面向食品解冻和制熟过程的射频加热技术研究进展

姜欣 李阿敏 陈东坡

杭州老板电器股份有限公司 浙江杭州 311100

0 引言

射频（Radio Frequency，RF）是一种频率范围为3 kHz～300 MHz的电磁波，可用于加热物料，是一种极具应用前景的新型物理加热技术。其频率远低于微波（Microwave，MW，300 MHz～300 GHz）。为避免对通讯产生干扰，国际电信联盟（ITU）和美国联邦通信委员会（FCC）规定在工业、科学和医学行业（ISM）准许使用的射频频率为40.68 MHz、27.12 MHz和13.56 MHz[1]。

射频的加热原理如图1所示，正常情况下，食品及农产品物料显电中性，此时其中分子、离子、离子团、偶极子等进行无规则的旋转和移动。而当其处于高频电磁场中时，食品、农产品中的极性分子（如水、蛋白质等）、带电离子、离子团和偶极子受到电场力的作用，以电磁波的频率有规律的往复移动、旋转，从而将分子动能转化为内能，最终将电磁波携带的能量转化为热能，导致物料温度升高，达到加热的目的[3]。

图1 射频加热机制、其在食品加工中的应用及质构变化机理示意图[2]

射频加热的效果取决于内部和外部因素。内因是经射频加热的物料的介电特性、大小和形状等；外因包括：样品的位置、电极板的形状、间距和电压等[2]。其中介电特性是物料的固有特性，描述了交变电场与物料之间的相互作用程度，量化了物料反射、储存和传输电磁能的能力[2]。介电特性包括介电常数（ε'）和介电损耗因子（ε''）。其中，介电常数是量化加热材料存储电场能量的能力；介电损耗主要用于量化加热材料消耗电场能量的能力。介电特性与射频加热过程中的加热特性（如加热速率、电场分布、温度分布）有着十分密切的联系[3]。

基于上述射频加热的概念、原理和影响因素，可得到射频加热特点为加热速度快、穿透深度大（如图2）和选择性加热。在食品工业中的应用如图1所示，包括：干燥、杀菌、灭酶、解冻、杀虫，伴随着过程中细胞结构破坏、水分损失、蛋白质变性、淀粉糊化以及冰晶导致的肌肉纤维组织破坏等变化[2]。

图2 射频和微波加热未冷冻肉及肉制品的穿透深度[4]

早在20世纪40年代Moyer和Kinn等[5]采用射频技术加热肉制品、面包及脱水蔬菜，这一研究推动了少量成本高的商业化射频设备的发展；60年代Jason等开展解冻冷冻食品的研究，建立了一些商业化射频产线；在80年代末，Anon、Rice和Mermelstein等将射频加热技术应用于曲奇和零食的后端烘焙中，结果表明相比传统烤箱，采用射频加热可以降低能耗和提高产品品质。90年代由于对食品安全的重视，人们开展了大量关于射频技术对肉制品消毒、杀菌的研究[6]。近些年，射频加热技术开始逐步应用在食品加工领域，它被认为是一种传统加热的替代性解决方案，具有加热速率快、保留食物原态等特点，可应用于烹饪、杀菌、解冻、漂烫等领域。

在已有综述文献和著作中，有大量篇幅对射频加热技术的基本原理、加热设备及在食品工业领域的研究进展进行介绍[1,7-10]，但在基于消费者家庭日常需求的食物解冻和制熟品质方面的研究现状介绍较少，而厨电领域正逐步发展射频加热等新型加热方式用于家用电器产品中，从而改善用户家庭烹饪速度慢、不均匀、感官不佳、营养流失等痛点。本文旨在介绍射频加热技术在食物解冻和制熟品质的研究进展，以及分析其主要存在问题及解决措施，系统挖掘射频加热技术在烹饪领域的应用前景，为家电产品开发和应用提供技术参考和研发思路。

1 射频加热对食物解冻品质的影响

作为烹饪制熟的前处理步骤，解冻功能重点在于速率、均匀性以及食物品质的劣变。在家庭中，冷冻食品主要通过空气或水进行传热解冻，例如水解冻、自然室温解冻、强制对流解冻以及目前应用比较广泛的微波解冻，国内外学者对比了常用的解冻方法与射频解冻的效果，结果显示射频解冻具有速率快、均匀性好以及食材品质劣变小的优势，具有广大的应用前景，研究汇总如表1所示。

表1 射频加热在水产和肉类解冻中的研究与应用

1.1 射频加热在水产解冻中的研究与应用

冷冻水产是常见的需要解冻的食物之一，要求解冻速度快和品质优。但是传统解冻方法耗时长、能耗高、易造成品质劣化，微波解冻容易出现均匀性差的情况，为克服上述问题，射频技术逐渐用于冷冻水产的解冻[4]，在解冻速率、保持质量和保留营养方面具有显著的优势。

与室温解冻和浸水解冻相比，射频解冻能够大大缩短解冻时间并保持高品质。Llave等[11]对金枪鱼的低功率射频解冻（20 W，13.56 MHz）和室温解冻效果进行了对比研究，结果发现，金枪鱼的尺寸为60 mm×60 mm×50 mm时，通过射频解冻和室温自然解冻将其中心温度从-40℃恢复至-3℃后，射频解冻时间比室温自然解冻减少3倍。李双[12]对比了射频解冻和水解冻两种方式解冻鱼肉的效果，前者解冻后样品的质量损失率更小，TBARS（硫代巴比妥酸值）较低，样品表面温度分布更均匀，能够较好地保持鱼肉品质。刘富康等[13]比较了空气解冻（25℃）和射频解冻（27.12 MHz，4 kW）对冷冻鱼糜的解冻特性的影响，以解冻后失水率、盐溶蛋白质的含量以及Ca2+ATPase酶活力作为品质评价指标。结果发现空气解冻耗时极长（5 h），远远长于射频解冻（10 min）。射频解冻效率高，且鱼糜品质与空气解冻无显著性差异（其解冻失水率、盐溶蛋白含量和Ca2+ATPase酶活力均与空气解冻无显著差异）。

与微波相比，射频解冻可显著提升均匀性和保持高品质。Koray等[14]以1.75 kg冷冻虾样品作为研究对象，对比了射频和微波两种模式的解冻效果。结果显示冷冻虾样品中心温度由-22℃恢复至-5～-3℃时，微波解冻所需时间（功率为500 W和1 kW时，所需时间分别为10 min和4 min）短于射频解冻（功率为2 kW，射频的电极间隙为160 mm和150 mm时，所需时间分别为11 min和7 min），但是如图3所示，微波解冻时产生局部表面过热（1 kW两次测试表面最高温度分别达到11.4℃和18.6℃），而射频处理整体温度分布均匀，表面无局部过热（整个表面温度低于0℃）。此外，微波解冻（915 MHz，5 kW）较射频解冻（27.12 MHz，4 kW）鱼糜的解冻失水率、盐溶蛋白含量和Ca2+ATPase酶活力等品质指标均显著下降，说明微波解冻导致了鱼糜品质的明显劣化[13]。

图3 微波和射频解冻虾的热成像图[14]

总体而言，射频加热用于解冻冷冻水产时，一方面与家庭常用的传统空气解冻和浸水解冻途径相比，利用物料介电特性的介电加热方式能够很好地改善传统基于对流和传导等加热原理自外而内的加热方式，能够大幅缩短解冻时间，并且从样品的失水率、盐溶蛋白质的含量、Ca2+ATPase酶活力以及TBARS值等表征水产样品解冻品质的指标来看，均能够有效防止水产解冻后的品质劣化；另一方面，与微波解冻技术相比，射频解冻穿透深度大，结构上电场均匀分布，因而可以使表面局部过热现象显著改善，大大提高水产解冻的均匀性。因此，射频解冻能够快速、均匀且高品质地解冻冷冻水产。

1.2 射频加热在肉类解冻中的研究与应用

冷冻肉类是家庭烹饪中的常用原料，常规的解冻方法是基于外部媒介（水和空气）的对流；射频加热作为一种新型加热技术，被认为是一种解冻的良好解决方案，其在肉类解冻中能够大幅减少处理时间，同时能够保持肉类的品质[4]。

与室温解冻、水解冻相比，射频解冻在速率和品质方面均具有显著优势。Farag等[15]采用中试规模的射频加热系统（27.12 MHz，600 W）解冻牛肉。与传统热风解冻相比，射频解冻所需时间缩短了30倍，解冻的功耗降低了9倍，并且射频解冻具有更佳的温度均匀性。此外，射频解冻可显著降低牛肉水分损失和微量营养素（Na、Mg、K、Ca和Fe）的损失[16]。Choi等[17]开展了解冻圆柱形猪里脊的相关研究，对比射频解冻和常规解冻方式（包括水解冻、强制空气对流解冻）。解冻速率结果如图4所示，射频解冻耗时最短，射频（27.12 MHz，400 W）的解冻速度分别是浸水和强制空气对流的5倍和94倍。同时，与空气对流相比，射频解冻具有更高的蛋白质溶解度。相似地，朱亚莉研究表明，射频解冻温度较均匀，仅存在小面积的过热区域，解冻时间较空气解冻和水解冻大幅减少，且品质较好[18]。由此可得出，射频技术可快速解冻冷冻肉制品，同时减少品质劣变。

图4 冷冻猪里脊样品在6种解冻条件下的解冻曲线[17]

与微波解冻相比，射频解冻能够有效防止品质劣化。Choi等[17]对比了微波解冻和射频解冻猪里脊的品质指标，微波导致样品汁液流失、持水力下降、水分含量降低、颜色和微观结构等指标劣化，而射频对这些指标影响较小，能够保持较好的持水力、较优的外观，并且减少了肌肉纤维之间空泡的产生（如图5所示），维持良好的结构。

图5 猪里脊样品经不同解冻方式后横截面的光学显微镜图[17]（放大倍数为20倍，比例尺为100 μm）

此外，该研究团队为进一步优化射频解冻的效果，将平行电极板改成了弯曲电极板，探究解冻猪里脊的效果，研究发现射频（弯曲电极板）解冻使样品的汁液流失、微观结构、颜色和微生物变化最小，且内部样品温度分布相对均匀，优于平行板电极板[19]。

传统的空气解冻易出现食物表面发干、失重较大；水解冻造成微生物侵入导致食物污染、品质下降；而射频解冻能够大幅缩短解冻时间，减少汁液流失和微生物繁殖，降低了食用安全风险，并且减少了肌肉纤维间空泡的产生，保证了良好的解冻品质。微波解冻加热不均匀、穿透深度小，而射频加热的频率更低，穿透深度大约是微波的5～14倍，分子运动较微波稍缓慢，解冻均匀性优于微波，局部过热现象较微波更少[20]，因此相对于微波，射频解冻具有均匀性更好[14]、食物品质更佳、能耗更低的优势[21]。

2 射频加热对食物制熟品质的影响

在传统的食物制熟方式中，热量通过传导、对流等方式从表面缓慢传递到食物的中心，例如热空气、水、蒸汽、烘烤和煎炸等，食物表面可能会过度烹饪，导致发生食用品质和营养价值下降。与传统的加热烹饪方法不同，射频加热进行内外同步加热，不仅能够节省时间和能源，而且可以保持食用品质和营养价值，研究汇总如表2所示。

表2 射频加热在食物制熟中的研究与应用

2.1 射频加热在蒸煮方面的研究与应用

采用射频加热制熟食材时，与蒸煮这类温和的烹饪方式相比，当达到相同的烹饪终点时，烹饪耗时、食物的营养品质和食用品质上具有明显优势。

在肉类食材蒸煮制熟方面，Muñoz等[22]对比了先射频后蒸汽烹饪（RF-ST，15 kW，27.120 MHz±0.163 MHz）与传统蒸制（ST，72℃±1℃，100%RH）烹饪猪火腿的效果，研究其理化特性、烹饪损失以及感官评价。当达到火腿中心温度68℃时，RF-ST（180 min）烹饪时间较ST（360 min）减少50%，感官品质无差异。Zhang等[23]和Brunton等[24]均对肉糜制品进行了射频与循环水组合烹饪和常规蒸制烹饪方式的对比。在达到一致的烹饪终点时，射频加热所需时间相对于等效的蒸制样品减少了79%和77%，射频加热的肉糜样品在质构性质上优于或与常规烹饪方式无显著差异。

Tang等[25]以火鸡胸肉卷作为研究对象，对比了射频烹饪与蒸制烹饪后理化性质和感官指标的影响。以火鸡胸肉卷的中心温度达73℃为烹饪终点，射频烹饪（食材置于80℃循环恒温水浴中，同时进行射频烹饪）所需时间为40 min，而蒸箱80℃蒸制则需要150 min，耗时是射频烹饪的3.75倍。同时，两种烹饪方式的样品成分显示B族维生素和质构分析（TPA）无显著差异。并且，在5℃冷藏条件下，射频烹饪后的肉卷的脂质氧化速率显著低于蒸制烹饪（TBARS值）。这是由于蒸制过程中产生的蒸汽使肌原纤维蛋白变性以及膜磷脂破坏，使得蒸制样品在冷藏时脂质氧化更迅速、氧化程度更高。相似地，Laycock等[26]比对了射频和水浴烹饪牛肉制品的烹饪品质，当均达到烹饪终点（中心温度为72℃）后，射频加热可显著减少牛肉的烹饪时间（射频加热为5.83 min，水浴为151 min），此外射频加热具有更好的汁液保留（汁液损失较水煮少8%）、可接受的颜色（与水浴无显著差异）和更佳的质构特性（硬度下降32%左右）。此外，对于水产品，Wang等[27]发现射频加热配合水浴加热能够使鱼糜凝胶的弹性和持水能力，这是由于射频加热有助于蛋白质的α-螺旋变成无规卷曲并通过疏水相互作用和二硫键形成网络结构清晰的光滑凝胶。

在蔬菜食材蒸煮制熟方面，Fiore等[28]采用ITW公司生产的IBEX射频烤箱，与传统蒸制烹饪西兰花的对比，并对其化学性质和感官特性进行了研究。以西兰花达到相同的质构为烹饪终点，评估烹饪西兰花的硫代葡萄糖苷和维生素C的含量。结果显示，射频烹饪后西兰花中硫代葡萄糖苷的总量比蒸制高81%；射频烹饪后维生素C的保留率达101%，比蒸制高约10%。相似地，Jiang等和姚益顺研究得到射频结合热水浴和射频结合蒸汽分别烹饪红薯和莴笋时，可达到更好的外观色泽、质构，并且过氧化物酶失活水平更佳[29,30]。以上结果表明，射频烹饪蔬菜较常规蒸制、煮制可以有效保留硫代葡萄糖苷和维生素C等营养素，且提高其可提取性，并在食用品质上具有明显优势，说明射频烹饪有助于保留蔬菜营养素和提高其食用品质。

在多组分食物蒸煮制熟方面，Wang等[31]对肉酱千层面的射频加热烹饪技术进行研究。经射频加热烹饪30 min后，肉酱千层面的牛肉丸、马苏里拉奶酪、面条和沙司等组分之间的最大温度差不超过2℃。尽管不同食物组分的电场强度具有很大差异，但是充足的热传递减少了差温加热，使得肉酱千层面这类食物组分复杂的食品经过射频加热可达到优质的烹饪效果。

综上，射频加热在实现蒸煮效果的前提下，在烹饪畜禽肉、水产、蔬菜以及复杂组分食品时，均表现出具有较蒸制更快的烹饪速率、更优的营养健康品质，且均匀性佳，食品品质优于或相当于蒸制食品。

2.2 射频加热在烤制方面的研究与应用

烤制是家庭厨房中最常用的制熟方法之一，在烤制的过程中，食物内部组分、食物与空气在高温条件下发生一系列化学反应如蛋白质变性、淀粉糊化、美拉德反应、焦糖化反应和氧化反应等，不仅能让食物熟化，还赋予食物独特的风味和诱人的外观，而备受用户的青睐。但是，传统烤制由于其温度高、加热时间长，容易破坏食物内部的营养素，同时导致杂环胺、丙烯酰胺和多环芳烃等有害物质的产生。采用射频加热技术对食材进行烹饪，并与电烤箱烤制食物进行对比，从烹饪速率、食用品质和营养性质上，射频加热技术具有显著优势，可为家庭厨房提供一个速度快、口感佳、营养好的烹饪解决方案。

在肉类烤制方面，Fiore等[28]进行了射频烤箱和普通电烤箱烤制鲑鱼的对比研究，控制鲑鱼的烹饪终点分别为中心温度55℃和75℃，射频烹饪时间相对于传统烤箱均减少了50%，并且，射频加热烹饪后维生素B分别比传统烤箱高30%和50%。此外，射频烹饪后鲑鱼的水分含量为66.3%，显著高于传统烤箱的57.1%，在口感上表现为多汁性更佳。Rincon等[32]研究射频烹饪不同厚度牛排（1.2 cm、1.9 cm和2.5 cm）和不同终点温度（55℃、65℃和75℃）对烹饪品质的影响，为牛排的射频烹饪提供了参数指导。射频烹饪牛排具有更快的加热速度（节能）、减少预处理污染和后处理污染，总体上可以提供更好的烹饪质量。相似地，韩照华等[33]利用智控射频加热从内而外同时加热，烹饪的烤肉肉质松嫩有弹性、水分损失少，有效改善了普通烤箱水分流失严重、肉质干柴的现状。

在蔬菜食材烤制方面，对于土豆，Fiore等[28]控制其达到相同的质构为烹饪终点，传统烤制的薯条中的丙烯酰胺含量是射频烹饪的2倍，相似地，以甘薯薯条为研究食材时，达到了2.5倍。

在蛋糕食材烤制方面，Fiore等[28]进行了射频烤箱与普通电烤箱的对比。以可可蛋糕为研究对象，达到相同的烹饪终点后（即蛋糕面团完全糊化），烹饪结果显示，射频烹饪的蛋糕柔软度更好，食用品质更佳[28]。韩照华等[33]进行了射频烤箱和普通烤箱的IEC标准蛋糕测试，结果发现射频烤箱烘焙蛋糕比普通烤箱快31%，且外观形状更佳。

在多组分食物烤制方面，兰软格[3]使用射频、微波以及烤箱对由多组分组成的披萨进行加热，对比三种加热方式在加热过程中各组分的加热速率、表面温度分布与品质等加热特性，结果表明，射频、微波及烤箱加热将披萨加热至烹饪终点（即披萨底饼边缘2 cm处升温至85℃）所需时间分别为5.75 min、4.16 min、9.67 min，三者的均匀性指数分别是0.158、0.214和0.104，加热均匀性呈现烤箱＞射频＞微波的规律。披萨底饼的硬度呈现射频＞微波＞烤箱。对于披萨表面温度分布情况，射频加热出现了明显的边角效应[34]，如图6 a)所示。微波加热的边缘部分出现低温区域，且加热均匀性明显比射频加热差，如图6 b)所示。这是由于微波加热的速率比射频技术快，导致披萨各物料间热传导不足，导致温差较大，并且烤箱加热的披萨表面温度分布均匀性最好[35]，如图6 c)所示。

图6 射频、微波和传统烤制加热后披萨的表面温度分布图[34]

以上结果表明，射频烹饪在实现肉类、蔬菜和蛋糕等食材烤制效果的同时，利用其介电加热的特性、较大的穿透深度等特点，可以有效提升烹饪速率、实现复杂组分食物的均匀加热，同时保留维生素等营养素，减少丙烯酰胺有害物的生成，以及达到良好的食用品质。

3 射频加热技术主要问题及改善措施

尽管射频加热具有较微波更好的热均匀性，但是边角过热、不均匀加热依旧是其相比于传统加热方法的最大问题。为改善射频加热的均匀性，可以从以下几个角度进行参考（研究汇总如表3所示）。

表3 射频加热技术均匀性改善的研究汇总

（1）与传统加热方式结合

采用射频加热技术与传统加热技术（蒸汽、热水、热风等）相结合，使得食物与蒸汽、水、热空气等介质一同在射频加热的腔体中加热，以达到良好的加热效果[22-24,36,37]。

因此，射频技术与传统加热方式相结合，使食物优于或达到常规烹饪方式的感官、质构以及烹饪均匀性的同时，能够大幅缩短其加热时间。

（2）改善电极形状

射频加热的电磁场分布不均匀是导致其加热不均匀的主要因素。电磁场需要在食物内均匀分布，才能确保均匀加热。Choi等[19]将底部的电极板改为弯曲电极板，从而使得解冻圆柱形的猪里脊时，食物的品质劣化最小，温度分布均匀（如图7所示），明显优于平行板电极。

图7 圆柱形猪里脊在弯曲电极板（上）和平行电极板（下）射频解冻的比较[19]

（3）改变物料的介电性能

食品的介电特性是影响射频加热的主要因素，它会随电磁场分布和温度的变化而变化，进而影响电磁波和物料的相互作用。当周围材料介电常数在样品的可比较范围内时，可以改善射频加热均匀性[21]。添加盐可以改变水的介电特性，可以减小物料和水之间的不同加热时间之间的差异。另外，使用具有与食品材料相似的介电特性的包装和容器作为周围材料是提高射频加热均匀性的有效方法。

（4）改变样品的形状

通过建立计算模型（结合三维扫描和有限元仿真软件COMSOL Multiphysics等途径）来预测加热过程中食物的温度分布，并通过试验验证该模型[38,39]。将土豆、胡萝卜、肉块等食物材料放置在电极的中间，以避免电磁场集中在接触表面，并修改形状和体积以实现食物内电磁场的均匀分布，从而提高加热均匀性[40-43]。另外，Tesfaye等[44]通过制备不同形状（圆柱体、立方体和球体）的食物模拟样品，探究射频加热对其温度分布的影响，最后得出垂直方向的圆柱体和立方体样品具有更好的温度均匀性，而球体温度均匀性较差，其底部存在最热点。

（5）改变样品位置

Bedane等[45]和Erdogdu等[46]发现样品的移动和旋转具有重新分配食品内电磁场和热量的能力，从而提高了射频加热的均匀性。朱亚莉[18]研究了猪肉样品间距对射频解冻温度均匀性的影响，间距越小对温度的影响越小，适宜间距为1～2 cm，此时温度分布均匀。

4 总结与展望

本文介绍了射频加热技术在食物解冻和制熟品质方面的研究应用进展，对食物的前处理步骤——解冻以及制熟工艺——蒸煮、烤制烹饪，从烹饪效率、均匀性、食物营养健康品质和食用品质等方面综合评述射频加热的影响。最后可得出射频加热是一种快速、均匀的加热方式，可为食物提供优质的烹饪效果和食用品质，以及满足人们的营养健康需求。

但是，射频加热技术在厨电领域的应用仍旧充满了挑战。例如，食物相关特性（如介电特性、形状大小、与射频电极之间的距离）对于分析温度分布和设计更高效的射频加热系统具有重大意义；介电击穿导致包装破损或产品损坏；利用计算机仿真技术，模拟和预测加热过程中食物和烹饪腔环境的变化，可为射频加热技术在家电行业的发展和应用提供高效的分析支持。