Research Progress of Radio Frequency and Microwave Technology in Food and Agricultural Products Sterilization
-
摘要: 射频技术主要通过热效应对有害生物进行杀灭，具有效率高、加热均匀性好的优势。相比于微波在低含水量食品及农产品中加热效果更好。本文系统介绍谷物的射频灭菌杀虫机理、效果及应用，由于低频率电磁波用于加热处理时偶极弛豫对升温贡献所占比例降低而离子传导所占比例升高，以及低含水率食品中较低的热传导率，这些因素使得射频加热适合用于粮食等低含水量食品的灭菌杀虫操作。此外，射频频率电磁波长使得加热有较好的穿透性和内部加热均匀性。并且射频加热系统可以方便整合热风、真空、热循环等加热方式，从而达到提高加热效率、增强产品质量的目的。综上所述，射频加热相对于传统加热方式在加热效率上有很大优势，可明显降低粮食等低含水量食品由于有害生物造成的损失，对农产品保存有重大的意义。本文为粮食等低含水量农产品保存中应用射频处理技术提供依据及参考。Abstract: Radio frequency (RF) is an efficient, uniformity heating method, which can be used for pasteurization and disinfestations. It also shows the superiorities on low-moisture content food heating comparing with microwave (MW) heating. This manuscript describes the mechanism, effect and modeling of RF pasteurization/disinfestations. When low frequency electromagnetic wave is used for heating treatment, the contribution of dipole relaxation to temperature rise decreases, while the proportion of ion conduction increases, and low moisture content food has low thermal conductivity. These factors makes RF heating suitable for sterilization and insecticidal operation of low moisture content food such as grain. In addition, RF frequency electromagnetic wave length makes the heating has better penetration and internal heating uniformity. And the RF system can easily integrate hot air, vacuum, thermal circulation and other heating methods, so as to improve the heating efficiency, enhance the purpose of product quality. In conclusion, RF has great advantages in heating efficiency compared with traditional heating method, which can significantly reduce the loss caused by harmful organisms in grain with low water content, which is of great significance to the preservation of agricultural products. This paper provides the basis and reference for the application of RF technology in the preservation of grain with low water content.
-
射频加热作为近年来兴起的一种新型的物理灭菌方法，不仅克服了传统加热方式利用传导、对流和辐射等产生的缺陷，还可以将电能转化为热能，穿透至物料内部，具有升温迅速、整体加热、选择性加热的优势，同时能更好地保持产品品质。相比于射频灭菌，传统热处理技术灭菌时间较长，易对食品品质产生不良影响，丧失原有口感、营养与功能，甚至难以达到有效的灭菌效果。谷物中碳水化物的含量相对较多（约占干物质的70%~80%），其中大部分均为淀粉，而淀粉是人类最主要的能量来源之一，可以为人类生命活动提供能量。另外很多谷物含有丰富的蛋白质、维生素和无机盐，近年来，全谷物食品发展趋势令人瞩目。同时谷物含水量大多较低，一般认为所有生物生长繁殖及生化反应均需要水的参与，低含水量可以抑制微生物生命活动和食品腐败，一般认为安全性较高。然而很多微生物或害虫在低含水量环境中能维持休眠或孢子、虫卵的状态，一旦环境适合立刻开始生长[1]。据统计，由于我国农村粮食和食用农产品流通、储运及加工科技陈旧，设施落后，特别是农户储粮甚至停留在原始状态，造成的撒失、霉变、虫害、鼠害等产后损失数量巨大，据估算，每年约三、四千万吨粮食损失，足以养活1.5亿到2.0亿人口[2]。
传统的杀虫杀菌方式一般为传统加热方式或采用微波加热方式。传统加热方式下，热量由物料表面逐渐传导至内部，加热过程缓慢，并且会出现物料表面温度高于中心温度的现象。低水分活度食品传热差，且其中微生物较中、高水分活度食品耐热性强，在传统热杀菌方式下，往往食品中心温度尚未达到杀菌效果，其表面温度已过高从而引起食品品质下降。水作为重要的导热介质，含水量低的食品在热传导加热时由于水分缺失导致传热效率极低，这使得传统的杀菌杀虫方式，特别对低含水量的食品再利用热传导方式进行杀菌杀虫时效率低下。且在低含水量条件下部分休眠状态的微生物或害虫热耐受能力提高，因此如何对低水分含量食品（如：谷物）进行有效的灭菌杀虫一直是近些年研究的热点之一[3]。考虑到物料特性，介电加热可作为有效的加热方式用于谷物的灭菌杀虫处理。食品介电加热主要包括微波加热和射频加热，指利用不同频率电磁波以及利用食品物料的偶极弛豫（dipolar relaxation）和分子传导和金属传导（ionic conduction）效应产热从而达到灭菌杀虫的目的。区分微波和射频主要看其所处频率[4]，一般来说，2450和915 MHz所处微波频率范围内，而13.56、27.12和40.68 MHz是批准使用的民用射频频率[5]。与微波相比，射频加热在均匀性、操控性上有较显著的优越性，且其加热特征比较适合低含水量食品的加热（下文详细介绍）[6]。本文系统介绍谷物的射频灭菌杀虫机理、效果及模拟，并对后续研究提出见解及展望。
1. 射频加热原理及特征
1.1 射频加热原理
近年来关于介电加热的研究得到人们的广泛关注和热烈讨论[7]。介电处理可用于干燥、杀菌、加热等食品各类操作单元[3]。而这其中射频灭菌杀虫也成功应用于大量低含水量食品中（表1）[8]。射频加热主要以极性重排和金属传导两种机制进行加热（图1）[9]。
表 1 射频能量处理低水分食品消毒杀菌性能的参考数据Table 1. Literatures on performance of disinfestation and pasteurization in low-moisture food treated by RF energy种类 目标生物 射频功率 温度 杀灭效果 资料来源 面包 青霉菌孢子 27.12 MHz 53~68 ℃ 60.21% [3] 葡萄干 脐橙蠕虫和印度餐蛾 27.12 MHz 23~55 ℃ 99.83% [4] 杏仁 印度粉蛾，脐橙虫和红面甲虫 27.12 MHz 63 ℃ 100% [10] 红辣椒粉 伤寒沙门氏菌 27.12 MHz 70 ℃ 69.90% [12] 稻谷 成年稻象甲 27.12 MHz 50 ℃ − [13] 牛肉干 金黄色葡萄球菌 − 50 & 60 ℃ 44.71%~60.21% [14] 散装油菜籽 锈纹甲虫 27.12 MHz 30~80 ℃ − [15] 带壳核桃 五星脐橙虫 27.12 MHz 52~60 ℃ 100% [18] 核桃壳 金黄色葡萄球菌 27.12 MHz 26~56 ℃ − [19] 米粉 孢子虫和孢子虫种群 − 60 & 100 ℃ 100% [21] 开心果 印度餐蛾 27.12 MHz 55 ℃ 100% [22] 杏仁壳 沙门氏菌 27 MHz 73 ℃ 100% [30] 水稻 菌落总数 27 MHz 68 ℃ − [36] 咖啡豆 咖啡浆果蛀虫 27 MHz 48 ℃ − [38] 小麦面粉 沙门氏菌
沙门氏菌和屎肠球菌27 MHz
27 MHz60~70 ℃
75 ℃−
100%[41]
[40]鹰嘴豆和扁豆 豇豆象甲 27.12 MHz 60 ℃ 100% [41] 玉米粒 寄生曲霉菌 27.12 MHz 70 ℃ 69.90%~77.82% [42] 糙米 米象虫蛋 27.12 MHz 60 ℃ 100% [13] 干豆科植物 脉冲甲虫 27 MHz 56~60 ℃ 69.90%~77.82% [48] 油菜籽 红面甲虫 27.12 MHz 60 ℃ 100% [50] 精米 成年稻象甲虫
不成年的稻象甲虫27.12 MHz
27.12 MHz25~50 ℃
50 ℃100%
100%[35]
[49]干大豆 印度餐蛾 27.12 MHz 25~50 ℃ − [63] 谷物 锈纹甲虫 27.12 MHz 15~75 ℃ − 半干枣 酱曲露尾甲 27.12 MHz 42 ℃ 61% [51] 小麦面粉 沙门氏菌
沙门氏菌和屎肠球菌27 MHz
27 MHz60~70 ℃
75 ℃−
100%[41]
[40]注：−表示参考文献中未提及。 极性重排：该机制以物质中极性分子为目标[10]。由于分子空间结构特性使得一些分子如同磁铁一样分为两级。这种分子称为极性分子[11]。食品中常见极性分子包括水分子和甘油三酯分子[12]。极性分子在不断周期性变化的电磁场作用下随电磁场极性变化而不断改变自己的位置，这一过程产生大量摩擦热并使得物料温度升高[12]。一般在农产品热处理中起到主要作用。电磁场频率决定其旋转速度[13]。
金属传导：这一机制由金属化合物中存在的阳离子与阴离子产生。当电磁场在极高的频率下改变极性的同时带动金属离子不断运动并产生大量摩擦热，从而导致物料温度上升[12]。
二者共同作用使得食品在微波或射频电磁场下温度升高。而二者对温度升高的贡献依据原料的组成不同而不同。大多数情况下偶极弛豫是物料温度升高的主要原因[16]。但有研究表明较低的介电频率会使得金属传导对温度升高的贡献比提高[17]。两种机制共同作用使得除拥有更好的穿透深度和加热均匀性以外[19]，RF（radio frequency）加热更适用于低含水量原料的加热[20]。
1.2 食品原料的介电特性
原料的介电特性是用于度量物料吸收及转化电磁波能量的重要参数。介电特性是物料的基本属性之一，与原料组成和孔隙率等因素息息相关，同时不同电磁频率下物料介电特性也表现出差异[22]。食品原料的介电特性一般由介电常数（ε′）和介电损耗（ε"）组成。ε′用于表示食品原料储存电磁波的能力，与食品内部电磁场分布和电磁波穿透物料特性有关。ε′′用于表示物料吸收电磁波的能力（与产热有关）[23]。
作为食品中广泛存在的极性分子，水是影响介电特性最直接的因素。较高水分含量通常意味着较多的极性分子数量。对谷物等低水分含量食品而言，在频率范围内谷物的介电特性由结合水的分子振动和Maxwell-Wagner效应共同决定。对于各向异性的电介质材料，由于各部分介电系数和电导率不同，因而也显示不同的介电特性。在有外电场作用的情况下，介质内部将会出现电荷积累，这种现象就是Maxwell-Wagner效应。而电磁场中自由水的偶极弛豫效应受到很大抑制，导致介电常数和介电损耗数值也偏低[24]。较少的极性分子数量这一特征有利于谷物等低含水量食品的危害元素控制。当有害微生物或害虫含水量高于食品本身时，其吸收电磁波并转化为热量的能力也明显高于谷物等食品原料。这一选择性加热的特征使得除热效应外RF处理更能有效地产生控制危害的效果。大量研究已经证实了RF灭菌杀虫的有效性[25]。研究结果表明油菜籽中害虫的电磁能量转化效率比油菜籽高1.7~17.3倍[26]，而损耗因子高6.8~43.9倍[27]。综合考虑物料特性、电场强度和电磁分布等因素，认为在相同加热条件下油菜籽中害虫的升温速率比油菜籽高1.4~10.1倍[28-29]。这种特性使得RF可选择性地对原料中的害虫进行快速升温从而提高杀灭效果。
物料介电特性在不同频率电磁场中表现不同。加热动力学与电磁场频率、物料的ε′和ε"直接相关。当电磁场强度与频率固定时，物料的电磁能量转化效率，即ε"的大小直接影响物料的升温效果。一般食品原料中含有大量的水和一定量的金属离子使得其有较大的ε"，而导致其升温速率一般较高。
1.3 射频加热设备
目前主流的RF加热设备主要包括自由电子振荡器RF加热系统和50 Ω能量调节RF加热系统（图2）[30]。自由电子振荡器系统由变压器、整流器、振荡器并用一个电感电容对作为储存回路。这几个元件构成了射频发生器。由变压器提升电压并由整流器将交流电转变为直流电。然后通过振荡器转变为一定频率的电磁能量。电子振荡器射频系统将物料置于上下极板之间，对极板通入射频发生器处理过的能量，从而产生一定频率的电磁场，并将物料作为电容并产生加热效果。这种设备不能直接调节功率，只能调节电流大小来获得一定的输出功率。但是设备构造较为简单，成本较为低廉[29]。
50 ΩRF系统类似于自由电子振荡器系统。由一个晶体振荡器持续稳定的输出一定频率的弱信号。信号经由放大器扩大后由同轴电缆传送至RF触发器。此时一个恒定的50 Ω的电阻与触发器组成回路，在控制系统的操纵下通过调节信号强度稳定输出恒定功率的射频频率电磁波。因此50 Ω可直接调节输出功率，更加稳定的对物料进行处理[31]。
自由电子振荡器RF加热系统因结构简单、操作简便及设备价格较低使得其应用更为广泛[3]。与之相比50 Ω能量调节RF加热系统能更加精准的控制输出电磁频率及功率[32]。但由于设备价格昂贵而导致使用率偏低[33]。RF加热设备可以通过诸如热风、真空等其他辅助方式结合，以达到进一步提高加热效率、降低能耗、改善加热均匀性的目的（图2A）。
1.4 射频加热效果
介电加热主要特征之一就是高加热效率。RF加热属于内源性加热方式，主要利用物料内部极性分子在电磁场中不断运动摩擦生热而使得物料温度提高，这一特性使得RF处理在加热灭菌杀虫能效上有较大优势[34]。Zhou等[35]研究了糙米的射频加热特性。发现加热速率随着极板间距增加而减小。当极板间距为10、11和12 cm时3.9 kg糙米中心温度由25 °C提升至50 °C所需时间分别为2.7、4.3和7.0 min。而升温速率分别为9.25、5.80和3.56 °C /min。研究同时发现物料温度基本呈线性升高，与传统热风加热相比，由于低下的热传导效率，相同位置达到50 °C时热风加热需480 min，RF加热在与传统加热方式的加热速率上的优势一目了然。
随着水分活度的降低一些微生物和害虫的耐热性随之增加。Xu等[36]研究了小麦粉、杏仁粉和乳清蛋白中沙门氏菌（Salmonella enteritidis PT30）在不同含水量下的耐热性，认为虽然波动较大（R2=0.89），但总体趋势是随着水分活度降低沙门氏菌的耐热性得到增强。Tang等[25]同样研究了沙门氏菌（S. enteritidis）和粪肠球菌（Enterococcus faecium）在80 °C下的致死动力学，认为随着水分活度下降两种菌的耐热性明显增强（图3）。由于微生物与害虫的特性使得选择适宜的加热方式尤为重要，射频的高效性、内源性加热及选择性加热的特性可保证其对于低含水量食品中污染微生物及害虫的杀灭效果。
![]()
2. 射频加热的应用
2.1 杀菌/杀虫效果
由于微生物与谷物等低含水量食品、害虫与谷物等低含水量食品在介电特性上的巨大差异使得二者在RF加热时的升温速率及温度上出现巨大差异。这一特性有助于在保持食品原有性质的基础上获得好的杀灭效果。目前已有不少文献报道关于RF应用于低含水量食品的灭菌杀虫报道。包括大米中米象（Sitophilus oryzae）的杀灭测试[37]，咖啡豆中蛀虫的杀灭测试[38]，开心果中的印度菜蛾（Indianmeal moth）杀灭测试[39]，面粉、杏仁粉和乳清蛋白粉中沙门氏菌（Salmonella enteritidis PT30）的杀灭测试[39]，面粉中沙门氏菌（S. enteritidis）和粪肠球菌（Enterococcus faecium）的杀灭测试[40]，小麦玉米籽粒中真菌的杀灭测试[41]以及麦芽的RF灭酶测试[42]。且研究大多取得了良好的效果，与热传导方法相比RF加热能非常显著的缩短加热时间。Ling等[43]发现在短时间内（5.6和5.5 min）1.8 kg去壳和脱壳开心果经RF处理可以达到55 °C，而这一温度足以杀灭五龄印度菜蛾。类似结果也得到了其他研究人员的证实[44]。微生物在低水分含量下耐热性会得到增强，探究RF处理对谷物等原料的微生物杀灭效果也是重要的研究目标。Hu等[44]研究了红辣椒粉中鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）在RF处理下的杀灭效果。结果发现在初始水分活度0.57条件下70、80和90 °C RF处理180 s能使样品目标微生物带菌量分别下降3.2、3.9和 5.6 log CFU/g。而初始水分活度0.64条件下相同温度和处理时间RF处理则使样品目标微生物带菌量分别下降4.8、5.2和 6.1 log CFU/g。同时作者还研究了初始水分活度0.71与0.74的情况，认为水分活度对微生物耐热性影响显著。这一研究结果同样的到了其他研究人员的证实[45]。初始水分活度降低不仅提高了有害生物的耐热性，还使得物料内热传导效率降低。
2.2 RF处理对原料质量的影响
偶极弛豫和金属离子传导共同作用使得物料在RF频率电磁场下温度升高。而RF是否对原料其它组分造成影响则直接关系到产品质量的好坏，同时也可能在食品原料储藏过程中产生一定影响。
Jiao等[46]利用RF技术对水稻进行灭菌处理，发现处理前后的稻谷、糙米和大米在粗蛋白含量、脂肪含量、脂肪酸组成上差异不大（P>0.05），但直链淀粉含量有所降低。这与Jiang等[11]的研究结果一致。结果指出淀粉在介电处理下出现解链反应。Wang等[47]发现RF处理后花生和坚果中过氧化值和游离脂肪酸含量增加，并且随着处理时间延长而含量增加量变大。推测原因在于加热使得物料生化反应速率增大。
加热处理主要影响原料中热敏性成分，这使得同样为低含水量食品的坚果、干果和调味料等食品对RF处理比较敏感。Yu等[50]利用RF处理油菜籽并测定其品质指标。结果表明RF处理后的油菜籽发芽率降低。并且其初始含水量与物料能达到的最高温度呈反比关系。这可能是由于RF处理影响其蛋白质结构和酶活。进一步分析得知由于温度升高造成油菜籽脱水使得皱缩率增大而影响到商品价值。然而对于不同初始含水量油菜籽（5%、7%、9%和11%）压榨得到的油的品质（色泽、过氧化值、茴香胺值、氧化稳定性和碘价）在不同处理温度（30~80 °C）RF处理后改变并不明显。Pegna等[51]利用RF处理杏脯中甲虫（Carpophilus hemipterus）污染问题，认为RF处理对杏脯的色泽有细微且差异不显著的影响。利用RF处理的带壳开心果也取得了类似的结果。由于温度升高对叶绿素和芦丁产生一定影响使得带壳开心果的果仁的亮度明显下降。结果表明RF处理对储藏期内开心果的水分活度和脂肪酸组成无明显影响（P>0.05）。同时数据还表明3个月后样品的酸价和过氧化值才开始增高，表明RF处理对酶有一定的杀灭作用[51]。
Zhou等[13]利用RF处理中试设备研究了大米、糙米和稻谷的加热特性。依据优化后参数发现RF处理对原料的水分含量、蛋白质含量和组成、脂肪酸含量和组成以及灰分未产生明显影响。设备参数设定为27.12 MHz、RF 功率：6 kW、极板间距：11.5 cm、辅助热风温度：50 °C、传送带速率：12.5 m/h，在此条件下在达到设定温度后加热6 min。此条件下三种样品（大米、糙米和稻谷）的能量转化率达到77.7%、76.3%和74.3%，处理量分别达到268.8、247.3和 224.8 kg/h。
2.3 谷物RF处理模型研究
交流电产生的正弦曲线在确定频率ω=2πf能在上下极板间产生周期性极性变化电磁场。当食品原料放在上下极板之间时除会改变原本极板之间的电磁场分布外还需要考虑电磁波的穿透性以及物料内部的电磁场分布。由于电磁波能量会被原料部分吸收，因此大部分食品原料在电磁场中都可定义为“损耗物质”。这部分被吸收的能量则转化为热能供物料提升温度[52]。然而实际情况比单纯理论研究要复杂得多，包括设备设计及操作参数、物料组分及均匀性、温度和物料含水量等都会对电磁场分布造成影响，如何建立解决实际操作的模拟方程需要对RF加热过程有非常深入的理解。Maxwell方程能够对周期性变化的电磁场进行模拟[53]，可用于RF频率电磁场的模型拟合。结合分析物料边缘效应、初始条件、穿透深度、反射情况、透过率和电磁波吸收能力即可对RF或者MW加热过程进行初步模拟[54]。
随着计算机运算能力的提高以及各种软件的开发使得模拟过程大为简化且精度大为提高。这其中有限元法（finite element method, FEM）和有限域差分法（finite difference time domain method, FDTD）是应用最广泛的介电加热模拟方法[55]。其他有报道的方法还包括传输线矩阵法（transmission line matrix, TLM）[56]和广义矩估计法（method of moments, MoM）[57]。与FDTD相比，FEM有更高的实际模拟精度。其将整体的操作过程简化为几何模型并将之拆分为很多单元操作元素，每个元素利用简单的四边形或三角形，或立体结构的四面体或六面体来表示。构成结构的角代表着一个参数。由于这一拆分方法不需要非常贵的的网格对齐模式，使得其在易用性与灵活性方面大大提高[57]。
Jiao等[58]利用FEM法分析麦粒的RF加热均匀性。并利用COMSOL（Comsol V. 4.3b, Comsol AB, Stockholm, Sweden）进行软件分析，将麦粒按颗粒大小分为五个等级。结果发现颗粒小的麦粒模拟结果接近于真实情况，但是相应的模拟时间会延长。研究人员将塑料立方体盒子内放置910 g麦粒样品。并记录6个点的温度变化。利用实际测量温度与计算机拟合操作做对比。结果显示6个数据点温度变化均呈y=X线性分布，且与模拟结论基本吻合。多位研究人员在包括大豆、小麦、花生上进行结果验证并取得了类似的结果[59]。Ozturk等[29]研究了初始含水量和温度与介电特性（ε′和ε"）及穿透性的联系并建立相应模型。结果表明回归模型能很好的拟合试验结果（P<0.0001）且回归系数为0.968<R2<0.998。
2.4 谷物RF处理均匀性研究
加热均匀性一直是阻碍介电技术发展的一大难题。虽与MW相比RF由于波长较长使得其在加热均匀性和可操控性上有一定优势，但介电加热的特性决定了局部过热或加热不均现象还会存在。对RF频率电磁场下物料加热不均的影响因素主要包括样品尺寸、形状、比表面积、加热设备以及物料本身水分分布不均匀等因素[3]。同时电磁波的边缘聚集效应、热逸散效应和尖端聚集效应等也会产生热区[60]。Alfaifi等[5]认为将物料及容器的边缘磨圆且尽量减少凸起可改善加热均匀性，并且调整电极电压及间距并辅助强制空气流通可明显改善加热均匀性。同时发现将小麦颗粒放于聚丙烯（PP）材料制得的立方容器中在50 Ω RF加热系统中进行热处理时产生的热区大多集中在立方容器尖端位置上，而低温区域大多集中在中心的竖直位置中，特别是处于表层或底层的样品容易出现低温区域。样品体积同样与加热均匀性有关，当样品体积较大时加热均匀性较好，特别是当样品尺寸与上极板面积相当时其加热均匀性最佳。考虑到样品特性与排放，RF处理适合量较大的样品进行加热[61]。当谷物样品置于容器中时可考虑调整容器大小从而获得较好的加热均匀性。同时可通过调节摆放位置和极板间距来获得最佳加热效果。
如何提高RF加热均匀性，避免局部过热，通过改进设备外包括外包装、原料均质化、多层原料加热、添加外源性高介电材料、改变物料形状、使物料运动和辅助加热等多种方法都可有效的改变加热均匀性。Huang等[62]指出物料的RF加热均匀性与介电特性和周围介质及包装材料的密度有关，如果包装或环绕介质的密度较小则有利于提高物料的加热均匀性。这为提高RF加热温度分布均匀性提供了一个快捷简便的解决方式。Huang[63]等同时对比利用聚丙烯和聚苯乙烯作为包装材料进行大豆的加热处理，结果发现聚苯乙烯容器可明显改善加热均匀性。分析原因在于聚苯乙烯密度更接近于原材料，从而导致加热过程不会产生明显的电磁波吸收不均。此外还有利用云母作盖子放置于内部以聚丙烯块作为介电内核的花生样品中可有效改善加热均匀性的报道。同时云母盖的大小越接近样品容器大小且厚度在一定范围内增加对加热均匀性会产生积极影响，而添加的聚苯乙烯可有效提高温度上升速率[59]。Zheng等[64]发现15%湿基含水量的玉米在聚醚酰亚胺容器中的RF加热均匀性优于聚苯乙烯和聚丙烯容器。其他材料包括利用聚氨酯泡沫[65]和聚醚酰亚胺[46]均被用于制作加热容器且能改善加热均匀性。
利用热风辅助加热除能改善原料表面水分分布不均、提高加热速率和维持温度在一定范围内[44]。Jiao等[41]利用热风辅助RF加热玉米和小麦籽粒，结果发现在低温加热时（60~65 °C），热风辅助RF加热10 min后原料酶活有所提高，而在将温度提升至70 °C后加热均匀性得到提升。结果同时还表明与对照组（未开热风组）相比，热风辅助RF加热在样品色泽上无明显差异（P>0.05）。
3. 结果与展望
目前在工业领域RF加热技术已成功应用于木材、纺织、矿业与食品焙烤等方面[66]。与常规加热技术相比，RF加热明显缩短操作时间、减少设备占地且能一定程度改善最终产品质量。低频率电磁波用于加热处理时偶极弛豫对升温贡献所占比例降低而离子传导所占比例升高，这一特性使得RF加热更适用于低含水量食品加工[67]。RF杀菌杀虫优越性可归纳为：
（1）经济性和高效性：由于介电加热利用金属离子传导和极性重排效应对物料进行加热，与传统加热方式相比热转化效率有很大优势。另外由于低频率电磁波用于加热处理时偶极弛豫对升温贡献所占比例降低而离子传导所占比例升高，以及低含水率食品中较低的热传导率[68]，这些因素使得RF加热适合粮食等低含水量食品的灭菌杀虫操作。
（2）穿透性：以27 MHz为例，此频率下电磁波波长为11 m，长波长使得RF频率电磁场有较好的穿透性和内部加热均匀性。
（3）整合便利性：联合加热由于能整合各种加热方式的优越性而应用范围越来越广。良好的联合加热装备线应当吸取各种加热方式的特点，并能达到缩短加热时间、提高产品质量、降低操作难度等目的。RF加热系统可以方便整合热风、真空、热循环等加热方式，以达到提高加热效率、增强产品质量的目的[66]。
尽管RF加热优越性突出，目前在工业上并未得到广泛应用。主要原因在于：
（1）缺乏实验成果与实际生产的转化，这其实涉及因素较多：设备投资大、原有装备的处理、操作难度较大、设备维修不易等均导致实际生产应用受限。如何破除原有观念，打消企业顾虑，除完善相应研究领域，提供生产示范外，还需相应政策支持。
（2）缺少模型研究：利用数学及计算机技术可对加热操作进行模拟，然而目前RF加热的模拟研究比较匮乏；对于其能耗和成本方面的研究与模型建立同样比较匮乏。这些数据的缺乏导致专用RF设备开发遇到瓶颈[67,69]。
（3）大量农产品对温度耐受力弱，导致很多食品不适合热加工。
（4）作为谷物等低含水量食品，除微生物和害虫污染外，芽孢和虫卵等污染同样不能忽视。而目前对这些污染物的杀灭试验十分匮乏。需验证RF对这些污染物的控制效果。
（5）电磁波利用分子振动摩擦产热，能量除产生热效应之外还伴随非热效应。目前缺乏对RF非热效应的研究，也缺少证据表明其对危害物控制起到直接或间接影响[15,51]。
（6）对物料的介电特性研究同样较为匮乏。介电特性受电磁频率、温度、含水量和物料构成等因素影响。研究物料的介电特性能提高操作便利性并为设备研发及加热过程参数测定提供必要理论支持。
相对于微波加热，RF加热在加热均匀性和穿透深度上更具优势。其加热特性也使得其更适合粮食等低含水量食品的加热处理。国家发展规划将粮食安全问题提到非常重要的高度，而粮食储藏加工技术作为粮食安全的保障之一也受到越来越多的重视。我国南方地区湿度较大容易导致农产品发生储藏真菌、细菌及害虫污染，威胁食品安全，造成大量损失并危害人民和牲畜的健康。目前我国对粮食增产丰收提供了强有力政策及资金支持，而推广新型农产品及粮食等低含水量食品的先进储藏加工技术同样关系着我国粮食政策是否能够顺利推行。多项研究结果已经证明射频技术在粮食等农产品的灭菌杀虫上存在重大潜力。今后的研究方向应集中在设备研制、杀灭效果、产品理化指标变化等方向上，具体包括：
（1）专用RF设备研发：依据环境及处理对象的不同，开发新型专用RF设备。避免在设备调试及参数设定上消耗过多资源，减少成本，最大限度发挥RF技术的优越性。
（2）对虫卵、菌丝、孢子等的灭活效果：目前RF灭菌杀虫技术多集中在微生物及成虫的杀灭效果上，对虫卵、菌丝、孢子等研究不足。而大部分虫卵、菌丝、孢子等未成熟个体与成熟体杀灭条件差异很大，需要通过深入研究RF对这些污染物的杀灭效果并确定操作条件，以达到确保食品安全的目的。
（3）对产品理化结构营养特性影响研究：目前RF处理前后粮食等低水分含量农产品的理化结构营养特性变化相关研究结果较为缺乏。需通过对农产品RF处理前后特性进行对比研究，找出特性变化规律、有针对性的调节操作与设备设计参数，以达到节能保质的最终目的。
-
![]()
表 1 射频能量处理低水分食品消毒杀菌性能的参考数据
Table 1 Literatures on performance of disinfestation and pasteurization in low-moisture food treated by RF energy
种类 目标生物 射频功率 温度 杀灭效果 资料来源 面包 青霉菌孢子 27.12 MHz 53~68 ℃ 60.21% [3] 葡萄干 脐橙蠕虫和印度餐蛾 27.12 MHz 23~55 ℃ 99.83% [4] 杏仁 印度粉蛾，脐橙虫和红面甲虫 27.12 MHz 63 ℃ 100% [10] 红辣椒粉 伤寒沙门氏菌 27.12 MHz 70 ℃ 69.90% [12] 稻谷 成年稻象甲 27.12 MHz 50 ℃ − [13] 牛肉干 金黄色葡萄球菌 − 50 & 60 ℃ 44.71%~60.21% [14] 散装油菜籽 锈纹甲虫 27.12 MHz 30~80 ℃ − [15] 带壳核桃 五星脐橙虫 27.12 MHz 52~60 ℃ 100% [18] 核桃壳 金黄色葡萄球菌 27.12 MHz 26~56 ℃ − [19] 米粉 孢子虫和孢子虫种群 − 60 & 100 ℃ 100% [21] 开心果 印度餐蛾 27.12 MHz 55 ℃ 100% [22] 杏仁壳 沙门氏菌 27 MHz 73 ℃ 100% [30] 水稻 菌落总数 27 MHz 68 ℃ − [36] 咖啡豆 咖啡浆果蛀虫 27 MHz 48 ℃ − [38] 小麦面粉 沙门氏菌
沙门氏菌和屎肠球菌27 MHz
27 MHz60~70 ℃
75 ℃−
100%[41]
[40]鹰嘴豆和扁豆 豇豆象甲 27.12 MHz 60 ℃ 100% [41] 玉米粒 寄生曲霉菌 27.12 MHz 70 ℃ 69.90%~77.82% [42] 糙米 米象虫蛋 27.12 MHz 60 ℃ 100% [13] 干豆科植物 脉冲甲虫 27 MHz 56~60 ℃ 69.90%~77.82% [48] 油菜籽 红面甲虫 27.12 MHz 60 ℃ 100% [50] 精米 成年稻象甲虫
不成年的稻象甲虫27.12 MHz
27.12 MHz25~50 ℃
50 ℃100%
100%[35]
[49]干大豆 印度餐蛾 27.12 MHz 25~50 ℃ − [63] 谷物 锈纹甲虫 27.12 MHz 15~75 ℃ − 半干枣 酱曲露尾甲 27.12 MHz 42 ℃ 61% [51] 小麦面粉 沙门氏菌
沙门氏菌和屎肠球菌27 MHz
27 MHz60~70 ℃
75 ℃−
100%[41]
[40]注：−表示参考文献中未提及。 
下载: 导出CSV
-
[1] Beuchat L R, Mamn D A, Alaliw Q. Efficacy of sanitizers in reducing salmonella on pecan nutmeats during cracking and shelling[J]. Journal of Food Protection,2013,76(5):770−778. doi: 10.4315/0362-028X.JFP-12-541
[2] 丁声俊. 节约粮食大有潜力可挖[N]. 经济日报, 2013-7-22(16). [3] Liu Y, Tang J, Mao Z, et al. Quality and mold control of enriched white bread by combined radio frequency and hot air treatment[J]. Food Engineering,2011,104:492−498. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2010.11.019
[4] Alfaifi B, Tang J, Jiao Y, et al. Radio frequency disinfestation treatments for dried fruit: Model development and validation[J]. Food Engineering,2014,120:268−276. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2013.07.015
[5] Alfaifi B, Tang J, Rasco B, et al. Computer simulation analyses to improve radio frequency (RF) heating uniformity in dried fruits for insect control[J]. Innovation Food Science Emergency Technology,2016,37:125−137. doi: 10.1016/j.ifset.2016.08.012
[6] Alfaifi B, Wang S J, Tang J M, et al. Radio frequency disinfestation treatments for dried fruit: Dielectric properties[J]. LWT-Food Science Technology,2013,50:746−754. doi: 10.1016/j.lwt.2012.07.012
[7] Ozturk S, Kong F, Singh R K, et al. Dielectric properties, heating rate, and heating uniformity of various seasoning spices and their mixtures with radio frequency heating[J]. Food Engineering,2018,228:128−141. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2018.02.011
[8] Zhu X H, Guo W C, Jia Y P. Temperature-dependent dielectric properties of raw cow's and goat's milk from 10 to 4, 500 MHz relevant to radio-frequency and microwave pasteurization process[J]. Food Bioprocess Technology,2014,7(6):1830−1839. doi: 10.1007/s11947-014-1255-4
[9] Wang J, Olsen R G, Tang J, et al. Influence of mashed potato dielectric properties and circulating water electric conductivity on radio frequency heating at 27 MHz[J]. Microwave Power,2008,42(2):31−46.
[10] Li R, Kou X X, Cheng T, et al. Verification of radio frequency pasteurization process for in-shell almonds[J]. Food Engineering,2017,192:103−110. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2016.08.002
[11] Jiang H, Zhang M, Fang Z, et al. Effect of different dielectric drying methods on the physic-chemical properties of a starch–water model system[J]. Food Hydrocolloid,2016,52:192−200. doi: 10.1016/j.foodhyd.2015.06.021
[12] Liu S, Ozturk S, Xu J, et al. Microbial validation of radio frequency pasteurization of wheat flour by inoculated pack studies[J]. Food Engineering,2018,217:68−74. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2017.08.013
[13] Zhou L, S Wang. Industrial-scale radio frequency treatments to control Sitophilus oryzae in rough, brown, and milled rice[J]. Journal of Stored Products Research,2016a,68:9−18. doi: 10.1016/j.jspr.2016.03.002
[14] Kim J, Lee E, Choi E, et al. Inactivation of staphylococcus aureus on the beef jerky by radio-frequency atmospheric pressure plasma discharge treatment[J]. Innovative Food Science & Emerging Technology,2014,22:124−130.
[15] Yu D B Shrestha, O Baik. Radio frequency dielectric properties of bulk canola seeds under different temperatures, moisture contents, and frequencies for feasibility of radio frequency disinfestation[J]. International Journal of Food Properties,2015,18(12):2746−63. doi: 10.1080/10942912.2015.1013630
[16] Robert F S. Microwave and dielectric drying[M]. London: Taylor & Francis, 2007: 276−292.
[17] Wang S, Tang J. Radio frequency and microwave alternative treatments for insect control in nuts: A review[J]. Int Agric Engineering,2001,10:105−120.
[18] Wang S, M Monzon, J A Johnson, et al. Industrial-scale radio frequency treatments for insect control in walnuts. II. Insect mortality and product quality[J]. Postharvest Biology and Technology,2007,45(2):247−53. doi: 10.1016/j.postharvbio.2006.12.020
[19] Kou X, Li R, Hou L, et al. Identifying possible non-thermal effects of radio frequency energy on inactivating food microorganisms[J]. International Food Microbiology,2018,269:89−97. doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2018.01.025
[20] Jiang H, Gu Y X, Gou M, et al. Radio frequency pasteurization and disinfestation techniques applied on low-moisture foods[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2020,60(9):1417−1430. doi: 10.1080/10408398.2019.1573415
[21] Li Y C, Chen S D, Yao M C. Effects of radio frequency heating on disinfestation and sterilization of rice flour[J]. Taiwanese Journal of Agricultural Chemistry and Food Science,2015,53(4):125−134.
[22] Mujumdar A S. Handbook of industrial drying[M]. Philadelphia: Taylor & Francis. 2007.
[23] Mudgett R E. Electrical properties of foods[M]. Taylor & Francis, Incorporation, London, 2007.128−146.
[24] Huang Z, F Marra, J Subbiah et al. Computer simulation for improving radio frequency (RF) heating uniformity of food products: A review[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2018,58(6):1033−57. doi: 10.1080/10408398.2016.1253000
[25] Tang J, Ikediala J N, Wang S, et al. High-temperature-short-time thermal quarantine methods[J]. Postharvest Biol Technology,2000,21(1):129−145. doi: 10.1016/S0925-5214(00)00171-X
[26] Wang S, Tang J, Johnson J A, et al. Dielectric properties of fruits and insect pests as related to radio frequency and microwave treatments[J]. Biosystems Engineering,2003,85(2):201−212. doi: 10.1016/S1537-5110(03)00042-4
[27] Wang S, Tang J. Radio frequency and microwave alternative treatments for insect control in nuts: A review[J]. Int Agriculture Engineering,2001,10:105−120.
[28] Monzon M, Biasi B, Wang S J, et al. Radio frequency heating of persimmon and guava fruit as an alternative quarantine treatment[J]. Hort Science,2004,39(4):879−879.
[29] Ozturk S, Kong F, Trabelsi S, et al. Dielectric properties of dried vegetable powders and their temperature profile during radio frequency heating[J]. Journal of Food Engineering,2016,169:91−100. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2015.08.008
[30] Gao M, Tang J, Johnson J A, et al. Dielectric properties of ground almond shells in the development of radio frequency and microwave pasteurization[J]. Food Engineering,2012,112(4):282−287. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2012.05.011
[31] Gao M, Tang J, Villa-Rojas R, et al. Pasteurization process development for controlling salmonella in in-shell almonds using radio frequency energy[J]. Food Engineering,2011,104:299−306. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2010.12.021
[32] Gao M, Tang J, Wang Y, et al. Almond quality as influenced by radio frequency heat treatments for disinfestation[J]. Postharvest Biol Technology,2010,58:225−231. doi: 10.1016/j.postharvbio.2010.06.005
[33] Jones P L, A T Rowley. Dielectric drying[J]. Drying Technology,1996,14(5):1063−98. doi: 10.1080/07373939608917140
[34] Jiang H, Liu Z ,Wang S. Microwave processing: Effects and impacts on food components[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2018,58(14):2476−89. doi: 10.1080/10408398.2017.1319322
[35] Zhou L, Ling B, Zheng A, et al. Developing radio frequency technology for postharvest insect control in milled rice[J]. Stored Prod. Research,2015,62:22−31. doi: 10.1016/j.jspr.2015.03.006
[36] Xu J, Zhang M, An Y, et al. Effects of radio frequency and high pressure steam sterilisation on the color and flavour of prepared nostoc sphaeroides[J]. Science Food Agriculture,2018,98:1719−1724. doi: 10.1002/jsfa.8644
[37] Zhou L Y, Wang S J. Verification of radio frequency heating uniformity and sitophilus oryzae control in rough, brown, and milled rice[J]. Stored Prod Research,2016,65:40−47. doi: 10.1016/j.jspr.2015.12.003
[38] Pan L, Jiao S, Gautz L, et al. Coffee bean heating uniformity and quality as influenced by radio frequency treatments for postharvest disinfestations[J]. Trans ASABE,2012,55(6):2293−2300. doi: 10.13031/2013.42487
[39] Xu J, J Tang, Y Jin, et al. High temperature water activity as a key factor influencing survival of Salmonella enteritidis PT30 in thermal processing[J]. Food Control,2019,98:520−28. doi: 10.1016/j.foodcont.2018.11.054
[40] Villa Rojas R, Zhu M, Marks B P, et al. Radio frequency inactivation of Salmonella enteritidis PT30 and enterococcus faecium in wheat flour at different water activities[J]. Biosystems Engineering,2018,156:7−16.
[41] Jiao S, Zhong Y, Deng Y. Hot air-assisted radio frequency heating effects on wheat and corn seeds: Quality change and fungi inhibition[J]. Journal of Stored Products Research,2016,69:265−271. doi: 10.1016/j.jspr.2016.09.005
[42] Zheng A, Zhang L, Wang S. Verification of radio frequency pasteurization treatment for controlling aspergillus parasiticus on corn grains[J]. International J Food Microbiology,2017,249:27−34. doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2017.02.017
[43] Ling B, Hou L, Li R, et al. Storage stability of pistachios as influenced by radio frequency treatments for postharvest disinfestations[J]. Innovative Food ence & Emerging Technologies,2016,33:357−364.
[44] Hu S, Zhao Y, Hayouka Z, et al. Inactivation kinetics for salmonella typhimurium in red pepper powders treated by radio frequency heating[J]. Food Control,2018,85:437−442. doi: 10.1016/j.foodcont.2017.10.034
[45] Xu J, Zhang M, An Y, et al. Effects of radio frequency and high pressure steam sterilisation on the color and flavour of prepared nostoc sphaeroides[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture,2018,98:1719−1724.
[46] Jiao Y, Shi H, Tang J, et al. Improvement of radio frequency (rf) heating uniformity on low moisture foods with polyetherimide (Pei) blocks[J]. Food Research International,2015,74:106−114. doi: 10.1016/j.foodres.2015.04.016
[47] Wang Y, Zhang L, Johnson J, et al. Developing hot air-assisted radio frequency drying for in-shell macadamia nuts[J]. Food Biology Process Technology,2014,7:278−288.
[48] Guo W, Wang S, Tiwari G, et al. Temperature and moisture dependent dielectric properties of legume flour associated with dielectric heating[J]. LWT-Food Science and Technology,2012,43(2):193−201.
[49] Jiao S, Sun W, Yang T, et al. Investigation of the feasibility of radio frequency energy for controlling insects in milled rice[J]. Food Biology Process Technology,2017,10:781−788.
[50] Yu D, Shrestha B, Baik O. Radio frequency (rf) control of red flour beetle (Tribolium castaneum) in stored rapeseeds (Brassica napus L.)[J]. Biology Systems Engineering,2016,151:248−260.
[51] Pegna F G, Sacchetti P, Canuti V, et al. Radio frequency irradiation treatment of dates in a single layer to control Carpophilus hemipterus[J]. Biology Systems Engineering,2017,155:1−11.
[52] Ling B, Hou L, Li R, et al. Storage stability of pistachios as influenced by radio frequency treatments for postharvest disinfestations[J]. Innovation Food Science Emergency Technology,2016,33:357−364. doi: 10.1016/j.ifset.2015.10.013
[53] Peng Z, Hwang J. Microwave-assisted metallurgy[J]. International Mater Review,2001,60(1):30−63.
[54] Mingos D M P, Baghurst D R. Applications of microwave dielectric heating effects to synthetic problems in chemistry[J]. Chemistry Society Review,1991,20(1):1−47. doi: 10.1039/cs9912000001
[55] Datta A K, Anantheswaran R C. Handbook of microwave technology for food application[M]. U. K: CRC Press, 2001: 1102−1115.
[56] Taflove A. Review of the formulation and applications of the finite-difference timedomain method for numerical modelling of electromagnetic wave interactions with arbitrary structures[J]. Wave Motion,1988,10:547−582. doi: 10.1016/0165-2125(88)90012-1
[57] Datta A K, Anantheswaran R C. Handbook of microwave technology for food application[M]. U. K: CRC Press, 2001: 191−210
[58] Jiao S, Deng Y, Zhong Y, et al. Investigation of radio frequency heating uniformity of wheat kernels by using the developed computer simulation model[J]. Food Research International,2001,71:41−49.
[59] Zhang S, Huang Z, Wang S. Improvement of radio frequency (RF) heating uniformity for peanuts with a new strategy using computational modeling[J]. Innovation Food Science Emergency Technology,2017,41:79−89. doi: 10.1016/j.ifset.2017.02.009
[60] Mudgett R. Electromagnetic energy and food processing[J]. Microwave Power,1988,234(4):225−230.
[61] Jiao S, Deng Y, Zhong Y, et al. Investigation of radio frequency heating uniformity of wheat kernels by using the developed computer simulation model[J]. Food Research International,2015,71:41−49. doi: 10.1016/j.foodres.2015.02.010
[62] Huang Z, Marra F, Wang S. A Novel strategy for improving radio frequency heating uniformity of dry food products using computational modeling[J]. Innovative Food Science Emerging Technology,2016,34:100−111. doi: 10.1016/j.ifset.2016.01.005
[63] Huang Z, Zhang B, Marra F, et al. Computational modelling of the impact of polystyrene containers on radio frequency heating uniformity improvement for dried soybeans[J]. Innovative Food Science Emergency Technology,2016,33:365−380. doi: 10.1016/j.ifset.2015.11.022
[64] Zheng A, Zhang B, Zhou L, et al. Application of radio frequency pasteurization to corn (Zea mays L.): Heating uniformity improvement and quality stability evaluation[J]. Stored Prod Research,2016,68:63−72. doi: 10.1016/j.jspr.2016.04.007
[65] Wang Y, Zhang L I, Gao M, et al. Evaluating radio frequency heating uniformity using polyurethane foams[J]. Food Engineering,2014,136:28−33. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2014.03.018
[66] Jiao S, Johnson J A, Tang J, et al. Dielectric properties of cowpea weevil, black-eyed peas and mung beans with respect to the development of radio frequency heat treatments[J]. Biology Systems Engineering,2011,108(3):280−291.
[67] Wang S, Tang J, Johnson J A, et al. Dielectric properties of fruits and insect pests as related to radio frequency and microwave treatments[J]. Biology Systems Engineering,2003,85(2):201−212.
[68] Mujumdar A S. Handbook of industrial drying[M]. Taylor & Francis, Philadelphia, 2007, 798—814
[69] Chen J, Lau S K, Chen L, et al. Modeling radio frequency heating of food moving on a conveyor belt[J]. Food Biology Prod Process,2017,102:307−319.
-
期刊类型引用(3)
1. 陆义涛，田翠芳，吴倩，刘佳文，刘静，段为旦，徐欢，周立法，潘迎捷，赵勇，张昭寰. 新型功能性冰在食品杀菌保鲜中的应用与展望. 食品科学. 2024(14): 267-276 . 
百度学术
2. 郭树欣，梁惜雯，姜爱丽，熊思国，蒋旭. 高原夏菜贮运保鲜技术研究进展. 食品安全质量检测学报. 2023(18): 10-16 . 百度学术
3. 姜旭阳，姚琳琳，赵晓霞，张璐. 养殖工船大黄鱼冰浆保鲜方法研究. 渔业现代化. 2022(05): 81-88 . 百度学术
其他类型引用(1)
下载:
计量
- 文章访问数: 628
- HTML全文浏览量: 93
- PDF下载量: 55
- 被引次数: 4
