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遠紅外技術在食品中的應用原理和發展前景

放大字體  縮小字體 發布日期:2015-02-01  瀏覽次數:273
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來自:中國遠紅外門戶網


                                     農產品貯藏及加工專業

    隨著國民經濟結構的調整及食物結構發生的變化,不斷應用科技新技術,改造傳統加工食品工藝來滿足多樣化消費者不斷更新的需求。種類多、生產量少、新穎、安全性高而且品質優良的加工食品成為當前最具發展潛力的產業之一。而應用不同的加熱處理方法是實現高品質加工食品的關鍵。目前國內加熱處理普遍采用的有用火力能源為中心的外部加熱,用電加熱到容器本身的誘導加熱,食品本身亦被加熱的微波加熱和用電能源從內部加熱的通電加熱技術。這些新技術具有各自不同的優勢和局限,因此在不同種類的食品加工中有著不同的應用。

     遠紅外技術在食品加工中的應用和研究近年來發展很快,對食品加工工藝的進步產生了巨大的影響。遠紅外輻射不僅在食品的干燥、烘烤中顯示了巨大的優越性,而且還在食品的熟成、殺菌、保藏等方面,在食品的促進發酵、風味形成方面都發揮了奇特的功效。

一、遠紅外技術在食品應用的原理 

     遠紅外線加熱作為一項投資少、節能效果顯著的新技術,始于1935年美國福特汽車公司[4]。目前日本西歐和美國等地,遠紅外線加熱技術的發展已相當迅速,應用面也很廣泛。據有關資料介紹,利用遠紅外線加熱,一般可減少裝機容量的15%~30%,縮短升溫時間的15%~ 50%,產品電耗降低15%~40%[5]。

    3~30um波長領域的電磁波總稱為遠紅外線。遠紅外線加熱是一種以輻射為主的加熱過程,是利用加熱元件所發出來的紅外線照射到被加熱物體上,其熱能以電磁波的形式被物體分子均勻吸收,從而引起物質分子的激烈共振,達到加熱干燥的目的。而針對紅外線加熱所開發出來的陶瓷較同溫度石英可放射出50%以上高紅外線能量。當表面分子吸收輻射發生振動后,就會牽動著鄰近分子振動,形成熱能的內向傳遞,從而達到干燥固化的目的。由于能量的轉換使物質里外同時變熱,因而具有熱效率高、加熱質量好、節約能源等優點。

    大量有機物和含水的物質對可見光和近紅外線吸收很弱,而對遠紅外線有強烈的吸收帶。因此紅外加熱元件輻射遠紅外線越多,物質吸收的能量就越多,加熱效果就越高。但是,日本學者細川秀克[6]的遠紅外線帶電的著名理論———匹配吸收原理認為:遠紅外線加熱和干燥并不是對一切物質或在一切情況下都能運用的。首先必須了解烘干物料的吸收光譜(主吸收峰)范圍、烘干物料的烘干溫度以及加熱器發射光譜范圍等特性。只有加熱器的輻射波長與被加熱物質的主吸收帶的波長相匹配,才能達到加熱快和節電的效果。

    遠紅外線熱輻射所能穿透的深度,由不同材質的導熱性能、被加熱物質的厚薄及形狀、加熱目的和要求等因素予以綜合考慮。用遠紅外線照射小麥粒、玉米粒測得最高溫度在2mm深處;而對于松木和杉木,紅外線照射可滲透到7mm。

二、遠紅外技術的特點

   1、無前處理、無污染、方便快捷

    近紅外光線具有很強的穿透能力,在檢測樣品時,不需要進行任何前處理,可以穿透玻璃和塑料包裝進行直接檢測,也不需要任何化學試劑。和常規分析方法相比,既不會對環境造成污染,又可以節約大量的試劑費用。近紅外儀器的測定時間短,幾分鐘甚至幾秒鐘就可以完成測試,并打印出結果。

   2、無破壞性

    無破壞性是近紅外技術一大優點,根據這一優點,近紅外技術可以用于果蔬原料及成品的無損檢測。在果品貯藏庫中安裝近紅外裝置,能夠實現果蔬的自動檢測,節省大量的人力和物力。

   3、在線檢測

    由于近紅外技術能夠及時快捷的對樣品進行檢測,在生產中,可以在生產流水線上配置近紅外裝置,對原料和成品及半成品進行連續再現檢測,有利于及時地發現原料及產品品質的變化,便于及時調控,維持產品質量的穩定。光纖導管和光纖探頭的開發應用使遠距離檢測成為現實。并且遠距離檢測技術特別適用于污染嚴重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環境應用,為近紅外網絡技術的發展奠定了基礎。

   4、多組分同時檢測

    多組分同時測定,是近紅外技術得以大力推廣的主要原因。在同一模式下,可以同時測定多種組分,比如在測小麥的模式中,可以同時測定其蛋白質含量、水分含量、硬度、沉淀值、快速混合比等指標,這樣大大簡化了測定操作。不同的組分對測定結果都有一定的影響,因為在測定過程中,其它組分對近紅外光線也有吸收。

三、遠紅外技術在食品中的應用現狀

    1、遠紅外技術在水產品加工中的應用

    日本很早就把遠紅外技術運用到水產品的加工中, Sakharova 報道[7]遠紅外技術可以用來對魚罐頭產品的加熱處理,主要是鯡魚和沙丁魚罐頭。并設計和制造了用于加熱魚產品的遠紅外加熱設備。Khovrenko 報道[8]用遠紅外技術對螃蟹進行干燥的實驗,用紅外線加熱到 36~63℃,濕度在 49.5~60%,干燥 7~9.5 小時后,青霉菌、曲霉菌和枯草桿菌等明顯減少, 同時保持了產品的原有外觀形態和營養成分,而且降低了原有的加熱時間,減少了能量消耗。Sakai 等報道[9]用遠紅外技術來解凍冷藏的生金槍魚片, 能夠很好保持金槍魚的外觀和營養。在制作木松魚片時利用遠紅外輻射燒軟, 可縮短 1/3~1/2 時間,還兼有殺菌效果, 還能防止營養成分的流失,可獲得均勻的加熱,水分增加也不多,可省去均勻水分的暗蒸工藝。

    2、遠紅外技術在果蔬加工中的應用

    遠紅外技術在果蔬加工中的應用主要是用來脫水干燥, 具有加熱速度快、吸收熱量均勻、傳熱效率高等優點。Mongpraneet 等就運用真空條件下對威爾士的洋蔥進行遠紅外干燥研究,得到的洋蔥脫水效果好, 降低洋蔥復水的可能性。T.M.Afzal 等]利用遠紅外對土豆的水分擴散進行了研究,得出用遠紅外對土豆進行干燥是其水分擴散系數在 5.93×10-11~1.73×10-9m2/s,活化能是 2057KJ/Kg, 有利于土豆對水分解吸附作用,從而有效脫水。另外王軍等也報道[12]通過遠紅外技術的處理,脫水產品在冷藏條件下由原來的 2~4 天延長到現在的 21~28 天。日本已經開發出一種用于蔬菜干燥的遠紅外設備,根據蔬菜的不同種類和狀態采取不同的措施,在短時間內將蔬菜烘干,從而減少營養成分的流失,如在加工紙菜的時候運用遠紅外脫水可以防止 Vc 的損失,而且外形變化不大。另外,也可以用遠紅外技術來干燥蘑菇、香菇、土豆、越橘等。

    3、遠紅外技術在肉制品中的應用

    遠紅外技術具有表面加熱的性能, 可以用于烘烤肉制品。如魚、豬肉的油炸、烤制等,經過遠紅外加熱使得食物內外表面的水分均勻一致,口感好。P.Sheridan 等人用遠紅外對制作肉餅進行了研究。通過用中波紅外線和遠波紅外線的比較實驗,得出用遠紅外能更快地升高肉餅的中心溫度,而且在加熱加工中不依賴肉餅中的脂肪含量。同時,減少了肉餅的表面由于溫度過高而引起的碳化,減少了加熱時間,與其它方式相比節能約 55%。

    4、遠紅外技術在糧食貯藏中的應用

     日本從 1996 年開始遠紅外線干燥機的研制工作,取得了可喜的成績,目前已在運行的遠紅外線干燥機有 2000 余臺,占日本谷物干燥能力的5.3%,單機生產率( 干燥水稻)0.8~7t/h。最近又開發出“常溫減壓快速干燥系統”,為糧倉保持干燥找到了一條節能途徑。新方法是把糧倉內部溫度恒定在 30℃左右, 并保持較低的氣壓,然后用 3 種陶瓷加熱器向糧倉內放射遠紅外線,并讓干燥空氣循環流通,以促使貯存的糧食有效地發散水分,保持干燥。在此過程中糧食的色素和味道等均不會受到破壞。與現在使用的高溫干燥法相比,新技術把烘干時間從 24 個小時縮短到 1~2 個小時,并且把每小時的能源消耗減少了50%, 從而大大降低了糧倉的保管費用。Afzal等人通過對大麥的研究,得出對糧食干燥時遠紅外的最佳強度為 0.333W/cm2。

    自70 年代以來,國內外許多研究部門開始對遠紅外線谷物干燥機的應用進行了研究,并取得了可喜的進展。研制的遠紅外線干燥機主要有滾筒式、鏈板輸送帶式和電磁振動旋流式。

    5、遠紅外技術在藥材等特殊加工品中的應用

    遠紅外技術干燥藥材的原理是將電能轉變為遠紅外輻射,從而被藥材的分子吸收,產生共振,引起分子和原子的振動和轉動,導致物體變熱,經過熱擴散、蒸發和化學變化,最終達到干燥的目的。子仁果米類藥材均可采用該法干燥。遠紅外干燥可節省電能 20%~50%,效果較好。而黃朝暉等人利用變溫遠紅外干燥西洋參與恒溫熱風干燥相比較得出了遠紅外干燥優于熱風干燥。韓玲利用遠紅外技術干燥牦牛油茶。另外法國雀巢公司也利用該技術干燥果汁粉,而果汁粉的色澤、香味和 Vc 保持不變。

    在烤煙的加工中利用無毒、無放射性的遠紅外涂料,使其在加熱烘干的時候發射出紅外線,對煙葉進行輻射、傳熱和烘干。使烤出的煙葉油分、香氣保存好, 芳香味相應增加, 顏色也由淡黃變成枯黃色, 煙葉的質量和等級得到提高。同時比一般的烤煙能節省 20%- 25%的能源。

    6、遠紅外技術在榨油和釀酒中的應用

    遠紅外技術在榨油加工中也得到了應用。日本一家公司率先制造了遠紅外食品榨油機,以碳化硅作為發熱體,表面涂有氧化物陶瓷,該設備使加熱時間縮短 40%,并可以防止食用油氧化。另外日本還開發了遠紅外釀酒器,只需十幾個小時就能釀出果子酒。這種釀酒器利用遠紅外得到加熱原理,使容器內溫度保持在28℃,促使果汁外流,從而釀到果子酒。另外,在我國白酒的釀酒過程中, 其中陳化過程可以利用遠紅外技術,以加快陳化的時間,同時加快形成酒的風味。

    7、 遠紅外技術在其他方面的應用

    遠紅外線用于照射食品能起到防腐殺菌的作用。Arambula 等人[12]利用遠紅外線加熱細菌內毒素時, 180℃溫度下加熱 120min 或 250℃下加熱 30min, 內毒素轉為陰性。可以利用遠紅外線對中藥進行消毒[27]:對厚度為 1.0cm 的中藥原粉,以遠紅外線加熱 70℃作用 90 分鐘, 可將細菌總數減少 99.0%以上;對厚度為 1.7cm 者,以遠紅外線加熱 100℃作用 120 分鐘,可將細菌總數減少 99.9%以上。經 70℃作用 90 分鐘的單味藥粉,揮發油損失 1.02%~5.18%,但顏色、氣味、折光率與旋光度無明顯變化。利用遠紅外線還可以用來測食品的營養成分,這是遠紅外線在食品工業中又一新的應用。美國科學家利用紅外光譜法測麥類制品中的蛋白質、微量元素、脂肪以及含水量等。應用這項技術可以實現食品質量檢測的自動化,這種遠紅外檢測儀具有分析速度快,攜帶方便等特點。

 四、遠紅外技術的總結與展望

    紅外技術已經廣泛的應用于食品工業各個領域,特別是遠距離檢測技術適用于污染嚴重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環境應用,為近紅外網絡技術的發展奠定了基礎,是我們應該大力開展的項目。一些新技術、方法的提出和設備的制造也加速了這一領域的進步,紅外技術在食品方面的發展應該在以下的三方面展開:

   1、新應用領域及新儀器的開發

    紅外技術的應用將為儀器分析帶來一場革命。由于其方便快捷、無損傷等特性,適合在各行各業中應用,因此應擴大新的應用領域。

   2、標準規范化

   不同地區的不同單位,在紅外儀器的定標過程中,往往采用各自測定的標樣,不同單位的標樣之間存在一定的差異,導致測定結果也有一定的差異。在一定大的區域內,建立一個統一的標準,可以消除用不同標樣帶來的誤差,使測定結果更具有可比性。

   3、發展在線檢測及網絡技術

   在線檢測是及時解決生產中質量問題的最有效途徑。光導纖維及傳感技術的發展,使在線檢測成為現實,有望在企業生產過程中獲得廣泛的應用。網絡技術是近幾年發展最快的技術領域,將近紅外檢測技術與網絡技術相結合,不僅可以實現異地定標、異地檢測及資料共享,同時也有利于掌握大區域內樣品的總體情況。近紅外在線技術及網絡技術具有很大的發展前景。(編輯:kingw)

 

 
 
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