射频处理对花椒粉品质及EVOH/PA包装薄膜性能的影响

吴 甜，唐亚丽，2*，卢立新，2，丘晓琳，2，王 军，2

（1 江南大学机械工程学院 江苏无锡214122 2 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室 江苏无锡214122）

射频技术是一种频率为3 kHz～300 MHz 的介电加热技术[1]。作为一种新型的加热方法，射频利用分子在电磁波中的运动来加热产品[2]。与其它热灭菌方法相比，射频具有穿透深度大，加热均匀性好，所得产品质量好等优点[3]。许多学者使用射频技术对产品进行杀虫、杀菌。如坚果类：杏仁[4-5]、栗子[6]、开心果[7]、核桃[8]；果蔬类：干果[9-10]、猕猴桃汁[11]、菠萝罐头[12]；农作物类：小麦和玉米种子[13-14]、大米[15]。一些常见食品也采用射频杀菌技术，如牛奶[16]、牛肉[17]、真空包装的鱼肉[18]、黑胡椒粉和红胡椒粉[19-20]等。在射频电磁场下，材料的含水量、密度、成分，电极板间距的大小，材料的摆放位置，外部环境的变化都会对射频处理效果有影响。

食品安全问题受到广泛重视。在近年来的食品安全事件中，部分安全事件牵涉的食品都属于低水分活度食品，这说明低水分活度食品的杀菌工艺尤为重要。射频是一种优良的杀菌技术，近年来国内外学者不断加大其在食品加工领域的研究，研究了射频技术对内装物品质的影响，然而关于射频对于外部包装材料的影响研究甚少。本文研究了射频处理对花椒粉品质的影响，为射频场下花椒粉杀菌工艺参数的选择提供了一定的参考依据。此外，本文也研究了射频技术对于EVOH/PA 外部包装材料性能的影响，使得射频技术可以更好地被应用于工业生产。

1 材料与方法

1.1 材料

花椒粉（Aw=0.5818），江苏省泰州市兴化市姚富村；EVOH/PA 食品包装袋，康小厨的包装。

1.2 试剂

平板计数琼脂、氯化钠，国药化学试剂有限公司；蒸馏水，无锡江大教育服务有限公司。

1.3 设备与仪器

27.12 MHz 射频平行极板加热系统，江南大学物联网学院；低温SHP-1500 生化培养箱，上海精宏实验设备有限公司；16 通道荧光光纤测温仪，华光天锐有限公司；KTHA-015TBS 恒温恒湿箱，庆声电子科技有限公司；E43.140 电子材料试验机，英国LLOYD 仪器公司；AquaLab 水分活度测试仪，Meter Group 公司；W3/060 氧气/水蒸气透过率测试仪，济南Labtech 公司；CR-400/410 色彩色差计，柯尼卡美能达投资有限公司。

1.4 试验方法

1.4.1 包装件的准备 裁剪包装袋大小至140 cm×130 cm，使用热封机将其制成三面密封袋。称取25 g 花椒粉装入包装袋，封口。

1.4.2 射频平行极板加热系统 采用射频平行极板加热系统对包装件进行杀菌处理。将处理的包装件放入射频平行极板加热系统中，通过操作面板改变极板间距、极板电压等试验参数。设备示意图见图1。

1.4.3 包装件温度测定 从预试验中得知，射频加热花椒粉包装件时，冷点位置在包装件上表面的边角位置。在试验过程中，将光纤探头使用透明胶带固定于包装袋内部上表面边角位置，实时读取内部花椒粉的温度。用于菌落测试的包装件，为避免光纤探头插入包装袋内部后污染花椒粉，在预试验中记录达到目标温度（50，60，70，80 ℃）时所需时间，在相对应的时间取出包装件。

1.4.4 射频处理 将预制包装件放于平行极板中心位置，调节极板间距（25，30，35，40 mm），测量不同极板间距、不同含水量的物料对其升温速率的影响。

1.4.5 花椒品质测定

1）菌落总数 将包装件放于射频平行极板下杀菌，取对照组及不同温度下（50，60，70，80℃）的包装件，依据GB 4789.2-2016[22]对花椒粉进行菌落总数测定。

2）色值变化 取对照组及最佳杀菌温度下的花椒粉，使用色彩色差计进行色差分析。

1.4.6 包装材料性能测试

1）力学性能测试 依据《塑料——拉伸性能的测定 第3 部分薄膜和薄片的试验条件》（GB/T 1040.3-2006）[23]裁剪试样为120 mm×15 mm，每组裁取5 个平行样。

2）阻隔性能测试 依据《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》（GB/T 1038-2000）[24]检测EVOH/PA 包装薄膜的阻湿性能及阻氧性能。

1.4.7 数据处理 所有数值均以平均值±标准差表示。使用SAS 软件对所测数据进行显著性分析，P＜0.05，认为射频处理对材料性能或物料品质有显著性影响。

图1 射频平行极板加热系统示意图[21]Fig.1 Radio frequency parallel substrate heating system[21]

2 结果与分析

2.1 射频处理对内装物的影响

2.1.1 极板间距对升温速率的影响 调整射频极板间距分别为25，30，35，40 mm，记录相同时间、不同极板间距下，包装件温度的变化情况。试验结果见图2。

图2显示，射频极板间距大小对物料的升温速率有显著影响。在极板间距为25～40 mm 范围内，极板间距越小，物料升温速率越高。在相同的时间下，25 mm 极板间距下的物料升温速度最快，240 s 时包装件温度升至100 ℃，而极板间距40 mm 的包装件的升温速度最慢。这是由于极板间距的改变影响射频的输出功率。在一定的极板间距范围，极板间距越大，输出功率越小[11]。由极板、物料和固定电感所组成的加热电路的频率与射频振荡电路的固有频率最接近，加热速率最大[19]。在吕晓英等[11]、白静等[25]、侯全[12]研究的猕猴桃、苹果汁、菠萝等物料中也有相同的现象。

2.1.2 含水率对升温速率的影响 选择含水率为9.2%，11.4%，13.1%，15.3%花椒粉的包装件。记录极板间距为30 mm、相同射频加热时间条件下，不同含水率包装件的升温曲线。试验结果见图3。随着物料含水率的升高，包装件的升温速率提高。

如图3所示，在相同的时间条件，物料含水率高的包装件升温速度快。其中含水率为15.3%的物料升温速度最快，加热120 s 时包装件温度达100 ℃以上。物料的升温速率与物料的介电参数的关系密切。物料的含水率越小，其介电损耗因子越小[26]，相同的加热条件下物料的温度就越低[27]。王云阳[28]将射频技术应用于坚果的干燥中，发现物料的水分含量高，介电损耗因子大，介电加热效率高。随着射频加热时间的延长，包装件升温速率趋于平稳状态，这可能是由于包装袋内部的水分增加造成内装物结块，使得其密度、水分分布发生变化，内装物介电性能变化，因此趋于平稳状态[26]。

2.1.3 温度对花椒粉菌落总数的影响 取含水率9.2%，冷点温度达50，60，70，80 ℃的花椒粉包装件，研究不同杀菌温度对花椒粉菌落总数的影响。试验结果如图4所示。当射频加热温度为80 ℃时，花椒粉基本无细菌被检出。

花椒粉在加热过程中，由于水蒸气的蒸发而出现胀袋，待温度降至室温，包装件恢复平衡，胀袋现象消失。需考虑胀袋是否对贮藏花椒粉的菌落总数有影响。将经射频处理温度达80 ℃的花椒粉包装件做贮藏试验。贮藏80 d 后，检测到花椒粉的菌落总数并无增长，即表明加热过程中的胀袋现象并未对贮藏花椒粉的品质产生影响。

2.1.4 射频处理对花椒粉色泽的影响 将射频处理的花椒粉用色差仪分析最佳杀菌温度80 ℃时色泽的变化，结果如表1所示。

图2 极板间距对包装件升温速率的影响Fig.2 Effect of electrode gap on the heating rate of the package

图3 含水率对包装件升温速率的影响Fig.3 Effect of water content on the heating rate of the package

图4 温度对花椒粉的菌落总数的影响Fig.4 Effect of temperature on the total number of colonies of pepper powder

表1 射频处理后花椒粉色泽变化Table 1 Changes in color of pepper powder after RF treatment

经过SAS 分析，对照组和射频杀菌后花椒粉的色泽变化P>0.05，无显著差异。

2.2 射频处理对包装材料性能的影响

对射频处理的包装材料进行力学性能测试，结果如图5所示。射频处理后的EVOH/PA 包装薄膜的拉伸强度和断裂伸长率并无规律性变化趋势。使用SAS 软件进行显著性分析，P 值均大于0.05，表明射频处理未对EVOH/PA 薄膜的力学性能产生显著影响。

射频加热处理后包装件的外部包装材料阻隔性能检测结果如图6所示。随着包装件温度的上升，EVOH/PA 包装薄膜的阻湿性能、阻氧性能未出现规律性的变化趋势。通过SAS 软件分析试验结果，P>0.05，表明射频处理未对包装薄膜的阻隔性能产生显著影响。

在射频场下，包装材料的力学性能、阻隔性能并未出现显著变化。其原因：一方面由于射频波穿透力强，薄膜在射频场下被直接穿透。塑料在包装安全法规中被视为优良的微波透过材料，可能对射频场也适用[29]。另一方面可能是由于介电损耗因子对电磁波的加热速率有着显著影响[28]。由于薄膜的损耗因子很低，因此包装材料的力学性能未出现显著变化。之前的研究发现，射频对PE、PP包装材料的力学性能也未产生显著影响[30]。

3 结论

随着极板间距的升高，电场强度变小，极板间的输出功率减小，因此花椒粉包装件加热速率降低。在极板间距为25～40 mm 范围内，当极板间距为25 mm 时，升温速率最快。240 s 后，包装件温度就可达100 ℃。相反，在相同时间，极板间距为40 mm 的包装件温度未达到40 ℃。物料的含水量与花椒粉包装件的升温速率呈正相关关系。在极板间距30 mm，射频加热时间120 s 时，含水率15.3%的花椒粉包装件温度可升至100 ℃，而含水率9.2%的包装件温度还未达到40 ℃。研究表明花椒粉的最佳杀菌温度为80 ℃，且此温度未对花椒粉的色泽产生显著影响。射频处理后，花椒粉的外部包装材料EVOH/PA 薄膜的力学性能及阻隔性能都未出现显著的变化。

对花椒粉预包装件采用射频杀菌技术，不仅可以保证内装物的品质，而且不会对EVOH/PA 包装材料的力学性能和阻隔性能产生影响。可选择射频杀菌作为花椒粉预包装件的新型杀菌技术。

图5 射频处理对EVOH/PA 薄膜拉伸强度/断裂伸长率的影响Fig.5 Effect of RF treatment on tensile strength/elongation at break of EVOH/PA films

图6 射频处理对EVOH/PA 薄膜阻隔性的影响Fig.6 Effect of RF treatment on the barrier properties of EVOH/PA films