品的堅(jiān)果、干果和調(diào)味料等食品對RF 處理比較敏感。Yu 等[50]利用RF 處理油菜籽并測定其品質(zhì)指標(biāo)。結(jié)果表明RF 處理后的油菜籽發(fā)芽率降低。并且其初始含水量與物料能達(dá)到的最高溫度呈反比關(guān)系。這可能是由于RF 處理影響其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和酶活。進(jìn)一步分析得知由于溫度升高造成油菜籽脫水使得皺縮率增大而影響到商品價(jià)值。然而對于不同初始含水量油菜籽（5%、7%、9%和11%）壓榨得到的油的品質(zhì)（色澤、過氧化值、茴香胺值、氧化穩(wěn)定性和碘價(jià)）在不同處理溫度（30～80 °C）RF 處理后改變并不明顯。Pegna 等[51]利用RF 處理杏脯中甲蟲（Carpophilus hemipterus）污染問題，認(rèn)為RF 處理對杏脯的色澤有細(xì)微且差異不顯著的影響。利用RF 處理的帶殼開心果也取得了類似的結(jié)果。由于溫度升高對葉綠素和蘆丁產(chǎn)生一定影響使得帶殼開心果的果仁的亮度明顯下降。結(jié)果表明RF 處理對儲藏期內(nèi)開心果的水分活度和脂肪酸組成無明顯影響（P>0.05）。同時(shí)數(shù)據(jù)還表明3 個(gè)月后樣品的酸價(jià)和過氧化值才開始增高，表明RF 處理對酶有一定的殺滅作用[51]。

Zhou 等[13]利用RF 處理中試設(shè)備研究了大米、糙米和稻谷的加熱特性。依據(jù)優(yōu)化后參數(shù)發(fā)現(xiàn)RF 處理對原料的水分含量、蛋白質(zhì)含量和組成、脂肪酸含量和組成以及灰分未產(chǎn)生明顯影響。設(shè)備參數(shù)設(shè)定為27.12 MHz、RF 功率：6 kW、極板間距：11.5 cm、輔助熱風(fēng)溫度：50 °C、傳送帶速率：12.5 m/h，在此條件下在達(dá)到設(shè)定溫度后加熱6 min。此條件下三種樣品（大米、糙米和稻谷）的能量轉(zhuǎn)化率達(dá)到77.7%、76.3%和74.3%，處理量分別達(dá)到268.8、247.3和 224.8 kg/h。

2.3 谷物RF 處理模型研究

交流電產(chǎn)生的正弦曲線在確定頻率ω=2πf 能在上下極板間產(chǎn)生周期性極性變化電磁場。當(dāng)食品原料放在上下極板之間時(shí)除會改變原本極板之間的電磁場分布外還需要考慮電磁波的穿透性以及物料內(nèi)部的電磁場分布。由于電磁波能量會被原料部分吸收，因此大部分食品原料在電磁場中都可定義為“損耗物質(zhì)”。這部分被吸收的能量則轉(zhuǎn)化為熱能供物料提升溫度[52]。然而實(shí)際情況比單純理論研究要復(fù)雜得多，包括設(shè)備設(shè)計(jì)及操作參數(shù)、物料組分及均勻性、溫度和物料含水量等都會對電磁場分布造成影響，如何建立解決實(shí)際操作的模擬方程需要對RF加熱過程有非常深入的理解。Maxwell 方程能夠?qū)χ芷谛宰兓碾姶艌鲞M(jìn)行模擬[53]，可用于RF 頻率電磁場的模型擬合。結(jié)合分析物料邊緣效應(yīng)、初始條件、穿透深度、反射情況、透過率和電磁波吸收能力即可對RF 或者M(jìn)W 加熱過程進(jìn)行初步模擬[54]。

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高以及各種軟件的開發(fā)使得模擬過程大為簡化且精度大為提高。這其中有限元法（finite element method, FEM）和有限域差分法（finite difference time domain method, FDTD）是應(yīng)用最廣泛的介電加熱模擬方法[55]。其他有報(bào)道的方法還包括傳輸線矩陣法（transmission line matrix,TLM）[56]和廣義矩估計(jì)法（method of moments,MoM）[57]。與FDTD 相比，F(xiàn)EM 有更高的實(shí)際模擬精度。其將整體的操作過程簡化為幾何模型并將之拆分為很多單元操作元素，每個(gè)元素利用簡單的四邊形或三角形，或立體結(jié)構(gòu)的四面體或六面體來表示。構(gòu)成結(jié)構(gòu)的角代表著一個(gè)參數(shù)。由于這一拆分方法不需要非常貴的的網(wǎng)格對齊模式，使得其在易用性與靈活性方面大大提高[57]。

Jiao 等[58]利用FEM 法分析麥粒的RF 加熱均勻性。并利用COMSOL（Comsol V. 4.3b, Comsol AB,Stockholm, Sweden）進(jìn)行軟件分析，將麥粒按顆粒大小分為五個(gè)等級。結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒小的麥粒模擬結(jié)果接近于真實(shí)情況，但是相應(yīng)的模擬時(shí)間會延長。研究人員將塑料立方體盒子內(nèi)放置910 g 麥粒樣品。并記錄6 個(gè)點(diǎn)的溫度變化。利用實(shí)際測量溫度與計(jì)算機(jī)擬合操作做對比。結(jié)果顯示6 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)溫度變化均呈y=X 線性分布，且與模擬結(jié)論基本吻合。多位研究人員在包括大豆、小麥、花生上進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證并取得了類似的結(jié)果[59]。Ozturk 等[29]研究了初始含水量和溫度與介電特性（ε′和ε"）及穿透性的聯(lián)系并建立相應(yīng)模型。結(jié)果表明回歸模型能很好的擬合試驗(yàn)結(jié)果（P<0.0001）且回歸系數(shù)為0.968

2.4 谷物RF 處理均勻性研究

加熱均勻性一直是阻礙介電技術(shù)發(fā)展的一大難題。雖與MW 相比RF 由于波長較長使得其在加熱均勻性和可操控性上有一定優(yōu)勢，但介電加熱的特性決定了局部過熱或加熱不均現(xiàn)象還會存在。對RF頻率電磁場下物料加熱不均的影響因素主要包括樣品尺寸、形狀、比表面積、加熱設(shè)備以及物料本身水分分布不均勻等因素[3]。同時(shí)電磁波的邊緣聚集效應(yīng)、熱逸散效應(yīng)和尖端聚集效應(yīng)等也會產(chǎn)生熱區(qū)[60]。Alfaifi 等[5]認(rèn)為將物料及容器的邊緣磨圓且盡量減少凸起可改善加熱均勻性，并且調(diào)整電極電壓及間距并輔助強(qiáng)制空氣流通可明顯改善加熱均勻性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)將小麥顆粒放于聚丙烯（PP）材料制得的立方容器中在50 Ω RF 加熱系統(tǒng)中進(jìn)行熱處理時(shí)產(chǎn)生的熱區(qū)大多集中在立方容器尖端位置上，而低溫區(qū)域大多集中在中心的豎直位置中，特別是處于表層或底層的樣品容易出現(xiàn)低溫區(qū)域。樣品體積同樣與加熱均勻性有關(guān)，當(dāng)樣品體積較大時(shí)加熱均勻性較好，特別是當(dāng)樣品尺寸與上極板面積相當(dāng)時(shí)其加熱均勻性最佳?？紤]到樣品特性與排放，RF 處理適合量較大的樣品進(jìn)行加熱[61]。當(dāng)谷物樣品置于容器中時(shí)可考慮調(diào)整容器大小從而獲得較好的加熱均勻性。同時(shí)可通過調(diào)節(jié)擺放位置和極板間距來獲得最佳加熱效果。

如何提高RF 加熱均勻性，避免局部過熱，通過改進(jìn)設(shè)備外包括外包裝、原料均質(zhì)化、多層原料加熱、添加外源性高介電材料、改變物料形狀、使物料運(yùn)動和輔助加熱等多種方法都可有效的改變加熱均勻性。Huang 等[62]指出物料的RF 加熱均勻性與介電特性和周圍介質(zhì)及包裝材料的密度有關(guān)，如果包裝或環(huán)繞介質(zhì)的密度較小則有利于提高物料的加熱均勻性。這為提高RF 加熱溫度分布均勻性提供了一個(gè)快捷簡便的解決方式。Huang[63]等同時(shí)對比利用聚丙烯和聚苯乙烯作為包裝材料進(jìn)行大豆的加熱處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯容器可明顯改善加熱均勻性。分析原因在于聚苯乙烯密度更接近于原材料，從而導(dǎo)致加熱過程不會產(chǎn)生明顯的電磁波吸收不均。此外還有利用云母作蓋子放置于內(nèi)部以聚丙烯塊作為介電內(nèi)核的花生樣品中可有效改善加熱均勻性的報(bào)道。同時(shí)云母蓋的大小越接近樣品容器大小且厚度在一定范圍內(nèi)增加對加熱均勻性會產(chǎn)生積極影響，而添加的聚苯乙烯可有效提高溫度上升速率[59]。Zheng等[64]發(fā)現(xiàn)15%濕基含水量的玉米在聚醚酰亞胺容器中的RF 加熱均勻性優(yōu)于聚苯乙烯和聚丙烯容器。其他材料包括利用聚氨酯泡沫[65]和聚醚酰亞胺[46]均被用于制作加熱容器且能改善加熱均勻性。

利用熱風(fēng)輔助加熱除能改善原料表面水分分布不均、提高加熱速率和維持溫度在一定范圍內(nèi)[44]。Jiao 等[41]利用熱風(fēng)輔助RF 加熱玉米和小麥籽粒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低溫加熱時(shí)（60～65 °C），熱風(fēng)輔助RF 加熱10 min 后原料酶活有所提高，而在將溫度提升至70 °C 后加熱均勻性得到提升。結(jié)果同時(shí)還表明與對照組（未開熱風(fēng)組）相比，熱風(fēng)輔助RF 加熱在樣品色澤上無明顯差異（P>0.05）。

3 結(jié)果與展望

目前在工業(yè)領(lǐng)域RF 加熱技術(shù)已成功應(yīng)用于木材、紡織、礦業(yè)與食品焙烤等方面[66]。與常規(guī)加熱技術(shù)相比，RF 加熱明顯縮短操作時(shí)間、減少設(shè)備占地且能一定程度改善最終產(chǎn)品質(zhì)量。低頻率電磁波用于加熱處理時(shí)偶極弛豫對升溫貢獻(xiàn)所占比例降低而離子傳導(dǎo)所占比例升高，這一特性使得RF 加熱更適用于低含水量食品加工[67]。RF 殺菌殺蟲優(yōu)越性可歸納為：

（1）經(jīng)濟(jì)性和高效性：由于介電加熱利用金屬離子傳導(dǎo)和極性重排效應(yīng)對物料進(jìn)行加熱，與傳統(tǒng)加熱方式相比熱轉(zhuǎn)化效率有很大優(yōu)勢。另外由于低頻率電磁波用于加熱處理時(shí)偶極弛豫對升溫貢獻(xiàn)所占比例降低而離子傳導(dǎo)所占比例升高，以及低含水率食品中較低的熱傳導(dǎo)率[68]，這些因素使得RF 加熱適合糧食等低含水量食品的滅菌殺蟲操作。

（2）穿透性：以27 MHz 為例，此頻率下電磁波波長為11 m，長波長使得RF 頻率電磁場有較好的穿透性和內(nèi)部加熱均勻性。

（3）整合便利性：聯(lián)合加熱由于能整合各種加熱方式的優(yōu)越性而應(yīng)用范圍越來越廣。良好的聯(lián)合加熱裝備線應(yīng)當(dāng)吸取各種加熱方式的特點(diǎn)，并能達(dá)到縮短加熱時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低操作難度等目的。RF 加熱系統(tǒng)可以方便整合熱風(fēng)、真空、熱循環(huán)等加熱方式，以達(dá)到提高加熱效率、增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量的目的[66]。

盡管RF 加熱優(yōu)越性突出，目前在工業(yè)上并未得到廣泛應(yīng)用。主要原因在于：

（1）缺乏實(shí)驗(yàn)成果與實(shí)際生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化，這其實(shí)涉及因素較多：設(shè)備投資大、原有裝備的處理、操作難度較大、設(shè)備維修不易等均導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用受限。如何破除原有觀念，打消企業(yè)顧慮，除完善相應(yīng)研究領(lǐng)域，提供生產(chǎn)示范外，還需相應(yīng)政策支持。

（2）缺少模型研究：利用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)可對加熱操作進(jìn)行模擬，然而目前RF 加熱的模擬研究比較匱乏；對于其能耗和成本方面的研究與模型建立同樣比較匱乏。這些數(shù)據(jù)的缺乏導(dǎo)致專用RF 設(shè)備開發(fā)遇到瓶頸[67,69]。

（3）大量農(nóng)產(chǎn)品對溫度耐受力弱，導(dǎo)致很多食品不適合熱加工。

（4）作為谷物等低含水量食品，除微生物和害蟲污染外，芽孢和蟲卵等污染同樣不能忽視。而目前對這些污染物的殺滅試驗(yàn)十分匱乏。需驗(yàn)證RF 對這些污染物的控制效果。

（5）電磁波利用分子振動摩擦產(chǎn)熱，能量除產(chǎn)生熱效應(yīng)之外還伴隨非熱效應(yīng)。目前缺乏對RF 非熱效應(yīng)的研究，也缺少證據(jù)表明其對危害物控制起到直接或間接影響[15,51]。

（6）對物料的介電特性研究同樣較為匱乏。介電特性受電磁頻率、溫度、含水量和物料構(gòu)成等因素影響。研究物料的介電特性能提高操作便利性并為設(shè)備研發(fā)及加熱過程參數(shù)測定提供必要理論支持。

相對于微波加熱，RF 加熱在加熱均勻性和穿透深度上更具優(yōu)勢。其加熱特性也使得其更適合糧食等低含水量食品的加熱處理。國家發(fā)展規(guī)劃將糧食安全問題提到非常重要的高度，而糧食儲藏加工技術(shù)作為糧食安全的保障之一也受到越來越多的重視。我國南方地區(qū)濕度較大容易導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品發(fā)生儲藏真菌、細(xì)菌及害蟲污染，威脅食品安全，造成大量損失并危害人民和牲畜的健康。目前我國對糧食增產(chǎn)豐收提供了強(qiáng)有力政策及資金支持，而推廣新型農(nóng)產(chǎn)品及糧食等低含水量食品的先進(jìn)儲藏加工技術(shù)同樣關(guān)系著我國糧食政策是否能夠順利推行。多項(xiàng)研究結(jié)果已經(jīng)證明射頻技術(shù)在糧食等農(nóng)產(chǎn)品的滅菌殺蟲上存在重大潛力。今后的研究方向應(yīng)集中在設(shè)備研制、殺滅效果、產(chǎn)品理化指標(biāo)變化等方向上，具體包括：

（1）專用RF 設(shè)備研發(fā)：依據(jù)環(huán)境及處理對象的不同，開發(fā)新型專用RF 設(shè)備。避免在設(shè)備調(diào)試及參數(shù)設(shè)定上消耗過多資源，減少成本，最大限度發(fā)揮RF技術(shù)的優(yōu)越性。

（2）對蟲卵、菌絲、孢子等的滅活效果：目前RF 滅菌殺蟲技術(shù)多集中在微生物及成蟲的殺滅效果上，對蟲卵、菌絲、孢子等研究不足。而大部分蟲卵、菌絲、孢子等未成熟個(gè)體與成熟體殺滅條件差異很大，需要通過深入研究RF 對這些污染物的殺滅效果并確定操作條件，以達(dá)到確保食品安全的目的。

（3）對產(chǎn)品理化結(jié)構(gòu)營養(yǎng)特性影響研究：目前RF 處理前后糧食等低水分含量農(nóng)產(chǎn)品的理化結(jié)構(gòu)營養(yǎng)特性變化相關(guān)研究結(jié)果較為缺乏。需通過對農(nóng)產(chǎn)品RF 處理前后特性進(jìn)行對比研究，找出特性變化規(guī)律、有針對性的調(diào)節(jié)操作與設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到節(jié)能保質(zhì)的最終目的。