射频技术及其在低水分活度食品中的应用

邓 云 王竹怡 钟 宇 岳 进

钱炳俊 王丹凤 赵艳云

（上海交通大学食品科学与工程系，上海 200240）

射 频 （radio frequency，RF）是 指 频 率 范 围 为 3～300MHz的高频交流电磁波。射频加热是依靠物体吸收电磁波能将其转换成热能，不须任何热传导过程，物料内部和表面几乎是同时加热、同时升温的快速加热新技术［1］。与传统加热方式相比，RF不仅干燥速率快，而且加热也较为均匀。射频比微波加热具有更好的加热均匀性、更大的穿透深度、更稳定的温度控制和更高的产品质量。同时，射频是一种非离子化辐射技术，不同于X－射线或伽马射线产生的高能量能改变分子结构，它产生的能量不会使水分子离子化，因此被视为安全的热处理方法。RF技术具有无化学污染、杀菌灭虫效率高和对原有物质品质无损伤等优点，在工业、农业和医疗方面都有广泛应用。目前，13.56，27.12，40.68 MHz是工业和医疗行业中常用的射频频率［2］。自20世纪中期开始，射频技术已逐渐被用于食品或农产品的干燥、蒸煮、加热、解冻、烫漂和杀菌等［2］。由于食品或农产品中的污染物（细菌、害虫等）的介质损耗因数明显高于处理物料，所以RF首先对害虫进行选择性加热，这样在短时低温下获得满意的灭菌效果，且RF加热均匀、不损伤分子结构及维持产品的品质。因此，RF技术在低水分食品或农产品（水分活度≤0.6）如坚果、大米等的杀菌或保鲜等领域的应用成为国际上的研究热点。

1 射频加热原理

射频加热属于介电加热，当介质处于电场中时，在高频交变电场作用下，物体中一些偶极分子如水、脂肪等交替的带上正电荷和负电荷，取向极化。由于极性变化极为迅速（比如27MHz，2 700万次／s），分子仍然持续通过触发运动使其自己再次对准电场的极性。邻近分子之间的碰撞产生的动能和摩擦力能够在产品内产生热量。此外，电离作用可以解离加热介质中的离子，相反电荷离子的相互碰撞使介质发热。射频加热基本可分为平行电极板、偏置电极和交错电极（staggered electrodes）3种［3］。平 行 板 电 极 系 统 是 最 常 用的一种RF系统：被加热介质置于两平行电极板之间，且不与电极接触，多用于加热或干燥比较厚的材料。在偏置电极RF系统中，一系列棒状或管状电极（相邻电极极性相反）位于同一平面，且与加热介质平行，适用于厚度不高于10mm的薄层产品。交错电极RF系统中的两排棒状、杆状或管状电极位于传送带两侧，电场强度由改变两排交错电极之间的距离来控制，适用于高度小于10mm的物料的处理。与偏置电极设计相比较，交错电极RF系统的电场更均匀。

2 介电特性及测定

与高频加热有关的介电性能包括材料的磁导率（permeability）、电容率（permittivity）和导电性等［4］。材料的介电常数（ε′）和损耗因数（ε″）由电容率决定，它们都影响了RF加热效果。ε′和ε″是介电特性ε的实部和虚部：

式中：

ε—— 介电常数；

ε′—— 介电常数实部；

ε″——介电常数虚部即损耗因数。

其中ε′与材料的电容特性有关，在恒定条件下ε′是一个常数，它反映了材料吸收、传导和反射电能的能力。ε″与材料的电阻特性有关，将电磁能转换为热能的能力。低ε″的材料吸收能量少，在电场中的加热效果很差。绝大多数食品物料的ε″是正值且小于其ε′。理论上，ε″＝ε′tanδ，其中δ为损耗角，tanδ损耗角正切，是所消耗的能量与储存能量之比，称为耗散因数或介质损耗正切。当ε′和ε″同时都很小时，电磁波穿透深度最深。理论上介质损耗因数与穿透深度呈反比。但是，介电常数对穿透深度的影响比耗散因数（tanδ）的影响更大一些。如果耗散因数小于1，它的影响是非常小的。材料组成成分也会影响RF穿透深度，比如穿透深度随着盐的加入而降低，随脂肪和水分含量增加而增加［5］。

文献［6～8］概括了目前常用的介电特性的7种测定方法：同轴探针法、平行板法、传输线法、集总电路、谐振腔法、自由空间法和时域光谱法。选择何种测定方法取决于所测定的材料、所需频率的范围和准确度以及设备成本等因素。目前测定食品介电特性的最常用方法有3种：同轴探针法、传输线法和谐振腔法（图1）。同轴探针法是利用反射系数与介质的阻抗关系来计算复介电常数，该法提供了宽带频率测量，减小了样品的干扰。该法对样品形状和盛装样品的容器没有特殊的要求，使用简便易行 （图1（a））。传输线法是将样品置入封闭的传输线中，必须恰好填满传输线的横截面，如图1（b）所示。该法比探针法更准确更灵敏，但操作困难且耗时。相比较而言，谐振腔法采用了单模谐振腔，将已知形状的样品放入腔中，谐振腔反射功率和共振频率的变化可用来计算样品的介电特性（图1（c））。该法比较准确，尤其适合低介电损耗因数的样品，但只能提供在固定频率下的介电特性［6］。

3 低水分活度食品的介电特性的研究

材料的介电性能主要取决于频率、温度、水含量和化学组成等因素［1，11］。与大量有关食品在微波频率条件下的介电性能的数据比较而言，关于食品尤其是低水分活度食品或农产品在RF频率范围内的介电性能的可利用信息非常有限［12，13］。当去壳黄色饲料玉米水分含量从10%增加到35%，其介电常数在频率为20MHz时从3.4增加到6.7，在300MHz时从2.8增加到5.2。相对损失因数、耗散因数和导电性与水分含量没有特定的规律，在20MHz时ε″的最大值为22.5，频率为300MHz时ε″的最大值为11.2［14］，介电常数和温度时间呈线性关系。靳志强等［15］采用网络分析仪和同轴探头技术测定了含水率为13%～22%的玉米在频率10～3 000MHz、温度25～85 ℃下的介电性能：在10～3 000MHz和25～85℃下玉米的介电常数和介电损耗因数随频率升高而逐渐降低，随温度和含水率上升而增加。Nelson［16］开发频率范围在5～12GHz的不同容积密度和水分含量的糙米、高粱米和白米的介电常数的预测模型，该模型是采用频率为5，20，40，100，300，1 000，2 450，11 660MHz下所得的数据建立的，其常数可用来计算每一种频率和水分含量条件下每一种大米的介电常数。模型提供一种可操作的简便方法用于估计大米的介电常数，但为了其精确值需要进行直接测量。含水量为11%～16%的糙米的介电常数随着频率的增加而单调减少，从50Hz频率下的10～20减少至12GHz频率下的2～3。损耗因数随着频率的增加而下降，但是没有呈现介电常数那样的规律。低水分含量的高粱米和白米的损耗系数在1～100MHz范围内呈增加趋势。当频率超过5MHz，大米的容积密度与ε′间呈线性关系。25℃下容积密度为0.66～0.83g／cm3、水分含量介于9%～21%的硬质红冬小麦品种的介电损耗因数随频率升高而增加，但在最高的频率下则存在介电弛豫的迹象［17］。介质损耗因数通常随着水分含量的增加而增加，但是其变化和频率是不一致的。每一个品种在高水分含量和高频率条件下，介质损耗因数都会出现弛豫。

图1 测定介电特性的常用方法［6，9，10］Figure 1 Common methods to measure food dielectric properties［6，9，10］

Lawrence等［18］测定了在0～40℃、水分含量3.2%～8.9%、频率0.100～110MHz条件下机械去壳山核桃仁随温度变化的介电常数。山核桃介电常数和损耗系数随着频率的增加而下降，随着温度的下降而下降。Wang等［9］测定了杏仁和胡桃在20～60℃，27.12MHz条件下的介电特性。杏仁的介电常数和损失因数分别为5.8～6.0和0.6～1.2，而胡桃的介电常数和损失因数分别为4.9～5.3和0.3～0.6。开放末端同轴探头技术测量显示在频率10～300MHz，温度25～100℃，水分含量3%～32%（干基）的澳洲坚果果仁的介电特性：穿透深度随频率和温度上升而降低，损耗因数随温度和水分含量降低而减小［3］。

Boldor等［19］测定了不同密度、温度和水分含量的带壳和去壳花生在300～3 000MHz条件下的介电特性。结果显示带壳花生的介电常数和损失因数的值分别在0.01～0.2和0.005～0.05，去壳花生的介电常数和损失因数的值分别在0.05～0.5和0.01～0.2。文献［20］研究了20 ℃和130MHz～4GHz条件下豌豆的介电常数。豌豆的介电常数和损耗因素均与频率（100～450MHz）高度线性相关，而且水分含量控制介电常数从5.5～5.8到18～20以及损耗因数（1～6）的变化。豌豆中的水分大多数是非结合水，在频率为276MHz时，相对介电常数和水分含量在本质上呈线性关系。

Ma等［21］发现在9.4MHz条件下，当水分含量恒定时，绿茶的介电常数的实部（17～30）和虚部（20～3.6）与密度（0.261～0.580g／cm3）线性相关。

4 射频技术在低水分活度食品中的应用

射频加热能具备了改善食品质量的潜能，可以潜在地提高产品质量，所以射频加热在食品工业领域的前景一片光明。目前该技术成功用于烘烤、热烫、解冻和干燥等食品加工领域，但在低水分活度食品中的应用研究报道仍不多，主要集中在坚果和大米等产品。

4.1 坚果

Wang等［22］发现RF在3min内将胡桃核心升到53℃并保持5min，能够全部杀死三龄和四龄飞蛾害虫，对胡桃的过氧化值和脂肪酸没有影响。此外，胡桃在27MHz下加热到55℃，接着在热空气中保持5min，RF全部杀死了五龄的海军橙色虫，除水分含量略微降低外，对胡桃酸度、感官品质和壳特性没有影响［23］。Nelson等［24］观察到RF可以控制美洲山核桃的象鼻虫，但降低了种子的发芽率。RF在56℃下保持7min能完全杀死蛹，在55～58℃下5～10min能有效控制豆类的象鼻虫和茶水蛾，且不影响种子发芽率［25］。当澳洲坚果水分含量达到0.03kg／kg干基时，热风－射频联合干燥的干燥效率是单独热风干燥的2倍，且坚果的氧化程度随干燥时间增加而增加［3］。

4.2 大米

Pattaya等［26］考察了射频对稻谷仓储中危害最严重的害虫－谷蠧的杀灭作用，研究表明：在27.12MHz，70℃条件下处理3min，可100%杀死谷蠧，而稻谷生活力维持在91%。Suchada等［27］比较了热风及射频热风联合干燥稻谷的干燥效率，相较于单一热风模式，联合干燥使得干燥时间节约了38%以上，节约能耗可达90%，对大米品质影响不大。在60℃以上射频处理大米，会使大米色泽变亮、黄度加深、硬度上升、粘弹性下降，而在60℃以下射频处理的大米品 质 与 对 照 无 显 著 差 异［28］。Pan［29］研 究 表 明 RF（16.6MHz，45～60℃，1～4h）和红外辐照（5 300W／m2，10～30s）有效地杀死了侵害大米的谷蠹和麦蛾，不影响大米碾磨品质，但是RF加热过程中导致大米的水分含量降低了0.53%。Mirhoseini等［30］发现面粉中害虫在13.56MHz、45℃下 处 理45s，或 27.12MHz、46 ℃ 下 处 理35s，40.68MHz、47℃下处理15s后完全被杀死，杂拟谷盗在13.56，27.12，40.68MHz下 的 敏 感 温 度 分 别 是 40，38，43℃；大米中害虫在13.56MHz、57℃下处理105s，或27.12MHz、58℃下处理95s后完全被杀死，米象在13.56，27.12MHz下的敏感温度分别是48，50℃。Langua－Solar等［31］报道了RF在55～50℃下处理糙米5min对麦蛾的杀死率可达99%。

4.3 其它

此外，Sacilik等［32］研究了水分含量（5.33%～16.48%）、容积密度和RF频率（5～10MHz）对葵花籽介电特性的影响，发现水分含量是影响种子介电特性最重要的因素，介电特性随着水分含量和容积密度的增加而增加，随着RF频率的增加而降低。Lyman等［33］研究表明RF处理减少了棉籽自由脂肪酸的形成，但引起了异味的产生。RF处理抑制了黄豆中的生长抑制酶活性，保持比未经处理的黄豆更好的品质［34］。油菜籽在压榨之前经过RF预处理后提高了油菜籽出油率，且不改变油的品质［35，36］。

5 展望

射频技术作为一种快速加热方法，具有良好的灭虫杀菌效果，对人体和环境无危害。在食品保鲜与加工方面有独特优势，既改善食品的保质期和安全性，又可以用于开发高附加值的新型产品。因此，射频加热技术在低水分活度食品保鲜和加工有着广阔的发展前景。但是，食品化学组成存在差异，需要更多的研究以建立食品介电特性数据库及潜在的包装；作为新型杀菌手段，需要进一步研究RF对失活微生物的效率，对产品品质及货架期的影响，以及杀菌过程温度在产品中的分布。此外，为满足将来RF在大规模工业化体系中的应用，RF处理过程中的传热传质特性模拟、加工效率、经济成本等也需进一步深入研究。这将为RF在食品工业或农业中的发展和应用提供有利的技术支撑。

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