射頻場(chǎng)內(nèi)孔分散結(jié)構(gòu)對(duì)物料溫度分布及其殺蟲(chóng)效果的影響

肖 逵，唐亞麗，2*，盧立新，2，丘曉琳，2，王 軍，2

（1 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214122 2 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇無(wú)錫 214122）

射頻加熱是一種利用射頻能使物料升溫的加熱方法。在射頻加熱過(guò)程中，交變電磁場(chǎng)使得場(chǎng)中物料含有的極性分子高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而與周圍的物料分子摩擦、碰撞，釋放出熱量促使物料升溫。射頻加熱具有整體加熱，加熱速率快，無(wú)接觸加熱等優(yōu)勢(shì)，在食品加工領(lǐng)域有很大應(yīng)用前景[1]。射頻殺蟲(chóng)就是其一[2-4]。傳統(tǒng)化學(xué)熏蒸法的殺蟲(chóng)劑殘留會(huì)危害環(huán)境和人體健康，若長(zhǎng)期使用，害蟲(chóng)還會(huì)產(chǎn)生耐藥性[5]，而經(jīng)過(guò)射頻殺蟲(chóng)的食品安全、無(wú)殘留，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒害作用。比如在Yang 等[6]的研究中，射頻加熱180，300，420 s 后米蛾在卵、幼蟲(chóng)、成蟲(chóng)階段的致死率達(dá)到100%，儲(chǔ)藏45 d 后無(wú)米蛾出現(xiàn)，處理后的大米品質(zhì)無(wú)顯著變化。Hou 等[7]使用射頻來(lái)殺滅米中的谷蠹，發(fā)現(xiàn)射頻加熱到54 ℃保持11 min，可使谷蠹死亡率達(dá)到100%。Jiao 等[8]使用射頻協(xié)同強(qiáng)制熱風(fēng)將被蟲(chóng)侵染的小扁豆加熱至60 ℃并保持10 min，豇豆象鼻蟲(chóng)的死亡率達(dá)到100%。Ling 等[9]將開(kāi)心果射頻加熱到溫度超過(guò)52℃并在55 ℃熱風(fēng)下保持2 min，可使五齡印度粉蛾的死亡率達(dá)到100%。這些研究均說(shuō)明射頻殺蟲(chóng)具有很好的應(yīng)用前景。

然而，目前射頻殺蟲(chóng)也還存在著一些問(wèn)題，比如邊角過(guò)熱的問(wèn)題，這使得邊角區(qū)域的蟲(chóng)子可能先死亡，而中央冷區(qū)的蟲(chóng)子則需要更長(zhǎng)時(shí)間才能死亡，且邊角區(qū)域的高溫會(huì)破壞食品品質(zhì)。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外已提出許多關(guān)于改善射頻加熱均勻性的方法，如攪拌[10]，旋轉(zhuǎn)[11-12]，間歇加熱[13]，改變周圍或者內(nèi)部介質(zhì)材料[14-17]，改變樣品大小和放置位置[18]，熱風(fēng)輔助[19]，物料分隔[20-21]等。然而，這些方法在改善加熱均勻性的同時(shí)往往也降低射頻加熱速率。如果可以通過(guò)改善容器結(jié)構(gòu)，使加熱均勻性得到改善的同時(shí)提升加熱速率，在提高射頻殺蟲(chóng)效率的同時(shí)減少因邊角過(guò)熱而帶來(lái)的食品品質(zhì)下降問(wèn)題，就有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從Zhang 等[20]和Song 等[21]的研究中得知，將物料分隔后可以改善加熱均勻性。劉嫣紅等[22]的研究提到射頻可快速加熱多孔物料，而吳雪梅[23]在其專著中解釋了含氣泡的介質(zhì)材料在交變電磁場(chǎng)下可能發(fā)生擊穿，從介質(zhì)材料在交變電磁場(chǎng)下的特性來(lái)說(shuō)，多孔物料中空氣間隙的存在，使物料內(nèi)電磁場(chǎng)的分布發(fā)生變化。本文的研究目的是將多孔與分隔兩種思路結(jié)合起來(lái)，探究孔分散結(jié)構(gòu)對(duì)物料射頻加熱速率和加熱均勻性的影響；探究孔分散結(jié)構(gòu)在射頻殺蟲(chóng)應(yīng)用中的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

大米（含水率13.1%），歐尚超市；外徑分別為6，10，16，22，28 mm 的單側(cè)壁厚1 mm 的聚丙烯空心管，直徑22 mm 的聚丙烯實(shí)心棒，155 mm×107 mm×60 mm 的聚丙烯保鮮盒；赤擬谷盜和米象，從湖南湘鄉(xiāng)農(nóng)村地區(qū)的小糧倉(cāng)獲得。

平行極板射頻系統(tǒng)，無(wú)錫旭洲智能科技有限公司，功率和極板間距均可調(diào)，所有樣品射頻加熱時(shí)均采用5 700 V 的陽(yáng)極電壓和85 mm 極板間距；恒溫恒濕箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；HT-9815 熱電偶溫度計(jì)，東莞市鑫泰儀器儀表有限公司；Fluke Ti95 紅外熱像儀，美國(guó)Fluke 公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 孔方向?qū)ι漕l加熱速率和加熱均勻性的影響 選擇直徑22 mm 的8 個(gè)豎向孔，2 個(gè)橫向孔來(lái)探究孔方向的影響，孔的數(shù)量是根據(jù)二者排開(kāi)的物料體積很接近來(lái)確定的，即2 個(gè)橫向孔和8個(gè)豎向孔所排開(kāi)的物料體積很接近。盒子上的孔是用電烙鐵加工的，摩擦力可將管固定，豎向和橫向分別按照?qǐng)D2b 和2g 排布，橫向的管直接貫穿盒身，豎向的管則與蓋相連，物料高度均為40 mm，置于下極板中心位置加熱10 min 后，迅速取出并將盒蓋打開(kāi)，用紅外熱像儀拍取加熱后物料的上表面溫度分布，并用熱電偶溫度計(jì)測(cè)定加熱前、后幾何中心和側(cè)面中心的溫度。加熱速率取10 min 內(nèi)平均加熱速率，加熱均勻性指數(shù)λ 按照?qǐng)D1所示13 點(diǎn)取樣法獲得13 點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，按照式（1）計(jì)算。

圖1 溫度均勻性指數(shù)計(jì)算取樣點(diǎn)Fig.1 Sample points for temperature uniformity index calculation

圖2 孔分散結(jié)構(gòu)的分布Fig.2 Distribution of pore dispersed structure

式中，σ——樣品最終溫度的標(biāo)準(zhǔn)差；σ0——樣品初始溫度的標(biāo)準(zhǔn)差；μ——樣品的最終溫度，℃；μ0——樣品的初始溫度，℃。

1.2.2 空實(shí)心對(duì)射頻加熱速率和加熱均勻性的影響 為探究聚丙烯和空氣這兩種低介電介質(zhì)形成的分散結(jié)構(gòu)對(duì)于促進(jìn)射頻加熱速率及均勻性的影響，將直徑22 mm 的聚丙烯空心管和聚丙烯實(shí)心棒分別構(gòu)成如圖2b 所示的豎向8 孔分散結(jié)構(gòu)，按照1.2.1 節(jié)的步驟加熱，測(cè)定加熱速率并計(jì)算加熱均勻性指數(shù)。

1.2.3 孔數(shù)量對(duì)射頻加熱速率和加熱均勻性的影響 按照?qǐng)D2a～2d 所示，探究當(dāng)直徑為22 mm 時(shí)，孔數(shù)量為1，4，5，8，9，12 時(shí)，射頻加熱速率和均勻性的變化。其中，1 孔時(shí)對(duì)應(yīng)圖2a 的位置3；4 孔時(shí)對(duì)應(yīng)位置1，2，4，5；5 孔時(shí)對(duì)應(yīng)位置1，2，3，4，5。所有均為空心孔。根據(jù)中心位置是否設(shè)置孔分成兩個(gè)小組：表1中C1、C2、C3 為一小組，即孔數(shù)為1，5，9 的樣品；C4、A4、B4 為另一小組，即孔數(shù)為4，8，12 的樣品。按照1.2.1 節(jié)的步驟加熱，測(cè)定加熱速率并計(jì)算加熱均勻性指數(shù)。

表1 組別編號(hào)與組別對(duì)應(yīng)情況Table 1 Group number and corresponding samples

1.2.4 孔徑對(duì)射頻加熱速率和加熱均勻性的影響 將直徑為6，10，16，22，28 mm 的聚丙烯空心管按照?qǐng)D2d 所示的12 孔排布，按照1.2.1 節(jié)中的步驟加熱，測(cè)定加熱速率并計(jì)算加熱均勻性指數(shù)。

1.2.5 分布方式對(duì)射頻加熱速率和加熱均勻性的影響 按照?qǐng)D2b，2e，2f 的方式為3 種不同的分布方式，即等距分布、交錯(cuò)分布和冷區(qū)集中分布。按照1.2.1 中的步驟加熱，測(cè)定加熱速率并計(jì)算加熱均勻性指數(shù)。以上所有試驗(yàn)均重復(fù)3 次。

1.2.6 孔分散包裝結(jié)構(gòu)在射頻殺蟲(chóng)上的應(yīng)用 以無(wú)孔作為對(duì)照，將12 孔22 mm 的分散結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大米的射頻殺蟲(chóng)，12 孔結(jié)構(gòu)不再用摩擦力固定，而是將孔結(jié)構(gòu)通過(guò)雙面膠固定在盒內(nèi)底部，固定好后將裸露在外的雙面膠用保鮮膜包好，同時(shí)封好頂部的孔，防止粘上蟲(chóng)子或蟲(chóng)子掉進(jìn)孔中，粘貼固定好所有分散孔結(jié)構(gòu)后，將稱量好的相應(yīng)質(zhì)量的大米裝進(jìn)保鮮盒中，使物料高度為40 mm，再將115±3 只蟲(chóng)子放進(jìn)盒內(nèi)，快速蓋好蓋子以防蟲(chóng)子跑出，然后在恒溫恒濕箱中放置1 d 待蟲(chóng)子分散于盒內(nèi)各處后，對(duì)于赤擬谷盜的殺蟲(chóng)試驗(yàn)，將樣品置于下極板中心位置分別加熱7，8，9，10 min；對(duì)于米象的殺蟲(chóng)試驗(yàn)，無(wú)孔樣品分別加熱6，7，8，9，10 min，12 孔的樣品分別加熱6 min 和7 min。加熱時(shí)間是根據(jù)蟲(chóng)子的耐受溫度區(qū)間以及在之前試驗(yàn)中12 孔升溫情況確定的。加熱完成后統(tǒng)計(jì)盒內(nèi)蟲(chóng)子總數(shù)及蟲(chóng)子死亡數(shù)并計(jì)算蟲(chóng)子死亡率。為排除蓋上蓋子這個(gè)因素對(duì)蟲(chóng)子生命力造成的影響，試驗(yàn)前已經(jīng)將含有同樣體積物料和相同數(shù)量蟲(chóng)子的合蓋狀態(tài)樣品在室溫下放置3 d，無(wú)蟲(chóng)子死亡，說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)室溫下合蓋并不能造成蟲(chóng)子死亡，因此可以忽略合上蓋子對(duì)于蟲(chóng)子死亡的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 孔方向?qū)ι漕l加熱速率和加熱均勻性的影響

結(jié)合圖3（a，d，e）和表2中A0、A3、A4 的加熱速率與加熱均勻性可以看出，橫向孔由于水平貫穿了物料，導(dǎo)致孔的正上方物料厚度低于周圍，從而使得該區(qū)域的溫度明顯低于周圍，加熱均勻性比對(duì)照組差，而等距分布的豎向8 孔的加熱均勻性就相對(duì)比對(duì)照組好很多，且在促進(jìn)加熱上效果顯著。這與Song 等[21]的研究結(jié)果有相似之處：在將物料沿豎直方向分層后，發(fā)現(xiàn)在加熱均勻性上，8層的優(yōu)于4 層的，4 層優(yōu)于不分層的，而在加熱速率上則正好相反，即不分層方案的加熱速率最大，4 層次之，8 層最小，這說(shuō)明從豎直方向上分散物料后，相當(dāng)于減小了單層物料的厚度，而已有研究規(guī)律表明，物料厚度越大則加熱速率越大[24]。因此，如果想要在改善加熱均勻性的同時(shí)保證加熱速率不受影響甚至進(jìn)一步提高加熱速率，那么從豎直方向上進(jìn)行分隔是很難實(shí)現(xiàn)的。

圖3 不同孔方向、分布方式和空實(shí)心的大米溫度分布（℃）Fig.3 Temperature distribution of different pore directions，distribution modes and hollow solid of rice （℃）

表2 各組加熱速率及加熱均勻性Table 2 Heating rate and heating uniformity of different samples

2.2 空實(shí)心的影響

結(jié)合圖3（e，f） 和表2中A0、A4、A5 可以看出，二者均可以促進(jìn)加熱，這是因?yàn)樵诮蛔兩漕l場(chǎng)中，因?yàn)榭諝猓é拧?1；ε"=0）和聚丙烯（ε′=2.0；ε"=0.0023）[15]的介電損耗因子和大米（ε′=4.68；ε"=0.42）相比很小，所以它們所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)比周圍固體物料的要高[23]，因此能夠提高其周圍物料的加熱速率。然而，空心管組成的分散結(jié)構(gòu)效果不論是在加熱速率上還是在加熱均勻性上都優(yōu)于實(shí)心棒，這是因?yàn)榭諝獾慕殡姄p耗因子要比聚丙烯小，所以受電壓作用時(shí)，雖然二者同為低介電性能介質(zhì)，但是氣孔承受的電場(chǎng)強(qiáng)度較高，因此促進(jìn)氣孔周圍物料加熱的效果更好。

2.3 孔數(shù)量對(duì)射頻加熱速率和加熱均勻性的影響

從圖4可以看出，孔徑相同的情況下，整體上溫度隨孔數(shù)量的增加而升高，然而在9 孔時(shí)，促進(jìn)作用不如8 孔，這可能是因?yàn)? 孔在容器長(zhǎng)度方向上的排布數(shù)量只有3 排，而8 孔在長(zhǎng)度方向上有4 排，因此9 孔的長(zhǎng)度方向上間距相對(duì)于8 孔的反而更大，稀疏的排布導(dǎo)致9 孔的升溫速率不如8 孔快。再結(jié)合表2中A0、C1、C2、C3 和C4、A4、B4 可以看出，不論中心是否設(shè)置了孔，兩組的加熱速率都隨著孔數(shù)量增加而上升，而加熱均勻性指數(shù)則呈先降低后升高的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)楫?dāng)孔數(shù)適中時(shí)，使得冷區(qū)溫度提升，同時(shí)邊角區(qū)域過(guò)熱情況也不太嚴(yán)重，這時(shí)候具有最佳的加熱均勻性，當(dāng)加熱速率過(guò)快時(shí)，邊角過(guò)熱程度也增加，導(dǎo)致加熱均勻性下降。

圖4 不同孔數(shù)量的大米溫度分布（℃）Fig.4 Temperature distribution with different pore numbers of rice （℃）

2.4 孔徑對(duì)射頻加熱速率和加熱均勻性的影響

圖5是當(dāng)孔數(shù)量為12 保持不變時(shí)，由不同孔徑下物料上表面的溫度分布，可以發(fā)現(xiàn)，射頻加熱后隨著孔徑的增大，中央溫度較低區(qū)域的面積逐漸縮小，且邊角溫度較高區(qū)域的面積相應(yīng)增大，與對(duì)照組相比，即使只是孔徑為6 mm 的孔分散結(jié)構(gòu)也使得溫度明顯提升。再結(jié)合表2中A0、B1、B2、B3、B4、B5 對(duì)應(yīng)的加熱速率和加熱均勻性指數(shù)情況可得出結(jié)論：當(dāng)孔徑在一定范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，加熱速率總體呈上升趨勢(shì)；而加熱均勻性指數(shù)則隨著孔徑的增加而減小，表明隨孔徑增大，加熱均勻性越來(lái)越好。當(dāng)孔徑較小時(shí)，加熱均勻性比對(duì)照組差，然而，當(dāng)孔徑大于16 mm 后，均勻性比對(duì)照組有明顯改善。這可能是因?yàn)殡S著孔徑增大，孔與物料接觸面積增大，促進(jìn)加熱的作用范圍擴(kuò)大。

圖5 不同孔徑下的大米溫度分布（℃）Fig.5 Temperature distribution with different pore diameters of rice （℃）

2.5 分布方式的影響

結(jié)合圖3（b，c，e）和表2中A1、A2、A4 幾項(xiàng)的相應(yīng)數(shù)據(jù)可以看出，側(cè)面中心和幾何中心的加熱速率最快的均為等距分布，幾何中心加熱速率最慢的為冷區(qū)集中分布；在加熱均勻性上，最佳的分布方式為冷區(qū)集中分布，等距分布次之，交錯(cuò)分布最差。綜合考慮加熱速率和加熱均勻性，等距分布為最佳的分布方式，因此，在后續(xù)試驗(yàn)中均選擇使用等距分布方式。

2.6 孔分散結(jié)構(gòu)在射頻殺蟲(chóng)上的應(yīng)用

由于孔分散結(jié)構(gòu)能夠在提升加熱速率的同時(shí)改善加熱均勻性，這使得它在射頻殺蟲(chóng)應(yīng)用中有很大潛力。由于射頻殺蟲(chóng)過(guò)程中物料存在邊角熱效應(yīng)，由此在中央形成的相對(duì)溫度較低的區(qū)域會(huì)導(dǎo)致蟲(chóng)子死亡率無(wú)法達(dá)到100%。圖6展示了將這種分散結(jié)構(gòu)應(yīng)用于射頻殺蟲(chóng)后的效果，可以發(fā)現(xiàn)在其它條件相同時(shí)，射頻加熱相同時(shí)間后，有12孔分散結(jié)構(gòu)的組別蟲(chóng)子死亡率均超過(guò)無(wú)分散結(jié)構(gòu)的組別。在米象的殺蟲(chóng)試驗(yàn)中，12 孔加熱7 min 后死亡率就已經(jīng)達(dá)到100%，而對(duì)照組需要加熱10 min 才達(dá)到相同的死亡率。在谷盜的殺蟲(chóng)試驗(yàn)中，雖然12 孔分散結(jié)構(gòu)組別在加熱10 min 后也沒(méi)有達(dá)到100%的死亡率，但是與對(duì)照組相比，加熱相同時(shí)間后，死亡率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出對(duì)照組。

圖6 射頻加熱后米象（a）與赤擬谷盜（b）的死亡率Fig.6 Mortality rates of adult rice weevils （a） and the red flour beetles （b） after radio frequency heating

3 結(jié)論

本文圍繞孔分散結(jié)構(gòu)探究了孔方向、空實(shí)心、孔數(shù)量、孔徑、分布方式和含水率對(duì)射頻加熱速率的影響，發(fā)現(xiàn)孔分散結(jié)構(gòu)能夠提升大米的射頻加熱速率。具體效果體現(xiàn)為：豎向孔優(yōu)于橫向孔；空心優(yōu)于實(shí)心；相同的孔徑下，射頻加熱速率隨孔數(shù)量的增加而增大；孔數(shù)量相同時(shí)，射頻加熱速率隨孔徑的增大而總體呈增大趨勢(shì)，然而直徑10 mm高于直徑16 mm 的加熱速率?？讛?shù)量為8 孔時(shí)，在冷區(qū)集中分布、交錯(cuò)分布和等距分布3 種分布方式中，等距分布具有最佳的加熱速率和較好的加熱均勻性。將12 孔22 mm 的分散結(jié)構(gòu)應(yīng)用于射頻殺蟲(chóng)中，用于解決中央冷區(qū)蟲(chóng)子不易死亡的問(wèn)題，結(jié)果表明，在相同的射頻加熱處理時(shí)間下，含有孔分散結(jié)構(gòu)的樣品中，蟲(chóng)子的死亡率顯著高于無(wú)分散結(jié)構(gòu)的組別。