輻射傳熱機理及其在烹飪工藝中的應(yīng)用進展※

2019-11-04 07:30:56楊銘鐸苗榕芯崔瑩瑩

四川旅游學(xué)院學(xué)報 2019年6期

楊銘鐸苗榕芯崔瑩瑩

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游烹飪學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150076;2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)中式快餐研究發(fā)展中心博士后科研基地，黑龍江哈爾濱 150076；3.四川旅游學(xué)院，四川成都 610010)

隨著社會發(fā)展，加熱方式不斷改變，以輻射傳熱方式為主的烹飪方式仍占有餐飲絕大部分市場。輻射傳熱又稱熱輻射，是熱傳遞的一種基本方式。近年來，利用輻射傳熱烹制菜肴逐漸成為研究熱點。然而食物在烹制過程中并非一種傳熱方式單獨作用，而是兩種或三種傳熱方式共同作用制作出美味的菜肴。為了使得烹飪菜肴更美味，營養(yǎng)價值更高，以輻射加熱為主的新型烹飪設(shè)備相繼研發(fā)且應(yīng)用廣泛。本文對國內(nèi)外輻射傳熱在烹飪方法、烹飪設(shè)備中的研究進行梳理分析，以期為烹飪工藝中輻射傳熱的發(fā)展和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 輻射傳熱的基本特征

烹飪中的傳熱方式主要包括輻射、傳導(dǎo)和對流三種形式。其中，輻射傳熱是指高溫物體以電磁波的形式向空間發(fā)射能量來傳遞熱量。與傳導(dǎo)和對流傳熱差別主要表現(xiàn)為：熱輻射可在真空中傳遞，導(dǎo)熱和對流在介質(zhì)中才可實現(xiàn)；熱輻射可產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)換，對流和傳導(dǎo)只有能量轉(zhuǎn)移。根據(jù)波長的不同，電磁波包括無線電波、紅外線、可見紫外線、γ-射線、χ-射線以及電子線，其中紅外線和無線電波用于食品烹飪，γ-射線、χ-射線及電子線用于食品殺菌。紅外線(波長范圍在0.72～1000μm之間)是處于可見光和微波間的一種波線，紅外線可分為近紅外線、中紅外線和遠紅外(如表1所示)。在紅外輻射加熱過程中，紅外線照射到被加熱食物表面時，一部分反射，一部分透過，一部分被食物吸收。食物吸收紅外線的原因是：食物分子運動與紅外輻射頻率相一致，產(chǎn)生共振或轉(zhuǎn)動，食物將紅外輻射吸收轉(zhuǎn)化成分子熱運動，隨物料溫度升高，食物分子運動加速，導(dǎo)致其水分喪失。通常紅外輻射作用于濕食材表面，傳遞機制主要依靠水含量，在加熱過程中，輻射傳熱的形式會發(fā)生改變，反射和吸收會隨水含量的減少而下降。因此，烹制食材時根據(jù)食材薄厚應(yīng)選擇適宜的紅外加熱方式，短波紅外可透過表層作用于食材內(nèi)部，而遠紅外被表層吸收。紅外線輻射加熱的特點有：吸收性好，高分子物質(zhì)可吸收3～25μm的輻射能；紅外線和電磁波一樣具有直射性，被照射的部分升溫快，未被照射的部分升溫慢；紅外線和可見光一樣具有反射性，被加熱物體的溫度與照射距離平方成反比例關(guān)系，被加熱食材距離紅外線越近，其加熱效率越高[1]。

表1 紅外線輻射波長分類

微波是指波長在1～1000mm，頻率波段在300MHz～300GHz范圍內(nèi)電磁波，其能量比無線電波大得多。傳熱主要利用分子的被動極化現(xiàn)象，由于內(nèi)部正負(fù)電荷分布不均勻產(chǎn)生極性。水可作為吸收微波最佳傳熱介質(zhì)，凡含水的物質(zhì)必能吸收微波。當(dāng)食材接收到微波時，促使食材分子間的分極增大，并導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動方向隨著微波的正負(fù)半周振蕩而變化，由于微波頻率高，正負(fù)半周變化速率快，故食材分子之間產(chǎn)生高速摩擦，進而生成熱量。與傳統(tǒng)加熱由表及里方式不同，微波輻射加熱是通過高頻振蕩產(chǎn)生“內(nèi)摩擦”致熱的。微波傳熱的特點為：加熱速率快，可使被加熱食材本身成為發(fā)熱體，進而不再需要熱傳導(dǎo)的過程，因此，可在較短的時間內(nèi)達到加熱的效果；微波加熱時電磁波可均勻滲透到食材各個部分，可對原料均勻加熱；微波加熱時只能通過被加熱原料來吸收而生熱，極大提高熱效率；熱慣性小易于控制；既可以較多地保存食物營養(yǎng)價值又可對食物進行殺菌[2]。

總之，凡溫度為絕對零度以上的一切物質(zhì)都擁有向外發(fā)射輻射粒子的能力，輻射粒子所具備的能量被稱為輻射能。物體所保持的溫度越高，其輻射的能力就越強，物體將本身的熱能轉(zhuǎn)化為向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象被稱為熱輻射。1971年，Nowak等[3]最早從理論上推導(dǎo)出兩平行板間進場輻射公式。Volokitin等[4]經(jīng)推導(dǎo)得出近場輻射量比遠場輻射的斯蒂芬-玻耳茲曼定律的計算結(jié)論大5～6個數(shù)量級。新疆馕坑食品利用黑體輻射進行熟制，在計算輻射能時應(yīng)用到普朗克黑體輻射公式[5]。因此，計算烹飪工藝輻射能時，針對不同的輻射傳熱選擇不同的計算公式。利用輻射傳熱烹飪食物與其他烹飪方式相比熱效率高，常規(guī)的加熱方式如蒸汽、火、風(fēng)、油等都是通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量從被加熱物體的外部傳到內(nèi)部，升溫時間長，然而輻射傳熱通常是內(nèi)外共同加熱的方式，因此可實現(xiàn)短時加熱；通常的加熱方法，若提高加熱的速率，就會形成外焦里生的現(xiàn)象，而輻射傳熱時食物各部分均能接收電磁波，均勻性得到改善；輻射傳熱的設(shè)備通常體積小，加熱效率高，穿透能力強，方便家庭使用；增加食品風(fēng)味，且能較好保存食物的營養(yǎng)素并且對烹飪食品具有很好的殺菌效果；具有高效、節(jié)能、環(huán)保、改善品質(zhì)的特點，便于智能化控制，可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。

2 輻射傳熱在烹飪工藝中的應(yīng)用進展

2.1 烹飪設(shè)備的應(yīng)用進展

紅外線設(shè)備，紅外線設(shè)備是指通過電熱元件及電阻絲進行通電發(fā)熱，在使用時利用紅外線對原料直接加熱輻射的一類設(shè)備。此類設(shè)備在烹飪中應(yīng)用廣泛，以電烤箱、電子消毒柜、紅外干燥箱等作為典型的代表。對于紅外設(shè)備在食品食用品質(zhì)方面的研究，李宏燕等[6]為使羊肉串具有外焦里嫩的品質(zhì)，利用電熱管與紅外線復(fù)合加熱的方法，第一段為電熱管加熱，加熱空氣85℃，烤制5min，第二段為2kw短波紅外加熱管加熱，時間2min，可為開發(fā)工業(yè)化烤制食品提供理論依據(jù)。張令文等[7]以豬后腿為試驗材料，探討遠紅外輔助油炸和普通熱傳導(dǎo)油炸對豬肉片品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遠紅外輔助油炸方式促使掛糊的豬肉片色澤更好、肉質(zhì)軟嫩且降低脂肪含量。Sheridan等[8]利用遠紅外技術(shù)對牛肉餡餅加工，試驗中發(fā)現(xiàn)餡餅中心溫度與餡餅中脂肪含量成正比，遠紅外處理方式可減低由于干燥和高溫引起的肉餅表面出現(xiàn)碳化的情況，與傳統(tǒng)方式相比可節(jié)能55%。綜上，紅外設(shè)備有效解決了其他設(shè)備加熱不均勻的弊端，為食品工業(yè)化發(fā)展提供了保障。

食品安全方面，Sengun等[9]研究了歐姆—紅外組合蒸煮系統(tǒng)對肉丸微生物質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肉丸樣品中好氧細(xì)菌在紅外熱通量為1.96和4.50之間時數(shù)量減少，并且經(jīng)紅外加熱處理后霉菌、酵母菌、金黃色葡萄球菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、沙門氏菌、單核細(xì)胞增生李斯特氏菌和大腸桿菌O157：H7均不存在，表明歐姆—紅外組合烹飪?nèi)馔杈哂芯薮鬂摿?。Gasperlin等[10]比較電烤與紅外烤箱2種烤制方法對雞胸肉產(chǎn)生雜環(huán)胺含量的影響，結(jié)果得出當(dāng)溫度相同時，電烤箱產(chǎn)生烹制雞肉產(chǎn)生的雜環(huán)胺含量比紅外烤箱產(chǎn)生的量多，不同加工工藝雜環(huán)胺種類與含量如表2所示。綜上，紅外設(shè)備加熱的食品有害物質(zhì)較少，且對環(huán)境無污染，然而高溫度的紅外設(shè)備會對灶具周邊及內(nèi)部形成損壞，不利于長時間使用。因此，開發(fā)環(huán)保集成紅外設(shè)備應(yīng)是未來的研究方向，且具有良好的發(fā)展前景。

微波設(shè)備，傳統(tǒng)微波爐輸出功率是固定值，對食物加熱不連續(xù)，耗能高。在傳統(tǒng)微波爐基礎(chǔ)上研究出多種新型微波爐，并將微波爐與其他烹飪儀器聯(lián)用可提升食物品質(zhì)。劉忠義等[11]研究水浴鍋、變頻微波爐、非變頻微波爐和直噴微波爐對白蘿卜Vc、風(fēng)味物質(zhì)和質(zhì)構(gòu)的影響，試驗結(jié)果表明，非變頻微波爐和直噴微波爐保留Vc效果較其他兩種好，且加熱溫度應(yīng)控制在85℃～95℃，保溫5 min。林向陽等[12]利用微波爐—蒸汽聯(lián)合技術(shù)加熱冷凍饅頭，應(yīng)用MRI技術(shù)測量饅頭復(fù)熱過程中水分遷移情況，結(jié)果表明此技術(shù)可減少饅頭內(nèi)部水分流失。韓忠等[13]利用聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE電泳)法分別檢測豬肉微波和水浴加熱后G—肌動蛋白變形情況，對比分析得出豬肉經(jīng)700W變頻加熱70s后持水能力強、蒸煮損失少、耗能最低。Nykvist等[14]研究微波烤牛肉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波加熱能量“集中”在烤架中心軸上，因此使用圓柱形烤架使微波頻率具有更深的穿透優(yōu)勢(915MHz)，在烹飪時間和溫度均勻性上具有優(yōu)勢。綜上，微波設(shè)備與其他設(shè)備聯(lián)用提高了食品的營養(yǎng)品質(zhì)，且不同功率下食品的營養(yǎng)元素變化不大，相較于傳統(tǒng)烹制方式，微波聯(lián)用技術(shù)對食品的營養(yǎng)元素破壞較小，是未來微波應(yīng)用的主要形式。

微波干燥設(shè)備的應(yīng)用，Zhang等[15]利用微波真空冷凍干燥設(shè)備干燥魚片，研究發(fā)現(xiàn)，適量的水分含量、微波功率和真空度可有效提高魚片的膨化率和脆度。Takaharu等[16]以扇貝柱為試驗對象，對比熱風(fēng)干燥與微波真空干燥兩種方式對扇貝柱的影響，表明利用微波真空干燥時間短、效率高、產(chǎn)品復(fù)水性好。又如利用真空冷凍干燥設(shè)備將傳統(tǒng)菜肴干制，在家簡單復(fù)水后即可食用且品質(zhì)較好。徐競[17]以回鍋肉為研究對象，研究真空干燥回鍋肉最優(yōu)工藝為復(fù)水含量140%～150%，溫度65℃～85℃，時間20～30min為最優(yōu)。然而，學(xué)者們對于微波干燥設(shè)備的熱能形式還存在爭議；對于非熱效應(yīng)及特殊效應(yīng)的概念還存在混淆。部分研究學(xué)者認(rèn)為微波干燥技術(shù)的干燥效果中包含傳統(tǒng)加熱方法中不具備的非熱效應(yīng)；還有部分學(xué)者認(rèn)為微波干燥技術(shù)中具有干燥的特殊效應(yīng)。總結(jié)得出，非熱微波干燥技術(shù)與加熱溫度并不具有相關(guān)性，無法用溫度界定。而微波特殊效應(yīng)與溫度之間具有一定的相關(guān)性。因此，為了更加科學(xué)化地加熱、干燥食物，應(yīng)深入探究微波干燥技術(shù)的熱能表現(xiàn)形式。

表2 加工方法對肉制品中雜環(huán)胺含置的影響

2.2 烹飪方法的應(yīng)用進展

烤主要是通過空氣和烤汁作為傳熱介質(zhì)進行傳熱的，傳熱形式為熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)。烤具有升溫速度快、可形成獨特風(fēng)味的特點。因此在日常烹飪中廣泛應(yīng)用?？偨Y(jié)國內(nèi)外的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)烤制的研究主要集中于肉制品有害物質(zhì)食品安全以及營養(yǎng)品質(zhì)等方面。

食品安全方面，夏楊毅[18]采用紅外線烤制方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)烤乳豬，提高食用安全和品質(zhì)的同時，研究發(fā)現(xiàn)烤制時間和溫度對榮昌烤乳豬的硬度、剪切力和色澤有顯著影響，所產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)主要包括：醛類25種、酮類7種、醇6種、酸3種、醚1種、酯4種、烴類化合物15種等共計68種揮發(fā)性物質(zhì)。Sinha[19]比較以輻射傳熱方式為主的三種烹飪方式，包括鍋煎、烘烤和燒烤中牛排雜環(huán)胺有害物質(zhì)的含量，發(fā)現(xiàn)烘烤方式與煎鍋和烤制相比雜環(huán)胺含量最低?？偨Y(jié)得出，經(jīng)明火直接烤制的食品會產(chǎn)生大量的苯并芘，而紅外線燒烤有效減少了苯并芘的產(chǎn)生。燒烤時由于動物性原料中的油脂直接長時間與明火接觸酸敗氧化進而產(chǎn)生有害物質(zhì)。因此烘烤時減少食品與明火接觸將有助于食品安全，今后仍應(yīng)致力于研發(fā)紅外短時的烘烤設(shè)備。

食用營養(yǎng)及品質(zhì)方面，Roldan等[20]研究磷酸鹽對烤熟羊肉理化和感官特性的影響，羔羊腰部注射含有0.2%或0.4%磷酸鹽混合物溶液經(jīng)烤箱烘烤后，樣品韌性隨著磷酸鹽添加量增加而降低，多汁性得到改善，并提高了烘烤羊肉的紋理結(jié)構(gòu)。Xiao等[21]采用過熱蒸汽和沖擊復(fù)合聯(lián)用技術(shù)，與傳統(tǒng)和單一加工技術(shù)相比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)烤制食材具有更高的傳熱效率，加熱均勻，縮短加熱時間，營養(yǎng)物質(zhì)的流失程度也極大地降低。為了降低烘烤過程中原料營養(yǎng)成分的損失，可組合多種烘烤設(shè)備于一體。綜上，目前大多數(shù)烤制方面的研究多集中于營養(yǎng)控制、食用品質(zhì)安全等方面。對于烤制過程中的傳熱動力學(xué)以及熱力學(xué)過程并沒有過深地進行研究，目前國內(nèi)僅有鄧力等學(xué)者致力于此方面的研究。今后應(yīng)加深對傳熱動力學(xué)以及熱力學(xué)方面的研究，并應(yīng)優(yōu)化烤制器械的傳熱模型，為進一步提升肉制品食用品質(zhì)、降低烤制能源而提供有利的依據(jù)。

微波與烤的傳熱方式相同，都是利用熱輻射傳遞熱量使食物熟制，區(qū)別在于微波熱量傳遞順序由里及表，烤傳熱由表及里。微波烹飪的主要特點為傳熱傳質(zhì)效率高，對食物營養(yǎng)破壞程度小，可在短時間內(nèi)使食物成熟，但是風(fēng)味和色澤不突出。微波是近20年才進入中國并逐漸普及，國內(nèi)對微波食品研究較少，只有少量點心和肉類預(yù)制品，幾乎沒有專門生產(chǎn)微波食品的廠家。通過分析國內(nèi)的參考文獻將微波處理的研究進展總結(jié)如下：

食用營養(yǎng)及品質(zhì)方面，Henrik等[22]研究發(fā)現(xiàn)，微波加熱對蛋白質(zhì)有一定影響，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)未完全變性，微波對β-乳球蛋白的伸展和變性都有著一定的加強作用。Chuan等[23]在研究不同烹飪方法對彩色辣椒的抗氧化性中，運用不同烹調(diào)方法(微波、炒、水煮)處理不同品種的辣椒，結(jié)果表明微波加熱以及炒制的烹飪方法更適合辣椒烹制成熟，并且其抗氧化成分得以最大限度地保留下來。李超[24]對微波烹飪牛肉工藝進行優(yōu)化，研究表明，試驗最優(yōu)技術(shù)參數(shù)為：牛肉絲寬度2.5mm、青椒絲寬度2mm，加熱時間為6min、加熱火力為高火(P-100%)。綜上，不同烹調(diào)方法(烤、煎炸、微波和歐姆烹飪)對肉制品的顏色、嫩度、蒸煮損失等具有不同的影響，微波烹飪與傳統(tǒng)烹飪相比雖可降低能源，但烹調(diào)會導(dǎo)致較高的烹飪損失；微波技術(shù)有利于優(yōu)化原料蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進而提高肉品的營養(yǎng)價值，對于某些蛋白質(zhì)，微波處理會促使其成為聚合物，降低原料的營養(yǎng)價值。因此，優(yōu)化微波設(shè)備將成為下一步的研究方向。

食品殺菌保鮮方面，微波具有一定的熱效應(yīng)，可迅速而有效殺死微生物。Juan等[25]研究發(fā)現(xiàn)微波能在短時間內(nèi)有效殺死蘋果汁中的大腸桿菌。這證明了微波加熱處理有一定的殺菌作用。Venkatesh等[5]經(jīng)過試驗研究也發(fā)現(xiàn)了微波加熱可實現(xiàn)對香腸的殺菌效果處理。此外，微波技術(shù)在肌肉解凍效果上也具有廣泛的研究，恰當(dāng)?shù)慕鈨龉β蕦⒂行ПＷC肉品的食用品質(zhì)。綜上，微波處理有利于食品殺菌保鮮，然而由于其加熱的不均勻性，致使食品的食用品質(zhì)遭到破壞，加之實際的生產(chǎn)中通常應(yīng)用高效的大功率微波設(shè)備，因此未來應(yīng)致力于研發(fā)微波水浴加熱技術(shù)，并提升大功率微波殺菌技術(shù)的均勻性。

3 展望

輻射傳熱與常規(guī)傳熱方式不同，多為由里及表反方向?qū)?，這使得輻射傳熱在傳統(tǒng)烹飪、食材加熱干燥和食品加工方面具有很大優(yōu)勢的同時還應(yīng)用于食物殺菌，并且不斷向其他領(lǐng)域拓寬，如催化化學(xué)反應(yīng)、新材料輻射加工處理等。然而，與歐美日等發(fā)達國家相比，我國對于烹飪傳熱機理研究不夠深入，烹飪加工設(shè)備研究力度不夠，起步較晚。輻射傳熱對溫度較為敏感，一旦過度輻射傳熱便會促進食物中有害物質(zhì)的產(chǎn)生，導(dǎo)致食品油脂品質(zhì)的惡化，增加食品當(dāng)中的二英含量，過度輻射加熱還會導(dǎo)致食物中酶活性降低。總結(jié)得出，常規(guī)加熱情況下丙烯酰胺的產(chǎn)生量為30μg/kg，而利用熱輻射加熱后食物中丙烯酰胺含量為260～276μg/kg，是常規(guī)加熱的8～9倍。其次，以輻射傳熱為主的烹飪設(shè)備制作出食物某些風(fēng)味方面的表現(xiàn)不如熱傳導(dǎo)和對流方式加工食物，安全衛(wèi)生等方面并不樂觀。