1 引 言

“倉廩實(shí)、天下安”，糧食的儲(chǔ)藏與加工是經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定和發(fā)展的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和加工環(huán)節(jié)造成的糧食損失高達(dá)3500萬噸［1］，造成產(chǎn)后損失的主要因素是儲(chǔ)糧害蟲侵染、微生物污染、品質(zhì)相關(guān)酶降解等。針對(duì)上述有害因素，人們通常采用化學(xué)處理，如熏蒸處理、殺菌劑處理等，但大部分化學(xué)試劑在使用過程中會(huì)造成環(huán)境污染和殘留，且不合理使用還會(huì)導(dǎo)致害蟲或微生物抗藥性增強(qiáng)。隨著人們食品安全與環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，基于化學(xué)法的傳統(tǒng)殺蟲滅菌處理將面臨限用或禁用［2］。因此，探索綠色、高效、安全的物理方法減少糧食產(chǎn)后損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

射頻（Radio Frequency）是指10~300 MHz的電磁波，為避免干擾通信，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)定僅13.56、27.12和40.68 MHz三個(gè)射頻頻率可用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［3］。有別于依靠?jī)?nèi)部傳導(dǎo)，表面對(duì)流和輻射的傳統(tǒng)加熱（如熱風(fēng)/水和蒸汽），射頻能量可穿透至物料內(nèi)部，產(chǎn)生整體加熱效應(yīng)，使物料內(nèi)外同步受熱。此外，有別于歐姆加熱，射頻屬于非接觸式加熱，可穿透紙或塑料等常規(guī)食品包裝材料，避免包裝時(shí)產(chǎn)生二次污染。而與微波或紅外加熱相比，射頻波顯著較長(zhǎng)，穿透深度更大，針對(duì)大尺寸物料加熱更為均勻［4］。

目前，射頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)后糧食及其制品的儲(chǔ)藏與加工研究，如殺蟲、滅菌、鈍酶、干燥和烘培等多個(gè)領(lǐng)域，并表現(xiàn)出潛在工業(yè)化應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。然而，針對(duì)該技術(shù)在糧食及其制品儲(chǔ)藏與加工中的研究目前尚未出現(xiàn)全面的綜述報(bào)道。因此，本文將通過介紹射頻加熱技術(shù)的基本原理與常見操作系統(tǒng)，結(jié)合基于射頻加熱的糧食儲(chǔ)藏與加工基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀，闡述射頻技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏與加工中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，最后提出射頻加熱技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展建議，為射頻技術(shù)在該領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2 射頻加熱技術(shù)概述

2.1　射頻加熱原理

射頻加熱系統(tǒng)的基本原理可簡(jiǎn)化為上下兩極板所構(gòu)成的平行板式電容器（圖1）。當(dāng)糧食處于電極之間時(shí)將產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：一種是空間電荷極化，即糧食中的帶電離子在外電場(chǎng)作用下的遷移過程；另一種是極性分子旋轉(zhuǎn)，即糧食中的水分子不斷旋轉(zhuǎn)以使自身與不斷變化的電場(chǎng)極性一致。在兩者共同作用下，離子和極性分子摩擦產(chǎn)生熱能，從而引起糧食表面與內(nèi)部溫度升高。雖然離子極化與極性分子旋轉(zhuǎn)并存，但通常認(rèn)為離子極化是引起射頻加熱的主要因素［5］。

圖1

圖1  射頻加熱原理圖［6］

Fig. 1  Mechanism diagram of the radio frequency heating［6］

2.2　糧食儲(chǔ)藏加工研究中常見的射頻加熱系統(tǒng)

基于射頻加熱的糧食儲(chǔ)藏與加工研究，目前主要采用自由振蕩式和50 Ω式兩類射頻加熱系統(tǒng)。圖2為四種常見的射頻加熱系統(tǒng)。其中自由振蕩式系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，它利用三極管形成的標(biāo)準(zhǔn)振蕩電路產(chǎn)生射頻能量，使極板與物料形成調(diào)諧電路，再與輸出電路發(fā)生電感耦合產(chǎn)生熱量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低、加熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但該系統(tǒng)中電容會(huì)隨極板間距及物料介電特性變化而改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率改變［7］。如英國Strayfield公司SO6B型自由振蕩式射頻加熱系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)極板間距（9~19 cm）可改變射頻能量輸出功率，達(dá)到不同的加熱速率。該系統(tǒng)還配有傳送帶，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的連續(xù)化處理。近年來，國產(chǎn)射頻加熱系統(tǒng)的制造水平也有了迅速發(fā)展，如河北華氏紀(jì)元電器已開發(fā)并生產(chǎn)出基于自由振蕩式電路的不同頻率、功率、單批次或中試規(guī)模的多種射頻加熱系統(tǒng)，并被國內(nèi)多家科研單位使用［8］。50 Ω射頻加熱系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)與自由振蕩式系統(tǒng)相似，但該系統(tǒng)具有自動(dòng)協(xié)調(diào)裝置，可自動(dòng)調(diào)節(jié)使工作電路總阻抗保持在50 Ω，因而在加熱過程中，具有更加穩(wěn)定的耦合功率，并能提供固定頻率，精確控制功率和反饋。但由于其制造成本較高，并未得到廣泛使用［9,10］。

圖2

圖2  糧食儲(chǔ)藏加工研究中常用的射頻加熱系統(tǒng)［11-14］

Fig. 2  Radio frequency heating systems commonly used in post-harvest grain storage and processing researches［11-14］

3 射頻加熱技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏與加工中的基礎(chǔ)研究

射頻技術(shù)在糧食的儲(chǔ)藏與加工領(lǐng)域具有極大潛力，而目前針對(duì)射頻加熱技術(shù)的基礎(chǔ)研究主要包括糧食與儲(chǔ)糧害蟲介電特性、儲(chǔ)糧害蟲的耐熱性研究和糧食的射頻加熱均勻與改善等。

3.1　糧食與儲(chǔ)糧害蟲介電特性

介電特性（Dielectric Properties）描述了電磁場(chǎng)中物料與電磁波的相互作用。它不僅決定了物料對(duì)電磁能的吸收和轉(zhuǎn)化，還間接影響物料的加熱速率和均勻性。介電特性包括介電常數(shù)（ε'）和損耗因子（ε"）兩個(gè)參數(shù)，前者表示物料對(duì)電磁能的儲(chǔ)存能力，后者反映物料對(duì)電磁能的吸收或?qū)㈦姶拍苻D(zhuǎn)換為熱量的能力［15］。

介電特性受許多因素影響。對(duì)于糧食等低含水量物料，水分通常是主要因素，一般來說，隨著含水量增加，介電特性數(shù)值逐漸升高［16］。由于害蟲含水率較高，介電損耗遠(yuǎn)大于糧食，故在相同時(shí)間內(nèi)，害蟲將吸收更多能量，致使其升溫速率大于糧食，這種現(xiàn)象被稱為射頻選擇性加熱，因此開展糧食與儲(chǔ)糧害蟲介電特性的定量分析對(duì)射頻殺蟲具有重要意義［17］。表1列出了27.12 MHz下常見糧食及其制品與儲(chǔ)糧害蟲的介電特性。

表1  27.12 MHz射頻頻率下糧食及其加工副產(chǎn)物與害蟲的介電特性

Table1  Dielectric properties of post-harvest grain and their products and stored insect pests at 27.12 MHz

糧食種類含水量/（w.b. %）溫度/°C介電特性數(shù)據(jù)介電常數(shù)介電損耗穿透深度/cm小麥（銹扁谷盜成蟲）［20，21］15.0（49.0）154.00.1（8.0）——454.90.2——756.00.6——小麥粉（印度谷螟幼蟲）［18，22］12.6（74.0）255.60.5（211）——556.60.6——8523.59.74——精米（米象成蟲）［23，24］11.4（47.0）258.80.6（48）1063玉米粉（雜擬谷盜成蟲）［25，26］10.3（42.0）203.70.1（19）1083808.40.7289豇豆（四紋豆象成蟲）［27］12.7（71.0）203.60.3 （185）1008404.10.5766605.51.0431綠豆［27］10.2203.20.21075403.50.31063604.20.4977麥胚［28］11.3253.60.4831555.80.6623859.30.9471米糠［29］10.4252.80.21001704.91.921310011.51255

注：“（）”中為該糧食中常見儲(chǔ)糧害蟲的最耐熱階段及其相關(guān)數(shù)據(jù)；“——”表示該數(shù)據(jù)未測(cè)定

新窗口打開|下載CSV

研究介電特性一方面可預(yù)測(cè)射頻加熱過程中糧食及其制品的加熱特性（如加熱速率、均勻性等）。為了探究介電特性對(duì)射頻加熱速率及加熱均勻性的影響，Lin和Wang［18］利用阻抗分析儀測(cè)定了摻有麩皮的小麥粉介電特性隨頻率、水分含量、麩皮含量和溫度的變化規(guī)律，并采用27.12 MHz、6 kW的射頻加熱系統(tǒng)在10 cm的極板間距下評(píng)估小麥粉的加熱速率和溫度分布。結(jié)果表明，水分、麩皮含量和溫度對(duì)小麥粉的介電特性有顯著影響，小麥粉的介電特性隨溫度和水分的升高而升高，隨麩皮含量升高而降低。由于介電常數(shù)與損耗因子之差增大，小麥粉加熱速率隨水分的增大先減小后增大，隨麩皮含量的減少而減小。降低水分和麩皮含量可改善射頻加熱均勻性。另一方面，介電特性可為計(jì)算機(jī)模擬射頻加熱過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步優(yōu)化射頻系統(tǒng)和改善加熱均勻性。Shrestha和Baik［19］為研究射頻的選擇性加熱特性，基于小麥和銹扁谷盜的介電特性數(shù)據(jù)，采用COMSOL軟件模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式研究了不同含水量（12%、15%和18%）下，小麥與其所含銹扁谷盜在射頻加熱下的溫度變化過程，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)與模擬的溫度偏差分別不超過13.3%、10.2%和18.1%。

3.2　儲(chǔ)糧害蟲的耐熱性研究

儲(chǔ)糧害蟲的耐熱數(shù)據(jù)對(duì)射頻殺蟲工藝的建立與優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。美國華盛頓州立大學(xué)開發(fā)了一種加熱裝置Heating block system，可獲得理想的加熱均勻性，并在0.1~20 °C/min加熱速率下研究害蟲的熱致死參數(shù)，有效指導(dǎo)基于熱處理的害蟲殺滅研究［30］。利用該系統(tǒng)獲得的儲(chǔ)糧害蟲熱致死數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3可知，谷蠹最耐熱，100 %致死時(shí)需54 °C保持5 min或50 °C保持29 min；而印度谷螟、赤擬谷盜和雜擬谷盜等在50 °C下，僅需3 min即可100 %死亡，耐熱性較低。此外，由于射頻加熱速度顯著高于傳統(tǒng)加熱，為探究射頻快速加熱在糧食殺蟲方面的優(yōu)勢(shì)，Yan等［31］利用Heating block system研究發(fā)現(xiàn)6~8 °C/min的快速加熱條件下，米象成蟲死亡率顯著高于0.1或0.5 °C/min的慢速加熱，并指出原因與害蟲長(zhǎng)時(shí)間暴露于非致死溫度下形成了熱適應(yīng)有關(guān)，證明了射頻等快速加熱技術(shù)更有利于儲(chǔ)糧害蟲的殺滅。由圖3整體來看，在保證理想的加熱均勻性時(shí)，糧食經(jīng)射頻快速加熱至55 °C保溫5 min或直接加熱至更高溫度（如60~65 °C）不經(jīng)保溫處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)糧害蟲的有效殺滅。

圖3

圖3  常見儲(chǔ)糧害蟲的熱致死動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)［31-36］

注：試驗(yàn)所用害蟲均為其最耐熱階段，其中印度谷螟和米蛾為五齡幼蟲，其它害蟲均成蟲

Fig. 3  Thermal death kinetics of common stored insect pests［31-36］

3.3　糧食的射頻加熱均勻性與改善3.3.1　射頻加熱不均勻現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

與傳統(tǒng)及微波加熱相比，射頻加熱雖然穿透深度更大，但加熱不均勻（尤其是邊角效應(yīng)）仍是阻礙其工業(yè)化應(yīng)用的主要問題。引起射頻加熱不均勻性的原因主要包括以下三個(gè)方面：

（1）電磁場(chǎng)分布不均勻。由于糧食與其周圍介質(zhì)介電特性存在顯著差異，導(dǎo)致電磁場(chǎng)分布不均，產(chǎn)生不均勻加熱［37］。如圖4（a）空載狀況下極板內(nèi)部可形成垂直于極板表面的均勻交變電磁場(chǎng)，但在極板邊緣，電磁場(chǎng)則呈現(xiàn)非均勻分布。而當(dāng)物料置于下極板中心位置并在上方留有空隙時(shí)（如圖4（b）），由于容器、空氣和物料介電特性存在差異，因此在三者交界處電磁場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生改變，使電磁場(chǎng)在物料頂部邊緣匯集導(dǎo)致加熱不均勻，產(chǎn)生邊角效應(yīng)。由于物料通常是置于下極板中心位置加熱，因此邊角效應(yīng)廣泛存在于射頻加熱生產(chǎn)過程中。此外，當(dāng)物料置于極板間的幾何中心時(shí)（如圖4（c）），電磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使物料中間層電磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，溫度較高［38］。

圖4

圖4  不同加熱條件下射頻系統(tǒng)上下極板間電場(chǎng)的分布情況［38］

（a）空載狀態(tài) （b）物料置于下極板上 （c）物料置于極板中間

Fig. 4  Electric field distribution between two parallel plate electrodes under different radio frequency heating conditions［38］

（2）熱偏移現(xiàn)象。物料內(nèi)部含水率和介電特性的差異導(dǎo)致了物料內(nèi)部不同區(qū)域?qū)ι漕l能量吸收效果不同［39］。介電損耗因子越大，則吸收的射頻能量越大。由于介電損耗因子與溫度呈正相關(guān)，因此在射頻加熱過程中，介電損耗較高的熱點(diǎn)會(huì)吸收更多的射頻能量，進(jìn)而出現(xiàn)過度加熱［37］。熱偏移是導(dǎo)致射頻加熱不均勻的重要原因，也是阻礙該技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的最大障礙，尤其是當(dāng)物料的初始溫度、含水率或介電特性差異較大時(shí)，該現(xiàn)象更為嚴(yán)重［4］。

（3）物料形狀效應(yīng)。物料的形狀、大小等因素會(huì)對(duì)射頻波的反射、折射、穿透和吸收等過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而引發(fā)加熱不均勻現(xiàn)象。Huang等［40］利用計(jì)算機(jī)模擬并驗(yàn)證了不同粒徑大小和位置的黃豆在射頻加熱過程中的加熱均勻性，結(jié)果表明顆粒直徑越小的物料加熱越均勻，直徑為1 cm的單個(gè)大豆內(nèi)部的最大溫差為3 °C，而直徑為5 cm的顆粒內(nèi)部最大溫差為39 °C。直徑為1、2、3、4和5 cm的顆粒物料內(nèi)部溫度變化分別為74 %、113 %、121 %、143 %和153 %。Bedane等［41］制備了不同形狀的食品模擬樣品以研究不同幾何形狀（立方體、圓柱體和球體）和取向（垂直和水平）的溫度分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，樣品采用垂直取向具有更好的溫度分布，其中圓柱體樣品的加熱均勻性最好，立方體次之。最大的加熱速率和能量吸收率發(fā)生在球型樣品和水平取向的圓柱樣品的底部截面。

3.3.2　射頻加熱均勻性的改善

射頻加熱不均勻極大影響了糧食及其制品的熱處理效果。其中，局部過熱往往導(dǎo)致物料過度加熱影響產(chǎn)品品質(zhì)，而冷點(diǎn)產(chǎn)生將導(dǎo)致熱處理達(dá)不到預(yù)期效果（如殺蟲滅菌不徹底），產(chǎn)生潛在的食品安全問題［42,43］。目前針對(duì)改善射頻加熱均勻性的研究主要從以下三方面開展。

（1）改變電磁場(chǎng)分布。主要包括三種方式。第一種是利用特殊的電磁波導(dǎo)體（Electromagnetic Wave Conductors）增加冷點(diǎn)處對(duì)電磁波的吸收以提高冷點(diǎn)溫度改善加熱均勻性，即根據(jù)不同介電特性介質(zhì)間的電場(chǎng)線彎曲理論，將電磁波導(dǎo)體放置在食品內(nèi)部或覆蓋在食品表面，以此保證電磁強(qiáng)度較低的區(qū)域引入更多電磁能量［19,44］。如Ling等［28］在麥胚樣品的頂部和底部（冷點(diǎn)）覆蓋一對(duì)矩形聚醚酰亞胺片，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)聚醚酰亞胺片可顯著提高樣品冷點(diǎn)溫度并改善加熱均勻性，且使麥胚中脂肪酶失活更加均勻。

第二種是降低物料與周圍介質(zhì)介電特性差異，減少射頻能量在物料邊緣和角落的聚集，抑制熱偏移和邊角效應(yīng)。常用方法是選取與物料介電特性相似的材料作為容器材料或包覆于物料周圍，減少了物料邊角處因介電特性差異而導(dǎo)致的電磁場(chǎng)聚集。如Huang等［45］在黃豆射頻殺蟲研究中發(fā)現(xiàn)，由于聚苯乙烯介電常數(shù)與黃豆接近且損耗因子較低，因此與聚丙烯相比，聚苯乙烯容器加熱均勻性更好，同時(shí)在一定范圍內(nèi)增加容器拐角半徑和側(cè)壁厚度可進(jìn)一步改善加熱均勻性。

第三種是改變物料整體形狀或體積，減少射頻能量在邊角區(qū)域的聚集。如Yu等［46］研究了不同大小容器中油菜籽的射頻加熱均勻性，結(jié)果顯示，與小容器中的樣品相比，中等大小樣品的邊角效應(yīng)更加嚴(yán)重，但大容器中的樣品（尺寸大于極板面積）并未發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，證明樣品上表面積大于極板面積時(shí)邊角效應(yīng)不明顯。

（2）改變物料在電磁場(chǎng)中的位置。通過改變物料在電磁場(chǎng)中的位置使樣品中熱點(diǎn)與冷點(diǎn)位置不斷變化，提高加熱均勻性。常見方法包括旋轉(zhuǎn)、傳送帶輸送、攪拌和螺旋式輸送。如Palazo?lu和Miran［47］將裝滿面粉的矩形容器置于可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤中，并利用傳送帶輸送，將旋轉(zhuǎn)和平移相結(jié)合進(jìn)一步降低了矩形容器內(nèi)小麥粉的溫度梯度。Chen等［48］基于COMSOL軟件建立了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下小麥樣品的射頻加熱模型。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，傳送帶輸送可改善小麥的射頻加熱均勻性。Chen等［49］用計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式研究了27.12 MHz射頻加熱條件下攪拌混合對(duì)小麥樣品溫度分布的影響。結(jié)果表明，隨著混合次數(shù)的增加，射頻處理小麥樣品的加熱均勻性指數(shù)呈下降趨勢(shì)。此外，螺旋輸送的方式可實(shí)現(xiàn)在輸送過程中不斷對(duì)物料進(jìn)行攪拌以提高加熱均勻性。Zhou和Wang［50］采用定制的螺旋輸送器分別對(duì)大豆、玉米和花生進(jìn)行螺旋輸送，結(jié)果表明，采用螺旋輸送的方式可改善加熱均勻性，降低射頻加熱均勻性指數(shù)。

（3）控制射頻系統(tǒng)工作參數(shù)。射頻加熱時(shí)極板的電壓、形狀、尺寸和間距（功率輸出）等因素均會(huì)影響加熱均勻性［51］。通常情況下射頻加熱速率越快，邊角效應(yīng)和熱偏移現(xiàn)象越明顯，因此調(diào)節(jié)射頻系統(tǒng)的工作參數(shù)可有效改善加熱均勻性。物料射頻加熱時(shí)極板間距的選取是保障加熱均勻性的首要因素，如Shi等［52］通過計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式研究了小麥粉在不同極板間距下的加熱均勻性。結(jié)果表明，加熱均勻性指數(shù)和升溫速率隨電極距離的增加而減少，加熱速率與極板距離呈負(fù)相關(guān)。Huang等［53］通過計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了上極板面積對(duì)大豆加熱均勻性的影響，隨著上極板面積的逐漸減小，加熱均勻性指數(shù)會(huì)先減小后增大。對(duì)比初始上極板尺寸（83 cm×40 cm），使用較小的上極板尺寸（35 cm×25 cm）可獲得更好的加熱均勻性。除此，Wang等［54］還指出在射頻加熱實(shí)際過程中，上極板邊角部位的電壓要高于中心區(qū)域，電壓分布的不均勻也會(huì)加劇物料的加熱不均勻。通過對(duì)射頻上極板內(nèi)部電感位置和饋電條的對(duì)稱設(shè)計(jì)可提高射頻加熱均勻性。

除了上述三種方法外，采用兩種或多種方法協(xié)同還可進(jìn)一步提高射頻加熱均勻性。如Zheng等［55］在玉米的射頻加熱中通過輔以70 °C熱風(fēng)、6.6 m/h的傳送帶輸送、兩次混合攪拌以及熱風(fēng)保溫等方式有效改善了射頻加熱均勻性。目前，協(xié)同法已廣泛用于大米［56］、綠豆［57］、小麥［43］等糧食作物的采后射頻殺蟲研究中，該方法在未來的工業(yè)化射頻熱處理中具有重要實(shí)用價(jià)值。

4 射頻技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏與加工中應(yīng)用研究進(jìn)展

目前射頻技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏與加工中的應(yīng)用主要包括儲(chǔ)糧害蟲和有害微生物的殺滅、品質(zhì)相關(guān)酶活性的鈍化、干燥處理以及其它應(yīng)用。

4.1　儲(chǔ)糧害蟲的殺滅

糧食及其制品的儲(chǔ)藏過程中，害蟲不僅可直接取食造成糧食品質(zhì)損失，還可促進(jìn)霉菌生長(zhǎng)并產(chǎn)生毒素引發(fā)食品安全問題。射頻憑借其快速加熱、整體加熱和選擇性加熱等優(yōu)勢(shì)已被廣泛用于儲(chǔ)糧害蟲的殺滅研究，并成為最具潛力工業(yè)化應(yīng)用的新型殺蟲技術(shù)，表2對(duì)糧食及其制品的射頻殺蟲研究進(jìn)行了總結(jié)。

表2  射頻加熱技術(shù)在糧食及其制品殺蟲研究方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

Table 2  Application of radio frequency heating technology in disinfestation of post-harvest grain and their products

糧食種類主要研究結(jié)果小麥射頻加熱至熱點(diǎn)達(dá)80 °C，冷點(diǎn)處銹赤扁谷盜成蟲完全死亡，幼蟲在55~60 °C完全死亡。小麥發(fā)芽率隨水分增加降低，面粉品質(zhì)無顯著變化［58］；射頻加熱至60 °C，谷蠹、赤擬谷盜、長(zhǎng)角扁谷盜、玉米象成蟲死亡率達(dá)90 %以上，小麥水分、淀粉含量、面筋值等品質(zhì)指標(biāo)無顯著變化［59］稻谷傳送帶模式下射頻加熱至54 °C后保溫11 min，谷蠹成蟲完全死亡，15 kW系統(tǒng)處理量313.6 kg/h，稻谷除水分降低外，其它物化指標(biāo)均無顯著變化［60］；傳送帶模式下射頻加熱至50 °C后保溫6 min，米象成蟲完全死亡，6 kW系統(tǒng)處理量224.8 kg/h，稻谷各項(xiàng)物化指標(biāo)均無顯著變化［61， 62］精米射頻分別加熱至45.8、56.9和70 °C，米蛾成蟲、幼蟲和卵完全死亡，精米主要化學(xué)成分、發(fā)芽率和感官品質(zhì)無顯著變化［23］；射頻加熱至50 °C后保溫5 min，米象幼蟲、卵和蛹完全死亡，精米表面無裂紋且感官品質(zhì)無顯著變化，但吸水性和黏度降低［63］糙米傳送帶模式下射頻加熱至50 °C后保溫6 min，米象成蟲完全死亡，6 kW系統(tǒng)處理量247.3 kg/h，糙米各項(xiàng)物化指標(biāo)均無顯著變化［62］米粉射頻加熱至60 °C以上，米象成蟲完全死亡，米粉感官品質(zhì)無顯著變化［64］小扁豆在傳送帶模式下經(jīng)射頻加熱至60 °C后保溫10 min，豆象成蟲可完全死亡，處理量208 kg/h，水分、色澤、發(fā)芽率等品質(zhì)指標(biāo)無顯著變化［42］鷹嘴豆射頻加熱至60 °C后保溫10 min，豆象成蟲完全死亡，鷹嘴豆水分、色澤、發(fā)芽率等品質(zhì)指標(biāo)無顯著變化［65］綠豆射頻加熱至54 °C后保溫 6 min，可完全殺死谷蠹成蟲，綠豆主要化學(xué)組成、發(fā)芽率、色澤等品質(zhì)指標(biāo)無顯著變化［57］玉米射頻加熱至60 °C，玉米象卵、幼蟲、蛹和成蟲完全死亡，玉米主要品質(zhì)指標(biāo)及蛋白結(jié)構(gòu)無顯著變化，且蛋白功能特性有所提高［66］

新窗口打開|下載CSV

由于儲(chǔ)藏和加工階段的糧食及其制品含水量較低，因此在射頻殺蟲處理過程中具有更好的加熱均勻性且通常對(duì)品質(zhì)無顯著性影響。隨著介電特性、害蟲與糧食的耐熱特性等基礎(chǔ)研究的發(fā)展，射頻殺蟲技術(shù)逐漸擴(kuò)展到不同糧食及其制品的工業(yè)規(guī)模研究中。此外，害蟲的侵染會(huì)促進(jìn)微生物的繁殖，使糧食受到害蟲蟲卵及微生物孢子的侵害。由于射頻殺蟲所需強(qiáng)度較低，因此將其與巴氏殺菌、干燥或鈍酶等目的結(jié)合并開展相關(guān)研究有利于優(yōu)化商業(yè)處理工藝，降低處理成本。

4.2　有害微生物的殺滅

糧食在種植、收獲和儲(chǔ)運(yùn)階段均會(huì)受到各類微生物污染，一旦外界條件適宜，微生物就會(huì)迅速繁殖，產(chǎn)生潛在的食品安全問題。表3對(duì)糧食及其制品的射頻殺菌研究進(jìn)行了總結(jié)。

表3  射頻加熱技術(shù)在糧食及其制品殺菌研究方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

Table 3  Application of radio frequency heating technology in pasteurization of post-harvest grain and their products

糧食種類主要研究結(jié)果玉米射頻加熱至65 °C后保溫10 min，黃曲霉菌減少3~4 log CFU/g，玉米色澤、發(fā)芽率無顯著變化，超氧化物歧化酶、過氧化物酶等活性增加［67］；射頻加熱至70 °C后保溫12 min，黃曲霉菌減少6 log CFU/g，玉米水分、蛋白、淀粉等主要化學(xué)組成、電導(dǎo)率、發(fā)芽率等指標(biāo)受到顯著影響［68］玉米粉射頻加熱至85 °C后保溫10 min，繼續(xù)置于-20 °C下48 h，腸炎沙門氏菌和糞腸球菌分別減少6.59和4.79 log CFU/g［69］小麥射頻加熱至65 °C后保溫10 min，黃曲霉菌減少2~3 log CFU/g，小麥色澤、發(fā)芽率受到顯著影響，但超氧化物歧化酶、過氧化物酶等酶活增加［67］小麥粉射頻加熱至75 °C后自然冷卻，水分活度0.25~0.65的面粉中腸炎沙門氏菌分別減少3~7 log CFU/g［70］；射頻加熱至80 °C后自然冷卻，糞腸球菌減少1.2~4.6 log CFU/g。Bigelow模型是射頻殺菌最優(yōu)模型，其D值為8.3 min，z值為11.7 °C［71］混合谷物粉（Misugaru）射頻加熱120 s后，大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、蠟樣芽孢桿菌的營養(yǎng)細(xì)胞分別減少4.68，3.89和4.54 log CFU/g。若采用射頻加熱120 s并協(xié)同1.9 kJ/m2紫外線處理3 min，可使大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌分別減少5.39和4.76 log CFU/g［72］稻谷射頻加熱至70 °C后保溫3 min，可有效殺滅儲(chǔ)糧害蟲與霉菌，稻谷淀粉酶活性有不同程度增加，黏度和發(fā)芽率無顯著變化［73］米粉射頻加熱至100 °C后保溫1 min，菌落總數(shù)低于檢出限，米粉感官品質(zhì)無顯著變化［64］大麥苗粉射頻加熱至80 °C后自然冷卻，菌落總數(shù)減少3.87 log CFU/g，大麥苗粉抗氧化特性、色澤、風(fēng)味等指標(biāo)受到顯著影響，但優(yōu)于相同溫度下熱風(fēng)處理樣品［74］

新窗口打開|下載CSV

射頻加熱在糧食中有害微生物的殺滅中表現(xiàn)出巨大潛力。然而，部分微生物耐熱性極強(qiáng)，射頻滅菌仍需要較高的強(qiáng)度，易于對(duì)糧食中的熱敏性成分產(chǎn)生不利的影響。因此，針對(duì)糧食作物中熱敏性和功能性成分開展相關(guān)研究對(duì)保障射頻滅菌下糧食及其制品的品質(zhì)具有重要意義。此外，現(xiàn)有研究還表明射頻結(jié)合熱風(fēng)、熱水、冷凍或紫外等可獲得更高的滅菌效率和更好的滅菌效果。

4.3　品質(zhì)相關(guān)酶活性的抑制

糧食收獲后部分酶仍具有一定活性，這些酶往往導(dǎo)致糧食色澤、風(fēng)味、口感和營養(yǎng)產(chǎn)生不利變化。因此，對(duì)產(chǎn)后糧食及其制品中品質(zhì)相關(guān)酶進(jìn)行抑制或鈍化十分必要。表4總結(jié)了糧食及其制品中酶的射頻鈍化研究現(xiàn)狀。

表4  射頻加熱技術(shù)在糧食及其制品鈍酶研究方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

Table 4  Application of radio frequency heating technology in enzyme inactivation of post-harvest grain and their products

糧食種類主要研究結(jié)果米糠射頻加熱至92 °C后自然冷卻，脂肪酶活性降低至18.2 %，米糠蛋白功能特性得以改善［75］射頻加熱至120 °C后自然冷卻，脂肪酶活性降低至1.3 %，但米糠色澤變深，營養(yǎng)物質(zhì)有所損失［76］射頻加熱至100 °C后保溫15 min，脂肪酶和脂肪氧化酶活性分別降低至19.2和5.5 %，米糠油品質(zhì)無顯著變化但蛋白質(zhì)二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變［77， 78］麥胚射頻加熱至100 °C后保溫15 min或110 °C后保溫5 min，脂肪酶活性分別降低至18.2 %和22.5 %，麥胚物化特性優(yōu)于蒸汽處理樣品［79］大豆射頻加熱210 s，脂肪氧化酶活性降低至5.7 %，大豆蛋白的溶解性增加，豆奶風(fēng)味中己醛與正己醇含量均顯著減少［80］射頻加熱300 s后，脂肪氧化酶、脲酶和胰蛋白酶抑制劑活性分別降低至4.8 %、6.6 %和10.6 %，大豆物化特性得以改善［81］

新窗口打開|下載CSV

目前射頻技術(shù)在糧食及其制品鈍酶方向的研究較少?，F(xiàn)有研究中鈍酶的目標(biāo)主要集中在與風(fēng)味產(chǎn)生相關(guān)的酶和與顏色變化相關(guān)的酶。與射頻滅菌處理相似，酶滅活也需要較高的射頻強(qiáng)度，這對(duì)糧食及其制品的品質(zhì)保障帶來了一定挑戰(zhàn)。此外，盡管射頻具有快速加熱的優(yōu)勢(shì)，但目前針對(duì)糧食及其制品的射頻鈍酶研究仍為小批量的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，尚未開展射頻工業(yè)規(guī)模的鈍酶研究。

4.4　干燥處理

射頻技術(shù)在糧食的干燥處理中也有廣泛應(yīng)用。如謝永康等［82］針對(duì)英國產(chǎn)Strayfield SO6B型射頻加熱系統(tǒng)在干燥過程中存在加熱不均勻、熱風(fēng)效率低、無法在線稱重等問題，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)。通過采用多層物料盤堆疊，結(jié)合側(cè)向熱風(fēng)對(duì)流輔助干燥等方式有效解決了射頻干燥中出現(xiàn)的熱偏移和邊角加熱效應(yīng)，提高了干燥均勻性。

4.5　其它應(yīng)用

除上述應(yīng)用外，近年來也有研究者利用射頻加熱開展了新收獲稻谷的陳化研究，以改善新鮮大米烹飪后普遍存在的黏度大、口感差等問題［83］。結(jié)果顯示，稻谷含水量16.3 %，射頻加熱45 min為最優(yōu)陳化參數(shù)。與自然陳化相比，射頻陳化可顯著縮短陳化時(shí)間，且可較好地保持大米品質(zhì)。

5 未來研究展望

盡管射頻加熱技術(shù)已廣泛應(yīng)用于糧食及其制品儲(chǔ)藏和加工研究的多個(gè)領(lǐng)域，但仍然需要更多的研究以實(shí)現(xiàn)高效加工處理并工業(yè)化應(yīng)用?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀，未來還需在以下幾個(gè)方面開展深入研究。

（1）研發(fā)設(shè)計(jì)針對(duì)糧食儲(chǔ)藏加工的專用射頻加熱系統(tǒng)。目前，已有研究所采用的射頻加熱系統(tǒng)均為通用設(shè)備（即未針對(duì)某種特定目標(biāo)研發(fā)的射頻加熱系統(tǒng)）。因此，未來可考慮針對(duì)糧食這類特定物料（如低水分、顆粒狀、粉狀等共性特點(diǎn)），結(jié)合射頻加熱均勻性改善研究，開發(fā)針對(duì)糧食殺蟲、滅菌、鈍酶、干燥等處理的專用射頻加熱系統(tǒng)，以更好地滿足科學(xué)研究與工業(yè)化應(yīng)用需求。

（2）射頻協(xié)同其它技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏加工研究中的應(yīng)用。目前，相比傳統(tǒng)熱處理技術(shù)，盡管射頻加熱具有速度快、時(shí)間短、溫度更均勻等優(yōu)勢(shì)，但糧食的低水分特性導(dǎo)致微生物與酶耐熱性極強(qiáng)，射頻殺菌或鈍酶仍需較高強(qiáng)度，對(duì)品質(zhì)保持帶來了一定挑戰(zhàn)。因此，未來可考慮采用其它物理或化學(xué)手段協(xié)同射頻加熱，進(jìn)一步提高熱處理效率，降低糧食品質(zhì)損失。

（3）目前射頻干燥過程多采用單一方法，這使得糧食在前期受熱率和干燥速率較低而在后期產(chǎn)生加熱失控和品質(zhì)下降。因此，未來在糧食射頻干燥過程中可將整個(gè)周期劃分為多階段，針對(duì)不同階段采取多級(jí)干燥的方式提高加熱均勻性和產(chǎn)品品質(zhì)。

（4）射頻殺蟲的工業(yè)化應(yīng)用。射頻殺蟲是該技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏與加工領(lǐng)域開展最早且研究最為深入的方向，通過多年研究已積累了豐富的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。因此，未來應(yīng)主要針對(duì)工業(yè)化射頻殺蟲過程中糧食的加熱均勻性、品質(zhì)以及能耗效率等開展深入研究，早日實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用。

相關(guān)知識(shí)

食品安全快速檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在兒童肥胖防治研究中的應(yīng)用進(jìn)展.pptx
加強(qiáng)食品安全關(guān)鍵技術(shù)研究，確保人民健康——“食品安全關(guān)鍵技術(shù)”重大科技專項(xiàng)取得重要進(jìn)展
健康照明應(yīng)用研究發(fā)展與展望
植物蛋白肉研究進(jìn)展
神經(jīng)康復(fù)技術(shù)：突破性進(jìn)展與未來應(yīng)用展望
電磁輻射對(duì)人體健康影響的多組學(xué)研究進(jìn)展
基于視頻的生理參數(shù)測(cè)量技術(shù)及研究進(jìn)展
區(qū)域阻滯在剖宮產(chǎn)術(shù)后鎮(zhèn)痛的研究進(jìn)展
健康睡眠技術(shù)研究中心建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告.docx

網(wǎng)址: 射頻加熱技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏與加工中應(yīng)用研究進(jìn)展 http://www.u1s5d6.cn/newsview336547.html