射頻技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品和食品加工中的應(yīng)用

潘帝

射頻技術(shù)（RF）即Radio Frequency的簡(jiǎn)稱，是一種新型的現(xiàn)代熱處理技術(shù)，通過(guò)將3.0kHz-300.0kHz的高頻電磁波穿透至目標(biāo)物體內(nèi)部，使目標(biāo)物體內(nèi)部帶電粒子發(fā)生振蕩遷移產(chǎn)生熱能，進(jìn)而完成對(duì)目標(biāo)物體的加熱處理。上世紀(jì)40年代就有人嘗試將射頻技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品及食品加工領(lǐng)域，主要方向?yàn)榻o面包、肉制品加熱以及蔬菜脫水。隨著射頻技術(shù)不斷發(fā)展，射頻技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。因此，針對(duì)在農(nóng)產(chǎn)品及食品加工領(lǐng)域中，應(yīng)用射頻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、可行性、以及存在的問(wèn)題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

射頻加熱系統(tǒng)基本工作原理分析

農(nóng)產(chǎn)品及食品加工行業(yè)所使用的射頻加熱系統(tǒng)，主要以射頻平行極板式加熱系統(tǒng)為主，其主要結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化理解為，由兩塊上下平行的極板組成的電容器，如圖一所示。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，操作人員將目標(biāo)物體放置于平行極板之間，啟動(dòng)設(shè)備，在極板的作用下，交變電磁場(chǎng)對(duì)目標(biāo)物體做功，如忽略極板邊緣的雜散電場(chǎng)，可視為目標(biāo)物體受射頻能量作用的方向?yàn)榇怪睒O板方向。

目標(biāo)物體在射頻能量的作用下，其溫度會(huì)不斷上升。目標(biāo)物體射頻能量的吸收量，主要由其本身介電損耗因子決定。射頻場(chǎng)中的目標(biāo)物體的升溫速率，可由如下公式進(jìn)行計(jì)算：

（2）較之微波加熱方式。射頻加熱技術(shù)與微波加熱技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在設(shè)備建設(shè)投資少、能量穿透能力強(qiáng)兩方面。

由電磁波穿透一般規(guī)律可知，電磁波的頻率與其在物體中的穿透深度為反比例關(guān)系，射頻的頻率范圍為3.0kHz-300.0kHz，微波的頻率范圍為300.0MHz-300.0GHz，故而射頻加熱的穿透能力更強(qiáng)。此外，使用微波對(duì)大塊食物進(jìn)行加熱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生邊角集中效應(yīng)，這是由于當(dāng)物料厚度大于1.5倍的電磁波穿透深度時(shí)，微波能量會(huì)在食物表面下1倍穿透深度區(qū)域集中，在實(shí)際應(yīng)用中就會(huì)出現(xiàn)食物邊角焦糊但中并未熟透的現(xiàn)象。

射頻發(fā)生器的最大功率為900Kw，相比之下微波發(fā)生器的功率普遍偏低，如2450MHz的微波發(fā)生器的最大功率為10Kw。在微波加熱設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿足實(shí)際使用需求，通常需設(shè)計(jì)多個(gè)微波發(fā)生器，從而導(dǎo)致建設(shè)成本的增加。就一般情況而言，如加熱要求相同，射頻加熱系統(tǒng)的建設(shè)成本僅為微波加熱系統(tǒng)的一半左右。

射頻及時(shí)應(yīng)用劣勢(shì)及缺點(diǎn)分析

（1）熱偏移現(xiàn)象。在射頻設(shè)備實(shí)際加熱過(guò)程中，目標(biāo)物體的介電損耗因子會(huì)隨著溫度不斷升高而不斷增大，從而導(dǎo)致目標(biāo)物體吸收的射頻能量不斷增多。在這一過(guò)程中，如目標(biāo)物體內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度較高的現(xiàn)象，就會(huì)使射頻能量在該區(qū)域內(nèi)集中，從而導(dǎo)致目標(biāo)物體出現(xiàn)局部過(guò)熱問(wèn)題，即熱偏移現(xiàn)象。因此，在射頻技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制電磁場(chǎng)分布及初始溫度均勻情況，以滿足系統(tǒng)均勻加熱實(shí)際需求。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化電磁場(chǎng)做功模式，即可有效解決熱偏移問(wèn)題。

（2）尖角效應(yīng)。尖角效應(yīng)具體是指，如使用射頻加熱技術(shù)對(duì)不規(guī)則形狀的物體進(jìn)行加熱，射頻能量易在物體最厚的部位集中，導(dǎo)致物體受熱不均，局部出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。由于這一特性，射頻加熱在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于目標(biāo)物體的外形要求較為嚴(yán)格，只有形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則的物體才能得到均勻的加熱。這就導(dǎo)致射頻技術(shù)在民用領(lǐng)域發(fā)展困難，更適用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)使用。

射頻技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

殺菌。根據(jù)相關(guān)科研人員對(duì)于炒雞蛋、袋裝切片面包、火腿、乳酪通心粉等食物的射頻殺菌實(shí)驗(yàn)可得，射頻對(duì)于食品中微生物孢子的殺除效果明顯，可有效提高食物品質(zhì)、延長(zhǎng)保質(zhì)期。使用射頻及熱風(fēng)聯(lián)合對(duì)袋裝切片面包進(jìn)行處理，加熱速率約是傳統(tǒng)單一熱風(fēng)處理模式的30倍。當(dāng)面包冷點(diǎn)溫度逐漸升高至58.0℃時(shí)，袋裝切片面包中含有的桔青霉孢子數(shù)明顯降低，平均可降低四個(gè)數(shù)量級(jí)左右。如使用傳統(tǒng)加熱方式進(jìn)行殺菌處理，需將面包加熱至68.0-70.0攝氏度，并保持20.0min左右，才能滿足實(shí)際殺菌需求；如使用傳統(tǒng)殺菌工藝對(duì)乳酪通心粉進(jìn)行殺菌處理需持續(xù)90.0min，使用射頻技術(shù)可將時(shí)間縮短60min左右，從而提高食物質(zhì)量。

通過(guò)熱風(fēng)和射頻聯(lián)合處理的袋裝切片白面包可延長(zhǎng)35d±3d的保存期，使用高阻隔材料進(jìn)行包裝且經(jīng)過(guò)射頻處理后的火腿，其保質(zhì)期可延長(zhǎng)到28d左右。

干燥。干燥是射頻加熱技術(shù)應(yīng)用于食品領(lǐng)域最早的試驗(yàn)項(xiàng)目之一。隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，食品射頻干燥技術(shù)也隨之不斷發(fā)展，并取得了相應(yīng)的成績(jī)。其中餅干類焙烤制品加工中射頻干燥技術(shù)應(yīng)用廣泛，并已經(jīng)形成商業(yè)化的生產(chǎn)模式。

肉制品蒸煮。Tang等研究人員針對(duì)射頻加熱在熱制品蒸煮領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探究，他們分別使用火雞胸肉和牛腱子肉進(jìn)行了蒸煮實(shí)驗(yàn)。首先，將肉進(jìn)行定型包裝；其次，將肉制品放入循環(huán)水中，控制循環(huán)水溫度80.0℃左右；最后，使用射頻對(duì)肉制品進(jìn)行加熱，使其冷點(diǎn)溫度逐漸升至73.0℃，維持2min左右的循環(huán)水、射頻加熱時(shí)間。新型加熱方法與傳統(tǒng)加熱方法相比，可節(jié)約69.0%-77.0%左右的時(shí)間。通過(guò)感官評(píng)定可知，兩種加熱處理后的肉制品在感官上并無(wú)明顯差異。通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量結(jié)果可知，通過(guò)射頻加熱的牛肉韌性降低明顯。通過(guò)射頻加熱處理的火雞肉，紅度較低，并且在冷藏過(guò)程中，脂肪氧化速率降低明顯。

殺蟲

（1）鮮果殺蟲。由Wang、Hansen等人的射頻鮮果殺蟲研究可知，通過(guò)脈沖處理或熱水、射頻聯(lián)合處理，均能對(duì)蘋果中含有的第五齡蘋果小卷蛾進(jìn)行有效殺除，但經(jīng)射頻處理后的蘋果并不能保障其品質(zhì)不發(fā)生變化。

針對(duì)射頻殺蟲技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，先使用熱水對(duì)鮮果進(jìn)行預(yù)熱處理，隨后使用熱水、射頻聯(lián)合處理，可在清除蘋果內(nèi)部第三齡墨西哥果蠅以及第五齡蘋果小卷蛾的基礎(chǔ)上，較好地控制蘋果的品質(zhì)，該方法應(yīng)用于櫻桃、柿子同樣可保障鮮果的品質(zhì)。經(jīng)過(guò)射頻處理后的柿子、蘋果，外觀上顏色有所加深、硬度增加，水果含水量有所下降，總體對(duì)于鮮果的食用品質(zhì)影響不大，且可有效延長(zhǎng)貯存期。通過(guò)射頻殺蟲處理的櫻桃，僅能再5℃溫度條件下，貯藏24h左右，但其品質(zhì)普遍優(yōu)于溴化鉀熏蒸殺蟲處理后的櫻桃。

鮮果品質(zhì)較難保障的原因在于，鮮果與害蟲的介電特性差異性較小。在實(shí)際射頻處理過(guò)程中，二者常被一起加熱，從而影響鮮果的品質(zhì)。通過(guò)技術(shù)優(yōu)化改良后，可在殺蟲的同時(shí)，控制鮮果品質(zhì)。

（2）核桃殺蟲。核桃常見蟲害包括臍橙蠕蟲、蘋果小卷蛾以及玉米粉蛾三種。相關(guān)研究表明，通過(guò)射頻加熱將核桃升至53℃，維持加熱時(shí)間3min左右，即可將蘋果小卷蛾全部殺死；升溫至55℃，并維持加熱時(shí)間5min左右，即可將第五齡臍橙蠕蟲全部殺死。經(jīng)過(guò)射頻殺蟲處理的核桃，其感官品質(zhì)、外殼質(zhì)量以及氣味均無(wú)明顯影響。

綜上所述，射頻技術(shù)在食品加熱領(lǐng)域，與傳統(tǒng)加熱方式及微波加熱方式相比優(yōu)勢(shì)明顯，但同樣存在熱偏移和尖角效應(yīng)缺陷，故而不適用于在民用領(lǐng)域推廣，更適用于食品加工及農(nóng)產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)使用。射頻技術(shù)在食品殺菌、殺蟲、干燥、蒸煮等方面，均有較好的表現(xiàn)。相關(guān)部門應(yīng)重視射頻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，加大推廣力度，提高農(nóng)產(chǎn)品及食品加工品質(zhì)，提高人們生活質(zhì)量。

（作者單位：武昌工學(xué)院）