單長(zhǎng)松，李法德，王少剛，趙子彤，陳超科，吳澎*

1(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安, 271018)2(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安, 271018)

歐姆加熱技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用進(jìn)展

單長(zhǎng)松1，李法德2，王少剛2，趙子彤1，陳超科2，吳澎1*

1(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安, 271018)2(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安, 271018)

歐姆加熱是一種新型食品熱加工技術(shù)，在食品物料的快速均勻加熱及提高食品安全性及質(zhì)量方面有巨大的應(yīng)用潛力。由于該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中受物料自身電導(dǎo)性、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素影響，國(guó)內(nèi)的研究仍處于起步階段，相較于國(guó)外在處理含顆粒食品、含蛋白食品加工的廣泛應(yīng)用，甚至在太空任務(wù)中食品加工方面的嘗試，存在著較大差距。文中闡述了歐姆加熱技術(shù)的原理、特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外歐姆加熱裝備的研發(fā)現(xiàn)狀及該技術(shù)對(duì)食品原料中酶、微生物、風(fēng)味與營(yíng)養(yǎng)成分等方面的影響，并對(duì)該技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了討論和總結(jié)。

歐姆加熱；電導(dǎo)率；酶；微生物；食品加工

熱加工是食品加工中主要的工藝環(huán)節(jié)之一，按照被加熱食品物料的導(dǎo)熱方式，可以分為：表面熱傳導(dǎo)方式(間接加熱法)和體積加熱方式。目前，國(guó)內(nèi)食品加工領(lǐng)域多采用間接加熱法。但是，間接加熱法由于其熱表面的存在，被加熱食品物料的品質(zhì)會(huì)顯著降低，并且熱能利用率低[1]。人們迫切要求食品熱加工過(guò)程中最大限度地保留食品物料的營(yíng)養(yǎng)成分以及色、香、味，高效率地利用能源也越來(lái)越引起社會(huì)的重視[2]。

歐姆加熱(ohmic heating，也稱為通電加熱、純電阻加熱等)、微波加熱(microwave heating)、脈沖電場(chǎng)加熱(pulsed electric fields heating)、射頻加熱(radio frequency heating)等均是常見的新型體積加熱方法[3]。歐姆加熱概念于19世紀(jì)初提出，并逐漸利用于處理液態(tài)流體食品以及罐頭的初步熱加工。20世紀(jì)初，歐姆加熱技術(shù)逐漸走向成熟，尤其在罐頭食品的熱加工、法蘭克福香腸和類似食品的熱加工和牛奶的低溫殺菌工藝方面，并得到初步的商業(yè)化推廣。但是，受限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)，歐姆加熱裝置中電極材料的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題、溫度控制問(wèn)題和電極表面的食品粘附問(wèn)題極大的限制了該技術(shù)的推廣。直到20世紀(jì)末，新型電極材料(鈦、鉑等電極)的出現(xiàn)以及電子技術(shù)的發(fā)展、歐姆加熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得歐姆加熱技術(shù)重新受到人們的重視，歐姆加熱技術(shù)在食品原材料的解凍及燙漂等方面的應(yīng)用逐漸被推廣[4]。連續(xù)式電阻加熱器專利的獲得及在含顆粒食品的應(yīng)用極大的促進(jìn)了歐姆加熱技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展。歐美日發(fā)達(dá)國(guó)家的歐姆加熱技術(shù)日趨成熟并被逐步推向?qū)嵱没?，例如廣泛應(yīng)用于法蘭克福香腸(frankfurters)或熱狗(hotdog)的加工、軍隊(duì)膳食及航空航天中的食物和廢棄物的處理等。

到目前為止，世界上在運(yùn)轉(zhuǎn)的歐姆加熱系統(tǒng)裝置共計(jì)30多套，主要集中在日本、美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，例如日本的ISUMI Food Machinery、Frontier Engineering，英國(guó)的C-Tech Innovation等，主要被用于生產(chǎn)常溫或冷凍冷藏流通的高品質(zhì)、高附加值食品[5]。以日本的技術(shù)最為成功，主要用于生產(chǎn)含整粒水果的酸乳酪等產(chǎn)品的原材料殺菌等。該技術(shù)也被雀巢公司(Nestle Corporation)用于生產(chǎn)調(diào)理食品供應(yīng)于餐飲市場(chǎng)。歐姆加熱技術(shù)依其自身的優(yōu)點(diǎn)，在加熱高黏度、富含蛋白質(zhì)的食品方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在大塊冷凍食品的加熱與解凍以及在食品的無(wú)菌加工環(huán)節(jié)中均有著很大的研究空間和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 食品歐姆加熱技術(shù)的原理

歐姆加熱又稱焦耳加熱，其原理是利用食品物料自身的電導(dǎo)特性來(lái)加工食品，其電導(dǎo)方式是依靠食品物料中電解質(zhì)溶液離子或熔融的電解質(zhì)的定向移動(dòng)。絕大多數(shù)食品物料含有可電離的酸或鹽，并表現(xiàn)出一定的電阻或電阻抗特性，當(dāng)食品物料的兩端施加電場(chǎng)時(shí)，通過(guò)食品物料自身的阻抗可在流進(jìn)其內(nèi)部的電流作用下產(chǎn)生熱量，使物料得以加熱。其原理圖如圖1所示。

圖1 歐姆加熱原理圖Fig.1 Schematic diagram illustrate the principle of ohmic heating

2 食品歐姆加熱技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 加熱均勻、不需傳熱面、不影響食品的品質(zhì)

食品物料加熱的歷程以及“冷點(diǎn)”的定位是2個(gè)非常重要的因素。傳統(tǒng)的加熱方式均需要傳熱面，熱量直接或間接的通過(guò)傳熱面和傳熱介質(zhì)傳遞至被加熱物體，在傳熱面臨近區(qū)域存在較大的溫度梯度。對(duì)于富含蛋白質(zhì)或者黏稠液體食品，傳熱面附近的食品原料會(huì)發(fā)生局部過(guò)熱現(xiàn)象，從而發(fā)生傳熱面焦糊現(xiàn)象，對(duì)物料內(nèi)部加熱歷程和“冷點(diǎn)”的控制比較困難。而歐姆加熱系統(tǒng)的熱量是根據(jù)焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的，即電流通過(guò)導(dǎo)電物料時(shí)，物料內(nèi)任意一點(diǎn)單位體積的發(fā)熱功率正比于物料在該點(diǎn)的電導(dǎo)率和電場(chǎng)強(qiáng)度的平方的乘積成正比。當(dāng)被加熱物料各向同性時(shí)，歐姆加熱沒(méi)有傳統(tǒng)加熱過(guò)程中熱量傳遞所需的溫度梯度。因此，通電加熱可以有效地控制物料內(nèi)部的加熱歷程和冷點(diǎn)。周亞軍等研究了含顆粒液態(tài)食品在歐姆加熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)，結(jié)果表明，被加熱物料的溫度分布接近于均勻溫度場(chǎng)[6]。歐姆加熱方式在不改變豬里脊肉硬度和彈性的同時(shí)還可以改善其嫩度等質(zhì)構(gòu)特性[7]。LEIZERSON等[8]研究了歐姆加熱對(duì)橙汁風(fēng)味物質(zhì)的影響，歐姆加熱的果汁風(fēng)味物質(zhì)含量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)加熱方式，且歐姆加熱技術(shù)能夠顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架期。此外，與傳統(tǒng)加熱方式相比，歐姆加熱技術(shù)在加熱黏稠(糊狀)、塊狀和易碎食品方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，且加熱后食品物料的品質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)加熱方式獲得的食品[5, 9-11]。

2.2 加熱速度快、不受物料尺寸和形狀的影響

食品原料的加熱速度取決于單位時(shí)間內(nèi)物料所獲得的熱量。傳統(tǒng)加熱方式中被加熱物料所需的熱能通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式間接來(lái)源于化石燃料，而歐姆加熱方式中的熱能直接由物料自身的阻抗在電流作用下產(chǎn)生，因此，后者的加熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。歐姆加熱可以實(shí)現(xiàn)高溫短時(shí)(HTST)或超高溫(UHT)處理，保證產(chǎn)品的品質(zhì)[12-14]。

相對(duì)于傳統(tǒng)的加熱方式，歐姆加熱不但可以均勻快速的對(duì)食品物料加熱，而且基本不受食品物料尺寸和形狀的限制。對(duì)于含顆粒的固液混合食品加工方面，可加工物料的顆粒尺寸可達(dá)40 mm；無(wú)需液相傳熱介質(zhì)，固液比可達(dá)70%，約為傳統(tǒng)加熱方式最大限度的2倍。歐姆加熱是一種新型的電物理體積加熱法，無(wú)需借助傳熱面和介質(zhì)間的溫度差作為傳熱動(dòng)力，加熱程度和速率由被加熱物料的電導(dǎo)率決定，熱量滲透深度不受食品物料大小、形狀的限制。而微波加熱的熱量源自食品原料內(nèi)部的水分子或其他極性分子在高頻電磁波作用下振動(dòng)摩擦生熱，由于食品原料中各部分組分、大小和形狀互不相同，所吸收的電磁波也不相同，這在很大程度上制約了電磁波加熱的均勻性和穿透深度。

2.3 能效高、環(huán)境友好

整個(gè)歐姆加熱系統(tǒng)主要由電源及其控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、歐姆加熱室和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，整體加熱功能的啟動(dòng)和停止通過(guò)電源控制系統(tǒng)完成，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。歐姆加熱工業(yè)化生產(chǎn)加工過(guò)程中，不同物料時(shí)切換時(shí)無(wú)需清洗設(shè)備，操作簡(jiǎn)單。整個(gè)歐姆加熱系統(tǒng)中除動(dòng)力泵外無(wú)其它運(yùn)動(dòng)部件，整體操控簡(jiǎn)單。歐姆加熱的熱量由物料自身的阻抗在電流作用下產(chǎn)熱，熱能損失較小，與微波加熱、射頻加熱等電加熱方法相比，歐姆加熱的能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)95%以上，約為傳統(tǒng)加熱轉(zhuǎn)化率的2倍，能夠更高效的利用電能，并且不存在熱慣性。因此，歐姆加熱技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)可在降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的同時(shí)保護(hù)環(huán)境，應(yīng)用前景廣闊。

3 影響食品歐姆加熱的主要因素

3.1 食品物料的物理化學(xué)性質(zhì)及其隨溫度的變化規(guī)律

由歐姆加熱的原理可知，歐姆加熱過(guò)程中單位體積的發(fā)熱功率與食物物料內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的平方以及食品物料的電導(dǎo)率成正相關(guān)關(guān)系[15]。前者可以通過(guò)調(diào)整電極間距和電壓進(jìn)行調(diào)整，因此，影響歐姆加熱最重要的因素便是食品原料的電導(dǎo)率及其隨溫度的變化特性。研究表明，常溫常壓條件下(25 ℃，101 kPa)，適于歐姆加熱的食品原料的電導(dǎo)率應(yīng)在0.01～10 s/m之間。若物料電導(dǎo)率低于最低值或高于最高值，則物料會(huì)由于其自身阻抗太大或太小無(wú)法被加熱。由于部分食品物料的電導(dǎo)率隨物料溫度呈非線性變化關(guān)系，尤其是富含油脂或包含生淀粉顆粒的食品物料。因此，使用歐姆加熱技術(shù)對(duì)這類物料加工時(shí)須考慮溫度對(duì)電導(dǎo)率的非線性影響因素。

3.2 歐姆加熱系統(tǒng)電源類型

電源作為整個(gè)歐姆加熱系統(tǒng)的供電設(shè)備，其選擇會(huì)直接影響歐姆加熱對(duì)食品物料的處理效果。歐姆加熱的電源主要有兩類：直流電源和交流電源。由于直流電源常在電極-食品界面產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而造成電極的腐蝕和對(duì)食品的污染，所以不常用。交流電源又可分為低頻交流電源(50 Hz或60 Hz)和高頻交流電源。早期用于歐姆加熱技術(shù)研究所使用的電源均為低頻交流電源，隨著對(duì)歐姆加熱技術(shù)研究的深入，發(fā)現(xiàn)低頻率電源也會(huì)引起物料中水和其他組分的電解，而高頻率電源能夠有效降低電極材料的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題和極板粘附污染問(wèn)題[16-18]，這使得高頻交流電源逐漸成為商業(yè)化發(fā)展的需求。高頻交流電的獲取主要由兩種方式：功率放大型(圖2-a)和開關(guān)電源型(圖2-b)。前者是利用功率放大器將信號(hào)發(fā)生器發(fā)生是任意頻率的信號(hào)升壓后作為歐姆加熱系統(tǒng)的電源使用。該種類型的電源的頻率、波形以及電壓等可以通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器或功率放大器實(shí)現(xiàn)精密控制，但能效較低，只適合實(shí)驗(yàn)室研究使用。熊秀芳[19]使用該類型的電源作為歐姆加熱系統(tǒng)的電源，對(duì)豆腐凝膠過(guò)程中的流變特性就進(jìn)行了研究。而開關(guān)電源型電源則是首先對(duì)商用電源進(jìn)行整流等處理，使交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后利用大功率IGBT將直流電轉(zhuǎn)化為頻率和幅值可調(diào)的方波交流電供歐姆加熱系統(tǒng)使用。該類型電源能效較高，是目前商業(yè)化應(yīng)用在最多的電源設(shè)備。李法德等[20-22]設(shè)計(jì)了該類型的電源作為歐姆加熱系統(tǒng)的供電裝置，電壓幅值達(dá)400 V，電源頻率在50～25 kHz連續(xù)可調(diào)，占空比在10%～90%連續(xù)可調(diào)，最大輸出功率達(dá)16 kW，并使用該電源對(duì)豆?jié){中的酶以及其他理化指標(biāo)進(jìn)行一系列的研究[23]。LIMA等[24]使用不同頻率和波形的電源對(duì)蘿卜組織電導(dǎo)率的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)頻率和波形對(duì)物料電導(dǎo)率均有一定等的影響。

圖2 歐姆加熱電源類型Fig.2 Power supply types of ohmic heating

3.3 加熱室結(jié)構(gòu)特征

3.3.1 電極材料的選擇

電極是食品歐姆加熱裝置必不可缺的組成部分，每個(gè)歐姆加熱裝置包含2個(gè)或2個(gè)以上的電極。電極材料的選擇是影響食品歐姆加熱效率的重要因素之一。自19世紀(jì)初歐姆加熱技術(shù)被提出之后，電極材料一直是制約其推廣的重要因素，隨著新型電極材料的出現(xiàn)，不同的導(dǎo)電材料例如鋁電極、石墨電極、鉑金電極、鈦電極、不銹鋼電極、鍍鉑-鈦電極、銠-不銹鋼復(fù)合電極均做過(guò)嘗試[25]。當(dāng)用鋁作電極時(shí)，如果電場(chǎng)的變化頻率大于離子的擴(kuò)散移動(dòng)速度時(shí)，會(huì)發(fā)生食品物料的分解和電極腐蝕。金屬鈦的化學(xué)性很穩(wěn)定，不容易被腐蝕，適于作歐姆加熱的電極，但是其成本較高，加工性能不好。綜合考慮材料的價(jià)格、阻值以及對(duì)食品質(zhì)量的影響等因素，不銹鋼材料是制作歐姆加熱電極的最佳材料，同時(shí)，合理的控制電源的頻率可以有效減弱電極的腐蝕和蛋白質(zhì)在電極表面上的粘附問(wèn)題[16, 26-27]。

3.3.2 加熱室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[27]

常見的歐姆加熱裝置可分為2種：批式歐姆加熱設(shè)備和連續(xù)式歐姆加熱設(shè)備。兩者的主要差別是后者需要一個(gè)管道系統(tǒng)用泵來(lái)輸送食品物料。無(wú)論是批式歐姆加熱設(shè)備還是連續(xù)式歐姆加熱設(shè)備，加熱室都是非常重要的部件。

典型批式歐姆加熱裝置的加熱室設(shè)計(jì)有以下2種：一個(gè)絕緣圓筒及一對(duì)電極組成圓筒狀加熱室(表1a)、一個(gè)絕緣立方體盒及一對(duì)電極組成的盒裝加熱室(表1b)。JUN和SASTRY設(shè)計(jì)了一種由一對(duì)“V”形薄片電極和絕緣的軟包狀材料組成的可變形加熱室(表1c)，用于長(zhǎng)時(shí)間太空旅行任務(wù)中食品的加熱。此外，另一種加熱組合式加熱室(表1d)是由一對(duì)金屬極板和電極加熱裝置組成，可用于加熱餡餅或者漢堡包之類的固態(tài)食品。

相對(duì)于批式歐姆加熱的加熱室設(shè)計(jì)，連續(xù)式歐姆加熱設(shè)備的加熱室的類型更加多樣，人們可以根據(jù)食品種類和性質(zhì)的不同，設(shè)計(jì)或選用不同形式的加熱室。根據(jù)食品物料流動(dòng)方向與電場(chǎng)方向的關(guān)系，可以將連續(xù)式歐姆加熱的加熱室分為錯(cuò)流式和并流式兩大類，前者的食品物料流動(dòng)方向與電場(chǎng)方向垂直，而后者則是平行的。錯(cuò)流式平板電極環(huán)狀電極加熱室(表2a)是由一個(gè)絕緣的管狀材料以及安裝在管道內(nèi)壁的一對(duì)或幾對(duì)金屬電極組成；錯(cuò)流式同軸電極加熱室由一個(gè)金屬外筒和金屬內(nèi)筒同軸組合而成，食品物料從二者構(gòu)成的空間中通過(guò)(表2b)。錯(cuò)流式平板多孔電極加熱室(表2c)由一個(gè)絕緣材料構(gòu)成的加熱室以及位于其內(nèi)部的一對(duì)多孔平面金屬極板組成，食品物料從兩側(cè)的進(jìn)料口進(jìn)入，然后通過(guò)極板上的孔或者從加熱室底部縫隙進(jìn)入加熱區(qū)域，但加熱室的清潔問(wèn)題比較難解決。并流式環(huán)狀電極加熱室(表2d)是由分段絕緣管和安裝在絕緣管之間金屬環(huán)狀電極組成。這種加熱室可以通過(guò)增加電極的對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)食品物料的梯度加熱。并流式圓柱(表2e)或矩形電極加熱室(表2f)是由絕緣管狀材料和一對(duì)圓柱或矩形金屬電極組成。并流式注射式電極加熱室(表2g)由上下一對(duì)金屬極板及兩側(cè)的絕緣材料組成罐狀加熱室，但食品物料只能從上側(cè)進(jìn)入加熱室，且整個(gè)加熱過(guò)程須控制物料流速，正常工作期間不能斷流。

表1 批式歐姆加熱裝置的加熱室及電極Table 1 Heating chamber and electrode of static ohmic heating system

表2 靜態(tài)歐姆加熱裝置的加熱室及電極Table 2 Heating chamber and electrode of continuous ohmic heating system

3.4 固、液混合食品物性參數(shù)的匹配

采用歐姆加熱方法對(duì)固、液混合物料進(jìn)行加熱處理時(shí)，固體顆粒(塊狀)的幾何特征、尺寸及其分布、與電場(chǎng)的方位關(guān)系和所占比例等均會(huì)影響歐姆加熱的效果。若被加熱的食品物料中固相物料顆粒過(guò)大，則導(dǎo)致單位體積所含液相介質(zhì)變小，無(wú)法保證物料流經(jīng)電場(chǎng)時(shí)的加熱效果[28-29]，一般情況下，要求食品物料中固相物料的顆粒直徑不超過(guò)40 mm；相反，在批式歐姆加熱裝置中，若被物料中固相顆粒過(guò)小，則可能導(dǎo)致固相顆粒集中漂浮于物料上方，無(wú)法保證整體的加熱效果。食品物料單位體積內(nèi)的密度太大或太小，會(huì)導(dǎo)致物料沉積或漂浮于加熱室的上下部，造成加熱效果不佳或物料品質(zhì)的降低。此外，由于食品原料中的如冰、骨、脂肪、氣體等屬于非導(dǎo)電性物質(zhì)，因此不能被加熱，需要靠熱傳導(dǎo)獲得能量，會(huì)造成物料的局部過(guò)熱。為解決上述問(wèn)題，一般要求對(duì)食品物料進(jìn)行一定的預(yù)處理，如除去物料中的非電解質(zhì)、對(duì)顆粒食品進(jìn)行預(yù)煮、調(diào)節(jié)液相和固相的電導(dǎo)率等，使物料各處液固兩相的混合比保持一致，以保證加熱效果。此外，由于淀粉糊化時(shí)會(huì)導(dǎo)致物料電導(dǎo)率的變化，預(yù)處理工藝還可以解決加熱過(guò)程中由于電導(dǎo)率變化所一起的一系列問(wèn)題。

被加熱物料中固體的方向也會(huì)影響歐姆加熱效果。例如，蔬菜在歐姆加熱過(guò)程中，不同的放置方向(與電場(chǎng)垂直或平行)會(huì)影響自身的電導(dǎo)率。如李修渠、楊玉娥、李秀芝等也發(fā)現(xiàn)豬肉纖維方向與電場(chǎng)的方向垂直時(shí)，其電導(dǎo)率最小[7, 29-30]。因此，當(dāng)物料中固體的體積相對(duì)較大時(shí)，其與電場(chǎng)的方向也會(huì)影響歐姆加熱效果，但方形和球形的固相顆粒不存在該問(wèn)題。

此外，由于歐姆加熱技術(shù)的特點(diǎn)，食品中含有非電解質(zhì)氣體(如氮?dú)?、空氣?、非電解質(zhì)液體(如脂肪、油、醇和糖漿)或非金屬固體(如骨、纖維素、冰、生淀粉粒等)的部分不能被加熱。若食品原材料自身的導(dǎo)電性較差，則同樣不能被加熱，但在這種情況下，實(shí)際加工過(guò)程中可以通過(guò)添加適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)溶液達(dá)到被物料加熱的目的。

4 歐姆加熱技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用

歐姆加熱技術(shù)作為21世紀(jì)最具前景的新型食品加熱技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于食品的殺菌、滅酶、漂燙及解凍、發(fā)酵等加工工藝。與傳統(tǒng)的加熱方式相比，歐姆加熱更適合于加工高蛋白食品原料、高黏度食品原料和固液混合食品的高溫瞬時(shí)加熱，并能最大限度的保持食品的鮮度和風(fēng)味等。

4.1 食品加工中的殺菌

殺菌是食品加工中的重要環(huán)節(jié)，食品歐姆加熱技術(shù)中溫度場(chǎng)與電場(chǎng)的耦合作用，可以在加快對(duì)食品中的微生物及酶等滅活和鈍化過(guò)程的同時(shí)，最大限度地保證食品的品質(zhì)[31]。對(duì)于固、液混合食品物料的加工，當(dāng)固相物料達(dá)到殺菌目的時(shí)，過(guò)高的溫度或過(guò)長(zhǎng)的加熱殺菌時(shí)間會(huì)使液相物料和固相食品物料表面的品質(zhì)降低。歐姆加熱由于其自身的特點(diǎn)，可以有效解決液相與固相食品加熱不一致的矛盾，通過(guò)調(diào)整兩者的電導(dǎo)率，可實(shí)現(xiàn)固液混合食品的同步加熱和高溫瞬時(shí)加熱殺菌。歐姆加熱技術(shù)應(yīng)用于對(duì)食品物料的殺菌最早可追溯至19世紀(jì)末，最初被應(yīng)用于對(duì)液體原料的殺菌[9]，受限于當(dāng)時(shí)落后的食品無(wú)菌包裝技術(shù)，該技術(shù)僅能用于罐裝食品的加工，且需要特制的包裝罐，并沒(méi)有得到商業(yè)化推廣。20世紀(jì)初，隨著歐姆加熱技術(shù)的日趨成熟，歐姆加熱技術(shù)逐漸在帶顆粒食品滅菌和乳制品加工方面取得突破進(jìn)展[24, 32]。1937年GETCHELL[33]設(shè)計(jì)了帶有溫控裝置的連續(xù)式歐姆加熱裝置，以石墨為電極，用水作為電極冷卻液，防止電極過(guò)熱，該裝置主要用于牛奶的巴氏殺菌，與傳統(tǒng)的巴氏殺菌(62 ℃，30 min)相比，該系統(tǒng)可以在15 s內(nèi)將牛奶加熱至71 ℃，基本實(shí)現(xiàn)了高溫瞬時(shí)殺菌，且電能利用率高達(dá)95%～98%。但是，由于缺少合適的電極材料等問(wèn)題以及石油、天然氣價(jià)格的降低，使得該技術(shù)未得到推廣。隨后，對(duì)歐姆加熱殺菌的研究逐漸轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)室研究，例如建立歐姆加熱殺菌數(shù)學(xué)模型等[34]。至20世紀(jì)末，隨著新型電極材料的出現(xiàn)和電子技術(shù)的發(fā)展以及電場(chǎng)作用下細(xì)菌細(xì)胞出現(xiàn)“電穿孔”效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)[35～36]，歐姆加熱技術(shù)又重新引起了人們的重視。SWARTZEL等[37]將歐姆加熱技術(shù)應(yīng)用于液態(tài)雞蛋的殺菌工藝。日本將歐姆加熱技術(shù)應(yīng)用于豆腐的加熱和凝固工藝，極大地降低了成本。英國(guó)APV Baker公司設(shè)計(jì)制造了用于含顆粒流體食品的歐姆加熱殺菌裝置，并獲得了商業(yè)應(yīng)用許可證。目前，該公司設(shè)計(jì)制造的商業(yè)化APV FX系列巴氏消毒系統(tǒng)主要應(yīng)用于對(duì)果汁和牛奶的加工，工作能力可達(dá)40 000 L/h，能夠單獨(dú)作為殺菌系統(tǒng)與其他加工工藝組成熱裝罐生產(chǎn)線。食品歐姆加熱技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)入了嶄新的階段。21世紀(jì)初，歐姆加熱技術(shù)在牛奶以及果汁殺菌中研究逐漸深入，并建立了殺菌的數(shù)學(xué)模型，確定和優(yōu)化了歐姆加熱技術(shù)參數(shù)，在保證食品質(zhì)量的同時(shí)保證殺菌效果[32]。此外，歐姆加熱技術(shù)還可以與無(wú)菌包裝技術(shù)相結(jié)合，提高生產(chǎn)率。

4.2 食品燙漂與鈍酶

傳統(tǒng)的燙漂工藝是將切分或未切分的食品原料置于沸水或熱蒸汽中，進(jìn)行短時(shí)間的熱處理，使原料中的酚酶或過(guò)氧化酶鈍化或者失活，從而達(dá)到延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期的目的。燙漂質(zhì)量會(huì)直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)。相對(duì)于傳統(tǒng)燙漂，將歐姆加熱技術(shù)應(yīng)用于燙漂可有效縮短燙漂時(shí)間[28]。最早的商業(yè)化歐姆加熱燙漂系統(tǒng)可追溯至20世紀(jì)70年代，由SVENSSON等[38]研發(fā)并用于油炸土豆片的燙漂處理，當(dāng)電壓為380 V時(shí)，原料中的過(guò)氧化物酶的鈍化速率較傳統(tǒng)方法提高約82%。ICIER等[39]研究了歐姆加熱燙漂過(guò)程中不同電場(chǎng)條件對(duì)豌豆?jié){顏色的影響，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為50 V/cm時(shí)效果最佳。歐姆加熱技術(shù)應(yīng)用于蘋果塊的燙漂，其原料中VC的損失率約20%，對(duì)多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶的鈍化效果均優(yōu)于傳統(tǒng)漂燙方式[40-41]。李法德等[22]研究了歐姆加熱過(guò)程中不同電場(chǎng)條件對(duì)豆?jié){中脲酶及脂肪氧化酶的鈍化效果的影響，發(fā)現(xiàn)歐姆加熱可促進(jìn)豆?jié){中脲酶和脂肪氧化酶的鈍化，電場(chǎng)頻率和電壓對(duì)鈍化效果均有顯著影響。

4.3 食品解凍中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的食品解凍原理是熱傳導(dǎo)，通過(guò)傳熱介質(zhì)向食品內(nèi)部傳熱，實(shí)現(xiàn)食品的解凍。但是，由于傳熱介質(zhì)自身的特性，無(wú)法在保證食品品質(zhì)的前提下根據(jù)物料的特性控制解凍時(shí)間，因此，傳統(tǒng)的解凍方法局限性較大。一般情況下，冷凍食品中有5%～10%的水以較高濃度液態(tài)溶液的形式存在，為歐姆加熱提供了有利條件。歐姆加熱解凍的原理是利用冷凍食品物料自身的電導(dǎo)特性，當(dāng)給物料兩段施加電場(chǎng)時(shí)，食品物料自身的阻抗會(huì)在電流作用下產(chǎn)生熱量。與其他電物理解凍方式相比，歐姆加熱解凍對(duì)物料的厚度、形狀等沒(méi)有限制，食品物料無(wú)局部過(guò)熱現(xiàn)象，且電能利用率較高。

接觸式解凍和浸泡式解凍是歐姆加熱解凍2種主要方式，二者的主要區(qū)別是電極與食品物料是否直接接觸。早期用于歐姆加熱解凍的裝置均屬于接觸式解凍[42]，但是由于實(shí)際應(yīng)用中食品物料不規(guī)則的形狀，使得食品物料與電極很難充分接觸，造成電流分布不均，使金屬極板上產(chǎn)生電火花或者出現(xiàn)物料局部過(guò)熱現(xiàn)象。20世紀(jì)末，NEVEH等[43]首次提出浸泡式解凍的方法，直接解決了電極與物料接觸不充分的問(wèn)題，在保證食品品質(zhì)的前提下將解凍速度提高了3倍。李修渠等[44]通過(guò)建立歐姆加熱模型，研究了浸泡介質(zhì)的物料放置位置對(duì)浸泡式解凍方法對(duì)冷凍肉解凍速率的影響，并利用解凍模擬電路模型研究了電場(chǎng)與電能利用率的關(guān)系。馮晚平等[45]研究了歐姆加熱電源的電流和頻率對(duì)解凍速率的影響，發(fā)現(xiàn)解凍速率與電源頻率成正相關(guān)關(guān)系，矩形波解凍效果最好。

4.4 在其他食品加工業(yè)中的應(yīng)用

歐姆加熱在食品加工中的應(yīng)用非常廣泛，除上述的幾方面應(yīng)用之外，在果蔬脫皮、植物中色素等提取以及精餾方面的應(yīng)用也有報(bào)道[46]。此外，歐姆加熱在航空飛行期間食品及其廢棄物的熱處理方面也有應(yīng)用[47-48]，在特種戰(zhàn)場(chǎng)食品的熱加工等方面也有很廣闊的開發(fā)前景。

5 存在的問(wèn)題與展望

雖然歐姆加熱技術(shù)在食品熱加工方面的發(fā)展具有非常廣闊的前景，但目前仍存在著不少亟待解決的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在一下幾點(diǎn)：

(1)加熱速度的控制：由于歐姆加熱的加熱速度與食品物料的電導(dǎo)率直接相關(guān)，而物料的電導(dǎo)率有隨其溫度的升高而快速升高，特別是對(duì)于批式歐姆加熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在加熱的后期，物料的加熱速度較難控制，因此，應(yīng)根據(jù)食品物料的電導(dǎo)率變化實(shí)現(xiàn)加熱速度的自動(dòng)控制。

(2)非均勻食品物料的預(yù)處理：食品加工過(guò)程中，食品特別是固液兩相食品的混合不充分可能造成加工原料各處電導(dǎo)率不同，從而影響各處加熱溫度，因此，應(yīng)保證原材料預(yù)處理的均勻性。

(3)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)：在連續(xù)歐姆加熱系統(tǒng)中，對(duì)食品物料尤其是液固兩相食品在加熱過(guò)程中 “冷點(diǎn)和熱點(diǎn)”的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制非常重要，但是，由于食品在加熱過(guò)程中處于流動(dòng)狀態(tài)，很難實(shí)現(xiàn)“冷點(diǎn)和熱點(diǎn)”的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

(4)電極表面粘附：在加熱過(guò)程中，食品中的某些物料組分如蛋白質(zhì)、脂肪等會(huì)粘附在電極表面，從而影響加熱效率和產(chǎn)品質(zhì)量，雖然通過(guò)提高電源的頻率可以抑制這些組分在電極表面的粘附，但電場(chǎng)條件下的粘附機(jī)理尚不明確。

(5)電極與加熱室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：歐姆加熱過(guò)程是多物理場(chǎng)(流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和電場(chǎng))耦合過(guò)程，其加熱過(guò)程非常復(fù)雜，但可利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)可對(duì)加熱室及其電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；同時(shí)，需要開發(fā)性價(jià)比較高的新型電極材料，同時(shí)具備高電導(dǎo)率和耐電化學(xué)腐蝕的性質(zhì)。

與傳統(tǒng)加熱方式相比，歐姆加熱技術(shù)應(yīng)用于食品加工行業(yè)可以提供高質(zhì)量、高附加值、耐儲(chǔ)存產(chǎn)品。在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，歐姆加熱技術(shù)在食品加工的應(yīng)用正處于商業(yè)化推廣和設(shè)備的完善階段，而國(guó)內(nèi)對(duì)歐姆加熱技術(shù)的電場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬及仿真的研究仍處于初級(jí)階段，商業(yè)化食品歐姆加熱裝置的研發(fā)方面還有巨大的發(fā)展?jié)摿?。可以預(yù)料，隨著人們生活水平的提高，對(duì)高附加值的食品需求量的與日俱增，歐姆加熱技術(shù)必將得到大力發(fā)展并在食品熱加工中有廣闊的應(yīng)用前景。

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Applicationofohmicheatingtechnologyinfoodprocessing

SHAN Chang-song1, LI Fa-de2, WANG Shao-gang2, ZHAO Zi-tong1,CHEN Chao-ke2, WU Peng1*

1 (College of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural University,Tai’an 271018, China)2 (College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China)

Ohmic heating (OH), a novel heating technology, has a great potential as a rapid and uniform heating method in food processing, and can ensure food safety and quality. Due to several factors such as electrical conductivity of foods, electrical field strength, ohmic heating usage is still at its preliminary stage in China. However, it has been extensively used in foods containing particles, rich in proteins as well as the space foods in other countries. The fundamental principle, characteristics and development status of ohmic heating technology were discussed in this review. The affecting factors of ohmic heating on the activity of enzyme, microorganism and nutrition of foods were also investigated. Current applications of this technology in food processing were also discussed and summarized.

ohmic heating; electrical conductivity; enzyme; microorganism; food processing

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014250

碩士研究生(吳澎副教授為通訊作者,E-mail：wupengguai@163.com)。

山東省科技發(fā)展計(jì)劃(2013GNC11307)；國(guó)家自然科學(xué)基金(31171759)；泰安市科技發(fā)展計(jì)劃(201640576)；泰安市大學(xué)生科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2015D031)

2017-03-07，改回日期：2017-04-25