食品复热技术发展与应用分析

王乐，闫宇壮，冯国勇，魏文松，刘崇歆，张春江

1.中国人民解放军32181部队（西安 710000）；2.中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品加工重点实验室（北京 100193）

在人类进化历程中，人们逐渐演化形成了以热食为主的膳食模式。经过热处理，食物变得安全、营养、美味，因此热食模式促进了人类的进化。近年来，随着食品工业的进步，社会生活节奏的加快，精深加工食品在膳食组成中的比例越来越高。食品在消费之前需要进行复热，以便达到最佳的食用体验，因此食品复热作为食品消费前的重要一环，对食品食用品质呈现发挥着重要作用。

传统的食品复热多采用明火传导加热，能源消耗大、热能利用低，且容易造成环境污染。近些年兴起的化学复热技术、电加热与复热技术等，推动了整个产业的进步。该研究旨在分析化学复热、电能复热等食品复热技术的原理、优缺点以及应用现状，为食品复热技术的研究及工业化应用提供参考。

1 化学复热技术

1.1 技术原理

化学复热技术是指在一定激发条件下，特定的热源物质和激活剂发生化学反应产热，再通过一定的传热形式，将热量传递给食品以达到复热的技术[1]。目前，常见热源形式可分为三大类：氧化反应式、水合反应式和无火焰燃烧式。其中最常用的热源是水合反应式，水合反应式的主要代表类型有生石灰与水型、铝与水型、铁与水型、镁与水型以及混合金属与水型。

1.2 技术特点

1.2.1 技术优点

第一，化学复热装置携带使用方便。目前食品用化学发热包不用火，不用电，只需加入少量水，即可实现食品复热目的，操作简单。第二，复热速度快，时间短。化学加热技术中的热源和激活剂反应迅速，可在短时间内产生大量的热量用于食品复热，而且待复热的食品多为预制食品，复热效率高。第三，使用不受时间、地点限制。化学复热方式省去了传统加热方式的复杂程序和器具，便于操作，受时间和地点的限制小。

1.2.2 技术缺点

第一，复热后产品品质亟需改善。采用目前技术复热后的食品，产品品质保持不佳，连食性较差。第二，发热装置产热率和热利用率还需提高。目前商品化发热包多为铝水型和镁铁型，反应后产生的热量利用效率较低。第三，安全性和环保性仍有不足。铝水型、镁铁型发热包在反应过程中产生氢气，在密闭环境中有爆炸风险，反应残余物作为固体废物，对环境的影响不容忽视。

1.3 应用现状

化学复热技术最初应用于军用食品的复热。美国纳蒂克研发工程中心在1980年研制出镁铁型的军用食品加热装置，实现了美军野外食品热食化保障[2]。随之欧洲、日本等国家和地区也逐渐研制出方便米饭复热装置，并逐渐形成市场化应用[3]。近年来，随着科技的进步，化学加热技术已历经了五代，包括生石灰型、铝水型、Mg/Fe型、酸酐碱酐型和空气激活型。美国HeatGenie公司研发的化学自加热装置，在食品罐体底部装设发热装置，装置扭转一定角度可启动激活发热体系，快速完成食品加热。潘国贵[4]发明的食品快速复热装置，由外壳体和内壳体两部分组成，内壳体外侧连有通水管，外壳体上设有通气装置，内、外壳体之间形成带搅拌的加热空腔，避免内部热量大量损失，复热效果较好。

2 电能复热技术

2.1 欧姆加热技术

2.1.1 技术原理

欧姆加热又称导电加热和电阻加热[5]，其原理是利用食品自身的导电性来加热食品。食品中含有可电离的酸或盐，当电流通过食品时，内部产生电阻热效应，促使食品内部温度升高，从而达到食品复热的目的[6]。欧姆加热技术应用于食品复热，热量产生于食品内部，从而可以实现快速复热，但需要保证物料与电极接触良好，对于形状不规则的食品复热较为困难。

2.1.2 技术特点

2.1.2.1 技术优点

第一，欧姆加热过程中，电流直接通过食品进行导电加热，无需借助传热面和介质间的温度差，因此食品内加热较均匀，有效避免了食品局部过热和传热面焦糊现象。第二，欧姆加热系统的热量是根据焦耳定律产生的，其加热程度和速率取决于食品本身的电导率，热量渗透不受物料尺寸和形状的影响，与微波加热、射频加热等方式相比，欧姆加热的能量转化率可达95%以上。第三，欧姆加热通过电源控制系统进行，除动力泵外无其他运动部件，加热过程中不同物料切换无需清洗设备，整体操控简单，容易实现自动化，应用于商业化生产可降低生产成本、提高生产效率[7]。

2.1.2.2 技术缺点

第一，部分食品不具有导电性（如脂肪、冰、骨骼等）或电导率不随物料温度呈线性变化时（如食品成分不均匀、固液混合不稳定等），欧姆加热会造成食品加热不均及局部过热现象[8]。第二，欧姆加热是流场、温度场和电场耦合的过程，加热过程较为复杂，在加热后期随着电导率的升高，物料的加热速度较难控制。第三，在加热过程中，食品中的蛋白质、脂肪等组分可能会粘附在电极表面，影响电极的稳定性、导电性和使用寿命，从而降低加热效率和产品品质。

2.1.3 应用现状

20世纪70年代，Sanders等[9]发明了欧姆加热装置，并对肉和鱼进行了热加工；20世纪90年代，英国APV Baker公司开发了商用欧姆加热装置[10]。20世纪末，随着新型钛、铂材料的产生以及电子信息技术的发展，欧姆加热技术逐渐向实用化、产业化发展。目前日本的ISUMI Food Machinery和Frontier Engineering公司、英国的C-Tech Innovation公司、瑞士的Nestle Corporation和德国的法兰克福香肠加工企业等均引入了欧姆加热装置，欧姆加热装置在食品解冻、灭菌和加热等方面逐渐被推广应用[11]。我国欧姆加热技术研究起步较晚，目前研究多处于实验室阶段，产业化应用较少。吴忠等[12]设计了一种欧姆加热装置，并研究了猕猴桃浆在流动过程中的欧姆加热效果。Guo等[13]采用欧姆加热技术处理4种不同填充方式的土豆泥食品，利用麦克斯韦方程组和电场分析准确地预测了加热过程中的热量变化，为欧姆装置在工业生产上的应用提供支撑。冯晚平等[14]发明了一种欧姆加热冻肉解冻装置。采用耐高湿、耐腐蚀且绝缘性良好的尼龙做成冷冻杯体，在铜板表面设置强度大、硬度大、抗腐蚀性强的钛极板来解决电腐蚀问题。

2.2 微波加热技术

2.2.1 技术原理

微波加热是电磁辐射、交变电场和热传递共同作用的结果，是一种“冷热源”，在加热过程中不产生热气，其原理为食品在微波作用下，物料内的极性分子快速移动，偶极子旋转，极性分子和离子相互摩擦瞬时产生热量，从而达到复热食品的目的。微波加热能够产生两方面的效果，一是微波能转化为热能实现对物料加热，二是微波与物料中的生物活性组分或混合物等相互作用而产生非热效应，抑制或提升其生物活性[15]。

2.2.2 技术特点

2.2.2.1 技术优点

第一，加热速度快、时间短。微波具有较强的穿透性，热量直接在食品内部产生和传递，缩短了加热时间，提高了生产效率。第二，食用品质保持好。微波能穿透到食物内部进行加热，避免了外焦内生、外干内湿现象，同时微波具有低温杀菌优势，能够提高杀菌产品品质[16]。第三，食物营养成分保存高。微波加热具有热效应和非热效应，在将食物完成加热的同时，能够减少食品营养成分破坏和损失。

2.2.2.2 技术缺点

微波加热的缺点主要体现在加热不均方面。介质对微波能量的吸收受介电常数影响，由于不同食品中水和盐分的含量不同，介电常数和耗损因数也会不同，微波加热过程中就会出现加热不均匀现象。Li等[17]对微波加热不均匀问题及解决措施进行了综述，指出可通过改善微波腔内电磁场分布的均匀性和食品在微波腔内运动的均匀性来改善微波加热的效果。

2.2.3 应用现状

20世纪40年代，Spencer第一个申请了有关微波加热技术的专利，开启了微波加热的篇章；到60年代，微波加热技术在食品、医药、工业、农业等方面开始被广泛应用。我国微波加热技术研究稍显滞后，产业应用始于20世纪70年代[18]。近年来，随着微波加热技术的不断进步，各种形式微波炉的出现，微波加热成为一种重要的食物复热方式。微波炉在美国、日本、澳大利亚等发达国家普及率已达80%～90%，国内一线城市的普及率也高达95%以上。但是开展微波加热的工业化应用研究却稍显迟滞。Filiz等[19]研究了微波解冻、碳纤维板辅助仓解冻和自然解冻土豆丁的效果，结果表明微波解冻所需时间最短，能够更好地保持食品营养成分和外观品质。乔学彬等[20]探究微波复热功率和加热时间对速冻酱拌鸡丝品质的影响，结果发现微波功率为640 W、加热时间为60 s时产品的感官品质、水分含量、剪切力和出品率的分值最优。杨丰铭等[21]通过使用扫频源与多端口，发明了一种四端口微波腔体加热结构，解决了微波加热不均匀问题。

2.3 远红外加热技术

2.3.1 技术原理

红外线是一种波长在0.7～1000 μm之间，位于可见光与微波之间的电磁波，根据波长不同可分为近红外线、中红外线和远红外线。其加热原理是利用加热元件所发出来的远红外线照射到食品上，其热能以电磁波的形式被食品分子吸收，从而达到加热的目的。红外加热过程中，大多数食品辐射能量密度最大波长刚好在远红外波长范围，而且水中羟基键伸缩振动的固有频率与波长2.7 μm的电磁波相同，因此红外加热中应用的主要是远红外线[22]。

2.3.2 技术特点

2.3.2.1 技术优点

第一，加热效率高。远红外加热不需要传热介质，直接通过辐射将热量传递给食品，避免了介质因素导致的热量散失。此外，远红外加热可穿透到食品内部进行加热，加热效率高。第二，温度易于控制。远红外加热过程中辐射热惯性小，食品无需和热源接触，食品不会焦化，易于实现智能控制，便于大规模生产。第三，安全环保成本低。远红外辐射过程中，辐射能与发热体温度呈正比，可节省大量能源，而且辐射加热中对人体和环境无不良影响。

2.3.2.2 技术缺点

第一，加热不均匀。不同食品组分对红外线的吸收效率不同，从而导致食品加热不均。第二，加热效果受食品特性影响较大。加热体积较大、密度较大的食品时，热量在食品内不易扩散，影响加热效率和食品品质。

2.3.3 应用现状

远红外线加热技术首先出现于1953年，至20世纪80年代，国外开始在食品工业中推广应用[23]。我国在各类食品的红外加热机理和工艺方法等基础理论研究方面，与发达国家相比还存在很大差距。目前该技术多应用于食品灭酶、杀菌和干燥等方面。Sheridan等[24]应用中波红外线和远波红外线对肉饼进行加热，结果发现远波红外线对肉饼的加热速度优于中波红外线。Udomkun等[25]研究了远红外加热炉和常规加热炉对鸡块和油炸介质的热分布和理化性质的影响，结果发现远红外加热具有较高的加热速率和较均匀的热分布。王安敏等[26]设计了一种食品快速解冻设备，该设备由红外加热装置、超声雾化加湿装置和温湿度控制装置三部分组成，在加热的同时可控制设备内的温湿度，提高解冻后食品的口感。

2.4 电磁感应加热技术

2.4.1 技术原理

电磁感应加热是指电源产生的交变电流通过线圈产生交变磁场，导磁性物质置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生无数的小漩涡流，涡流使物体内部的原子高速且无规则地运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而达到加热的目的。电磁感应加热可分为静态加热和动态加热。静态电磁感应加热是将导磁性物质放在交变电磁场中，交变电磁场提供非静电力，在金属内部形成感应涡流，涡流产生焦耳热从而加热物体。静态电磁感应技术在食品中的主要应用是电磁炉。动态电磁感应是利用多相旋转磁场或旋转的永磁体产生的交变磁场进行加热。动态电磁感应加热不仅基于交变磁场中铁心的涡流、磁滞效应，同时还利用了铁磁物质运动切割磁力线，在定子闭合线圈中感应旋转电势的电流效应。动态电磁感应将旋转电机传统意义上的“损耗”转化为有效热能，提高了热功率，并且安全环保[27]。

2.4.2 技术特点

2.4.2.1 技术优点

第一，电磁感应加热速度快，效率高。电磁感应加热避免了热交换或热辐射过程中的热损失，热量转化最高可达95%[28]。第二，使用中绿色节能。电磁感应加热无明火产生、无燃料消耗、无废物排放，清洁环保。第三，易于实现机械化和自动化。感应加热使用的工作元件，抗疲劳和使用寿命较高，安装后易于实现自动化生产，降低成本。

2.4.2.2 技术缺点

第一，精准控温较难。目前难以准确测量负载内食品温度，温控精度不高，易导致食品加热不足或加热过度，尤其是加热容器底部极易焦化。第二，应用范围受限制，存在辐射风险。目前电磁加热技术只能加热铁质容器，并且功率控制系统不稳定，受电压影响较大，对周围其他电器易产生干扰，存在一定的辐射性。第三，技术研发不足，工业化成本较高。目前，电磁感应加热技术的性能参数研究不够深入，感应部件互换性和适应性较差，工业化应用投入成本高。

2.4.3 应用现状

20世纪初电磁感应加热技术首先应用于工业领域，80年代后期，随着电子产业的进步，该技术在装备性能、效率、体积等方面有了巨大提升，应用领域和使用范围也越来越广。20世纪50年代，我国才开展电磁感应技术的自主研发和创新，目前我国电磁感应加热技术发展迅速，在食品领域有了广泛的应用[29]。Qiu等[30]采用在锅底和线圈之间引入绝热层的方法，建立了电磁炉的电磁热耦合模型，提高电磁炉系统的加热效率，节约加热时间。Levacher等[31]研究发现对传输带上的扁平状产品进行电磁感应加热，可节省50%的能源，加热液体产品可节省20%的能源。王旭宁等[32]设计了一种电磁加热式食品加工机，通过电磁线圈盘、金属盘、杯体和杯座复热合理设计，提高了食品加工机的加热效率。

2.5 射频加热技术

2.5.1 技术原理

射频是指频率为10～300 MHz的高频电磁波。射频加热是利用食品分子在电磁波中的运动将电磁能转化为热能的过程[33]。当食品物料处于射频场时，食品中的偶极分子（如水和脂肪等）在高频电磁波作用下趋向极化，发生振动并摩擦生热，实现食品加热目的。射频能量不会使水分子离子化，是一种非离子化辐射技术。

2.5.2 技术特点

2.5.2.1 技术优点

第一，加热速率快。食品在射频场中的加热速率与物料介电损耗因子呈正比，无需热传导过程，直接将所吸收的电磁波转化成热能，加热速率快。第二，穿透性强，均匀性好。射频加热可瞬间在食品内部均匀、精确地产生热量，且穿透性比微波更强，不受食物的导电性、尺寸、密度影响[34]。第三，具有水分自平衡效应。水分在食品中分布并不均匀，含水量高的部分介电损耗越大，食品的加热速率也就越大，该部分射频加热的能量会更集中，水分蒸发更大，食品中的水分分布会趋向均匀。

2.5.2.2 技术缺点

第一，技术开发不足。近年来虽然对射频技术的研究越来越多，但大多数研究仍限于实验室水平，尚需要突破大量工程化技术才能实现工业化应用。第二，存在产品局部加热过度问题。射频加热食品过程中在一定程度上会出现局部过热现象，导致食品品质降低。第三，经济成本较高。射频加热设备昂贵，工业成本较高。

2.5.3 应用现状

20世纪中期，美国学者首次提出了射频加热的概念，并将其应用于肉制品加热、蔬菜加工和面包制作等领域。随着该技术的不断发展，其应用范围也逐渐扩大到冷冻食品解冻、食品烘焙以及食品杀菌等方面。20世纪末射频加热技术引入中国，但其应用范围仅限于医疗行业和工业行业[35-36]。近年来，随着对射频技术的研究和认识不断深入，该技术在食品的加热、干燥和灭菌等方面逐渐得到应用。Zhang等[37]研究表明，相比于传统蒸煮加热，射频加热后肉糜的持水性、硬度和咀嚼性更好，质量损失更小。Zhu等[38]开发了一种简化的圆柱形电磁波导体，并建立了相关计算机仿真模型，以提高高水分食品射频加热的均匀性。Yang等[39]研究了射频加热对冷冻鱼糜的解冻效果，结果发现27.12 MHz的射频波可以对鱼糜样品进行加热，热分布的均匀性良好，解冻样品的凝胶性质不受影响。

3 技术对比与发展趋势分析

3.1 复热效率比较

化学复热过程中发热包与食品不完全接触，存在较大的热量损失，较之其余复热方式，其复热效率最低。欧姆加热将食品作为电阻，利用食品自身的电阻效应产热，其复热效率优于化学复热技术。微波、远红外、电磁和射频加热技术都是利用电磁波进行加热，其中电磁感应加热技术需要通过介质传热，而微波、远红外和射频加热是利用物料自身的介电性质进行加热，复热效率会更高。此外，射频的波长大于红外和微波，对物料的穿透力度也更大，复热大体积食品物料时更有优势，远红外线的穿透能力没有微波强，但其波长更短，能量更高。

3.2 食品品质影响

化学加热和电磁感应加热都需通过介质传热实现，会存在传热面加热过度或内部加热不足现象，而且化学加热过程中难以控制加热温度和进度，会对食品品质有较大影响。欧姆、微波、远红外和射频加热技术都是直接在物料内部进行加热，有效避免了传热面焦糊或内部加热不足现象，复热后的食品品质会较好。但当食品成分不均或固液混合时，不同食品部位的阻抗以及对电磁波的吸收程度会不同，因此，欧姆、微波、远红外和射频加热技术会存在加热不均现象。

3.3 安全环保性

化学加热中的铝水型自热包反应会产生氢氧化钙，具有一定腐蚀性，水合型反应过程中伴随氢气的产生，在密闭环境中累积会存在安全风险。微波、电磁和射频加热过程中存在一定的辐射，可能会对机体造成健康损伤[40]；远红外技术已经在医学领域开展应用，相对安全；欧姆加热过程中不存在辐射问题，是几种技术中最安全的。

3.4 发展趋势

化学复热技术依托其简单便捷、可随时随地开展的优势，目前在军用食品和方便食品（如自热火锅、自热米饭等）中具有广泛的应用，但其存在一定的安全和污染风险，并且复热效率不高，需要进行持续的技术革新。欧姆加热应用范围主要为流体和半流体食品，技术操作简单，加工成本低，新电极材料的出现可形成连续式欧姆加热技术，实现工业化应用，未来在食品复热中会占有一席之地，目前在发达国家中欧姆加热正处于商业化推广和设备完善阶段。微波加热和电磁感应加热技术（主要为家用微波炉和电磁炉）目前应用最广泛，其成本低、技术成熟、操作简单；远红外和射频加热技术加热效率更高，应用范围更广泛，但目前技术应用尚处于起步阶段，要实现工业化应用还有很长的路要走。

4 结语与展望

我国食品产业发展迅速，新技术、新工艺、新装备不断投入产业应用，电磁炉、微波炉、红外烤箱等加热装置已成为大众厨房中的基本复热器具，但现有复热技术大多存在加热不均、工业化应用难等缺点。因此，未来还需要针对工业加工、家庭使用、户外应用等不同场景，开发专业化、系列化的食品复热技术与装备，重点研发不同复热技术的工艺参数、加工适宜性，并研制系列装备；同时重视技术的融合应用，将多种技术进行结合，取长补短，发挥双重优势，例如将微波加热和射频加热进行结合，在保留微波加热优势的同时又具备了射频加热的优点[41]，以进一步提高食品品质和复热效率。