發布時間：2022-03-03所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 歐姆加熱是一種新型食品熱加工技術，在食品物料的快速均勻加熱及提高食品安全性及質量方面有巨大的應用潛力。由于該技術在實際應用中受物料自身電導性、電場強度等因素影響，國內的研究仍處于起步階段，相較于國外在處理含顆粒食品、含蛋白食品加工的廣泛應用，甚
摘要 歐姆加熱是一種新型食品熱加工技術，在食品物料的快速均勻加熱及提高食品安全性及質量方面有巨大的應用潛力。由于該技術在實際應用中受物料自身電導性、電場強度等因素影響，國內的研究仍處于起步階段，相較于國外在處理含顆粒食品、含蛋白食品加工的廣泛應用，甚至在太空任務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的原理、特點、國內外歐姆加熱裝備的研發現狀及該技術對食品原料中酶、微生物、風味與營養成分等方面的影響，并對該技術在食品加工中的應用現狀進行了討論和總結。
關鍵詞 歐姆加熱;電導率;酶;微生物;食品加工
熱加工是食品加工中主要的工藝環節之一，按照被加熱食品物料的導熱方式，可以分為：表面熱傳導方式(間接加熱法)和體積加熱方式。目前，國內食品加工領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會顯著降低，并且熱能利用率低¨1。人們迫切要求食品熱加工過程中最大限度地保留食品物料的營養成分以及色、香、味，高效率地利用能源也越來越引起社會的重視舊1。
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口。。歐姆加熱概念于19世紀初提出，并逐漸利用于處理液態流體食品以及罐頭的初步熱加工。20世紀初，歐姆加熱技術逐漸走向成熟，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，并得到初步的商業化推廣。但是，受限于當時的科學技術，歐姆加熱裝置中電極材料的電化學腐蝕問題、溫度控制問題和電極表面的食品粘附問題極大的限制了該技術的推廣。直到20世紀末，新型電極材料(鈦、鉑等電極)的出現以及電子技術的發展、歐姆加熱控制系統的設計優化，使得歐姆加熱技術重新受到人們的重視，歐姆加熱技術在食品原材料的解凍及燙漂等方面的應用逐漸被推廣”1。連續式電阻加熱器專利的獲得及在含顆粒食品的應用極大的促進了歐姆加熱技術的商業化發展。歐美日發達國家的歐姆加熱技術日趨成熟并被逐步推向實用化，例如廣泛應用于法蘭克福香腸(frankfurters)或熱狗(hotdog)的加：【、軍隊膳食及航空航天中的食物和廢棄物的處理等。
到目前為止，世界上在運轉的歐姆加熱系統裝置共計30多套，主要集中在日本、美國和歐洲等發達國家和地區，例如日本的ISUMI Food Machinery、Frontier Engineering，英國的C.Teeh Innovation等，主要被用于生產常溫或冷凍冷藏流通的高品質、高附加值食品∞1。以日本的技術最為成功，主要用于生產含整粒水果的酸乳酪等產品的原材料殺菌等。該技術也被雀巢公司(Nestle Corporation)用于生產調理食品供應于餐飲市場。歐姆加熱技術依其自身的優點，在加熱高黏度、富含蛋白質的食品方面有獨特的優勢，在大塊冷凍食品的加熱與解凍以及在食品的無菌加工環節中均有著很大的研究空間和發展潛力。
l 食品歐姆加熱技術的原理
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特性來加工食品，其電導方式是依靠食品物料中電解質溶液離子或熔融的電解質的定向移動。絕大多數食品物料含有可電離的酸或鹽，并表現出一定的電阻或電阻抗特性，當食品物料的兩端施加電場時，通過食品物料自身的阻抗可在流進其內部的電流作用下產生熱量，使物料得以加熱。其原理圖如圖1輯示
2 食品歐姆加熱技術的特點
2.1 加熱均勻、不需傳熱面、不影響食品的品質
食品物料加熱的歷程以及“冷點”的定位是2個非常重要的因素。傳統的加熱方式均需要傳熱面，熱量直接或間接的通過傳熱面和傳熱介質傳遞至被加熱物體，在傳熱面臨近區域存在較大的溫度梯度。對于富含蛋白質或者黏稠液體食品，傳熱面附近的食品原料會發生局部過熱現象，從而發生傳熱面焦糊現象，對物料內部加熱歷程和“冷點”的控制比較困難。而歐姆加熱系統的熱量是根據焦耳效應產生的，即電流通過導電物料時，物料內任意一點單位體積的發熱功率正比于物料在該點的電導率和電場強度的平方的乘積成正比。當被加熱物料各向同性時，歐姆加熱沒有傳統加熱過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部的加熱歷程和冷點。周亞軍等研究了含顆粒液態食品在歐姆加熱過程中的溫度場，結果表明，被加熱物料的溫度分布接近于均勻溫度場∞。。歐姆加熱方式在不改變豬里脊肉硬度和彈性的同時還可以改善其嫩度等質構特性¨1。LEIZERSON等。8。研究了歐姆加熱對橙汁風味物質的影響，歐姆加熱的果汁風味物質含量明顯優于傳統加熱方式，且歐姆加熱技術能夠顯著延長產品的貨架期。此外，與傳統加熱方式相比，歐姆加熱技術在加熱黏稠(糊狀)、塊狀和易碎食品方面有獨特的優勢，且加熱后食品物料的品質優于傳統加熱方式獲得的食品限¨¨3。
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間內物料所獲得的熱量。傳統加熱方式中被加熱物料所需的熱能通過熱傳導的方式間接來源于化石燃料，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生，因此，后者的加熱速度遠遠大于前者。歐姆加熱可以實現高溫短時(HTST)或超高溫(UHT)處理，保證產品的品質¨。“。。
相對于傳統的加熱方式，歐姆加熱不但可以均勻快速的對食品物料加熱，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40 mm;無需液相傳熱介質，固液比可達70%，約為傳統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，無需借助傳熱面和介質間的溫度差作為傳熱動力，加熱程度和速率由被加熱物料的電導率決定，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部的水分子或其他極性分子在高頻電磁波作用下振動摩擦生熱，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、環境友好
整個歐姆加熱系統主要由電源及其控制系統、流量控制系統、歐姆加熱室和數據采集系統等組成，整體加熱功能的啟動和停止通過電源控制系統完成，容易實現自動化。歐姆加熱工業化生產加工過程中，不同物料時切換時無需清洗設備，操作簡單。整個歐姆加熱系統中除動力泵外無其它運動部件，整體操控簡單。歐姆加熱的熱量由物料自身的阻抗在電流作用下產熱，熱能損失較小，與微波加熱、射頻加熱等電加熱方法相比，歐姆加熱的能量轉化效率可達95%以上，約為傳統加熱轉化率的2倍，能夠更高效的利用電能，并且不存在熱慣性。因此，歐姆加熱技術應用于商業化生產可在降低生產成本、提高生產效率的同時保護環境，應用前景廣闊。
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性質及其隨溫度的變化規律
由歐姆加熱的原理可知，歐姆加熱過程中單位體積的發熱功率與食物物料內部電場強度的平方以及食品物料的電導率成正相關關系¨“。前者可以通過調整電極間距和電壓進行調整，因此，影響歐姆加熱最重要的因素便是食品原料的電導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率應在0.01～10 s/m之間。若物料電導率低于最低值或高于最高值，則物料會由于其自身阻抗太大或太小無法被加熱。由于部分食品物料的電導率隨物料溫度呈非線性變化關系，尤其是富含油脂或包含生淀粉顆粒的食品物料。因此，使用歐姆加熱技術對這類物料加工時須考慮溫度對電導率的非線性影響因素。
3.2歐姆加熱系統電源類型
電源作為整個歐姆加熱系統的供電設備，其選擇會直接影響歐姆加熱對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-食品界面產生電化學反應而造成電極的腐蝕和對食品的污染，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研究所使用的電源均為低頻交流電源，隨著對歐姆加熱技術研究的深入，發現低頻率電源也會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腐蝕問題和極板粘附污染問題¨”旭J，這使得高頻交流電源逐漸成為商業化發展的需求。高頻交流電的獲取主要由兩種方式：功率放大型(圖2一a)和開關電源型(圖2一b)。前者是利用功率放大器將信號發生器發生是任意頻率的信號升壓后作為歐姆加熱系統的電源使用。該種類型的電源的頻率、波形以及電壓等可以通過調節信號發生器或功率放大器實現精密控制，但能效較低，只適合實驗室研究使用。熊秀芳¨引使用該類型的電源作為歐姆加熱系統的電源，對豆腐凝膠過程中的流變特性就進行了研究。而開關電源型電源則是首先對商用電源進行整流等處理，使交流電轉換為直流電，然后利用大功率IGBT將直流電轉化為頻率和幅值可調的方波交流電供歐姆加熱系統使用。該類型電源能效較高，是目前商業化應用在最多的電源設備。李法德等舊””。設計了該類型的電源作為歐姆加熱系統的供電裝置，電壓幅值達 400 V，電源頻率在50～25 kHz連續可調，占空比在 10%一90%連續可調，最大輸出功率達16 kW，并使用該電源對豆漿中的酶以及其他理化指標進行一系列的研究心3I。LIMA等∞4。使用不同頻率和波形的電源對蘿卜組織電導率的影響進行了研究，發現頻率和波形對物料電導率均有一定等的影響。
3.3加熱室結構特征
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，每個歐姆加熱裝置包含2個或2個以上的電極。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世紀初歐姆加熱技術被提出之后，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，不同的導電材料例如鋁電極、石墨電極、鉑金電極、鈦電極、不銹鋼電極、鍍鉑-鈦電極、銠·不銹鋼復合電極均做過嘗試’2”。當用鋁作電極時，如果電場的變化頻率大于離子的擴散移動速度時，會發生食品物料的分解和電極腐蝕。，金屬鈦的化學性很穩定，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。綜合考慮材料的價格、阻值以及對食品質量的影響等因素，不銹鋼材料是制作歐姆加熱電極的最佳材料，同時，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在電極表面上的粘附問題¨虬”。2“。
3.3.2加熱室結構的設計
¨叫常見的歐姆加熱裝置可分為2種：批式歐姆加熱設備和連續式歐姆加熱設備，兩者的主要差別是后者需要一個管道系統用泵來輸送食品物料。無論是批式歐姆加熱設備還是連續式歐姆加熱設備，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計有以下2 種：一個絕緣圓筒及一對電極組成圓筒狀加熱室(表 la)、一個絕緣立方體盒及一對電極組成的盒裝加熱室(表1b)。JUN和SASTRY設計了一種由一對“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1 C)，用于長時間太空旅行任務中食品的加熱。此外，另一種加熱組合式加熱室(表Id)是由一對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食品。
相對于批式歐姆加熱的加熱室設計，連續式歐姆加熱設備的加熱室的類型更加多樣，人們可以根據食品種類和性質的不同，設計或選用不同形式的加熱室。根據食品物料流動方向與電場方向的關系，可以將連續式歐姆加熱的加熱室分為錯流式和并流式兩大類，前者的食品物料流動方向與電場方向垂直，而后者則是平行的。錯流式平板電極環狀電極加熱室 (表2a)是由一個絕緣的管狀材料以及安裝在管道內壁的一對或幾對金屬電極組成;錯流式同軸電極加熱室由一個金屬外筒和金屬內筒同軸組合而成，食品物料從二者構成的空間中通過(表2b)。錯流式平板多孔電極加熱室(表2c)由一個絕緣材料構成的加熱室以及位于其內部的一對多孔平面金屬極板組成，食品物料從兩側的進料口進入，然后通過極板上的孔或者從加熱室底部縫隙進入加熱區域，但加熱室的清潔問題比較難解決。并流式環狀電極加熱室(表2d)是由分段絕緣管和安裝在絕緣管之間金屬環狀電極組成。這種加熱室可以通過增加電極的對數來實現對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圓柱或矩形金屬電極組成。并流式注射式電極加熱室(表29)由上下一對金屬極板及兩側的絕緣材料組成罐狀加熱室，但食品物料只能從上側進入加熱室，且整個加熱過程須控制物料流速，正常工作期間不能斷流。
3.4 固、液混合食品物性參數的匹配
采用歐姆加熱方法對固、液混合物料進行加熱處理時，固體顆粒(塊狀)的幾何特征、尺寸及其分布、與電場的方位關系和所占比例等均會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大，則導致單位體積所含液相介質變小，無法保證物料流經電場時的加熱效果∽n 29j，一般情況下，要求食品物料中固相物料的顆粒直徑不超過40 mm;相反，在批式歐姆加熱裝置中，若被物料中固相顆粒過小，則可能導致固相顆粒集中漂浮于物料上方，無法保證整體的加熱效果。食品物料單位體積內的密度太大或太小，會導致物料沉積或漂浮于加熱室的上下部，造成 272 2Q!!y魚!：璺圣型魚：!魚(!里!璺!曼曼壘! 加熱效果不佳或物料品質的降低。此外，由于食品原料中的如冰、骨、脂肪、氣體等屬于非導電性物質，因此不能被加熱，需要靠熱傳導獲得能量，會造成物料的局部過熱。為解決上述問題，一般要求對食品物料進行一定的預處理，如除去物料中的非電解質、對顆粒食品進行預煮、調節液相和固相的電導率等，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，由于淀粉糊化時會導致物料電導率的變化，預處理工藝還可以解決加熱過程中由于電導率變化所一起的一系列問題。
被加熱物料中固體的方向也會影響歐姆加熱效果。例如，蔬菜在歐姆加熱過程中，不同的放置方向(與電場垂直或平行)會影響自身的電導率。如李修渠、楊玉娥、李秀芝等也發現豬肉纖維方向與電場的方向垂直時，其電導率最小"’29。301。因此，當物料中固體的體積相對較大時，其與電場的方向也會影響歐姆加熱效果，但方形和球形的固相顆粒不存在該問題。
相關知識可參考：食品加工工藝論文文獻
此外，由于歐姆加熱技術的特點，食品中含有非電解質氣體(如氮氣、空氣等)、非電解質液體(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電性較差，則同樣不能被加熱，但在這種情況下，實際加工過程中可以通過添加適當的電解質溶液達到被物料加熱的目的。
4 歐姆加熱技術在食品加工中的應用
歐姆加熱技術作為21世紀最具前景的新型食品加熱技術，可廣泛應用于食品的殺菌、滅酶、漂燙及解凍、發酵等加工工藝。與傳統的加熱方式相比，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加熱，并能最大限度的保持食品的鮮度和風味等。
4.1食品加工中的殺菌
殺菌是食品加工中的重要環節，食品歐姆加熱技術中溫度場與電場的耦合作用，可以在加快對食品中的微生物及酶等滅活和鈍化過程的同時，最大限度地保證食品的品質。3“。對于固、液混合食品物料的加工，當固相物料達到殺菌目的時，過高的溫度或過長的加熱殺菌時間會使液相物料和固相食品物料表面的品質降低。歐姆加熱由于其自身的特點，可以有效解決液相與固相食品加熱不一致的矛盾，通過調整兩者的電導率，可實現固液混合食品的同步加熱和高溫瞬時加熱殺菌。歐姆加熱技術應用于對食品物料的殺菌最早可追溯至19世紀末，最初被應用于對液體原料的殺菌一。，受限于當時落后的食品無菌包裝技術，該技術僅能用于罐裝食品的加工，且需要特制的包裝罐，并沒有得到商業化推廣。20世紀初，隨著歐姆加熱技術的日趨成熟，歐姆加熱技術逐漸在帶顆粒食品滅菌和乳制品加工方面取得突破進展舊4’”1。 1937年GETCHELL¨列設計了帶有溫控裝置的連續式歐姆加熱裝置，以石墨為電極，用水作為電極冷卻液，防止電極過熱，該裝置主要用于牛奶的巴氏殺菌，與傳統的巴氏殺菌(62℃，30 min)相比，該系統可以在15 S內將牛奶加熱至71 oC，基本實現了高溫瞬時殺菌，且電能利用率高達95%～98%。但是，由于缺少合適的電極材料等問題以及石油、天然氣價格的降低，使得該技術未得到推廣。隨后，對歐姆加熱殺菌的研究逐漸轉向實驗室研究，例如建立歐姆加熱殺菌數學模型等”“。至20世紀末，隨著新型電極材料的出現和電子技術的發展以及電場作用下細菌細胞出現“電穿孔”效應的發現"“”。，歐姆加熱技術又重新引起了人們的重視。SWARTZEL等‘3刊將歐姆加熱技術應用于液態雞蛋的殺菌工藝。日本將歐姆加熱技術應用于豆腐的加熱和凝固：[藝，極大地降低了成本。英國APV Baker公司設計制造了用于含顆粒流體食品的歐姆加熱殺菌裝置，并獲得了商業應用許可證。目前，該公司設計制造的商業化APV FX系列巴氏消毒系統主要應用于對果汁和牛奶的加工，工作能力可達40 000 L/h，能夠單獨作為殺菌系統與其他加工工藝組成熱裝罐生產線。食品歐姆加熱技術的商業化應用進入了嶄新的階段。2l世紀初，歐姆加熱技術在牛奶以及果汁殺菌中研究逐漸深入，并建立了殺菌的數學模型，確定和優化了歐姆加熱技術參數，在保證食品質量的同時保證殺菌效果¨“。此外，歐姆加熱技術還可以與無菌包裝技術相結合，提高生產率。——論文作者：單長松1，李法德2，王少剛2，趙子彤1，陳超科2，吳澎h
SCISSCIAHCI
