食品自加热技术研究进展

刘崇歆 薛 雁 魏文松 艾 鑫 邢利婷 张 良 张春江

（中国农业科学院农产品加工研究所 农业部农产品加工重点实验室 北京100193）

人类在进化过程中，逐步演变形成热食的习惯。热食具有显著的优点，可将部分甚至全部微生物杀灭，使食品的风味与口感显著提升，产品食用品质得以保持良好[1]。从消费角度而言，不同种类的食物的最适食用温度有所差异，例如米饭的最适温度为65°C 左右[2]，中式菜肴温度范围60～65°C[3]，肉类食品温度范围70～75°C[4]等。食品自热技术是食品热加工技术的一种，指应用非明火热源，通过热传导、热对流和热辐射的方式将预制食品加热至适于食用状态，以满足消费者的食用需求。

自加热技术发源于为满足军队野外作战的需要而研制的单兵自热食品[5]，最早应用案例为荷兰的自加热罐头食品[6]。美国陆军纳蒂克工程中心在该技术研究领域位居世界领先水平[7]。我国于上世纪80年代开始进行食品自加热技术相关的研究[8]，目前对部队特殊保障食品的供应起到重大的技术支撑，例如在执行应急救援任务时武警部队特需食品的需求中自热食品占比约86.9%[9]。

近年来食品自加热技术日渐成为食品工程和材料科学交叉融合研究的热点，各国科研人员在自加热装置研发，产热动态规律探究，热效能提升分析[10]，自热食品品质保持等方面开展较为深入的研究。姜炜等[11]对国内外食品自加热技术发展历程进行了总结论述，并对民用自热食品发展作出展望。食品自加热技术的进步能够提高食品自加热效能，可降低发热包质量，缩短加热时间，降低原料和运输成本，提高经济效益[1，4，11]。随着消费升级，美味可口、食用方便、种类丰富的自热食品大众化趋势明显，产品种类与品牌逐年递增，市场规模不断扩大。本文综述国内外食品自加热技术的现状及研究进展，通过分析自加热剂发热机理和自加热中传热传质规律，剖析目前存在的问题与挑战，展望未来发展方向，为自热食品产业的健康、可持续发展提供技术支撑。

1 食品自加热装置的种类

食品自加热装置主要由含能发热剂（由金属、非金属及其它化工材料等组成）、阻燃缓释剂等成分组成，经简单激活即可在较短时间内产生足够的热量，将液体或具有一定含水量的包装食品加热到一定温度，因在加热中无明火产生，故又称为无火焰化学加热器[12]。其工作原理是通过一定的方式使激活剂或激活装置与热源相互接触，发生化学反应产生热量，并通过一定的传热形式（热传导、热对流）对液体或固体食品进行加热。自加热装置诞生以来，不断迭代，如美国化学自加热装置的发展经历了5 代，依次为生石灰型、铝水型、Mg/Fe 型、酸酐碱酐型[13]、空气激活型，目前正大力开发新型加热装置。而我国自加热装置仍停留在Mg/Fe 型、铝水型为主的阶段[14]。

2 食品自加热技术放热原理

常用自加热装置放热原理主要包括化合反应放热、原电池反应放热、金属氧化反应放热和金属氧化物置换反应放热。相应的自加热食品发热剂有钙基发热剂、镁基发热剂及铝基发热剂。现用自热食品发热包在使用过程中并不是单一原理放热反应，通常由两种或更多反应构成[15]，目的是稳定释热速率，延长放热时间，适当减少成本。

作为最早投入应用的自加热技术，化合反应放热其原理是CaO 与H2O 反应生成Ca（OH）2的过程中释放大量热量，该反应过程虽无有害气体产生，但具有单位质量发热剂放热量低，发热包易受潮，保质期短[16]等缺点，因此该类自发热包市场份额在不断降低。

目前市场上使用量日益增加的铝基发热剂，其原理是原电池放热反应。微纳米级金属Al 颗粒与水接触，其表面发生水合反应[17]：2Al+4H2O→2AlOOH+3H2和2Al+6H2O→2Al（OH）3+3H2，生成疏松结构的氧化物层，紧接着生成的AlOOH 或Al（OH）3会发生分解反应（水合反应的逆过程），重新生成Al2O3和H2O 分子，而H2O 分子将与内部的Al 继续发生之前的反应，产生H2，同时持续放出热量。

金属氧化反应放热原理是金属与空气中氧气发生氧化反应并释放热量，该反应并不适用于Mg、Al 等金属，原因是其在与氧气接触时会迅速在表面产生一层致密的氧化膜，阻止后续反应的发生，难以持续释放热量。而Fe 等金属材料的氧化物多呈现疏松多孔结构，适于氧化反应持续放热[18]。该反应单位时间内释放热量较小。为提高反应放热速率，获得大量持续的热能，目前多采用球磨法对金属进行超微细化处理，以获得微米甚至纳米级的金属粉末[19]。

金属氧化物置换反应放热中最常见的是铝热反应[20]，通过金属铝与铁的氧化物之间的置换反应，释放出巨大的热量以完成对食品的加热。该反应需要一定能量启发，反应启动后可迅速并持续放热。该放热反应是目前国内外食品自加热技术的研究热点。

表1 自加热技术热效能比较分析的研究Table 1 Studies on comparative analysis of thermal technology thermal efficiency

表1列出常见自加热反应原理和放热焓值，可以看出，在常用自加热反应中，氧化钙与水化合反应产热量偏低，需要大量原料才能达到预期的加热效果。虽然镁水反应和铝水反应过程伴随着氢气的产生，但是单位质量放热明显高于其它反应，这是该反应目前得以广泛应用的主要原因。

3 食品自加热过程的传热规律

对食品自加热过程中的传热规律开展研究，多采用仿真模拟优化的方法，主要包括3 个部分，即热源、包装结构和传热过程（对流传热、相变传热）[26]。Zhen Y D 等[27]研究表明，铝在大颗粒状态下不会与水发生明显化学反应，然而，通过减小粒径，提高反应初始温度，消除发热剂表层氧化膜等方法进行改性可以大幅提升铝粉与水的反应速度。郑志强等[28]检测了一种铁碳合金粉的发热效果，并对所用材料的粒度分布、铁粉与活性炭粉的结合状态等因素进行优化分析，研究表明新型发热剂反应中无氨气等不良气体生成，放热效率高，然而，其生产成本较高，加工工艺复杂，在市场推广应用尚有一定难度。

刘嘉喜等[29]从自加热器大小，自加热器布局，食品厚度等方面对自热食品加热效果进行了研究，结果表明：食品与加热器尺寸接近，加热器分布均匀等因素对食品自加热效率和温度均匀性有着积极的影响。应用三维数值模拟计算的方法对整个传热过程进行分析并对加热器结构进行优化。陈磊等[30]提出一种利用永磁体和铁磁物质相对运动切割磁感线的方式将电磁能转换为热能，通过人工手摇将磁滞、涡流和二次感应电流的热量用于加热食品的无焰加热器的结构，并通过试验证明该无焰加热器的可行性和实用性。Kim 等[31]简化了自热食品加热过程的数学模型，探讨了利用计算机传热仿真模型的方法对加热器的布局进行优化，并计算食品各部位瞬时的温度变化，分析加热器尺寸、分布，容器材料以及包装材料等参数对食品加热效果的影响。

李国峰等[32]对影响米饭自加热效果的因素进行研究，发现热源材料的成分、比例及施加方式等因素对加热效果至关重要，同时米饭部分厚度薄，激活剂的添加量与发热剂量增加，食品外包装材料的阻热性能高等因素也会提升加热速率和加热效果。食品自加热过程是复杂的流体力学和传热学过程，在加热装置内部，加热装置与食品之间，食品内部的导热和对流换热方式上很难以一个单一体系模型进行模拟研究。Ho S H 等[10]研究了集体食品自加热的传热过程并建立了相应的数学模型，研究发现，加热过程中底层食品与其它层食品温度变化差异较大，中间两层食品的温度曲线具有相同的变化趋势，其中第2 层食品的温度略高于第3 层食品的温度，顶层自加热效果最差。

Kandlikar S G[33]开发了一个有限差分方法模型，采用一维近似处理的方法对自热食品模型做了大量简化，以计算单兵快餐食品的传热情况，分析发现增加绝热层来防止热量散失是优化降低加热装置质量的唯一途径。同时研究中还发现一种传热方式，即存在由附加的水蒸气引起的热流传递过程。Kandlikar S G 等[34]利用有限元软件包ANSYS 对此热流传递过程进行二维数值模拟验证，根据Kandlikar S G 的理论，发现部分水在反应中受热蒸发，与食品接触后会遇冷凝结，释放潜热。假设这些水蒸气均匀分布于食品的上表面，水的相变放热可使加热片的尺寸减少50%。马立鹏等[35]采用传热学的相关理论和方法，应用CFD 软件FLUENT，对米饭、水蒸气、热源及米饭包装部分整体进行三维数值仿真建模，以不考虑边界条件，热源化学反应过程，传热过程中的辐射传热及所用材料导热系数和比热容等随温度的变化情况，只把化学反应产生的总热量作为热源施加于传热模型为基本假设，建立起一套包括软包装、加热器袋和隔热外包装材料在内的完整自热食品几何模型。

4 自蔓延高温加热技术应用

自蔓延高温合成技术（Self-propagating Hightemperature Synthesis，简称SHS）是前苏联科学家A.G.Merzhanov 于1967年提出的一种材料合成新工艺[36]。其原理是利用一定的能量对反应材料进行局部激发，该部分材料启动化学放热反应释放出强烈的热量，使燃烧反应自发地以反应波的形式传播开来，以获得具有特定结构的燃烧产物。鉴于该制备工艺具有反应原理简明、反应速度可控、放热量大等优点，非常符适合用于自热食品中的热源。HEATGEN 公司[37]将SHS 反应加热装置应用于罐装食品的自加热，该加热器体积小，质量轻，可应用于咖啡、牛奶、茶、清酒、速食汤等多种液态食品，显著提升消费者的消费体验。自蔓延反应方程为：2Al（s）+Fe2O3（s）→Al2O3（s）+2Fe（s）和4Al （s）+3SiO2（s）→2Al2O3（s）+3Si （s）。罗传红等[38]研究表明，自蔓延铝热反应过程可在分级供氧复合燃烧体系下稳定进行，燃烧反应平稳，产热均匀且高热不爆，证明该原理可安全应用于食品自加热研究和开发，对未来食品自加热装置研发提供了新的途径。

与现有的自加热技术相比，自蔓延高温合成反应的优势在于其属于金属和金属氧化物之间的固相氧化还原反应[39]，激发时间短，热能释放量大，加热器与食品质量比低；无需加水，气体产生量少，不产生氢气[40]，既避免燃爆风险，又显著降低食品自加热过程中发生汤汁喷溅对人造成伤害的可能性，并且采用无水激发方式，产品不会因吸潮而降低释热效能。

5 食品自加热产业存在的问题

自加热技术是自热食品的核心关键，与传统热加工有所不同，其具有无需用电，无名火，方便携带且使用方法简单等诸多优势，然而存在产氢气问题，如使用不当，则存在安全风险等问题。

食品自加热技术的发展有力推动了食品产业进步，然而食品自加热装置应用中存在诸多问题。一是使用安全性不容忽视。目前市场上广泛应用的自加热装置有产氢问题，存在安全风险，同时在使用过程中温度可达120℃以上，包装易膨胀变形甚至破损，若自热容器通气孔堵塞，局部气体受热可能会喷出高温液体，导致烫伤等风险。二是相关标准缺乏，市场监管无标可依。目前我国自热食品和自热装置均未出台相应的国家或行业标准，虽然部分大型企业根据自身需求制定了一些企业标准，但是并不规范和统一，存在着生产企业管理粗放，产品质量参差不齐等问题。国际上美国军方2003年制定了自发热装置生产及运输标准[12]，沿用至今。三是食品自加热装置与包装的相关研究亟待加强[1]。目前主流自加热装置仍具有会产氢，运输使用过程安全性差；低温难激发，热效利用率低，复热效果差；易氧化，有效期短；便利性差，不易回收再利用；在高原高湿、低温低压等极端环境条件下适应性差等缺点。以上问题突出反映了目前在自加热技术方面的研究仍较为薄弱，尚未建立起完整的自加热包性能测试和风险评估的方法体系，配套的技术手段等不够完善。

6 食品自加热技术展望

针对食品自加热技术存在的问题，未来应根据产业需求，加强高效能释热组方、高效自加热装置等方面的研究，重点开展以下研究：1）化学自热材料高效组配，着力于优化发热剂、激发剂、缓控剂等高效自加热材料的科学配比，研发自热介质防冻增压、表面惰性层消减等技术；2）化学自热材料产氢抑制[41]，对原有的自热包装进行改进，研发高价态金属供氧抑氢等自加热技术，创制新型低产氢或不产氢、无异味系列化自加热材料，提升自热剂使用安全性；3）自热装置传热规律的研究[42]，研究极端条件下自加热装置热量产生、传递和耗散过程，构建CFD 传热模型。通过以上研究，提升我国食品自加热技术的安全水平、使用便利性，增强其使用的有效性[43]。