摘要：射頻加熱技術作為一種新型熱加工技術，其在食品干燥、殺菌、殺蟲、解凍等領域的潛力被廣泛開發(fā)，并且在這些領域已有部分工業(yè)應用。文章綜述了射頻加熱技術機理、在食品領域的應用以及射頻加熱過程的數(shù)學建模方法，指出了射頻加熱技術目前存在的加熱不均勻性等問題及解決方案，并對未來研究的方向進行了展望。

　　關鍵詞：射頻加熱；食品加工；介電特性；數(shù)學建模

　　食品加熱在單元操作中占據(jù)著重要的地位，其過程直接影響食品的最終質量和安全性，關系到公眾的健康。加熱時間、目標溫度、加熱均勻性、能耗、產(chǎn)品品質等都是人們在食品熱加工過程中考慮的重要因素。

　　射頻加熱作為一種新型的加熱方式，是利用食品分子在電磁波中的運動，使得食品在射頻加熱器內(nèi)升溫，達到加熱效果。相比較傳統(tǒng)加熱方式，射頻加熱具有加熱速度快、加熱均勻、穿透深度大等優(yōu)點，有潛力作為新興技術應用于食品工業(yè)中。然而，食品物料的復雜特性均影響其在射頻加熱過程中的溫度分布均勻性，如物料的介電特性、熱特性、形狀、大小、組分等，使得射頻加熱技術在多種領域的工業(yè)應用尚需一定研究。本文擬介紹射頻加熱的概念、特點，及其在食品工業(yè)中的應用和現(xiàn)存問題，總結計算機模擬技術在射頻加熱中運用現(xiàn)狀，并提出射頻加熱的發(fā)展前景以及未來研究的方向。

　　射頻（Radio Frequency）是指頻率為3KHz～300MHz的高頻電磁波，一般在家用、工業(yè)、科學和醫(yī)療領域允許應用的頻率為13.56,27.12,40.68MHz。

　　射頻和微波加熱過程同屬介電加熱過程，其原理可簡單描述為在物料內(nèi)部將電磁能轉化為熱能的過程。在介電加熱過程中，由于波段加熱機理不同，食品在電磁場中一般由極性分子轉動或離子傳導主導生熱。微波加熱過程由極性分子轉動主導，食品中的極性分子隨著高頻電磁場的極性快速變化而轉動，導致分子間摩擦產(chǎn)生熱量；射頻加熱過程主要以離子轉動生熱，電場不斷變化導致離子總是向帶有相反電荷的方向運動，使得離子間不斷碰撞摩擦生熱。圖1分別描述了這兩種機理。

圖1　電磁加熱過程中偶極子旋轉和離子傳導生熱原理示意圖

　　1.2  介電特性

　　介電特性對射頻加熱食品有重要的影響，它決定了食品和電磁能之間的相互作用，也是影響射頻加熱效率的關鍵因素。

　　介電特性主要用介電常數(shù)與介電損耗來表示，表述為：

　　ε＊ ＝ε′－ｊε″，  （１）

　　式中：

　　ε＊——復介電特性，F(xiàn)/m；

　　ε′——介電常數(shù)，電介質儲存外電場能量的能力，F(xiàn)/m；

　?。?mdash;—虛數(shù)單位，ｊ＝；

　　ε″——介電損耗，電介質存損耗電場能量的能力，F(xiàn)/m。

　　對于熱傳遞可忽略的射頻加熱過程，由于介電材料和電場之間的相互作用而引起的溫升可用式（2）表示：

　　（2）

　　式中：

　　P——物料密度，kg/m3；

　　Cp——物料比熱，J/（kg·℃）；

　　ΔT——物料的溫升，℃；

　　F——頻率，Hz；

　　E——電場強度，V/m；

　　ε０——真空介電常數(shù)，8.85×10-12F/m。

　　物料的介電特性受頻率、溫度、脂肪含量、水分含量、鹽分含量等的影響。一般來講，ε′和ε″在射頻頻段范圍均隨頻率的升高而減??；隨溫度的升高而增大；隨著脂肪含量的升高而減??；隨著水分含量的升高而增大；ε′隨鹽分含量的升高而減小，而ε″隨鹽分含量的升高而增大。

　　穿透深度用于描述電磁波進入某種介質的深度，把垂直于表面的平面波的能量在介質內(nèi)部衰減到它在表面值的1/e時的深度叫做穿透深度，一般用dp來表示，受溫度、食品組分等影響。可以用式（3）計算：

　　(3)

　　式中：C——光速，3×108m/s

　　穿透深度在加熱過程中用以預測待加熱物料的厚度，以保證加熱過程中加熱效率及溫度均勻性。

　　傳統(tǒng)加熱方式如熱空氣、水浴、蒸汽加熱等，均依賴于食品本身的導熱特性實現(xiàn)由外至內(nèi)的加熱過程，而射頻加熱以其整體加熱的特點，與傳統(tǒng)加熱方法相比具有較大優(yōu)勢，見表１。

　　表1　射頻加熱與傳統(tǒng)加熱的特點對比

　　與傳統(tǒng)加熱方式相比，射頻加熱盡管設備成本投入高，但具有能耗低的優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中具有優(yōu)越性。Wang等利用射頻對核桃進行殺蟲處理，探索所需能耗和成本。研究表明，當每小時對1561.7kg的核桃進行殺蟲時，射頻能源利用率為79.5%，平均每公斤能量消耗花費0.0027美元，與溴代甲烷熏蒸的成本相當?？傮w來講，射頻加熱能量轉換效率較高，加熱速度快，在能耗核算方面與傳統(tǒng)方法相當甚至更優(yōu)。

　　食品物料熱敏感性較強，干燥溫度、時間等工藝參數(shù)對食品品質有顯著影響。射頻干燥以其整體加熱、穿透深度大的優(yōu)勢，能夠減輕食品表面結殼現(xiàn)象，提高傳質效率，適用于去除傳統(tǒng)干燥過程降速段難以去除的水分，顯著縮短干燥時間，獲得更高的食品品質。另外，將射頻技術結合其他干燥方式，如：熱風干燥，可得到更適于食品干燥的工藝。

　　Silva等對澳洲堅果進行試驗，用熱風單獨干燥時可以將籽粒水分從33％降低至1.5％，但耗時1個月以上，且游離脂肪酸值已達到1.2％（規(guī)定合格值不高于1.5％），因此需要研究其他新的干燥工藝來縮減干燥時間，減少其營養(yǎng)的損失。Suchada等比較了射頻聯(lián)合干燥和熱風干燥稻米的效率，結果發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合干燥較熱風干燥時間節(jié)約了38％以上，同時節(jié)約能耗達90％，品質無顯著差異。Wang等用熱風輔助射頻加熱系統(tǒng)來干燥澳洲堅果，分別用40，50，60℃的熱風聯(lián)合6kw，27MHz的射頻加熱系統(tǒng)對堅果進行干燥，最終發(fā)現(xiàn)熱風輔助射頻加熱系統(tǒng)干燥比單獨的熱風干燥時間縮短50％，并且發(fā)現(xiàn)單獨的熱風干燥比熱風輔助聯(lián)合干燥后的過氧化值（PV）和游離脂肪酸值高（FFA），且在加熱時間為240，360min時數(shù)值較明顯，在240min時單獨的熱風干燥較熱風射頻聯(lián)合干燥過PV和FFA分別高出0.03meq/kg和0.02％，而在360min時PV和FFA分別高出0.09meq/kg和0.04％。張波利用射頻熱風聯(lián)合干燥核桃，結果表明單獨使用熱風干燥和射頻熱風聯(lián)合干燥將核桃水分含量干燥到8％分別需要240，100min，且干燥完成后射頻熱風聯(lián)合干燥過的核桃過氧化值明顯低于熱風干燥的，分別為0.34，0.58meq/kg，而自由脂肪酸值和顏色值2個指標在種干燥之間并無顯著性差異。

　　射頻加熱的整體加熱特性能夠對大塊食品整體滅菌，尤其是射頻可以迅速穿透并加熱多孔性物料，因此對于農(nóng)產(chǎn)品物料的滅菌具有獨特優(yōu)勢。

　　OrsatV等利用27.12MHz的射頻加熱火腿，結果表明當射頻加熱物料5min時其中心溫度達到75～85℃，后進行高阻隔材料真空包裝，火腿的保質期可延長至28d。劉嫣紅等利用射頻—熱風聯(lián)合技術處理了保鮮白面包，與傳統(tǒng)的熱風處理方式相比，射頻—熱風處理可以在更低的溫度時達到要求的殺菌效果，且加熱速率是傳統(tǒng)加熱方式的30倍，可以更好地保證面包的品質。呂曉瑩等以鮮榨獼猴桃汁為研究對象，沙門氏菌為受試菌，使用固定頻率27.12MHz的射頻設備進行處理，探索了處理時間、極板間距以及獼猴桃汁厚度對射頻殺菌效果的影響，證實最優(yōu)化條件下射頻處理可使獼猴桃汁中的沙門氏菌下降8個數(shù)量級以上。試驗中也比較了巴氏殺菌和射頻殺菌對獼猴桃汁中Vc含量的影響，結果表明巴氏殺菌后的Vc保留率為93.2％，而射頻殺菌的保留率高達98.1％。Rossana Villa-Rojas等對面粉進行了射頻滅菌試驗，發(fā)現(xiàn)加熱時間為8.5～9.0min、溫度達到75℃時，表面加熱均勻性最好，其中的沙

　　門氏菌和屎腸球菌能夠減少5～7個數(shù)量級。

　　可見射頻技術在食品滅菌中效果顯著，并且能更好地保留食品中的營養(yǎng)物質。

　　射頻解凍速度快，生產(chǎn)設備易實現(xiàn)連續(xù)性，且能夠穿透大部分包裝材料，適于帶包裝食品的解凍，防止外部細菌的入侵繁殖；射頻解凍過程不使用水，沒有廢水排除問題，作業(yè)環(huán)境優(yōu)良。因此，射頻解凍技術具有較好的應用前景。

　　Jason等將3.18kg、－29℃的魚置于極板間距為6cm的電極板之間進行射頻（36～40MHz）解凍，最終發(fā)現(xiàn)射頻解凍僅需12min，而利用空氣解凍需要16h，水解凍則需要3h，而且射頻解凍滴瀝損失少，氣味、風味更好。Pizza等利用功率為4kw、頻率為27.5MHz的射頻解凍豬肉（35cm×10cm×11cm），發(fā)現(xiàn)當其中心溫度達到4℃時，表面溫度達到13℃。Farag等對瘦肉、肥肉與瘦肉質量比為1:1的混合肉、肥肉3種類型的牛肉進行了解凍試驗，分別利用射頻與空氣解凍溫度范圍在－1～5℃，重為4kg的牛肉，比較解凍后的溫度分布，結果表明，對于瘦肉而言解凍時間射頻解凍比空氣解凍少，并且終點溫度分布較均勻，但肥肉和混合肉的均勻性比瘦肉差。Koray等比較了微波和射頻解凍冷凍蝦塊，分別運用915MHz的微波和27.12MHz的射頻將蝦塊從－22℃解凍，發(fā)現(xiàn)微波分別利用500W和1KW的功率將物料解凍至－5～－3℃時分別需要10，4min，而射頻電極板高度分別在150，160mm解凍至相同的溫度時分別需要11，7min，通過紅外成像可得，微波加熱表面溫度分別達到7.3℃（500W）和18.6℃（1KW），而射頻加熱后表面溫度低于0℃，且電極板與物料的距離越大加熱后溫度均勻性越好。因此，與微波相比，射頻解凍均勻性更好。

　　因此，相比較于傳統(tǒng)的空氣解凍出現(xiàn)的食品表面發(fā)干、失重較大，水解凍造成的微生物侵入食品以至于污染，微波解凍帶來的加熱不均勻、穿透深度小等缺點，射頻解凍技術能夠帶來更高品質更安全的食品。

　　2.4  射頻在食品蒸煮及漂燙中的應用

　　Laycock等分別用射頻加熱器和水浴鍋加熱3種形式的肉類（整塊的，不均勻攪碎的和均勻攪碎的），發(fā)現(xiàn)在27.12MHz下的射頻加工到72℃時3種肉類所需時間分別為13.25，13.5，5.83min，而水浴加工下時間分別為151，130，109min，并且射頻加工后肉質口感好，色差和滴瀝損失較水浴加熱少。Zhang等研究了肉糜的射頻水浴聯(lián)合蒸煮過程。通過控制不同的循環(huán)水溫度、輸入功率、加熱時間、升溫后保持時間4個變量，當將肉糜定型包裝后進入80℃的循環(huán)水中，在500W射頻加熱器中加熱30min，待樣品超過72℃之后維持2min，結果發(fā)現(xiàn)射頻—循環(huán)水聯(lián)合加熱時間比傳統(tǒng)蒸汽加熱時間減少79％，射頻處理后肉糜樣品的質量損失小于傳統(tǒng)的蒸汽加熱，且射頻處理后肉糜的硬度、膠著性、咀嚼性較傳統(tǒng)加熱方式高。Mcekenna等對27.12MHz、500W的射頻和蒸汽加工火腿肉進行了比較，發(fā)現(xiàn)將腿部的火腿肉最冷點加熱到73℃時，射頻約需40min，而蒸汽加熱則需120min，射頻加熱較蒸汽加熱后肉類的硬度值高出6.12～14.31N，咀嚼度高出3.12～4.28N，彈性高出1.35～1.52mm，滲透試驗最大負荷高出1.52～3.47N，因此在這些方面射頻加工方式較蒸汽加工效果好。Guo等研究了射頻加熱和傳統(tǒng)蒸汽加熱后碎牛肉中大腸桿菌的存

　　活狀況，結果表明，在2種加工方式均可以控制大腸桿菌的前提下，射頻處理時間為蒸汽加熱處理的1/30，并且溫度均勻。Bilal等對雞胸肉進行射頻蒸煮試驗，將包裝好的新鮮雞胸肉分別用射頻和水浴蒸煮，射頻加熱至中心溫度達到74℃時需要23.8min，但水浴加熱需41.3min，并且射頻加工的雞胸肉溫度分布比水浴加熱均勻。

　　張永迪等運用射頻對蘋果進行了燙漂處理，用不同極板間距將蘋果分別加熱至70～95℃的6個不同溫度后停止燙漂，結果發(fā)現(xiàn)極板間距為115mm時升溫速度最快，而極板間距為125mm時升溫最慢，從22℃升到95℃，分別需95，140s，且電極板高度分別為115，125mm，溫度加熱到75℃時PPO（多酚氧化酶）酶活性均不足10％，但加熱到85℃時酶活性分別為24.6％，0.5％，射頻燙漂的溫度和時間均對PPO 的滅活有影響，以此進行射頻加熱進一步的探索。

　　綜上研究結果表明，射頻處理的食品汁液損失少，營養(yǎng)價值保留完好，殺菌效果顯著，而且加熱時間短且更加均勻。射頻加熱可以方便地與其他方式結合使用，如：水浴加熱，可獲得更加優(yōu)化的工藝。

　　有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，用有限數(shù)量的未知量逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。利用計算機模擬射頻加熱系統(tǒng)可以得到可觀察、分析、操控的模型，求解計算機模型獲得射頻加熱時肉眼觀察不到的溫度場和電磁場，有利于精細化分析加熱效果。

　　射頻建模過程是一個涉及多物理耦合的電磁和熱傳導方程解的多物理問題。自20世紀90年代中期以來，射頻加熱過程的數(shù)值模擬過程開始被廣泛探索并驗證。模擬過程分為兩個部分：極板之間和物料內(nèi)部的電磁場分布以及電磁能轉化為熱能后的溫度場分布求解。

　　COMSOL Multiphysics® 是一款基于有限元的大型的高級數(shù)值仿真軟件，廣泛應用于各個領域的科學研究及工程耦合計算。在射頻加熱中，用COMSOL軟件模擬物料加熱過程的溫度變化和電磁場分布，并運用實驗驗證所開發(fā)模型的準確性和精度。目前，在射頻加熱過程的計算機模擬研究中，COMSOL Multiphysics®已經(jīng)成為最廣泛最通用的模擬工具。已有研究證明基于COMSOL開發(fā)的模型在水果、魚類、肉類、干果以及大量低水分食品物料的射頻加熱過程中都與試驗結果相符。

　　在此基礎上，COMSOL建模還用于射頻加熱過程的溫度分布均勻性分析，以及溫度，分布均勻性提升方案的開發(fā)，以節(jié)約大量試驗帶來的人力、物力及財力。Huang等曾用6KW、27.12MHz的射頻加熱器對大豆粉加熱，并用COMSOL軟件模擬溫度分布，對比證明其與試驗的溫度分布基本一致，仿真結果表明，射頻加熱樣品的均勻性受使用容器的介電特性和厚度的影響，當周圍容器的介電常數(shù)與樣品的比值為0.01％～0.10％時，加熱均勻性最好，且容器材料的厚度為100，200mm時加熱均勻性較其他厚度好。為分析樣品的形狀和放置方位對加熱速率和溫度分布的影響，Birla等模擬了球形樣品在射頻加熱過程中不同因素對加熱效果的影響，結果表明放置在空氣中的球形物料在射頻電極板下加熱時具有不均勻性，但將球形物料置于水中時可顯著提高均勻性，并提出假設將球形物料運動和旋轉可提高射頻加熱的均勻性。所開發(fā)的計算機模型可以進一步預測由樣品介電特性、尺寸、形狀對加熱的影響。

　　Jiao等對花生醬進行了射頻滅菌過程模擬及其實驗驗證，用27.12MHz、6KW的射頻加熱聚酰亞胺（PEI）材料環(huán)繞的花生醬，發(fā)現(xiàn)PEI環(huán)繞后的花生醬被射頻加熱得更加均勻，證明了運用介電特性類似材料環(huán)繞樣品對于加熱均勻性提高的有效性。Jiao等為進一步驗證在花生醬上、下表面放置不同直徑（2，4，6，8，10cm）的PEI材料塊對其加熱均勻性的影響，結果發(fā)現(xiàn)PEI直徑為8cm時均勻性最好，整個樣品中溫差最大為9℃，而不加PEI的花生醬溫差為17℃。通過計算機模擬得到溫度不均勻性值可知，當PEI厚度為1.3cm時不均勻性數(shù)值最小，這證明了輔助材料對射頻加熱過程中冷點溫度提高的有效性。Llvae等對射頻解凍金槍魚過程進行了數(shù)據(jù)模擬，用13.56MHz的射頻將樣品從－60℃ 解凍至－3℃，并進行了不同電極板尺寸的加熱效果對比，結果證實，當樣品與電極尺寸相近時加熱更加均勻。

　　運用COMSOL Multiphysics®軟件模擬及求解射頻加熱過程見圖2。

圖2　運用COMSOL Multiphysics®有限元多物理場軟件模擬射頻加熱流程圖

　　射頻加熱是一種很有前景的食品加熱技術，具有加熱速度快、穿透深度大及選擇性加熱等優(yōu)勢，但仍具有一定程度的加熱不均勻性問題。由于缺乏針對食品樣品詳盡具體的研究、設備投資高且工藝探索復雜等多種原因，目前國內(nèi)外尚未將射頻加熱技術廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。為了更好地將射頻加熱技術應用于食品工業(yè)，需要對射頻加熱技術進行進一步的研究與探索，包括：

　?。?）對物料的介電特性進行系統(tǒng)性的研究。物料的介電特性因成分不同而不同，并且隨溫度、頻率、成分等的變化而變化，對介電特性深入探索可以作為數(shù)值模擬時的輸入?yún)?shù)，并且以此為基礎計算穿透深度，以確定射頻加熱時物料的最優(yōu)堆積厚度。

　?。?）射頻加熱存在邊角過熱的弊端。由于射頻能量在邊角的聚集性和熱逃逸現(xiàn)象，使得升溫過快的邊角更熱，食品品質下降。現(xiàn)有研究中所開發(fā)的加熱均勻性提高方案仍然不具有普適性、工業(yè)化應用等特點，射頻加熱技術的拓展應用仍受限于加熱均勻性。

　　（3）射頻在食品工業(yè)應用探索尚不全面。射頻加熱在食品工業(yè)領域的研究方向拓展多集中在滅菌、殺蟲、解凍等領域，在食品干燥、烘焙中應用較少。另外，因畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品等樣品成本高、工藝探索復雜，目前射頻加工食品種類大多集中在谷類和干果中，尚需進一步拓展。

　?。?）工業(yè)化生產(chǎn)受限。目前，絕大多數(shù)有關射頻加熱技術的研究還基于小型實驗室設備，將其研究結論真正應用于放大工業(yè)化生產(chǎn)較困難。更主要的原因是，射頻加熱設備投資較高，且一般食品廠商不熟悉設備操作及原理，不具備運用射頻加熱設備自主開發(fā)加工工藝的能力，因此限制了射頻加熱技術在食品工業(yè)中的應用。更多更系統(tǒng)的基于射頻加熱技術的產(chǎn)品工藝研究能夠為潛在用戶提供更好的服務支持，射頻加熱設備、工藝開發(fā)和能耗等各項成本的估算可為射頻加熱技術在食品工業(yè)界的推廣提供更有力的數(shù)據(jù)支持。

　?。?）深入運用計算機模擬方法探索射頻加熱過程。運用計算機模擬方法模擬物料的射頻加熱過程，可直觀地顯示出物料內(nèi)部電磁場及溫度分布，用以進一步探索射頻加熱的應用領域并開發(fā)優(yōu)化的加熱方案。