射频加热技术及其在果蔬干制中的研究应用进展

朱经楠，彭 健 ，辜青青，余元善，吴继军，徐玉娟

（1.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，农业农村部功能食品重点实验室，广东省农产品加工重点实验室，广东广州 510610；2.江西农业大学农学院，江西南昌 330045）

我国果蔬资源丰富，果蔬产量位居全球第一，果蔬产业已成为我国农业产业的重要组成部分。果蔬加工可有效提高果蔬附加值，减少其在运输、销售和食用过程中的损耗，降低环境污染[1]。干制是果蔬加工的主要形式之一，果蔬干制不仅可以有效降低水分与酶活性，抑制微生物的生长，延长果蔬的贮藏期，还能为其增加特殊质地与风味，加大果蔬的综合利用，有利于果蔬产业的发展[2]。

射频（Radio frequency）作为高频电磁波的一种，其频率范围介于10～300 MHz（图1），其作用机理是物料置于射频电磁场中，交变电磁场使物料中的带电离子不断碰撞、运动，进而达到物料升温脱水的效果[3]。为了避免其他通信系统的干扰，目前只允许13.56、27.12 和40.68 MHz 三个射频频率分别用于工业、科学研究和医疗，其中27.12 MHz 是最常用的频率[4]。射频能量可以深入物料内部，提供体积加热效应，属于辐射加热的一种，显著区别于内部传导和表面对流的传统加热机制[5]。与微波加热相比，射频加热具有穿透深度大、设备投资小、产品温度控制更稳定等优点，且在加热厚物料方面较微波加热优势尤为明显[6]。目前，射频加热技术已在烘烤[7]、蒸煮[8]、杀虫[9-10]、灭菌[11-12]、解冻[13-14]等农产品加工和生产方面得到了产业化应用。本文主要综述了射频加热技术作用机理、特点及其在果蔬干制加工中的应用现状，归纳了射频加热技术在应用过程中存在的问题及可能的解决方案，并对其未来研究方向和前景进行了展望。

图1 电磁波谱中射频波段的分布[15]Fig.1 RF allocation in the electromagnetic spectrum[15]

1 射频加热技术原理及特点

1.1 射频加热原理

传统干燥通常依靠传导或对流的方式将热能传递到物料内部，而射频干燥则是通过体积加热的方式，让电磁波直接与待干物料耦合产生热量，从而加速水分向外扩散蒸发[16]。当物料放置在电磁场中时，会产生两种现象：一种是离子迁移，处于射频电场的物料内部离子会在电场的作用下发生极性持续反转的现象，进而导致物料内部的离子极性减弱而前后振荡[17]；另一种是偶极子旋转，如物料中的水分子，试图使自己与射频电场达成统一而在体系内不断旋转运动（图2）。射频系统中物料产热是由于离子和偶极子的持续高速运动，但一般认为，带电离子振荡是主要的发热机制[15]。

图2 射频系统中离子迁移与偶极子旋转生热原理示意图Fig.2 Schematic diagram of ion migration and dipole rotation heat generation in RF system

目前，平行极板式射频加热系统在农产品加工中的应用较为广泛（图3），该加热系统的工作模式为：通过射频能量产生的交变电场作用于物料，物料中的离子、水分子等由于电磁场极性的不断变化而发生变化，致使分子间不断摩擦进而实现内部产热。加热过程中，可通过调控上下两块极板的间距，调整射频加热系统的电流，极板间距越小，其电流越大，电磁场强度越大，进而调节耦合到物料中的能量，有效控制物料的加热速率[18]。由于射频电场场强分布不均匀，因此将物料置于可移动的传送带之间，可有效改善过度加热的现象。

图3 平行极板式射频加热系统示意图[19]Fig.3 Schematic diagram of parallel plate RF heating system[19]

在介电加热过程中，部分电磁波能量被材料表面阻挡并反射，其余部分被材料吸收并产生加热效果，并且电磁波能量强度随着穿透深度的增加而逐渐降低（图4）。当电磁波能量衰减到其表面值的1/e（e=2.718）时，电磁波通过的材料的距离称为穿透深度（dp，m），可以通过公式计算[20]。

图4 射频波在介电材料中的穿透深度[19]Fig.4 Penetration depth of RF wave in a dielectric material[19]

式中：c 是自由空间中的光速（3×108m/s）；f 是频率（Hz）；ε′′是 介电损耗因子；ε′是介电常数。加热过程干燥物料铺料或切片厚度控制可以用穿透深度来简要判断，确保加热过程中的加热效率及温度均匀性[3]。

1.2 射频加热特点

射频加热技术是在物料内以分子间不断摩擦的方式产生热量，显著区别于传统对流干燥由表及里的传热机制。射频场中电磁能与物料之间的直接相互作用选择性强，可以显著缩短物料达到所需温度的时间，可抑制细菌生长，改善感官品质和营养品质。此外，射频加热在热加工中的另一个潜在优势是节能。关于射频加热特点主要综述如下：

1.2.1 加热速度快 与传统干燥技术相比，射频干燥的能量转化效率高，具有用时短品质优，加热速度快等特点。张波[21]研究了不同干燥方法对带壳核桃干燥特性的影响，结果表明，带壳核桃射频干燥用时最短为138 min，其次是真空干燥用时185 min 和热风干燥用时300 min。Wang 等[22]发现夏威夷坚果射频-热风组合干燥耗时较单一热风干燥减少50%以上，且产品综合品质更优。张丽[23]发现射频-热风联合干燥红枣所需时间仅为热风干燥的33%，可有效提高生产效率，降低能耗。上述研究表明，射频加热加快物料干燥速率上优势显著，但是加热过程中容易出现焦糊现象，即加热不均匀，这在很大程度上制约了其在果蔬干燥加工中的应用。因此，如何改善射频加热均匀性成为了射频干燥设备设计的难点之一。

1.2.2 穿透深度大 电磁波的穿透深度与波长成正比，射频波长是微波波长的20～200 倍，因此射频加热可以更深的穿透至物料内部[15]。Ling 等[24]研究表明，在60 °C 下，频率为915 MHz 时，桃子的穿透深度为24 mm，而频率为27 MHz 时，其穿透深度上升至67 mm。李瑞[18]发现温度为20 °C 时，使用微波加热巴旦木的穿透深度为90 mm，而射频加热处理的穿透深度增可达1870 mm。因此，在加热大块较厚物料时，射频加热具有明显优于微波的穿透深度，甚至对于已包装的食品材料，射频加热依然有着明显的优势。

1.2.3 选择性加热 物料介电特性是决定射频加热升温速率的最重要因素之一，射频加热过程中不同物料因介电特性差异导致升温速率差异显著。基于此特性，射频常运用于农产品杀虫，Tiwari 等[25]研究了射频加热对柿子中的墨西哥果蝇的影响，结果表明，选取合适的射频加热条件可达到杀死果蝇而对柿子质量品质没有显著影响的效果；lkediala 等[26]发现射频加热5 min 可以有效杀灭核桃中的第五龄脐橙蠕虫，而不影响核桃的感官和营养品质。因此，将射频加热技术应用于农产品干制时，需对该物料进行介电特性的系统性测定，以有效使用射频加热，筛选物料，提高加热效率。

2 影响果蔬射频加热的因素

2.1 果蔬介电特性

果蔬是介于导体和绝缘体之间的电介物质，其介电特性会在外电场的作用下表现出来[27]。物料在射频电场中既可以储存电能，也可以耗散电能[28]，这种描述物料与电磁场之间相互作用的能力被定义为介电特性（DPs）[29]。物料的介电特性主要包括磁导率和介电常数。一般物料的磁导率通常被认为接近真空磁导率，因此对介电加热没有影响，故介电常数在介质加热中起着重要的作用[30]。介电常数通常称为相对介电常数ε'，可表示为：ε=ε'-jε''，式中ε'代表物料在电场中储存能量的能力；ε''是相对介电损耗因子，代表物料在电场中耗散能量的能力，通常导致热量的产生[31]。

果蔬在射频电场中的电场分布主要是由自身的介电特性所决定的，所以果蔬的介电特性在射频加热过程中起着重要的作用。在常见果蔬的介电特性研究中，物料的介电常数和损耗因子均随温度升高而增大，如苹果[32]、猕猴桃[33-34]、香蕉[35]和土豆[36]，这是因为环境温度会改变物料中离子和分子的运动[37]。周敏姑等[38]研究了苹果介电常数和损耗因子在不同温度和频率条件下的变化，以期通过烫漂改变苹果介电特性而更适应射频干燥；也有研究表明水中加入食盐可以克服水果和水的射频加热差异，但是加盐量取决于水果的介电特性[26]。Birla 等[39]以多种水果为原料，探讨了介电特性对射频加热的影响，结果显示苹果、去皮橙子和柚子受热部分主要在内核，而整个橙子和鳄梨在表面受热较为集中，这是因为不同水果或同一水果的果皮与果肉有着不同的介电特性，进而导致其不同部位加热速度不均。介电特性的测定，可为计算机模拟射频加热、过程优化和系统设计提供基础数据，不仅对提高果蔬干制速率、均匀性具有重要意义，对射频加热设备射频场的设计也具有重要指导意义。后续，在进行射频设备设计时，可针对不同种类物料的介电特性，设计个性化的射频发射场，达到不同物料射频干燥的精准控制。

2.2 果蔬切片厚度

切片厚度同样是影响果蔬射频干燥的重要因素，如前1.1 所述，当物料切片厚度超过射频的穿透深度时，射频加热的效率就会显著降低，而适当增加物料切片厚度，干燥速率不仅不会因厚度的增加而降低，且可能会加快样品升温速率、增加样品干燥的均匀性。Hou 等[40]研究了切片厚度对猕猴桃射频真空干燥特性的影响，发现样品升温速率和干燥温度随厚度的增加而增加，这是因为样品厚度的增加，导致顶部电极和样品上表面间的距离缩短，造成电场强度的增加，进而增加样品升温速率、提高干燥温度[41]。Zhang 等[42]研究了切片厚度（3.5、4.5 和5.5 cm）对芒果片热风辅助射频干燥特性的影响，结果表明同一极板间距下，样品厚度越大，加热速度越快且加热均匀性越好。上述研究充分证明射频加热在处理较厚的样品时具有高效干燥的优势，但是射频加热同样具有一定的穿透深度，可用来控制样品的切片厚度，以保证加热过程中干燥效率及温度均匀性。

2.3 环境真空度

在射频真空干燥过程中，真空度的增加会使干燥样品内外压力差增加，从而提高水分扩散速率。然而，在射频加热过程中的真空度也存在阈值，真空度过低可能会引起一些如电弧放电和辉光放电等潜在的技术问题，导致样品局部过热和焦糊[43]。Hou 等[40]测定不同真空度（0.01、0.02、0.03 和0.04 MPa）对猕猴桃射频真空加热干燥特性的影响，发现0.04 MPa真空压力下的射频真空干燥时间为310 min，当真空压力为0.01 MPa 时，干燥时间降至160 min，同时也出现了电弧放电现象。这种随着真空度的降低，干燥速率提升在一些其他果蔬的微波真空干燥中也有发生，例如苹果[44]、蓝莓[45]等。针对射频真空干燥过程中环境真空度的选择，还需要通过具体的数据支撑来进行科学的选择。

2.4 极板间距

对于固定功率射频加热系统而言，极板间距的大小决定了射频电磁场强度，场强越大，引起场内物料离子振荡越强烈，产生热量越多。樊荣[46]发现不同极板间距对于葡萄干的升温速率有显著影响，当极板间距分别为160 和180 mm 时，射频加热相同时间，葡萄干温度可分别达到80 和53 ℃。谢雨岑[47]研究了极板间距对玉米干燥的影响，结果表明，在玉米初始含水量一定的情况下，极板间距越小，干燥速率越快，但玉米品质有所下降。Shen 等[48]研究了火龙果在不同极板间距下的射频加热性能，结果显示极板间距越小，干燥速率越快，但加热越不均匀。总而言之，较小的极板间距会导致较高的射频加热干燥速率，但也会导致加热不均匀，在样品的角落和边缘会出现失控加热，进而影响样品品质[40]。

3 射频加热技术在果蔬干制、控制微生物和酶活中的应用

射频加热技术使物料中离子相互作用在物料内部进行产热，导致物料的快速升温，不仅可以进行物料的干燥，还兼具抑制微生物和灭酶作用。近年来，研究人员对射频技术在果蔬干制、微生物控制及灭酶等方面已开展诸多研究。

射频加热技术在果蔬干制的研究中已有广泛应用，并取得了较好的成果（表1），主要体现在干燥效率的提高和样品营养功效成分的保留方面。Jiang等[49]研究了四种不同干燥方法对草莓干燥特性的影响。结果表明，射频干燥草莓的干燥时间为55 min，仅为冷冻干燥所需时间的1/24，此优势在红枣[23]、芒果[42]、核桃[21]等射频干燥中也均有体现。关于果蔬感官特性与营养成分保留方面，周旭[50]研究了射频真空干燥处理后的猕猴桃的色泽、维生素C 保留率和复水比，发现明显优于热风干燥；Monzon 等[51]研究发现射频处理对柿子的硬度、可溶性固形物含量、可滴定酸和质量损失无显著影响，但能改善果皮颜色。

表1 射频加热技术在果蔬干制中的应用Table 1 Application of radio frequency heating technology in fruit and vegetable drying

热处理是杀灭微生物和酶的一种常见的重要方法，保证产品在保质期内的品质安全。表2 整理了射频加热技术在微生物控制和灭酶方面的应用，研究表明射频加热技术与传统方法相比有显著优势，主要体现在可在短时间内达到与传统加热相同的杀菌和灭酶效果，更好的保持产品品质。Jeong 等[52]比较了射频加热与传统加热技术对生杏仁中沙门氏菌的影响，发现射频加热可在更短的时间内达到目标菌落数，且对样品品质影响较小。Jiang 等[53]发现使用射频处理210 s 大豆的脂肪氧化酶灭活率为94.30%，而相同时间的常规热处理（110 ℃）仅为3.08%。在射频灭酶时，快速的升温很有可能会对产品的色泽和质构等品质特性造成破坏，所以采用射频加热技术与传统技术相结合的方法能更好地保持产品的品质[54-55]。联合灭酶技术的应用不仅可以克服单一方法的劣势，更能提高处理效率，优化品质，节约能源。但从工业应用的角度而言，基于射频加热联合技术的微生物控制与灭酶仍有很长的路要走，如何在控制成本的情况下，提高工业应用的灵敏度和选择性是当前需要解决的重点和难点。

表2 射频加热技术在微生物控制和灭酶方面的应用Table 2 Application of radio frequency heating technology in microorganism control and enzyme deactivation

4 提高果蔬射频加热均匀性的方法

射频加热虽比传统加热和微波加热温度分布更为均匀，但其加热过程中仍然会出现尖角效应与热偏移，导致物料加热不均匀[84]。通常采用加热均匀性指数（λ ）进行评价，其定义为处理过程中样品温度的标准偏差与平均样品温度的升高之比，可以通过以下公式计算[85]：

式中：µ0和µ（℃）是物料的初始和最终平均温度；σ0和σ分别是物料温度的初始和最终标准偏差。加热均匀性指数（λ ）是反应温度变化的参数，其值越小，加热均匀性越好。在理想条件下，λ 等于0，这表示整个体积上每个点的样品温度都相同[4]。

已有诸多研究证实农产品射频加热的不均匀性，在实际应用过程中，加热不均匀是影响其商业应用的主要障碍之一。许多因素对射频加热均匀性有重要影响，包括：物理特性、介电特性、热特性、介质所处位置、介质的化学特性以及射频系统的工程设计等[86]。为提高果蔬及其制品的射频加热均匀性，主要可采取四种有效措施。其一：减小果蔬与周围介质的介电特性差异，Huang 等[87]研究了不同聚苯乙烯容器对不同含水量大豆的射频加热均匀性的影响，结果表明：随聚苯乙烯容器壁厚的增加，可以有效地改善射频加热均匀性，使用8 cm 的容器厚度和8 cm的转角半径可为大豆提供最佳的加热均匀性；Damla等[88]研究了不同介质对于玉米粉射频加热均匀性的影响，结果显示浸在大豆油的玉米粉的加热均匀性优于直接暴露在空气中的。其二：改变果蔬在电磁场中的位置进而改变内部电磁场分布，Birla 等[89]将水果浸泡在水中，并在射频加热过程中不断搅动和旋转，不断改变水果在电磁场中的位置，因而提高了水果的加热均匀性。其三：将物料预热之后再使用射频加热来改善物料干燥过程中的加热均匀性。Sosa-Morales等[90]以芒果为原料研究了水辅助射频加热对于加热过程的影响，发现对芒果进行水预热可减少射频加热时间并改善射频加热均匀性。Birla 等[61]采取热风辅助射频干燥的方法，改善了干燥过程中橙子的加热均匀性，并减少了橙子的品质损失。这是因为射频加热是从物料内部开始产热，表面升温速率小于内部，水预热可以缓解这一部分的温度差异，因而改善了加热均匀性[25]。上述改善射频加热均匀性的方法在小麦粉[91]、花生酱[92]、碾米[9]、玉米种子[93]等农产品中也有报道。其四：利用计算机模拟来优化射频加热均匀性，在模拟过程中输入特定参数，如电极电压、介电特性、热特性等，后续可通过软件进行分析而计算出其加热均匀性，Tiwari 等[41]的模拟仿真结果表明，立方体比球体更适合射频加热，因为立方体提供了更均匀的加热。计算机模拟有助于理解射频加热机理、优化参数、并为特定物料设计合适的射频处理条件。综上，目前针对射频加热不均匀的问题，已提出了多种有效的解决方法，但上述解决方法均需建立在对物料介电特性等基础数据具有系统性深入研究的基础之上。相信，随着研究的不断深入，射频加热均匀性的问题会得到有效解决，射频加热技术的应用前景也将更为广阔。

5 结语

射频加热技术作为一种新型的加热技术，由于其具有加热速度快、穿透深度大和能耗小效率高等优点在果蔬干制加工中已开展了广泛的应用研究。射频加热技术不仅可以有效的杀灭农产品中的虫害、控制微生物的生长和抑制产品中酶活性，还可以在保持产品品质的同时对农产品进行脱水干制。因不同原料本身特性差异，采用射频干制的效果也不尽相同，所以在采用射频干燥时，仍需根据原料水分含量、介电特性及热特性等来选择合适的射频处理条件，以达到最佳的干制效果。根据目前已有研究可知，射频加热技术在果蔬干制加工中具有良好的应用潜力，同时也存在亟待解决的问题，未来射频加热技术的研究应重点关注以下几个方面：a.发挥射频加热技术的最大优势，在干燥物料的同时结合杀虫、灭菌等特点做到一举多得的效果；b.拓展射频加热技术与传统技术的联合应用，联合干燥具有较高的能源效率和产品质量、经济可行，可从干燥速率、产品质量、能耗和食品安全等方面对射频联合技术进行研究以及优化；c.深入研究待干燥物料在不同温度、水分、频率下的介电特性变化规律，这一基础数据对于射频加热至关重要；d.加强冷冻、烫漂、盐渍、超声波和脉冲电场等预处理与射频的联合使用，以提升干制最终产品的外观与营养品质，并改善干制过程传热、传质效率；e.采用计算机模拟技术已成功提出了一些提高射频加热均匀性的方法策略，仍需更确切地了解射频加热过程，进一步研究物料形状、位置等对于射频加热过程的影响，改善射频中电磁场均匀程度，不断优化设备性能。