红外加热技术在食品加工中的应用及研究进展

高 扬 解铁民 李哲滨 洪 滨 卢淑雯

GAO Yang XIE Tie-min LIZhe-bin HONG BinLU Shu-wen

（黑龙江省农业科学院食品加工研究所，黑龙江 哈尔滨 150086）

(Food Processing Institute,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin,Heilongjiang 150086,China)

随着科学技术的高速发展，越来越多的能源被大量消耗，由于传统能源不可再生，因此能源短缺的问题越来越突出。传统的食品加热方法效率低、能耗大、环境污染严重、且影响食品的品质。因此，为了满足现代食品加工行业发展的要求，许多新型加热技术应运而生，且已逐步应用。其中，红外加热技术作为一种新型加热技术，不仅节能高效、清洁环保、而且可较好的保证产品品质[1～3]。

红外加热技术由于其自身的优点，已经在很多行业得到了广泛的应用，例如：塑料加工、印刷造纸、油漆涂饰、纺织印染、医疗卫生、机械制造等。自20世纪80年代初期开始，红外加热技术在食品加工中开始推广使用。随着能源的大量消耗，新型节能技术的应用以及新能源的开发得到了广泛关注[1,3]。文章通过对红外加热技术在食品加工领域中的理论分析以及相关的试验研究进行论述，揭示红外加热技术的基本原理，并阐述红外加热技术在食品加工过程中的相关应用，以期为红外加热技术在食品加工中的推广使用提供一定的参考价值。

1 红外加热机理及其对食品组分的影响

1.1 红外加热机理

图1 电磁波频谱图[5]Figure 1 Electromagnetic wave spectrum

传热的发生主要通过以下3种方法实现：导热、对流和辐射[4]。传统的加热方式主要通过燃烧燃料或是通电进行加热，物体外部受热产生热量并通过热空气对流或是导热的方式来传递到物料中。而红外线辐射出的热能是通过电磁波的形式产生的，红外波长的范围在可见光和微波之间，可归纳为3个波段，如图1所示，即近红外（NIR）、中红外（MIR）和远红外（FIR），3个红外波段相对应的光谱范围为0.75～1.40，1.4～3.0 和 3～1 000 μm[5，6]。一般来说，红外加热技术在食品加工行业中应用主要以远红外辐射为主，因为大部分食品的组分其吸收红外辐射的范围主要集中在远红外波段上[7]。

红外加热的原理实质就是红外线的辐射传热过程，红外线作为一种电磁波，有一定的穿透性，能够通过辐射传递能量[8]。当物体受到红外线照射时，会发生反射、吸收、穿透的现象，如图2所示，而判断红外加热是否有效，主要是通过红外线被物体所吸收的程度来决定的，红外线的吸收量越大，其加热的效果越好。当红外放射源所辐射出的红外线波长和被加热物体的波长一致时，被加热的物体吸收了大量的红外线能量，使得物体内部的原子和分子产生共振，相互之间发生摩擦并产生热量，从而使被加热物体的温度升高，达到快速有效的加热物体的目的[9,10]。

图2 红外线辐射衰减原理图Figure 2 Extinction of radiation

1.2 红外加热对食品组分的影响

食品是由不同的生化分子、生物高分子、无机盐和水组成的复杂的混合物。由于每种食品的组分、结构以及表面状态都不一样，所以它们对红外线的吸收程度也不一样，因此每种食品都拥有自己的红外吸收范围[11]。科研人员[12]通过研究发现，每种食品的红外吸收范围主要是其内部组分的红外吸收范围互相叠加的结果。由于食品所含的各种组分对不同波长的红外线吸收程度不同，但各组分所吸收的红外线的波段并不互补，而是相互重叠，所以整体来说，食品对各波段的红外线吸收程度不同，即食品组分对红外射线的吸收强度具有选择性。

Sandu等[7]通过对食品中主要成分的红外吸收范围进行研究，研究发现水的吸收光谱与主要食品组分的红外吸收波段相比较，可以得出食品组分的吸收光谱其中一部分在光谱区内存在重叠。其中水对红外入射光线吸收状况的影响在所有波长中占据主导地位，其红外辐射吸收范围在2～11μm；氨基酸类、多肽和蛋白质的红外辐射吸收范围在3～4和6～9μm，且该范围的吸收量最大；另一方面，脂类在整个红外辐射范围中的3～4，6和9～10μm的3个吸收波段呈现出强吸收现象；而碳水化合物的吸收波段在3和7～10μm[7]。通过食品主要组分红外线吸收波段对比可以看出食品的主要组分对红外线的吸收程度不同，都有自己的红外吸收范围，并且各组分的红外线吸收波段相互重叠，其中水的红外辐射吸收范围最大，基本囊括了其他食品主要组分的吸收波段。

2 红外加热技术的应用及研究进展

由于红外加热的技术特点以及内在优势是传统的加热技术无法比拟的，因此其在食品加工领域具有非常广阔的发展前景。现阶段，红外加热技术已经逐渐开始应用在干燥、灭酶、杀菌等食品加工过程中。

2.1 红外干燥脱水

食品经脱水干燥后，可以延长储存时间，方便运输，是重要的食品加工处理手段之一。传统的食品干燥方法都是采用热风干燥的方式进行脱水处理的，但由于其干燥过程耗时长、污染严重、能耗大、且影响被干燥产品的感官品质，因此，希望寻找出一种快速、高效、节能、无污染的新型干燥技术来取代传统的干燥方法。

2.1.1 红外干燥技术 红外加热技术作为一种新型的干燥技术用于食品干燥过程中具有很多优点：①缩短干燥时间；②提高能源使用效率；③产品受热均匀；④产品品质高；⑤红外辐射热惯性小，容易实现温度的精确控制；⑥节省空间且不污染环境[13]。由于上述优点，红外干燥技术在最近几年已经成功的应用在果蔬脱水产品加工技术中，例如：马铃薯、洋葱、苹果等果蔬。

相关科研人员对红外干燥动力学的影响因素进行了研究。Masamura等[14]将马铃薯切成薄片放在红外发射器下进行干燥试验，试验过程中发现红外发射器的表面温度越高，即发射器的辐射功率越大，马铃薯薄片的干燥速率越快，其达到干燥脱水效果所需的时间越少。因此，通过上述试验得到物料的干燥速率与红外发射器辐射的功率成正比。Fu等[15]通过采用红外加热的方法对虾的脱水干燥过程进行优化，在红外发射器之间空气温度不变的情况下，通过调整红外发射器与虾之间的辐照距离，发现虾的干燥速率并没有显著的变化。因此，通过研究得到红外发射器与物料之间的距离对其干燥速率没有显著的影响，而干燥速率与红外发生器之间的空气温度成正比。Nowak等[16]以苹果片为被干燥物料，分别采用红外干燥和热风干燥两种方法对其进行干燥脱水试验，通过研究发现采用红外干燥方法处理过的苹果片比采用热风干燥的品质更好，干燥速率更快，效率更高。但苹果片的厚度不宜过厚，试验证明远红外线大约可穿透苹果10mm深。因此，采用红外干燥技术进行干燥脱水，被干燥物料的厚度越小，其干燥速率越快，干燥的效果越好。胡洁等[17]以胡萝卜片为材料，研究了红外干燥过程中切片果蔬的温度分布和变化的规律，并对其数学模型进行建立，研究表明通过远红外辐射的方式干燥切片胡萝卜时，其干燥过程中温度的分布和变化规律与切片的厚度密切相关。因此，通过上述研究得到红外发射器的辐射功率、发射器之间的空气温度以及样品的切片厚度对物料的干燥速率有着显著的影响。

2.1.2 红外联合干燥技术 尽管红外干燥技术作为一项新型干燥技术有很广阔的发展前景，但是其并不适用于所有的干燥过程。由于红外干燥技术干燥速率快，物料被干燥的过程中热量是由内向外产生，使其干燥过程更为均匀。但是由于红外线穿透深度有限，所以红外干燥技术的应用还具有一定的局限性。研究人员[18]通过试验证明采用红外干燥技术对物料进行干燥并且延长辐射时间，会导致物料膨胀，最终使其破裂。因此，为了更好的应用红外干燥技术，采用与其他干燥技术联合的方式进行干燥，可解决其应用过程中所存在的局限性。

Dostie等[19]采用红外辐射与对流加热联合的方式对不同类型的物料进行干燥试验，通过研究发现对层厚、多孔的物料采用红外加热与对流加热相互结合的方法进行干燥会使产品的品质更高、更节能。Afzal等[20]对大麦的干燥过程进行研究，采用红外辐射与对流加热相互结合的干燥方式与单独用对流加热的方式进行对比，发现加热温度在40，55，70℃时组合式比对流加热能耗分别减少156%，238%，245%，试验证明采用红外辐射与对流加热联合的干燥方式对大麦进行干燥比传统对流加热的干燥效果更好。Sakai等[5]通过对传统的红外干燥设备进行改进，开发了一台可连续使用的干燥装置，其装备了远红外加热器、近红外加热器、热风炉，该装置采用红外辐射与热风干燥联合的方式进行干燥，不仅可以降低成本，减少干燥时间，而且温度可操控，但是为了提高干燥效率，蔬菜的尺寸需要限制，其厚度不能超过5mm。Lin等[21]采用红外加热与冷冻干燥相结合的方式对甘薯进行烘干脱水，经试验发现该组合式干燥方法比其它单一方法的干燥时间缩短一半。郁雯霞等[22]研制出了远红外联合真空低温干燥设备，并通过多次试验对其进行优化设计，优化后的设备不仅能达到较高的真空度，其真空度、干燥功率的大小也可调整，还解决了加热过程中远红外辐射不均匀的问题，为远红外真空干燥技术的研究提供了可靠的设备条件。通过上述研究可知，红外干燥技术与其他干燥技术相互结合会比单一方式进行干燥更有效，而且会产生更好的协同效应。

2.2 红外加热灭酶

2.2.1 红外加热灭酶在谷物中的应用 谷物中含有多种影响其品质和贮藏效果的酶类，例如：脂肪酶、淀粉酶、脂氧化酶等，因此对谷物进行灭酶处理可提高其品质、延长贮藏时间。现阶段谷物中常用的灭酶方法主要是添加抗氧化剂法或酶抑制剂法[23]，但其效果不明显，且污染原料，为了满足谷物加工发展的要求，相关研究人员正寻求新的灭酶方法。脂氧化酶是一种可以使大豆变质的酶，Kouzeh等[24]发现对大豆进行60 s的红外辐照处理可使95.5%的脂氧化酶失活，而且与传统的灭酶工艺相比，不会影响大豆本身的品质。与此同时，相关研究人员[25～27]对其他谷物进行红外加热试验还发现，在30～40℃条件下，红外加热会对谷物中的脂肪酶和α-淀粉酶的酶化反应产生抑制作用，促进酶的灭活。综合上述，采用红外加热技术对谷物进行灭酶处理不仅清洁环保、而且能保证谷物品质。

2.2.2 红外加热灭酶在果蔬中的应用 果蔬中主要包含过氧化物酶、脂肪氧化酶、过氧化氢酶、抗坏血酸氧化酶、多酚氧化酶、蛋白酶等。这些酶在果蔬中作为生物催化剂促进其内部的生物化学反应，其中有些酶对果蔬的贮藏效果和品质产生影响，例如：过氧化物酶、多酚氧化酶等会引起果蔬的褐变，影响其外观品质；脂肪氧化酶和蛋白酶会加快果蔬的劣变过程，并产生难闻的臭气；抗坏血酸氧化酶会引起抗坏血酸的氧化，造成果蔬内部VC的流失。因此，在对水果和蔬菜进行冷冻、包装、干燥等过程前进行灭酶处理，可提高其品质，并延长贮藏时间[28～30]。

张琥等[31]以马铃薯为原料，研究抑制酶促褐变的方法。试验通过对马铃薯片采用红外和漂烫两种灭酶方法进行处理，比较其多酚氧化酶的相对活性，研究表明采用红外加热灭酶处理后的马铃薯片比传统方法处理的多酚氧化酶灭活率更高，且产品的热损伤率更低。Galindo等[32]在对胡萝卜片冷冻干燥之前，将经过红外加热处理后胡萝卜片的细胞和组织的破坏程度与传统热烫法处理后的胡萝卜片进行对比。通过研究发现，经过红外加热处理的胡萝卜片只有表面0.5mm深度的组织细胞被破坏，而传统的热烫方法处理的胡萝卜片其60%的组织细胞被破坏，严重影响胡萝卜的品质。潘忠礼等[33]以苹果、胡萝卜、马铃薯为原料，分别采用红外加热和传统蒸汽灭酶的方法进行试验，研究表明当物料达到一定温度时（≤80℃）可完全灭酶，而采用红外加热方法达到灭酶温度所需的时间比传统蒸汽灭酶方法节省一半以上的时间，并且能量利用率是传统灭酶方法的4倍。综上所述，在对果蔬进行冷冻、包装、干燥之前，对其进行红外加热灭酶处理，不仅可将原料中所含的影响其风味的酶类灭活，还能尽可能地减少加热过程对原料组织细胞的破坏，降低热损伤率，保证果蔬的品质和风味。与此同时，由于红外辐射不加热空气和介质，且具有穿透性，因此能量利用率更高，更节能。

2.3 红外加热杀菌

在食品保存过程中，细菌等微生物会引起其变质，为了延长食品的贮藏时间，通常向食品中加入防腐剂或是杀菌剂来抑制微生物的侵袭，但这些制剂同时也会污染食品，带来安全隐患。而采用红外加热技术对食品进行杀菌处理则可以避免上述问题发生，食品中的微生物经红外辐射处理，使得其内部蛋白质受热凝固，导致新陈代谢受阻，以至其死亡[34,35]。红外加热的杀菌效果主要受到下列因素的影响：辐射能量强弱、波长峰值、频带宽度、样品厚度。

2.3.1 能量强弱的影响 Hamamaka等[36]采用红外加热技术对小麦进行灭菌，并对其表面的杀菌过程进行研究。通过研究发现，红外加热过程中当辐射的能量分别达到0.5，1.0，1.5，2.0 kW时小麦颗粒的表面温度分别达到45，65，95，120℃，其表面的菌落数依次减少。研究者[37]曾对相同的细菌悬浮液进行红外辐射杀菌试验，其辐射的能量分别为6，8，10，12 kW。试验证明辐射能量达到12 kW时，被照射悬浮液的菌落数最少。因此，红外辐射的能量越高，病菌灭活的效果越好，提高红外辐射的能量可加速导致病菌的灭活。

2.3.2 波长峰值的影响 Hamanaka等[36]对枯草杆菌的灭活效率进行研究，试验分别采用3个红外加热器（A、B、C），其波长分别为950，1 100，1 150mm，对同一样品进行红外辐射灭菌，在辐射温度相同的条件下，试验发现病菌的灭活率A要高于B和C。上述研究表明，随着波长峰值的增加，红外辐射所传递的能量会随之递减。因此，红外辐射的波长越短，其所传递的能量越大，同时病菌的灭活效率也会越高。

2.3.3 频带宽度的影响 食品与微生物所含的各种组分对不同波段的红外线吸收程度不同，为了确保病菌的灭活效果，对主要组分的红外吸收方式进行研究是非常有意义的。Jun等[38]用光学带通滤波器将红外加热过程中红外线的波长范围控制在5.88到6.66μm内，并将该波段的红外辐射用于玉米粉中黑曲霉和镰刀菌的灭活。研究发现在上述波长范围内采用红外辐射灭菌可使微生物内的蛋白变性，与正常波段的红外加热相比黑曲霉与镰刀菌的灭活率提高340%。因此，不同的微生物由于组分不同导致对红外辐射的吸收程度也不同，只有找到微生物对应的红外吸收波段，才能达到更好的杀菌效果。

2.3.4 样品厚度的影响 Sawai等[39]通过研究证明随着样品厚度的增加，其温度增加的程度降低。Hashimoto等[40]研究发现红外辐射透过细菌悬液40μm的薄层后，能量衰减90%。相关研究人员[41，42]同时还发现，减少样品的厚度可提高真菌孢子、大肠杆菌和金葡萄菌的灭活率。通过上述研究表明，由于红外线的穿透性较低，红外辐射对微生物灭活率的影响是随着样品厚度的增加而减小的。

3 展望

红外加热技术作为一种新型的加热技术，与传统的加热技术相比存在不可比拟的优势，包括提高能源使用效率、加热过程物料受热均匀、产品品质高、节省空间、不污染环境等，由于这些优势的存在，使得红外加热技术在食品加工行业中有着非常广泛的应用前景。但在中国，红外加热技术在食品加工中的应用仍处于起步阶段，还未形成规模，尤其是在各类食品的红外加热机理及其工艺方法的基础理论研究方面，与其他发达国家相比还存在很大的差距。因此，对红外加热技术在食品方面的应用加以深入研究、加强红外加热技术的理论研究和应用领域的试验与探讨、学习发达国家的先进经验、大力推广新型加热工艺，是当前相关研究工作的主要任务。与此同时，随着红外加热技术的广泛应用，也必将推动中国食品加工行业的快速发展。

1 夏朝勇,朱文学,张仲欣.红外辐射技术在农副产品加工中的应用与进展[J].农机化研究,2006(1):196～198,201.

2 夏朝勇,朱文学.红外干燥谷物机理分析[J].干燥技术与设备,2007,5(4):199～201.

3 程晓燕,刘建学.远红外技术在食品工程中的应用与进展[J].河南科技大学学报(农学版),2003,23(3):51～54.

4 王相友,操瑞兵,孙传祝.红外加热技术在农业物料加工中的应用[J].农业机械学报,2007,38(7):177～182.

5 Noboru Sakai,Tamotsu Hanzawa.Application and advances in far infrared heating in Japan[J].Trends in Food Science and Technology,1994,5(11):357～362.

6 汪喜波.红外辐射与对流联合干燥的理论分析及试验研究[D].北京:中国农业大学，2003.

7 Sandu C.Infrared radiative drying in food engineering:a process analysis[J].Biotechnology Progress,1986,2(3):109～119.

8 Cengel Y A.Heat transfer:a practical approach[M].2th ed.New York:McGraw-Hill,2003.

9 金逢锡,顾广瑞.红外辐射线干燥谷物机理[J].红外技术,2005,27(1):83～88.

10 罗剑毅.稻谷的远红外干燥特性和工艺的实验研究[D].杭州:浙江大学，2006.

11 徐苇.红外技术在食品工业中的应用[J].中国食品添加剂,2005(1):86～89.

12 Decareau R V.Microwaves in the food processing industry[M].Orlando,FL:Academic Press,Inc.,1985.

13 Mongpraneet S,Abe T,Tsurusaki T.Accelerated drying of welsh onion by far infrared radiation under vacuum conditions[J].Journal of Food Engineering,2002,55(2):147～156.

14 Masamura A,Sado H,Honda T,et al.Drying of potato by far infrared radiation[J].Nippon Shokuhin Kogyo Gakkaishi,1988,35(5):309～314.

15 Fu Wen-rong,Lien Wei-renn.Optimization of far infrared heat dehydration of shrimp using RSM[J].Journal of Food Science,1998,63(1):80～83.

16 Dorota Nowak,Piotr P Lewicki.Quality of infrared dried apple slices[J].Drying Technology,2005,23(4):831～846.

17 胡洁.果蔬远红外真空干燥技术研究[D].无锡:江南大学，2008.

18 汪喜波,刘相东,杨德勇.红外辐射在农副产品加热和干燥中的应用[J].农机化研究,2003(3):146～148.

19 Dostie M,Seguin JN,Maure D,et al.Preliminary measurements on the drying of thick porousmaterials by combinations of intermittent infrared and continuous convection heating[M].New York:Hemisphere Press,Inc.,1989.

20 Afzal TM,Abe T,Hikida Y.Energy and quality aspects of combined FIR-convection drying of barley[J].Journal of Food Engineering,1999,42(4):177～182.

21 Lin Yeu-Pyng,Tsen Jen-Horng,An-Erl Kingb V.Effects of farinfrared radiation on the freeze-drying of sweet potato[J].Journal of Food Engineering,2005,68(2):249～255.

22 郁雯霞,任建清.远红外真空干燥设备的设计与优化[J].机械工程与自动化,2010(5):76～78.

23 Adams JB.Regeneration and kinetics of peroxidase inactivation[J].Food Chemistry,1997,60(2):201～206.

24 Kouzeh K M,van Zuilichem D J,Roozen J P,et al.A modified procedure for low temperature infrared radiation of soybeans.II.Inactivation of lipoxygenase and keeping quality of full fat flour[J].LWT-Food Sciand Technol,1982,15(3):139～142.

25 KohashiM,Akao K,Watanabe T.Nonthermal effects of a ceramics radiation on xanthineoxidaseactivity[J].Biosci.Biotechnol.Biochem,1993(57):1 999～2 004.

26 Rosenthal I,Rosen B,Berstein S.Surface pasteurization of cottage cheese[J].Milchwiss,1996,51(4):198～201.

27 Sawai J,Sagara K,Hashimoto A,et al.Inactivation characteristics shown by enzymes and bacteria treated with far-infrared radiative heating[J].Int.J.Food Sci.Technol.,2003(38):661～667.

28 周理红,许梓荣.酶的失活机理及稳定化技术[J].浙江畜牧兽医,2004(6):7～8.

29 Bevilacqua M,D'Amore A,Polonara F.A multi-criteria decision approach to choosing the optimal blanching-freezing system[J].J.F.E.,2004,63(3):253～263.

30 李树君,林亚玲,潘忠礼.红外技术用于农产品灭酶和脱水干燥的研究综述[J].农业机械学报,2008,39(6):109～112.

31 张琥.红外辐照下马铃薯片灭酶工艺优化及多酚氧化酶失活机理的研究[D].北京:中国农业机械化科学研究院，2012.

32 Galindo FG,Toledo R T,Sjoholm.Tissue damage in heated carrot slices:Comparingmild hotwater blanching and infrared heating[J].Journal of Food Engineering,2005(67):381～385.

33 Pan Z,McHugh T H.Novel infrared dry-blanching(IDB),infrared blanching,and infrared drying technologies for food processing:U.S.,10 917,797[P].2006-02-16.

34 曾庆孝,芮汉明,李汴生.食品加工与保藏原理[M].北京:化学工业出版社,2002.

35 张建奇,方小平.红外物理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

36 Hamanaka D,Uchino T,Furuse N,et al.Effect of the wavelength of infrared heaters on the inactivation of bacterial spores at various water activities[J].International Journal of Food Microbiology,2006,108(2):281～285.

37 杨瑞金,邵佩兰.远红外干燥及杀菌[J].粮油食品科技,1998(1):7～8.

38 Jun S,Irudayaraj J.A dynamic fungal inactivation approach using selective infrared heating[J].Transactions of the ASAE,2003,46(5):1 407～1 412.

39 Sawai J,Sagara K,Igarashi H,et al.Injury of Escherichia coli in physiological phosphate buffered saline induced by far-infrared irradiation[J].Journal of Chemical Engineering of Japan,1995,28(3):294～299.

40 Hashimoto A,Sawai J,Igarashi H,et al.Effect of far-infrared radiation on pasteurization of bacteria suspended in phosphatebuffered saline[J].Kagaku Kogaku Ronbunshu,1991(17):627～633.

41 Sawai J,Fujisawa M,Kokugan T,et al.Pasteurization of bacterialspores in liquid-medium by far-infrared irradiation[J].Journal of Chemical Engineering of Japan,1997,30(1):170～172.

42 Hashimoto A,Igarashi H,Shimizu M.Far-infrared irradiation effect on pasteurization of bacteria on or within wet-solid medium[J].Journal of Chemical Engineering of Japan,1992,25(6):666～671.