李玉林;焦阳;王易芬
【摘 要】射频加热技术作为一种新型热加工技术,其在食品干燥、杀菌、杀虫、解冻等领域的潜力被广泛开发,并且在这些领域已有部分工业应用.文章综述了射频加热技术机理、在食品领域的应用以及射频加热过程的数学建模方法,指出了射频加热技术目前存在的加热不均匀性等问题及解决方案,并对未来研究的方向进行了展望.%The radio frequency (RF)heating is a novel technology in food industry which has the advantages of fast and volumetric heating.The potential application of the radio frequency technology has been gradually developed in many fields including food drying, sterilization/pasteurization,dis-infestation,thawing and etc.Howev-er,there are still problems like non-uniform heating problem needs further research.It was reviewed the fundamentals,applications, and mathematical modeling techniques of radio frequency heating processes in this study,and the future research needs of it were also prospected. 【期刊名称】《食品与机械》
【年(卷),期】2017(033)012
【总页数】6页(P197-202)
【关键词】射频加热;食品加工;介电特性;数学建模
【作 者】李玉林;焦阳;王易芬
【作者单位】上海海洋大学食品学院,上海 201306;上海海洋大学食品热加工工程技术研究中心,上海 201306;国家淡水水产品加工技术研发分中心﹝上海﹞,上海 201306;上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306;上海海洋大学食品学院,上海 201306;上海海洋大学食品热加工工程技术研究中心,上海 201306;国家淡水水产品加工技术研发分中心﹝上海﹞,上海 201306;上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306;上海海洋大学食品学院,上海 201306;上海海洋大学食品热加工工程技术研究中心,上海 201306;国家淡水水产品加工技术研发分中心﹝上海﹞,上海 201306;上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306;奥本大学生物系统工程系,美国 奥本 36849-5417 【正文语种】中 文
食品加热在单元操作中占据着重要的地位，其过程直接影响食品的最终质量和安全性，关系到公众的健康[1]。加热时间、目标温度、加热均匀性、能耗、产品品质等都是人们在食品热加工过程中考虑的重要因素[2]。
射频加热作为一种新型的加热方式，是利用食品分子在电磁波中的运动，使得食品在射频加热器内升温，达到加热效果。相比较传统加热方式，射频加热具有加热速度快、加热均匀、穿透深度大等优点，有潜力作为新兴技术应用于食品工业中。然而，食品物料的复杂特性均影响其在射频加热过程中的温度分布均匀性，如物料的介电特性、热特性、形状、大小、组分等[3]，使得射频加热技术在多种领域的工业应用尚需一定研究。本文拟介绍射频加热的概念、特点，及其在食品工业中的应用和现存问题，总结计算机模拟技术在射频加热中运用现状，并提出射频加热的发展前景以及未来研究的方向。
1 射频加热原理特点以及能耗分析
1.1 射频的概念
射频(Radio Frequency)是指频率为3 kHz～300 MHz的高频电磁波，一般在家用、工业、科学和医疗领域允许应用的频率为13.56，27.12，40.68 MHz[4]。
射频和微波加热过程同属介电加热过程，其原理可简单描述为在物料内部将电磁能转化为热能的过程。在介电加热过程中，由于波段加热机理不同，食品在电磁场中一般由极性分子转动或离子传导主导生热。微波加热过程由极性分子转动主导，食品中的极性分子随着高频电磁场的极性快速变化而转动，导致分子间摩擦产生热量；射频加热过程主要以离子转动生热，电场不断变化导致离子总是向带有相反电荷的方向运动，使得离子间不断碰撞摩擦生热[5]。图1分别描述了这两种机理。
图1 电磁加热过程中偶极子旋转和离子传导生热 原理示意图
Figure 1 Schematic diagram of dipole rotation and ion conduction principles in electromagnetic heating
1.2 介电特性
介电特性对射频加热食品有重要的影响，它决定了食品和电磁能之间的相互作用，也是影响射频加热效率的关键因素[6]。
介电特性主要用介电常数与介电损耗来表示，表述为：
ε*=ε′-jε″，
(1)
式中：
ε*——复介电特性，F/m；
ε′——介电常数，电介质储存外电场能量的能力，F/m；
j—— 虚数单位，；
ε″——介电损耗，电介质存损耗电场能量的能力，F/m。
对于热传递可忽略的射频加热过程，由于介电材料和电场之间的相互作用而引起的温升可用式(2)表示[7]：
(2)
式中：
ρ——物料密度，kg/m3；
Cp——物料比热，J/(kg·℃)；
ΔT——物料的温升，℃；
f——频率，Hz；
E——电场强度，V/m；
ε0——真空介电常数，8.85×10-12 F/m。
物料的介电特性受频率、温度、脂肪含量、水分含量、盐分含量等的影响[8]。一般来讲，ε′和ε″在射频频段范围均随频率的升高而减小；随温度的升高而增大；随着脂肪含量的升高而减小；随着水分含量的升高而增大；ε′随盐分含量的升高而减小，而ε″随盐分含量的升高而增大[9]。
穿透深度用于描述电磁波进入某种介质的深度，把垂直于表面的平面波的能量在介质内部衰减到它在表面值的1/e时的深度叫做穿透深度，一般用dp来表示，受温度、食品组分等影
响。可以用式(3)计算：
(3)
式中：
c——光速，3×108 m/s。
穿透深度在加热过程中用以预测待加热物料的厚度，以保证加热过程中加热效率及温度均匀性。
1.3 射频加热的优势
传统加热方式如热空气、水浴、蒸汽加热等，均依赖于食品本身的导热特性实现由外至内的加热过程，而射频加热以其整体加热的特点，与传统加热方法相比具有较大优势，见表1。
表1 射频加热与传统加热的特点对比Table 1 A comparison between radio frequency andtraditional heating项目射频加热传统加热原理 交变电磁场使得样品内部微观粒子高速
转动、振动，摩擦生热热传导、热对流加热效率电磁能到热能的能量转换效率高，且加热速度快，能够避免因加热时间长带来的食品品质劣化热能传递效率低，且加热速度慢，易导致食品品质劣化均匀性 整体加热，均匀性好，但在样品尖角处有边角过热的问题由外及内加热，均匀性差适用性 射频加热穿透深度深，更适合大宗物料、多孔介质的加热，且场强变化小加热均匀性较好[10]适合薄层、小体积样品加热选择性 对不同介电特性的成分具有选择性[11]，适用于食品的射频干燥和射频杀虫；能够穿透多种包装材料，选择性加热内部食品，避免加工后包装引起的二次污染无选择性；难以穿透包装，不适于带包装加热可操作性工艺设计及调节略复杂工艺设计及调整简单易行
与传统加热方式相比，射频加热尽管设备成本投入高，但具有能耗低的优点，在工业生产中具有优越性。Wang等[12]利用射频对核桃进行杀虫处理，探索所需能耗和成本。研究表明，当每小时对1 561.7 kg的核桃进行杀虫时，射频能源利用率为79.5%，平均每公斤能量消耗花费0.002 7美元，与溴代甲烷熏蒸的成本相当。总体来讲，射频加热能量转换效率较高，加热速度快，在能耗核算方面与传统方法相当甚至更优。
2 射频加热技术在食品工业中的应用
2.1 射频在食品干燥中的应用
食品物料热敏感性较强，干燥温度、时间等工艺参数对食品品质有显著影响。射频干燥以其整体加热、穿透深度大的优势，能够减轻食品表面结壳现象，提高传质效率，适用于去除传统干燥过程降速段难以去除的水分，显著缩短干燥时间，获得更高的食品品质。另外，将射频技术结合其他干燥方式，如：热风干燥，可得到更适于食品干燥的工艺。
Silva等[13]对澳洲坚果进行试验，用热风单独干燥时可以将籽粒水分从33%降低至1.5%，但耗时1个月以上，且游离脂肪酸值已达到1.2%(规定合格值不高于1.5%)，因此需要研究其他新的干燥工艺来缩减干燥时间，减少其营养的损失。Suchada等[14]比较了射频联合干燥和热风干燥稻米的效率，结果发现，联合干燥较热风干燥时间节约了38%以上，同时节约能耗达90%，品质无显著差异。Wang等[15]用热风辅助射频加热系统来干燥澳洲坚果，分别用40，50，60 ℃的热风联合6 kW，27 MHz的射频加热系统对坚果进行干燥，最终发现热风辅助射频加热系统干燥比单独的热风干燥时间缩短50%，并且发现单独的热风干燥比热风辅助联合干燥后的过氧化值(PV)和游离脂肪酸值高(FFA)，且在加热时间为240，360 min时数值较明显，在240 min时单独的热风干燥较热风射频联合干燥过PV和FFA分别
高出0.03 meq/kg和0.02%，而在360 min时PV和FFA分别高出0.09 meq/kg和0.04%。张波[16]利用射频热风联合干燥核桃，结果表明单独使用热风干燥和射频热风联合干燥将核桃水分含量干燥到8%分别需要240，100 min，且干燥完成后射频热风联合干燥过的核桃过氧化值明显低于热风干燥的，分别为0.34，0.58 meq/kg，而自由脂肪酸值和颜值2个指标在2种干燥之间并无显著性差异。中长波加热器
2.2 射频在食品杀菌中的应用
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