关键词：电磁感应加热技术；微波加热技术；红外加热技术；射频加热技术；发展趋势
加热处理作为食品加工重要的工艺环节之一，可以根据加热方式分为：直接和间接加热。目前，国内食品加工领域通常采用间接加热法。由于间接加热法存在热表面效应，被加热的食品物料品质会显着降低，并且热能利用率较低[1]。因此人们迫切要求在食品热加工过程中尽可能地保留住食品物料的营养成分以及色、香、味，并提高热能的利用效率[2]。
为了满足现代食品加工行业发展的要求，新型加热技术相继问世并得到广泛应用。新型加热技术作为一种极具潜力的食品加工技术，具有易操作、无污染、热能利用率高、食品加工质量好等优点，随着电磁炉、微波炉以及光波炉进入家庭，新型加热技术已然进入了我们的生活，带我们进入新的生活方式。由于它们产生热能的原理不同，对食品的影响可能也会不同。本文旨在分析几种新型加热方式的基本原理及对食品的影响，探讨各个加热方式的技术特点和优缺点。
1 电磁感应加热技术
1.1 技术原理
电磁感应加热的原理：电子线路板的组成部分会产生交变磁场，含铁质容器放在上面，容器表面就会切割交变磁力线，磁力线切割容器时，容器底部会产生无数的小漩涡流，涡流会使容器底部的铁原子发生高速且无规则的运动，原子之间互相碰撞、摩擦而产生热能，从而达到加热食品物料的效果[3]。现在家庭和工业上使用的电磁炉、电磁灶都是采用这种电磁加热技术。
1.2 技术特点
食品加工是能源消耗最大的行业之一，蒸汽等传统的加热方式能耗大、效率低而被新型加热技术逐渐取代，电磁感应加热技术具有安全性能高、生产效率高、自动化能力强、可靠性高、能效高、成本低等优点。在电磁场中由于含铁质容器自身产生热量，热量转化率最高时可达95%。Levacher等[4]使用电磁加热在带式输送机上加热扁平状产品可节省50%的能源，加热液体产品可节省20%的能源。电磁杀青过程中，热效率可达50%～60%，能耗比传统杀青低了40%[5]。用电磁感应加热技术从柑橘中提取果胶[6]，发现感应加热时间比水浴加热时间显着缩短了60 min，制备的果胶产量更高，并且两种方式提取的果胶理化性质基本一致。
1.3 技术的应用现状
电磁感应加热技术在延长煎炸油的使用寿命上已获得专利[7]，通过检测游离脂肪酸、醛的含量发现其形成的速率降低，煎炸油的品质得到提高，从而延长了煎炸油利用的时间。纪俊敏等[8]对大豆油、花生油、玉米油进行电磁加热，发现酸价、过氧化值随着加热时间的延长而升高，丙二醛值则是呈先升高后下降的趋势，并且发现电磁加热对3种油品质的影响都小于常规加热产生的影响。据推测，感应加热可以在油炸过程中提供电子，从而形成一个减少油脂氧化的环境。然而，抗氧化的确切物理或化学机制尚未被发现[9]。蒋静[10]用电磁感应加热鲫鱼汤，发现在电磁加热过程中，蛋白质含量不断增多，总氨基酸、必需氨基酸以及呈味氨基酸含量在不断的升高，必需氨基酸占总氨基酸的比例也显着上升，必需氨基酸指数（essential amino acid index）值在不断地增大，鱼汤蛋白质的营养更加均衡。
电磁加热技术在茶叶杀青方面得到广泛应用，并取得了很好的效果。吴伟谊[5]采用电磁加热技术对茶叶进行杀青处理，通过感官评审发现电磁杀青明显提高了茶叶的品质，经过电磁杀青处理后的半成品茶和成品茶色泽翠绿、香气清高、滋味鲜爽。这是因为电磁杀青过程中温度呈分段调控，升温速度快、时间控制准，能够迅速破坏酶活性，减少叶绿素的损失，使茶叶香气得到充分发挥，较好的保持了茶叶中茶多酚、叶绿素、氨基酸的含量，从而保证了茶叶的色泽、香气等品质。电磁杀青作为高效电加热节能产品，在同等条件下要比电阻式加热节电达40%以上，热效率高达60%，预热时间缩短了2/3，加工时不会产生高温环境，使电能得到大量节约，达到了节能降耗的目的。电磁杀青技术可以减少生产费用，降低生产成本，提高产品竞争力，给茶叶加工生产企业带来巨大经济效益的同时也带来了显着的社会效益。
1.4 技术的不足之处
尽管电磁感应加热在食品加工应用中存在多项专利，但是仍然存在一些问题，比如：电磁感应加热对食品物料的加热温度控制精度不高，存在加热不均匀现象，容器底部容易糊；具有局限性，只能加热铁质容器；加热功率控制不稳定，受电压力影响较大，当操作不当或负载不合适时会烧坏内部芯片；有些电磁感应加热系统在雷击时不能正常工作，还会干扰周围其他电器，具有一定的辐射，对小孩和孕妇会产生危害。这就需要今后在进一步研究，其中包括半导体技术的改进，开发具有灵活性和热分布的多输出功率转换器，并不断完善控制系统，进一步的研究电磁加热技术在医疗以及工业应用性能参数[11]。
2 微波加热技术
2.1 技术原理
微波是波长在1 mm～1 m范围内电磁波，当食品物料放到微波中后，微波会使食品物料中的水分子迅速摆动，从而使食品产生热效应，还会以高速的分子振荡激发出极性分子不停地改变取向而产生非热效应。伴随着微波热效应的发现，微波加热技术也随即进入全新的发展阶段[12]。
2.2 技术特点
微波加热技术由于不需要热传导过程所以加热速度很快，工业加工通常使用915 MHz和2 450 MHz微波加热食品物料，这就说明在1秒内极性分子转动9.15×108次或 2.45×109次，可见其加热速率相当快，微波加热处理蓝莓汁，具有时间短、酚类物质和颜色损失少等特点[13]，对食品物料品质可以最大限度的保持。微波加热还具有选择性加热的特点，不同性质的食品物料对微波的吸收程度不一样，含水量越高的食品物料加热速率就会越快。现在微波加热工艺技术也越来越智能化，操作简单，对环境的污染非常小，且热效率转换非常高。
2.3 技术的应用现状
微波已广泛应用于食品、药品、化工和医疗等行业，在食品行业中，微波主要用于解冻、加热、干燥和灭菌等领域。微波加热技术在食品加工领域中具有独特的优越性。微波加热非常迅速，可以在短时间内使产品达到所需的温度。Song等[14]建立微波真空热传递模型，该模型可用于预测微波真空加热冷点的位置，并选择相应的加热点以确保高效加热，另外，微波真空加热过程中合理选择微波功率和真空度至关重要。Mirzaee等[15]发现葡萄汁在微波600 W和较低压力条件下浓缩后的品质最佳，营养成分及颜色损失最少，操作压力在果汁浓缩中有重要影响。Mahboubeh等[16]发现微波加热方法降低了黑桑汁中花青素的降解，在较低的压力7.3 kPa下花青素含量保留较好，色泽的保持也较好。
微波由于加热速度快常用来解冻食品。FILIZ等[17]发现微波解冻比碳素纤维板辅助舱室解冻和自然解冻所需时间更短，并且更有利于保持较好的营养，提高加热效率。常规解冻的主要问题是空间需求大，时间长，可能导致细菌开始生长繁殖。而微波解冻是将食品利用微波能进行穿透性的快速加热，使食品内外同时解冻并迅速升温到-2℃不滴水的状态，从而较好的保持了食品的品质。牛红霞等[18]和章宁瑛等[19]研究不同的解冻方式分别对沙棘和蓝莓果实品质的影响，发现微波解冻后的果实在汁液流失、硬度等方面均优于其他方式，VC、总酚等物质含量也较其他方式高。
和传统的灭菌方法相比较而言，微波灭菌速度快、更有利于保持食品的营养成分。周笑犁等[20]发现微波和巴氏灭菌对猕猴桃汁中可溶性固形物、总酸、总糖以及pH值等影响不显着，但微波灭菌率可以达到99.99%，还可以很好的保持猕猴桃汁原有的色泽和品质。鉏晓艳等[21]发现微波灭菌时间45 s，功率280 W时鱼肉水分损失最少，鱼肉的硬度、外形及口感也都比较理想。王近近等[22]用巴氏灭菌和微波灭菌处理枇杷果汁，发现两种灭菌方式中果汁的pH值和可溶性固形物没有显着性差异，具有相同的杀菌效果。然而，微波杀菌可以完全钝化多酚氧化酶和过氧化物酶的活性，从而可以提高果汁中VC和总酚的含量，使抗氧化能力达到较高的水平。
微波干燥是脱水方法的新成员。在常规干燥中，水分最初从表面闪蒸掉，剩余的水分缓慢地扩散到表面。然而，在微波干燥中，热量直接在材料内部产生，产生更高的热传递，因此比常规加热升温更快。微波真空干燥比空气干燥和冷冻干燥的干燥速率高出22倍和53倍，其干燥的南瓜基质孔径比空气干燥和冷冻干燥至少小12倍，微波真空干燥改变了南瓜基质以形成高度多孔的结构，有利于干制品再复水[23]。Gennaro等[24]发现在70℃和80℃微波恒温干燥下苹果片的质地和复水性得到改善，颜色没有差异。由于从物料内部直接蒸发水分，所以物料内部结构破坏小，对物料的损害也较小，可以得到更好的品质。Cao等[25]发现微波干燥比冷冻干燥的大麦草能较好的保留叶绿素和类黄酮物质，以及色泽和气味。Pakonkiad等[26]发现微波辅助热空气干燥的坚果果仁色泽更加明亮，且更易储存，但是果仁质地较硬。
2.4 技术的不足之处
在食品工业上微波加热技术还是发展相对较缓慢的，主要是由于微波设备运行成本以及加工安全性等问题。微波炉的脉冲火力会使食品物料加热不均匀，使其长期应用于食品再加热，并且存在高频电磁波的辐射。Wappling等[27]也提出了微波加热技术中加热不均匀的问题。微波波能施加器、介电性能、热性能以及食品物料的几何形状、尺寸等都会影响加热不均匀。微波加热在加热技术方面要深入研究食品物料与微波间相互作用的机理，实现定量化研究；从宏观以及微观不同角度，从理论分析到实验模拟再到建立数学模型，深入研究食品物料的传热机制，实现对微波加热设备的精确设计以及工艺的精确优化。
3 红外加热技术
3.1 技术原理
红外线是一种波长在0.75 μm～1 000 μm范围内的非可见光。根据红外线波长的长短分为3种，近红外线（1 μm～3 μm）、中红外线（3 μm～40 μm）、远红外线（40 μm～1 000 μm）。红外线是具有一定可穿透性的电磁波，可将能量通过辐射传播，这就是红外线辐射传热的实质。
3.2 技术特点
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。因此具有很高的安全性，光波炉就是根据红外加热技术原理制造的，其产热快、冷却也很快，而且不挑锅具，使用范围扩大到所有的平底锅具。
红外加热技术作为一种辐射加热技术，可以穿透食品物料表面到达内部，加快了红外加热速率，而且近红外波不会加热空气和介质，所以能量转换效率更高[28]。与传统的加热方法比具有以下优点：1）红外线具有较强的穿透力，物料内外能同时进行加热；2）红外线加热不需传热介质，热效率高；3）红外线可以局部加热，能节省能源；4）红外线加热温度易控制、且升温迅速；5）红外线加热无污染、安全性高。
3.3 技术的应用现状
现在的食品加工中灭酶的方法有热处理法、添加抗氧化剂法或者抑制剂法等。红外线灭酶早在1956年就有应用在芹菜和苹果上，虽然没能成功，但是打开了红外灭酶的先河。马海乐等[29]发现红外灭酶与辐射距离、样品厚度有关，厚度较大的马铃薯片酶失活速率较慢，并且灭活90%多酚氧化酶所需的时间较长。多酚氧化酶会引起果蔬的褐变，影响其外观品质，所以灭活多酚氧化酶提高产品品质，延长贮藏时间至关重要[30]。
随着科学技术的发展，国内的大量专家学者对红外加热技术做了大量研究。司旭等[31]对树莓进行红外干燥，发现干燥温度与干燥速率有显着影响、与功率无显着影响，而功率对树莓品质以及抗氧化活性有显着影响；较低的功率有利于产品色泽、花青素以及抗氧化活性的保留。红外加热时物料内部热量在不断积累，温度持续升高，物料表面随着水分在不断蒸发温度也随之降低，物料整体就形成一个温度差，温度由内向外不断扩散，导致水分由内向外加剧扩散，干燥速率随之上升。由此可见干燥温度越高速率越快，物料内部的结构也可以得到较好的保持，干燥后物料的孔径也会减小，这对干燥品复水后品质恢复起到重要作用。
张磊等[32]对紫甘蓝进行红外干燥，发现干燥速率与温度有较大影响、与干燥距离和风速影响不大；样品的复水率与干燥温度和功率有较大影响、与干燥距离和风速影响不大。李聪等[33]研究发现红外干燥的桃渣多酚保留率较高，而且干燥速率较大，干燥温度越高多酚保留量越多。
除此之外，红外干燥不仅在果蔬的干燥中应用广泛，在杀菌领域中也有广泛的应用并且杀菌效果明显。食品在储藏过程中，食品会遭到微生物感染而引起腐败变质，红外加热技术比杀菌剂、防腐剂更安全，红外线可使食品内部蛋白质受热凝固从而微生物代谢受到阻碍而死。Huang等[34]用红外对即食热狗表面杀菌，发现处理后的热狗品质没有明显变化，但能达到很好的杀菌效果。张鑫等[35]发现红外处理的脱水菠菜，可以在杀菌的同时较好的保留住叶绿素，并且红外辐射与后期保温相结合，能够避免食品物料长期高温，从而达到更好的品质。大多数水果在储藏时期都会感染霉菌，时间一长可能会出现霉变现象，Tanaka等[36]用红外处理采摘后的草莓，发现红外可以防止草莓在储藏期发生霉变反应。红外辐射技术可以有效的杀死食品中的致病菌，还可以保持住食品原有的品质。
3.4 技术的不足之处
红外加热技术由于利用红外辐射元件发出红外线，被加热物体吸收红外线后直接转变成热能，但是食品物料中各组分对红外线的吸收程度不一致，就导致了在同一红外波长下，不同食品物料的加热程度就会不一致，并且该技术存在热量不易扩散，热效率利用较低等缺点，而且红外加热还受到物料厚度的影响，对于物料体积较大、厚度较厚的情况下加热所需时间较长，对加热效果有一定的影响。红外加热技术现在多用于干燥和灭菌方面，在食品物料加热的方面应用较少，所以在红外加热机理方面的研究要更加深入。
4 射频加热技术
4.1 技术原理
射频（radio frequency，RF）是一种频率范围为10 MHz～300 MHz的高频交流电磁波。食品物料置于射频波中时，交变电磁场作用于食品物料，使物料内的极性分子往复旋转，带电离子往复移动，因此置于射频波中食品物料内的极性分子和带电离子与周围分子产生摩擦而发热，从而使得使含水物料在整个体积内同时加热，加快了物料的升温速率。
4.2 技术特点
射频加热具有选择性加热的特点，由于食品物料的介电损耗因子不同，所以不同食品物料产生的热量就不同，在加热相同时间后不同的食品物料的最终温度也不一样；介电损耗因子随含水量增大而增大，所以含水量高的食品物料加热会更快一些；射频加热是从食品物料内部加热所以加热速率快，Tang等[37]对牛肉、火鸡肉进行了射频加热，发现射频加热时间仅为蒸煮加热时间的三分之一，并且两种加热方式对感官与品质无显着性差异；射频频率远远低于微波频率，其对食品物料的穿透深度要远远大于微波，射频加热处理大块食品物料时就要优于微波加热。
4.3 技术的应用现状
早在1940年，射频加热技术已在肉制品的解冻、面包焙烤、蔬菜的脱水干燥与烫漂等研究领域中应用，使射频加热技术在食品中进一步深入研究成为可能。冯宪超等[38]比较了射频加热和蒸煮加热对西式火腿品质和肌原纤维蛋白特性的影响，发现射频加热有利于降低肌原纤维蛋白的氧化程度，进而有助于提高西式火腿的保水性，从而改善西式火腿的质构特性。张永迪等[39]对苹果片进行射频加热，发现随着射频加热温度的升高，苹果片颜色变亮、硬度减小、细胞破坏程度增大，射频烫漂的温度和时间对多酚氧化酶的活性有影响。在射频波的作用下，物料内极性分子和可溶性盐离子成为最好的吸收射频介质，极性分子开始由随即分布转变为有序排列，这样就促使了分子运动，相互间摩擦加剧，可溶性离子也在交变电场的作用下往复运动，使得物料温度升高，物料内蛋白质、核酸、酶等变性失活。
近年来，射频杀菌因其快速、整体、对物料品质损伤小的特点受到越来越多的关注。有研究表明射频可以使农产品中的菌类减少数量达到至少4个对数周期[40]。Rui Lia等[41]采用射频对杏仁进行杀菌，发现射频加热1.5 min后，大肠杆菌的减少量可达到5个对数周期，且杏仁的颜色、过氧化值、脂肪酸值和脂肪酸组成等品质几乎不受影响，符合杏仁行业使用的良好质量标准。Jiao等[42]发现射频联合热风加热能抑制真菌并能保证谷物种子的活力、发芽率、色泽以及酶活力等生理生化特性，当玉米种子含水率为12.0%和15%时，黄曲霉菌分别下降了3和4个对数周期，说明较高的含水率会促进杀菌效果。温度会使物料中的带电粒子运动而影响它的介电特性，水分含量会增加物料的介电损耗因子，从而导致含水量高的温度升高快。
射频与微波加热原理相类似，但是对于食品的穿透深度而言射频波是微波的几十倍，加热均匀度更高，所以在食品干燥中有很大的优点。张波[43]发现射频联合热风干燥核桃可以缩短干燥时间，提高干燥速率，而且核桃氧化程度低，核桃品质没有显着性影响。Wang等[44]发现射频联合热风干燥可以提高夏威夷坚果干燥的均匀性，和单独热风干燥相比，射频联合热风干燥能使干燥时间缩短一半以上，并且过氧化值和游离脂肪酸值均较小，坚果品质较好。Jumah等[45]建立了一种射频辅助流化床干燥的扩散模型，该模型可快速预测各种工艺参数下的干燥曲线，可适当控制电场强度、频率、温度等参数来提高干燥效率。这为今后射频加热技术的深入研究又前进了一步。
4.4 技术的不足之处
射频加热技术较传统加热技术而言有很多优点，也应用到一些相关的领域，但是射频加热技术在解冻方面存在食品的边角加热过度现象，导致加热均匀性较差，而且现阶段射频加热技术仍停留在实验室操作上，在实际生产中应用很少见，一些研究结果在实际生产中仍存在不可避免的问题，因此在射频加热技术机理以及食品内部的湿度分布在射频加热技术过程中的变化规律上还要深入研究。
5 结论与展望
电磁、微波、红外、射频加热技术都是利用电磁波加热，也就有相同的特点，就是加热速度快，能源利用率高，而且对环境的污染较小。电磁是利用加热介质利用介质传热的原理，而微波、红外、射频是利用物料自身的介电性质在物料内部产热，热效率会更高。射频波长最长，对物料的穿透力度也较微波、红外大，在体积较大物料上更具有优势。而不同的加热技术都存在加热不均匀现象，要克服这些问题就要从加热机理方面深入研究，还可以将不同的加热技术联合起来使用，充分发挥其特点，达到经济效能最大化。就目前而言应用最广泛的是微波加热技术以及电磁加热技术，但是都存在一定的安全问题，使用时会产生一定的辐射。而红外加热技术在医学领域也有应用，相对安全，光波炉就是根据其原理生产的，光波炉比电磁炉的应用更加广泛，它不挑加热容器，比微波炉更加安全，不存在高频电磁波的辐射，具有很大的应用前景。
我国食品工业目前有许多从事新型加热技术研究和应用的科研、生产单位，每年都有新的技术以及工艺投入应用。新型加热技术在食品领域中的应用将越来越广泛，在很大程度上促进了食品工业的发展，尤其对于产品价值高、质量要求严、用传统工艺难以解决的食品物料，现代新型加热技术发挥着重要作用。今后会有更多的新型加热技术以及复合加热技术问世，各种加热技术相互取长补短，发挥组合优势。新型加热技术以其独特的加热特点，进一步提高了食品加工的生产效率、工艺水平和食品质量与安全性，也必将推动中国食品加工行业的快速发展，在食品加工行业中的应用前景将十分广阔。
参考文献：略
（王楠，侯旭杰* 塔里木大学生命科学学院，南疆特色农产品深加工兵团重点实验室，新疆阿拉尔843300）
作者简介：王楠（1994—），女（汉），硕士研究生，研究方面：农产品深加工技术。
