紅外輻射食品熱處理機(jī)制及應(yīng)用研究進(jìn)展

于賢龍 褚 斌 肖紅偉 張衛(wèi)鵬 趙 峰 張宗超

(1. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100; 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083; 3. 北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048)

紅外線是介于可見光和微波之間的電磁波，光譜波長(zhǎng)范圍廣，能夠廣泛適應(yīng)多品類食品的不同加工領(lǐng)域[1]。紅外輻射加熱過(guò)程中無(wú)需傳熱介質(zhì)，避免了加工過(guò)程污染物的生成，且在真空、常壓、高壓操作環(huán)境中均能夠完成高效率的傳熱過(guò)程，避免了溫度邊界層對(duì)傳熱過(guò)程的阻礙，具有傳熱速度快、加熱效率高的特點(diǎn)[2]。此外，對(duì)于具有一定厚度的食品物料，紅外輻射具有內(nèi)部加熱特性，有利于提高物料的升溫速度[3]。研究[4-5]表明，紅外輻射加熱有助于減少抗性淀粉含量，提高面粉易磨性，同時(shí)改善淀粉類食品的消化特性。紅外輻射加熱存在熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)的共同作用，能夠有效殺滅食品中細(xì)菌、真菌、蟲卵以及成蟲，保障食品安全與品質(zhì)[6-7]。如圖1所示，紅外輻射加熱在滅酶、殺菌、烘焙、脫皮、干燥、解凍的食品加工環(huán)節(jié)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

圖1 紅外加熱技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用Figure 1 The application of infrared heating technology in food processing

紅外加熱產(chǎn)生的熱量高，長(zhǎng)期暴露在高強(qiáng)度的紅外線輻射下會(huì)引起產(chǎn)品品質(zhì)劣變，造成營(yíng)養(yǎng)成分特別是熱敏性成分損失嚴(yán)重的問(wèn)題。因而，紅外輻射的熱加工過(guò)程中需要謹(jǐn)慎地對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)化控制[8]。研究擬論述食品紅外輻射加熱理論的發(fā)展，綜述紅外輻射加熱在食品加工應(yīng)用方向上的最新研究進(jìn)展，解析紅外輻射加熱對(duì)食品品質(zhì)的影響規(guī)律，總結(jié)闡述基于紅外輻射加熱的食品加工原理與工藝優(yōu)化方法，以期為高效、高質(zhì)、節(jié)能的食品加工裝備開發(fā)提供參考。

1 食品紅外輻射熱處理機(jī)制

1.1 匹配吸收理論

1938年，紅外輻射加熱被應(yīng)用于油漆的固化干燥，此后紅外加熱技術(shù)逐步被應(yīng)用于食品加工各領(lǐng)域[9]。1971年，基于紅外輻射加熱的反射、吸收、透過(guò)原理提出了遠(yuǎn)紅外加熱的匹配吸收理論[10]。匹配吸收理論指出紅外線波長(zhǎng)與被加熱物料的吸收波長(zhǎng)相匹配時(shí)，其能量會(huì)被吸收而達(dá)到加熱的目的[11]。紅外源輻射峰、吸收峰與相應(yīng)的黑體峰的匹配能夠提高輻射通量密度，同時(shí)保證能量的充分吸收[12]。朱文學(xué)等[13]發(fā)現(xiàn)物料的紅外光譜對(duì)含水率變化較為敏感，其影響程度甚至遠(yuǎn)大于物料品種差異所造成的影響。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，調(diào)節(jié)紅外源表面溫度能夠改變紅外源輻射紅外線波長(zhǎng)，達(dá)到匹配的目的[14]。但是，農(nóng)產(chǎn)品物料普遍為熱敏性物料，限制了紅外源溫度的可調(diào)節(jié)范圍。

1.2 非匹配吸收理論

在食品加工與貯藏過(guò)程中，物料本身具有一定的厚度或呈多層堆積的狀態(tài)放置，熱量穿透到物料深層往往更有利于傳熱過(guò)程的進(jìn)行。侯蘭田等[15]在一定厚度的物料的紅外輻射加熱吸收譜研究中發(fā)現(xiàn)了紅外線的非匹配吸收現(xiàn)象。如圖2所示，在非匹配吸收理論下，紅外輻射加熱包括3個(gè)部分：表面反射、表面吸收和穿透吸收。采用非匹配吸收理論來(lái)選擇紅外源的波長(zhǎng)避開物料的主吸收峰，可以同時(shí)對(duì)表面及內(nèi)部層進(jìn)行加熱。

圖2 食品紅外輻射加熱原理圖Figure 2 Schematic diagram of infrared radiation of food

食品作為生化大分子、生化聚合物、無(wú)機(jī)鹽和水組成的復(fù)雜的混合物，各組分具有獨(dú)特的紅外線吸收?qǐng)D譜。

水、氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、脂類、糖類的紅外特征吸收峰集中在3～11 μm[16]。選擇適宜紅外波段，有助于強(qiáng)化加工效率，提高產(chǎn)品品質(zhì)。對(duì)于厚度較薄的食品物料，或者表面需要快速加熱，諸如脫皮、烘焙等操作，適宜選擇中、長(zhǎng)波紅外源[17]。而對(duì)于厚度較厚的農(nóng)產(chǎn)品物料，或者需要穿透深度較大的加工過(guò)程，諸如干燥、殺菌等操作，可根據(jù)“非匹配吸收”原理，選擇中、短波紅外輻射器作為紅外源，能夠有效提高熱量傳遞速率，同時(shí)保證加熱過(guò)程的均勻性。

2 紅外輻射在食品熱加工中研究與應(yīng)用

2.1 紅外干燥技術(shù)

干燥是一種通過(guò)降低物料中含水量從而保存食品的最常用方法，也是人類已知的最古老的食品保存方法之一[18]。早在1941年，紅外輻射加熱已被應(yīng)用于種子的干燥研究中，隨后紅外加熱提供的能量被證明適用于水果與蔬菜的脫水[19]。目前，紅外加熱技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的干燥研究與應(yīng)用。

紅外輻射具有一定的穿透能力，有利于熱量向物料內(nèi)部的傳遞。另外，紅外線具有分解大水分子團(tuán)簇的能力，有利于加速物料水分的內(nèi)擴(kuò)散，從而強(qiáng)化干燥效率[20]。干燥效率的提高可以改善干燥過(guò)程的物料品質(zhì)劣變。利用紅外加熱技術(shù)對(duì)蕎麥進(jìn)行干燥相較于熱風(fēng)干燥所需時(shí)間較短，且具有較好的外觀特性和較高的蛋白質(zhì)含量[21]。紅外加熱溫度、切片厚度、輻射距離是影響加熱過(guò)程的關(guān)鍵因素。其中，紅外加熱溫度在蘋果片、香菇等物料干燥研究中其影響均高于切片厚度和輻射距離。巨浩羽等[22]研究得出適宜紅外溫度能夠抑制酶促褐變和降低美拉德反應(yīng)而保證產(chǎn)品具有良好的色澤品質(zhì)。王雪媛等[23]發(fā)現(xiàn)提高紅外加熱溫度能促進(jìn)自由水與不易流動(dòng)水的遷移。紅外干燥作為一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，單一的溫度參數(shù)難以適應(yīng)不同階段物料的脫水需求。干燥前期采用較高的輻射溫度加快水分蒸發(fā)，而在干燥后期，采用較低的輻射溫度可以避免溫度過(guò)高引起的品質(zhì)劣變[24]。

如圖3所示，紅外熱風(fēng)干燥結(jié)合了輻射傳熱與對(duì)流傳熱傳質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高干燥效率[25]。紅外—熱泵聯(lián)合干燥方法兼具紅外輻射加熱快速、傳熱能力與熱泵干燥節(jié)能特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的干燥目的，在龍眼、魷魚片、金銀花等物料的干燥上表現(xiàn)出了良好的節(jié)能保質(zhì)效果[26-28]。將紅外加熱方法應(yīng)用于真空脈動(dòng)干燥、真空冷凍干燥技術(shù)，開發(fā)出的紅外真空脈動(dòng)干燥設(shè)備與紅外真空冷凍干燥設(shè)備具有干燥效率高、產(chǎn)品品質(zhì)高的優(yōu)點(diǎn)，所生產(chǎn)的茯苓、蜂花粉、玫瑰花干制品均具有較高的產(chǎn)品品質(zhì)[29-31]。組合干燥方式結(jié)合了多種干燥技術(shù)的特點(diǎn)，干燥的傳熱傳質(zhì)關(guān)系也相對(duì)復(fù)雜，創(chuàng)新參數(shù)控制方法實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程的智能控制對(duì)于高效、高質(zhì)、節(jié)能干燥具有重要意義。

圖3 基于紅外輻射加熱的組合干燥方法Figure 3 Combined drying method based on infrared radiation heating

2.2 紅外漂燙熱處理技術(shù)

漂燙熱處理是果蔬加工中重要的工藝環(huán)節(jié)，起到提高干燥速率以及抑制組織氧化的作用。紅外漂燙為一種新型漂燙方式，在果蔬加工的預(yù)處理過(guò)程中進(jìn)行了大量應(yīng)用研究[32]。

紅外漂燙傳熱速度快，能夠穿透至物料內(nèi)部進(jìn)行加熱，強(qiáng)化了漂燙的酶滅活效率[33]。Yan等[34]研究發(fā)現(xiàn)，紅外輻射處理能夠破壞米糠中脂肪酶的空間結(jié)構(gòu)而有效抑制其活性，降低了貯藏過(guò)程中游離脂肪酸含量的上升速度。另外，紅外漂燙熱處理增加了果蔬組織透性，可以加快脫水過(guò)程。Chen等[35]發(fā)現(xiàn)，在60，70，80 ℃下經(jīng)紅外漂燙后熱風(fēng)干燥時(shí)間分別減少了32.3%，41.1%，45.0%，顯著提高了整體的干燥速率。

與傳統(tǒng)熱水漂燙相比，紅外漂燙熱處理不存在廢液處理問(wèn)題，同時(shí)避免了可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失[36]。與熱水漂燙干燥相比，紅外漂燙干燥所獲得胡蘿卜干片的維生素C保留率高出39%[37]。Kettler等[38]對(duì)比了花生在紅外漂燙和熱水漂燙下的貯藏動(dòng)力學(xué)，與熱水漂燙相比具有更長(zhǎng)的貯藏期，獲得的花生產(chǎn)品在室溫下保存18周未出現(xiàn)明顯氧化。

作為一種干式漂燙方式，紅外輻射傳遞給物料的能量會(huì)因水分蒸發(fā)被吸收而損失，這阻礙了物料漂燙的升溫，延長(zhǎng)了漂燙時(shí)間。如圖4所示，增加空氣介質(zhì)的相對(duì)濕度引起的冷凝潛熱釋放可以強(qiáng)化傳熱過(guò)程。Yu等[39]分析顯示，適當(dāng)?shù)靥岣呖諝饨橘|(zhì)相對(duì)濕度可獲得較高的傳熱速率，又能提高物料內(nèi)部溫度分布均勻度。而在紅外漂燙領(lǐng)域，Li等[40]提出利用紅外與蒸汽組合加熱對(duì)野菊花進(jìn)行漂燙，與單一紅外漂燙相比具有更高的總酚、類胡蘿卜素和類黃酮含量，同時(shí)能有效抑制貯藏階段POD酶活性再生。但是，基于空氣介質(zhì)強(qiáng)化紅外漂燙傳熱效率的研究鮮有報(bào)道，空氣介質(zhì)對(duì)紅外漂燙的傳熱強(qiáng)化作用仍需進(jìn)一步探索。

圖4 物料與高濕空氣介質(zhì)對(duì)流傳熱原理圖Figure 4 Schematic diagram of convection heat transfer between material and high humidity air medium

2.3 紅外加熱焙烤技術(shù)

焙烤是一種在高溫下(>150 ℃)進(jìn)行的食品加工方法，能夠創(chuàng)造出獨(dú)特的風(fēng)味。紅外焙烤具有較高的傳熱系數(shù)，面團(tuán)烘焙過(guò)程中紅外輻射提供的熱流量超過(guò)了總熱量的60%[41]。同時(shí)，紅外焙烤避免了對(duì)流烘焙物料重量損失嚴(yán)重的問(wèn)題，有利于產(chǎn)品品質(zhì)形成[42]。Lee等[43]研究表明茶葉經(jīng)過(guò)紅外焙烤后總酚和黃烷醇含量大大提高，其抗氧化活性成分也能夠得到較高保持。此外，紅外焙烤用于面包烤制能抑制面包在貯藏過(guò)程中的硬化，相比對(duì)流焙烤能夠更好地維持產(chǎn)品在貯藏期的品質(zhì)[44]。作為一種能量密集型操作單元，紅外輻射加熱可顯著降低焙烤能耗。Ploteau等[45]研究表明，在較低的空氣溫度下紅外烘焙所需的能量相對(duì)于傳統(tǒng)對(duì)流烘焙的減少了20%。目前，基于紅外加熱的食品焙烤技術(shù)已被廣泛用于面包、堅(jiān)果、肉類等物料的加工研究與應(yīng)用中。

紅外加熱常與熱風(fēng)加熱、微波加熱等其他焙烤技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。Bagheri等[46]利用紅外聯(lián)合熱風(fēng)方法顯著降低了花生仁的焙烤時(shí)間與焙烤能耗。紅外聯(lián)合微波焙烤能夠同時(shí)對(duì)物料內(nèi)部與外部進(jìn)行快速加熱，使得物料表面在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)美拉德反應(yīng)，并促進(jìn)面包外皮與面包芯的同步形成[47]。Uysal等[48]探究了紅外聯(lián)合微波焙烤對(duì)榛子色澤、質(zhì)地、水分、脂肪酸組成的影響，優(yōu)化后的焙烤工藝在顯著縮短加工時(shí)間的基礎(chǔ)上能夠獲得較高質(zhì)量的榛果。

2.4 紅外加熱脫皮技術(shù)

在罐頭、干果、嬰兒食品和果汁等食品的加工過(guò)程中，脫皮是一項(xiàng)重要的單元操作，能夠改善產(chǎn)品口感并去除農(nóng)殘。應(yīng)用廣泛的堿液和蒸汽去皮法會(huì)消耗大量的水資源，同時(shí)伴隨著高密度能量投入，去皮過(guò)程產(chǎn)生的廢水會(huì)帶來(lái)高鹽度和有機(jī)污染問(wèn)題。

紅外輻射加熱能夠使物料表面快速升溫，是果蔬脫皮的一種有效方法。Li等[49]分析了紅外脫皮的瞬態(tài)傳熱傳質(zhì)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)紅外輻射加熱會(huì)使番茄表面溫度快速升高，而中心位置的溫度保持在低位值，有利于保持番茄硬度與降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解。與堿液和蒸汽的脫皮機(jī)制不同，紅外加熱可以致使細(xì)胞外角質(zhì)層充足、細(xì)胞壁熱膨脹以及細(xì)胞層坍塌，引發(fā)表皮下壓力的累積與表皮強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致表皮開裂[50]。Wang等[51]獲得的棗的剝皮損失與堿液脫皮相比較低，且色澤維持較好。劉瑩等[52]利用催化式紅外技術(shù)促進(jìn)了果皮與果肉的分離，相較于堿液去皮對(duì)果肉影響較小。

紅外輻射加熱脫皮過(guò)程中，輻射強(qiáng)度、輻射間距、加熱時(shí)間是影響脫皮效果的3個(gè)重要因素。輻射強(qiáng)度和輻射間距是影響物料表面熱通量的主要因素，而輻射時(shí)間則決定著物料的處理程度，通過(guò)縮小輻射間距與提供雙面加熱結(jié)構(gòu)等措施能夠顯著提高脫皮速率[53]。但是處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低脫皮后產(chǎn)品品質(zhì)，導(dǎo)致硬度降低，剝皮損失增大[54]。因此，精確的加熱時(shí)間控制是保證脫皮完成度與降低脫皮損失的重要前提。

2.5 紅外加熱殺菌技術(shù)

紅外線能夠使生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和核酸熱變性而抑制其活性，相較于對(duì)流加熱滅菌，紅外加熱能夠在短時(shí)間內(nèi)使細(xì)菌、真菌、蟲卵等失活[55]。如表1所示，目前在多種食品物料中紅外輻射加熱均表現(xiàn)出了較強(qiáng)的滅菌能力。

表1 紅外處理對(duì)食品滅菌動(dòng)力學(xué)與產(chǎn)品品質(zhì)的作用Table 1 Effects of infrared treatment on food sterilization kinetics and product quality

不同峰值波長(zhǎng)的紅外輻射線的滅菌效果有所區(qū)別，較短波長(zhǎng)的紅外線對(duì)枯草桿菌具有較好的滅菌效果，而紅外吸收光譜特性隨細(xì)菌水分活度變化而變化[62]。因此，合適的紅外輻射波段有助于提高紅外輻射對(duì)食品的滅菌效果。研究[63]顯示，3.2 μm的紅外線可以更加顯著地使稻谷上霉菌與細(xì)菌失活。

紅外滅菌過(guò)程中會(huì)使食品表面溫度快速上升，導(dǎo)致物料內(nèi)外存在較大溫度梯度，從而出現(xiàn)表面糊化、裂紋、爆腰等問(wèn)題。Wilson等[64]探究了玉米紅外滅菌的紅外加熱溫度與溫度保持時(shí)間對(duì)玉米色澤、能耗、菌群失活程度的影響，優(yōu)化后的紅外滅菌工藝能夠在提高滅菌程度的同時(shí)維持玉米的顏色。此外，研究[65]表明微生物在較高的溫度下維持較短時(shí)間會(huì)增加耐熱性，不利于微生物的失活。間歇紅外加熱能夠?qū)⑽锪蟽?nèi)外溫度梯度最小化，而后期溫度保持能夠促進(jìn)殘余菌群的失活，已成為當(dāng)前紅外滅菌工藝研究的重點(diǎn)。

2.6 紅外加熱解凍技術(shù)

解凍是冷凍食品在加工前的重要工序，受冰晶作用易發(fā)生液汁損失、微生物繁殖、組織坍塌等問(wèn)題。紅外輻射加熱通過(guò)引起速凍食品內(nèi)部分子劇烈運(yùn)動(dòng)并將能量轉(zhuǎn)化為熱能而實(shí)現(xiàn)解凍。與傳統(tǒng)鼓風(fēng)解凍方法相比，紅外輻射有助于降低解凍過(guò)程中細(xì)胞的液汁損失。Cai等[66]研究表明，紅外輻射解凍后的樣品松弛時(shí)間較小，說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)的水轉(zhuǎn)化為游離水的量較少。

受穿透能力限制紅外輻射加熱解凍易造成表面溫度過(guò)高，加快表面水分蒸發(fā)而導(dǎo)致表面失水，同時(shí)出現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞等問(wèn)題。為了抑制解凍過(guò)程中物料溫度的快速上升，Sakai等[67]采用間歇式紅外解凍方法可以將物料表面溫度控制在15 ℃以下，解凍前后金槍魚色差較小。從水分?jǐn)U散原理出發(fā)，提高紅外解凍過(guò)程介質(zhì)的濕含量有助于防止物料表面的水分散失。

為了實(shí)現(xiàn)食品解凍物料內(nèi)外溫度均勻上升，Cao等[68]發(fā)現(xiàn)，磁性納米粒子輔助紅外解凍處理的樣品具有較高的新鮮度和品質(zhì)，同時(shí)降低了甲醛和生物胺含量，有利于保證食品安全。Cai等[66]研究發(fā)現(xiàn)利用超聲波輔助紅外解凍可顯著提高單一紅外解凍下紅鼓魚的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且肌肉纖維更加光滑，能夠較好地保持紅鼓魚片的品質(zhì)。因此，基于紅外輻射加熱的多物理場(chǎng)組合熱處理強(qiáng)化解凍過(guò)程的均勻性有助于降低解凍損傷。

3 結(jié)論

紅外加熱處理在食品加工領(lǐng)域具有深入的研究與應(yīng)用。根據(jù)傳熱原理與加工特點(diǎn)合理選擇紅外線波段是實(shí)現(xiàn)高效、均勻熱處理的關(guān)鍵。間歇紅外加熱是降低熱損傷、降低能耗的重要手段，在解凍、滅菌處理方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。另外，基于紅外輻射加熱的多物理場(chǎng)組合熱處理能夠強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程，縮短加工時(shí)間，同時(shí)也有助于提高產(chǎn)品的品質(zhì)。后續(xù)可從以下方面進(jìn)行深入探究：① 創(chuàng)新紅外輻射器與加熱形式，改善加熱的均勻性與輻射強(qiáng)度的控制精度；② 結(jié)合傳熱傳質(zhì)、理化試驗(yàn)、能量分析等手段對(duì)食品紅外熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化；③ 開發(fā)多目標(biāo)智能控制系統(tǒng)，著重考慮空氣介質(zhì)相對(duì)濕度對(duì)食品紅外輻射熱加工過(guò)程的作用。