肖 逵，唐亞麗，2*，盧立新，2，丘曉琳，2，王 軍，2

（1 江南大學機械工程學院 江蘇無錫 214122 2 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室 江蘇無錫 214122）

射頻加熱是一種利用射頻能使物料升溫的加熱方法。在射頻加熱過程中，交變電磁場使得場中物料含有的極性分子高速旋轉(zhuǎn)，進而與周圍的物料分子摩擦、碰撞，釋放出熱量促使物料升溫。射頻加熱具有整體加熱，加熱速率快，無接觸加熱等優(yōu)勢，在食品加工領域有很大應用前景[1]。射頻殺蟲就是其一[2-4]。傳統(tǒng)化學熏蒸法的殺蟲劑殘留會危害環(huán)境和人體健康，若長期使用，害蟲還會產(chǎn)生耐藥性[5]，而經(jīng)過射頻殺蟲的食品安全、無殘留，不會對人體產(chǎn)生毒害作用。比如在Yang 等[6]的研究中，射頻加熱180，300，420 s 后米蛾在卵、幼蟲、成蟲階段的致死率達到100%，儲藏45 d 后無米蛾出現(xiàn)，處理后的大米品質(zhì)無顯著變化。Hou 等[7]使用射頻來殺滅米中的谷蠹，發(fā)現(xiàn)射頻加熱到54 ℃保持11 min，可使谷蠹死亡率達到100%。Jiao 等[8]使用射頻協(xié)同強制熱風將被蟲侵染的小扁豆加熱至60 ℃并保持10 min，豇豆象鼻蟲的死亡率達到100%。Ling 等[9]將開心果射頻加熱到溫度超過52℃并在55 ℃熱風下保持2 min，可使五齡印度粉蛾的死亡率達到100%。這些研究均說明射頻殺蟲具有很好的應用前景。

然而，目前射頻殺蟲也還存在著一些問題，比如邊角過熱的問題，這使得邊角區(qū)域的蟲子可能先死亡，而中央冷區(qū)的蟲子則需要更長時間才能死亡，且邊角區(qū)域的高溫會破壞食品品質(zhì)。對此，國內(nèi)外已提出許多關于改善射頻加熱均勻性的方法，如攪拌[10]，旋轉(zhuǎn)[11-12]，間歇加熱[13]，改變周圍或者內(nèi)部介質(zhì)材料[14-17]，改變樣品大小和放置位置[18]，熱風輔助[19]，物料分隔[20-21]等。然而，這些方法在改善加熱均勻性的同時往往也降低射頻加熱速率。如果可以通過改善容器結構，使加熱均勻性得到改善的同時提升加熱速率，在提高射頻殺蟲效率的同時減少因邊角過熱而帶來的食品品質(zhì)下降問題，就有很好的實際應用價值。從Zhang 等[20]和Song 等[21]的研究中得知，將物料分隔后可以改善加熱均勻性。劉嫣紅等[22]的研究提到射頻可快速加熱多孔物料，而吳雪梅[23]在其專著中解釋了含氣泡的介質(zhì)材料在交變電磁場下可能發(fā)生擊穿，從介質(zhì)材料在交變電磁場下的特性來說，多孔物料中空氣間隙的存在，使物料內(nèi)電磁場的分布發(fā)生變化。本文的研究目的是將多孔與分隔兩種思路結合起來，探究孔分散結構對物料射頻加熱速率和加熱均勻性的影響；探究孔分散結構在射頻殺蟲應用中的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

大米（含水率13.1%），歐尚超市；外徑分別為6，10，16，22，28 mm 的單側壁厚1 mm 的聚丙烯空心管，直徑22 mm 的聚丙烯實心棒，155 mm×107 mm×60 mm 的聚丙烯保鮮盒；赤擬谷盜和米象，從湖南湘鄉(xiāng)農(nóng)村地區(qū)的小糧倉獲得。

平行極板射頻系統(tǒng)，無錫旭洲智能科技有限公司，功率和極板間距均可調(diào)，所有樣品射頻加熱時均采用5 700 V 的陽極電壓和85 mm 極板間距；恒溫恒濕箱，上海一恒科學儀器有限公司；HT-9815 熱電偶溫度計，東莞市鑫泰儀器儀表有限公司；Fluke Ti95 紅外熱像儀，美國Fluke 公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 孔方向?qū)ι漕l加熱速率和加熱均勻性的影響 選擇直徑22 mm 的8 個豎向孔，2 個橫向孔來探究孔方向的影響，孔的數(shù)量是根據(jù)二者排開的物料體積很接近來確定的，即2 個橫向孔和8個豎向孔所排開的物料體積很接近。盒子上的孔是用電烙鐵加工的，摩擦力可將管固定，豎向和橫向分別按照圖2b 和2g 排布，橫向的管直接貫穿盒身，豎向的管則與蓋相連，物料高度均為40 mm，置于下極板中心位置加熱10 min 后，迅速取出并將盒蓋打開，用紅外熱像儀拍取加熱后物料的上表面溫度分布，并用熱電偶溫度計測定加熱前、后幾何中心和側面中心的溫度。加熱速率取10 min 內(nèi)平均加熱速率，加熱均勻性指數(shù)λ 按照圖1所示13 點取樣法獲得13 點的溫度數(shù)據(jù)，按照式（1）計算。

圖1 溫度均勻性指數(shù)計算取樣點Fig.1 Sample points for temperature uniformity index calculation

圖2 孔分散結構的分布Fig.2 Distribution of pore dispersed structure

式中，σ——樣品最終溫度的標準差；σ0——樣品初始溫度的標準差；μ——樣品的最終溫度，℃；μ0——樣品的初始溫度，℃。

1.2.2 空實心對射頻加熱速率和加熱均勻性的影響 為探究聚丙烯和空氣這兩種低介電介質(zhì)形成的分散結構對于促進射頻加熱速率及均勻性的影響，將直徑22 mm 的聚丙烯空心管和聚丙烯實心棒分別構成如圖2b 所示的豎向8 孔分散結構，按照1.2.1 節(jié)的步驟加熱，測定加熱速率并計算加熱均勻性指數(shù)。

1.2.3 孔數(shù)量對射頻加熱速率和加熱均勻性的影響 按照圖2a～2d 所示，探究當直徑為22 mm 時，孔數(shù)量為1，4，5，8，9，12 時，射頻加熱速率和均勻性的變化。其中，1 孔時對應圖2a 的位置3；4 孔時對應位置1，2，4，5；5 孔時對應位置1，2，3，4，5。所有均為空心孔。根據(jù)中心位置是否設置孔分成兩個小組：表1中C1、C2、C3 為一小組，即孔數(shù)為1，5，9 的樣品；C4、A4、B4 為另一小組，即孔數(shù)為4，8，12 的樣品。按照1.2.1 節(jié)的步驟加熱，測定加熱速率并計算加熱均勻性指數(shù)。

表1 組別編號與組別對應情況Table 1 Group number and corresponding samples

1.2.4 孔徑對射頻加熱速率和加熱均勻性的影響 將直徑為6，10，16，22，28 mm 的聚丙烯空心管按照圖2d 所示的12 孔排布，按照1.2.1 節(jié)中的步驟加熱，測定加熱速率并計算加熱均勻性指數(shù)。

1.2.5 分布方式對射頻加熱速率和加熱均勻性的影響 按照圖2b，2e，2f 的方式為3 種不同的分布方式，即等距分布、交錯分布和冷區(qū)集中分布。按照1.2.1 中的步驟加熱，測定加熱速率并計算加熱均勻性指數(shù)。以上所有試驗均重復3 次。

1.2.6 孔分散包裝結構在射頻殺蟲上的應用 以無孔作為對照，將12 孔22 mm 的分散結構應用于大米的射頻殺蟲，12 孔結構不再用摩擦力固定，而是將孔結構通過雙面膠固定在盒內(nèi)底部，固定好后將裸露在外的雙面膠用保鮮膜包好，同時封好頂部的孔，防止粘上蟲子或蟲子掉進孔中，粘貼固定好所有分散孔結構后，將稱量好的相應質(zhì)量的大米裝進保鮮盒中，使物料高度為40 mm，再將115±3 只蟲子放進盒內(nèi)，快速蓋好蓋子以防蟲子跑出，然后在恒溫恒濕箱中放置1 d 待蟲子分散于盒內(nèi)各處后，對于赤擬谷盜的殺蟲試驗，將樣品置于下極板中心位置分別加熱7，8，9，10 min；對于米象的殺蟲試驗，無孔樣品分別加熱6，7，8，9，10 min，12 孔的樣品分別加熱6 min 和7 min。加熱時間是根據(jù)蟲子的耐受溫度區(qū)間以及在之前試驗中12 孔升溫情況確定的。加熱完成后統(tǒng)計盒內(nèi)蟲子總數(shù)及蟲子死亡數(shù)并計算蟲子死亡率。為排除蓋上蓋子這個因素對蟲子生命力造成的影響，試驗前已經(jīng)將含有同樣體積物料和相同數(shù)量蟲子的合蓋狀態(tài)樣品在室溫下放置3 d，無蟲子死亡，說明短時間內(nèi)室溫下合蓋并不能造成蟲子死亡，因此可以忽略合上蓋子對于蟲子死亡的影響。

2 結果與分析

2.1 孔方向?qū)ι漕l加熱速率和加熱均勻性的影響

結合圖3（a，d，e）和表2中A0、A3、A4 的加熱速率與加熱均勻性可以看出，橫向孔由于水平貫穿了物料，導致孔的正上方物料厚度低于周圍，從而使得該區(qū)域的溫度明顯低于周圍，加熱均勻性比對照組差，而等距分布的豎向8 孔的加熱均勻性就相對比對照組好很多，且在促進加熱上效果顯著。這與Song 等[21]的研究結果有相似之處：在將物料沿豎直方向分層后，發(fā)現(xiàn)在加熱均勻性上，8層的優(yōu)于4 層的，4 層優(yōu)于不分層的，而在加熱速率上則正好相反，即不分層方案的加熱速率最大，4 層次之，8 層最小，這說明從豎直方向上分散物料后，相當于減小了單層物料的厚度，而已有研究規(guī)律表明，物料厚度越大則加熱速率越大[24]。因此，如果想要在改善加熱均勻性的同時保證加熱速率不受影響甚至進一步提高加熱速率，那么從豎直方向上進行分隔是很難實現(xiàn)的。

圖3 不同孔方向、分布方式和空實心的大米溫度分布（℃）Fig.3 Temperature distribution of different pore directions，distribution modes and hollow solid of rice （℃）

表2 各組加熱速率及加熱均勻性Table 2 Heating rate and heating uniformity of different samples

2.2 空實心的影響

結合圖3（e，f） 和表2中A0、A4、A5 可以看出，二者均可以促進加熱，這是因為在交變射頻場中，因為空氣（ε′=1；ε"=0）和聚丙烯（ε′=2.0；ε"=0.0023）[15]的介電損耗因子和大米（ε′=4.68；ε"=0.42）相比很小，所以它們所承受的電場強度會比周圍固體物料的要高[23]，因此能夠提高其周圍物料的加熱速率。然而，空心管組成的分散結構效果不論是在加熱速率上還是在加熱均勻性上都優(yōu)于實心棒，這是因為空氣的介電損耗因子要比聚丙烯小，所以受電壓作用時，雖然二者同為低介電性能介質(zhì)，但是氣孔承受的電場強度較高，因此促進氣孔周圍物料加熱的效果更好。

2.3 孔數(shù)量對射頻加熱速率和加熱均勻性的影響

從圖4可以看出，孔徑相同的情況下，整體上溫度隨孔數(shù)量的增加而升高，然而在9 孔時，促進作用不如8 孔，這可能是因為9 孔在容器長度方向上的排布數(shù)量只有3 排，而8 孔在長度方向上有4 排，因此9 孔的長度方向上間距相對于8 孔的反而更大，稀疏的排布導致9 孔的升溫速率不如8 孔快。再結合表2中A0、C1、C2、C3 和C4、A4、B4 可以看出，不論中心是否設置了孔，兩組的加熱速率都隨著孔數(shù)量增加而上升，而加熱均勻性指數(shù)則呈先降低后升高的趨勢，這可能是因為當孔數(shù)適中時，使得冷區(qū)溫度提升，同時邊角區(qū)域過熱情況也不太嚴重，這時候具有最佳的加熱均勻性，當加熱速率過快時，邊角過熱程度也增加，導致加熱均勻性下降。

圖4 不同孔數(shù)量的大米溫度分布（℃）Fig.4 Temperature distribution with different pore numbers of rice （℃）

2.4 孔徑對射頻加熱速率和加熱均勻性的影響

圖5是當孔數(shù)量為12 保持不變時，由不同孔徑下物料上表面的溫度分布，可以發(fā)現(xiàn)，射頻加熱后隨著孔徑的增大，中央溫度較低區(qū)域的面積逐漸縮小，且邊角溫度較高區(qū)域的面積相應增大，與對照組相比，即使只是孔徑為6 mm 的孔分散結構也使得溫度明顯提升。再結合表2中A0、B1、B2、B3、B4、B5 對應的加熱速率和加熱均勻性指數(shù)情況可得出結論：當孔徑在一定范圍內(nèi)逐漸增大時，加熱速率總體呈上升趨勢；而加熱均勻性指數(shù)則隨著孔徑的增加而減小，表明隨孔徑增大，加熱均勻性越來越好。當孔徑較小時，加熱均勻性比對照組差，然而，當孔徑大于16 mm 后，均勻性比對照組有明顯改善。這可能是因為隨著孔徑增大，孔與物料接觸面積增大，促進加熱的作用范圍擴大。

圖5 不同孔徑下的大米溫度分布（℃）Fig.5 Temperature distribution with different pore diameters of rice （℃）

2.5 分布方式的影響

結合圖3（b，c，e）和表2中A1、A2、A4 幾項的相應數(shù)據(jù)可以看出，側面中心和幾何中心的加熱速率最快的均為等距分布，幾何中心加熱速率最慢的為冷區(qū)集中分布；在加熱均勻性上，最佳的分布方式為冷區(qū)集中分布，等距分布次之，交錯分布最差。綜合考慮加熱速率和加熱均勻性，等距分布為最佳的分布方式，因此，在后續(xù)試驗中均選擇使用等距分布方式。

2.6 孔分散結構在射頻殺蟲上的應用

由于孔分散結構能夠在提升加熱速率的同時改善加熱均勻性，這使得它在射頻殺蟲應用中有很大潛力。由于射頻殺蟲過程中物料存在邊角熱效應，由此在中央形成的相對溫度較低的區(qū)域會導致蟲子死亡率無法達到100%。圖6展示了將這種分散結構應用于射頻殺蟲后的效果，可以發(fā)現(xiàn)在其它條件相同時，射頻加熱相同時間后，有12孔分散結構的組別蟲子死亡率均超過無分散結構的組別。在米象的殺蟲試驗中，12 孔加熱7 min 后死亡率就已經(jīng)達到100%，而對照組需要加熱10 min 才達到相同的死亡率。在谷盜的殺蟲試驗中，雖然12 孔分散結構組別在加熱10 min 后也沒有達到100%的死亡率，但是與對照組相比，加熱相同時間后，死亡率已經(jīng)遠遠高出對照組。

圖6 射頻加熱后米象（a）與赤擬谷盜（b）的死亡率Fig.6 Mortality rates of adult rice weevils （a） and the red flour beetles （b） after radio frequency heating

3 結論

本文圍繞孔分散結構探究了孔方向、空實心、孔數(shù)量、孔徑、分布方式和含水率對射頻加熱速率的影響，發(fā)現(xiàn)孔分散結構能夠提升大米的射頻加熱速率。具體效果體現(xiàn)為：豎向孔優(yōu)于橫向孔；空心優(yōu)于實心；相同的孔徑下，射頻加熱速率隨孔數(shù)量的增加而增大；孔數(shù)量相同時，射頻加熱速率隨孔徑的增大而總體呈增大趨勢，然而直徑10 mm高于直徑16 mm 的加熱速率?？讛?shù)量為8 孔時，在冷區(qū)集中分布、交錯分布和等距分布3 種分布方式中，等距分布具有最佳的加熱速率和較好的加熱均勻性。將12 孔22 mm 的分散結構應用于射頻殺蟲中，用于解決中央冷區(qū)蟲子不易死亡的問題，結果表明，在相同的射頻加熱處理時間下，含有孔分散結構的樣品中，蟲子的死亡率顯著高于無分散結構的組別。