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随着社会发展，加热方式不断改变，以辐射传热方式为主的烹饪方式仍占有餐饮绝大部分市场。辐射传热又称热辐射，是热传递的一种基本方式。近年来，利用辐射传热烹制菜肴逐渐成为研究热点。然而食物在烹制过程中并非一种传热方式单独作用，而是两种或三种传热方式共同作用制作出美味的菜肴。为了使得烹饪菜肴更美味，营养价值更高，以辐射加热为主的新型烹饪设备相继研发且应用广泛。本文对国内外辐射传热在烹饪方法、烹饪设备中的研究进行梳理分析，以期为烹饪工艺中辐射传热的发展和应用提供理论依据。 1 辐射传热的基本特征烹饪中的传热方式主要包括辐射、传导和对流三种形式。其中，辐射传热是指高温物体以电磁波的形式向空间发射能量来传递热量。与传导和对流传热差别主要表现为：热辐射可在真空中传递，导热和对流在介质中才可实现；热辐射可产生能量转移和能量转换，对流和传导只有能量转移。根据波长的不同，电磁波包括无线电波、红外线、可见紫外线、γ-射线、χ-射线以及电子线，其中红外线和无线电波用于食品烹饪，γ-射线、χ-射线及电子线用于食品杀菌。红外线(波长范围在0.72～1000μm之间)是处于可见光和微波间的一种波线，红外线可分为近红外线、中红外线和远红外(如表1所示)。在红外辐射加热过程中，红外线照射到被加热食物表面时，一部分反射，一部分透过，一部分被食物吸收。食物吸收红外线的原因是：食物分子运动与红外辐射频率相一致，产生共振或转动，食物将红外辐射吸收转化成分子热运动，随物料温度升高，食物分子运动加速，导致其水分丧失。通常红外辐射作用于湿食材表面，传递机制主要依靠水含量，在加热过程中，辐射传热的形式会发生改变，反射和吸收会随水含量的减少而下降。因此，烹制食材时根据食材薄厚应选择适宜的红外加热方式，短波红外可透过表层作用于食材内部，而远红外被表层吸收。红外线辐射加热的特点有：吸收性好，高分子物质可吸收3～25μm的辐射能；红外线和电磁波一样具有直射性，被照射的部分升温快，未被照射的部分升温慢；红外线和可见光一样具有反射性，被加热物体的温度与照射距离平方成反比例关系，被加热食材距离红外线越近，其加热效率越高[1]。 表1 红外线辐射波长分类 微波是指波长在1～1000mm，频率波段在300MHz～300GHz范围内电磁波，其能量比无线电波大得多。传热主要利用分子的被动极化现象，由于内部正负电荷分布不均匀产生极性。水可作为吸收微波最佳传热介质，凡含水的物质必能吸收微波。当食材接收到微波时，促使食材分子间的分极增大，并导致其转动方向随着微波的正负半周振荡而变化，由于微波频率高，正负半周变化速率快，故食材分子之间产生高速摩擦，进而生成热量。与传统加热由表及里方式不同，微波辐射加热是通过高频振荡产生“内摩擦”致热的。微波传热的特点为：加热速率快，可使被加热食材本身成为发热体，进而不再需要热传导的过程，因此，可在较短的时间内达到加热的效果；微波加热时电磁波可均匀渗透到食材各个部分，可对原料均匀加热；微波加热时只能通过被加热原料来吸收而生热，极大提高热效率；热惯性小易于控制；既可以较多地保存食物营养价值又可对食物进行杀菌[2]。 总之，凡温度为绝对零度以上的一切物质都拥有向外发射辐射粒子的能力，辐射粒子所具备的能量被称为辐射能。物体所保持的温度越高，其辐射的能力就越强，物体将本身的热能转化为向外发射辐射能的现象被称为热辐射。1971年，Nowak等[3]最早从理论上推导出两平行板间进场辐射公式。Volokitin等[4]经推导得出近场辐射量比远场辐射的斯蒂芬-玻耳兹曼定律的计算结论大5～6个数量级。新疆馕坑食品利用黑体辐射进行熟制，在计算辐射能时应用到普朗克黑体辐射公式[5]。因此，计算烹饪工艺辐射能时，针对不同的辐射传热选择不同的计算公式。利用辐射传热烹饪食物与其他烹饪方式相比热效率高，常规的加热方式如蒸汽、火、风、油等都是通过热传导的方式将热量从被加热物体的外部传到内部，升温时间长，然而辐射传热通常是内外共同加热的方式，因此可实现短时加热；通常的加热方法，若提高加热的速率，就会形成外焦里生的现象，而辐射传热时食物各部分均能接收电磁波，均匀性得到改善；辐射传热的设备通常体积小，加热效率高，穿透能力强，方便家庭使用；增加食品风味，且能较好保存食物的营养素并且对烹饪食品具有很好的杀菌效果；具有高效、节能、环保、改善品质的特点，便于智能化控制，可实现连续化生产。 2 辐射传热在烹饪工艺中的应用进展2.1 烹饪设备的应用进展红外线设备，红外线设备是指通过电热元件及电阻丝进行通电发热，在使用时利用红外线对原料直接加热辐射的一类设备。此类设备在烹饪中应用广泛，以电烤箱、电子消毒柜、红外干燥箱等作为典型的代表。对于红外设备在食品食用品质方面的研究，李宏燕等[6]为使羊肉串具有外焦里嫩的品质，利用电热管与红外线复合加热的方法，第一段为电热管加热，加热空气85℃，烤制5min，第二段为2kw短波红外加热管加热，时间2min，可为开发工业化烤制食品提供理论依据。张令文等[7]以猪后腿为试验材料，探讨远红外辅助油炸和普通热传导油炸对猪肉片品质的影响，结果发现，远红外辅助油炸方式促使挂糊的猪肉片色泽更好、肉质软嫩且降低脂肪含量。Sheridan等[8]利用远红外技术对牛肉馅饼加工，试验中发现馅饼中心温度与馅饼中脂肪含量成正比，远红外处理方式可减低由于干燥和高温引起的肉饼表面出现碳化的情况，与传统方式相比可节能55%。综上，红外设备有效解决了其他设备加热不均匀的弊端，为食品工业化发展提供了保障。 食品安全方面，Sengun等[9]研究了欧姆—红外组合蒸煮系统对肉丸微生物质量的影响，结果发现肉丸样品中好氧细菌在红外热通量为1.96和4.50之间时数量减少，并且经红外加热处理后霉菌、酵母菌、金黄色葡萄球菌、产气荚膜梭菌、沙门氏菌、单核细胞增生李斯特氏菌和大肠杆菌O157：H7均不存在，表明欧姆—红外组合烹饪肉丸具有巨大潜力。Gasperlin等[10]比较电烤与红外烤箱2种烤制方法对鸡胸肉产生杂环胺含量的影响，结果得出当温度相同时，电烤箱产生烹制鸡肉产生的杂环胺含量比红外烤箱产生的量多，不同加工工艺杂环胺种类与含量如表2所示。综上，红外设备加热的食品有害物质较少，且对环境无污染，然而高温度的红外设备会对灶具周边及内部形成损坏，不利于长时间使用。因此，开发环保集成红外设备应是未来的研究方向，且具有良好的发展前景。 微波设备，传统微波炉输出功率是固定值，对食物加热不连续，耗能高。在传统微波炉基础上研究出多种新型微波炉，并将微波炉与其他烹饪仪器联用可提升食物品质。刘忠义等[11]研究水浴锅、变频微波炉、非变频微波炉和直喷微波炉对白萝卜Vc、风味物质和质构的影响，试验结果表明，非变频微波炉和直喷微波炉保留Vc效果较其他两种好，且加热温度应控制在85℃～95℃，保温5 min。林向阳等[12]利用微波炉—蒸汽联合技术加热冷冻馒头，应用MRI技术测量馒头复热过程中水分迁移情况，结果表明此技术可减少馒头内部水分流失。韩忠等[13]利用聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE电泳)法分别检测猪肉微波和水浴加热后G—肌动蛋白变形情况，对比分析得出猪肉经700W变频加热70s后持水能力强、蒸煮损失少、耗能最低。Nykvist等[14]研究微波烤牛肉，结果发现微波加热能量“集中”在烤架中心轴上，因此使用圆柱形烤架使微波频率具有更深的穿透优势(915MHz)，在烹饪时间和温度均匀性上具有优势。综上，微波设备与其他设备联用提高了食品的营养品质，且不同功率下食品的营养元素变化不大，相较于传统烹制方式，微波联用技术对食品的营养元素破坏较小，是未来微波应用的主要形式。 微波干燥设备的应用，Zhang等[15]利用微波真空冷冻干燥设备干燥鱼片，研究发现，适量的水分含量、微波功率和真空度可有效提高鱼片的膨化率和脆度。Takaharu等[16]以扇贝柱为试验对象，对比热风干燥与微波真空干燥两种方式对扇贝柱的影响，表明利用微波真空干燥时间短、效率高、产品复水性好。又如利用真空冷冻干燥设备将传统菜肴干制，在家简单复水后即可食用且品质较好。徐竞[17]以回锅肉为研究对象，研究真空干燥回锅肉最优工艺为复水含量140%～150%，温度65℃～85℃，时间20～30min为最优。然而，学者们对于微波干燥设备的热能形式还存在争议；对于非热效应及特殊效应的概念还存在混淆。部分研究学者认为微波干燥技术的干燥效果中包含传统加热方法中不具备的非热效应；还有部分学者认为微波干燥技术中具有干燥的特殊效应。总结得出，非热微波干燥技术与加热温度并不具有相关性，无法用温度界定。而微波特殊效应与温度之间具有一定的相关性。因此，为了更加科学化地加热、干燥食物，应深入探究微波干燥技术的热能表现形式。 表2 加工方法对肉制品中杂环胺含置的影响 2.2 烹饪方法的应用进展烤主要是通过空气和烤汁作为传热介质进行传热的，传热形式为热辐射、热对流和热传导。烤具有升温速度快、可形成独特风味的特点。因此在日常烹饪中广泛应用。总结国内外的相关研究发现烤制的研究主要集中于肉制品有害物质食品安全以及营养品质等方面。 食品安全方面，夏杨毅[18]采用红外线烤制方法代替传统烤乳猪，提高食用安全和品质的同时，研究发现烤制时间和温度对荣昌烤乳猪的硬度、剪切力和色泽有显著影响，所产生的挥发性物质主要包括：醛类25种、酮类7种、醇6种、酸3种、醚1种、酯4种、烃类化合物15种等共计68种挥发性物质。Sinha[19]比较以辐射传热方式为主的三种烹饪方式，包括锅煎、烘烤和烧烤中牛排杂环胺有害物质的含量，发现烘烤方式与煎锅和烤制相比杂环胺含量最低。总结得出，经明火直接烤制的食品会产生大量的苯并芘，而红外线烧烤有效减少了苯并芘的产生。烧烤时由于动物性原料中的油脂直接长时间与明火接触酸败氧化进而产生有害物质。因此烘烤时减少食品与明火接触将有助于食品安全，今后仍应致力于研发红外短时的烘烤设备。 食用营养及品质方面，Roldan等[20]研究磷酸盐对烤熟羊肉理化和感官特性的影响，羔羊腰部注射含有0.2%或0.4%磷酸盐混合物溶液经烤箱烘烤后，样品韧性随着磷酸盐添加量增加而降低，多汁性得到改善，并提高了烘烤羊肉的纹理结构。Xiao等[21]采用过热蒸汽和冲击复合联用技术，与传统和单一加工技术相比，结果发现烤制食材具有更高的传热效率，加热均匀，缩短加热时间，营养物质的流失程度也极大地降低。为了降低烘烤过程中原料营养成分的损失，可组合多种烘烤设备于一体。综上，目前大多数烤制方面的研究多集中于营养控制、食用品质安全等方面。对于烤制过程中的传热动力学以及热力学过程并没有过深地进行研究，目前国内仅有邓力等学者致力于此方面的研究。今后应加深对传热动力学以及热力学方面的研究，并应优化烤制器械的传热模型，为进一步提升肉制品食用品质、降低烤制能源而提供有利的依据。 微波与烤的传热方式相同，都是利用热辐射传递热量使食物熟制，区别在于微波热量传递顺序由里及表，烤传热由表及里。微波烹饪的主要特点为传热传质效率高，对食物营养破坏程度小，可在短时间内使食物成熟，但是风味和色泽不突出。微波是近20年才进入中国并逐渐普及，国内对微波食品研究较少，只有少量点心和肉类预制品，几乎没有专门生产微波食品的厂家。通过分析国内的参考文献将微波处理的研究进展总结如下： 食用营养及品质方面，Henrik等[22]研究发现，微波加热对蛋白质有一定影响，当蛋白质未完全变性，微波对β-乳球蛋白的伸展和变性都有着一定的加强作用。Chuan等[23]在研究不同烹饪方法对彩色辣椒的抗氧化性中，运用不同烹调方法(微波、炒、水煮)处理不同品种的辣椒，结果表明微波加热以及炒制的烹饪方法更适合辣椒烹制成熟，并且其抗氧化成分得以最大限度地保留下来。李超[24]对微波烹饪牛肉工艺进行优化，研究表明，试验最优技术参数为：牛肉丝宽度2.5mm、青椒丝宽度2mm，加热时间为6min、加热火力为高火(P-100%)。综上，不同烹调方法(烤、煎炸、微波和欧姆烹饪)对肉制品的颜色、嫩度、蒸煮损失等具有不同的影响，微波烹饪与传统烹饪相比虽可降低能源，但烹调会导致较高的烹饪损失；微波技术有利于优化原料蛋白质结构进而提高肉品的营养价值，对于某些蛋白质，微波处理会促使其成为聚合物，降低原料的营养价值。因此，优化微波设备将成为下一步的研究方向。 食品杀菌保鲜方面，微波具有一定的热效应，可迅速而有效杀死微生物。Juan等[25]研究发现微波能在短时间内有效杀死苹果汁中的大肠杆菌。这证明了微波加热处理有一定的杀菌作用。Venkatesh等[5]经过试验研究也发现了微波加热可实现对香肠的杀菌效果处理。此外，微波技术在肌肉解冻效果上也具有广泛的研究，恰当的解冻功率将有效保证肉品的食用品质。综上，微波处理有利于食品杀菌保鲜，然而由于其加热的不均匀性，致使食品的食用品质遭到破坏，加之实际的生产中通常应用高效的大功率微波设备，因此未来应致力于研发微波水浴加热技术，并提升大功率微波杀菌技术的均匀性。 3 展望辐射传热与常规传热方式不同，多为由里及表反方向导热，这使得辐射传热在传统烹饪、食材加热干燥和食品加工方面具有很大优势的同时还应用于食物杀菌，并且不断向其他领域拓宽，如催化化学反应、新材料辐射加工处理等。然而，与欧美日等发达国家相比，我国对于烹饪传热机理研究不够深入，烹饪加工设备研究力度不够，起步较晚。辐射传热对温度较为敏感，一旦过度辐射传热便会促进食物中有害物质的产生，导致食品油脂品质的恶化，增加食品当中的二 食物在进行微波辐射加热时，本身的介电物质含量对加热效果有极大影响，食物加热前的温度与成熟所需时间有很大关系。因此，辐射传热原理和烹饪设备需要进一步研究与改进，先进烹饪仪器更需要大力推广。根据人们的需要及食材的性质烹饪菜肴时应选择适宜的烹饪工艺和传热设备，为使菜肴营养价值高、味道鲜美，烹饪时往往采用热辐射、对流和传导三种传热方式复合作用，三种传热方式复合作用机理需要进一步探讨。 参考文献：略 作者简介： |
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