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紅外技術在食品工業中的應用

紅外技術在食品工業中的應用

紅外(波長0.72~1000μm之間的電磁波)技術已逐漸應用于航天、航空、遙感、工業檢測、食品、醫藥、化工、石油工業等軍民研究領域。人們根據紅外光譜的不同波段合理的選擇應用到其他所關心的領域,因為對紅外波譜并沒有一個明確的劃分,在不同的研究領域有不同的劃分,我們引入到食品工業中,習慣上將近紅外(0.72~3μm)用來進行快速檢測,例如含水量檢測和蛋白質含量的檢測;中紅外(3~40μm)已經被廣泛用來進行摻假檢測;遠紅外(40~1000μm)更多的用來加熱和干燥,例如烤煙、果蔬的脫水處理;高紅外(0.76~3)一般用來加熱,現在流行的光波爐就是高紅外應用的典型例子。

一、原理

2.1 近紅外檢測原理

近紅外光譜屬于分子振動光譜的倍頻和主頻吸收光譜,主要是對含氫基團的吸收,其中包含了大多數類型有機化合物的組成和分子結構的信息。由于不同的有機化合物含有不同的基因,不同的基團有不同的能級。不同的基團和同一基團在不同的化學環境中對近紅外光的吸收波長都有明顯的差別,且吸收系數小,發熱少,因此近紅外光譜可作為獲取信息的一種有效載體。近紅外光照射時,頻率相同的光線和基團將發生共振現象,光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子;而近紅外光的頻率和樣品的振動頻率不同,該頻率的紅外光就不會被吸收。因此,選用連續改變頻率的近紅外關照射某樣品時,由于試樣對不同頻率近紅外光的選擇性吸收,通過試樣后的近紅外光線在某些波長范圍內會變弱,另外一些波長范圍內會變強,透射出來的紅外光線就攜帶有機物組分和結構的信息。通過檢測器分析透射或反射光線的光密度,就可以確定該組分的含量。這種通過透射光攜帶信息進行檢測的方法,稱為近紅外透射檢測法。

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裝配近紅外裝置,對原料和成品及半成品進行連續在線檢測,有利于及時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。

2.2 遠紅外干燥殺菌原理

由于紅外線的譜帶位于可見光和微光之間,具有光和波的性質,以光速在空間直線傳播。它輻射到物體表面上能反射、透射和吸收,無介質熱損失,隨著波長的變化有質的變化,突出表現為它的穿透力和熱效應。水和含水物質的分子或基團的固有運動(振動或轉動)頻率,換成波長表示大致在2.5~200μm波帶,遠紅外線頻率相匹配。遠紅外線能穿入食物內部粒子之間的微小間隙,激起分子內能級變化,迫使分子運動加劇而內部發熱,使其溫度急劇升高。同時視頻內部的液態水分在溫度梯度的作用方向由內向外和濕度梯度方向一致,食品內部的水分熱擴散以及表面水汽的蒸發都處于正向的最佳狀態,從而大大加速了干燥過程,縮短了干燥時間。同時濕食品中含有的細菌體接受了紅外輻射后,變化凝固、代謝障礙、活性消失以至殺死。上述作用的綜合疊加,實現了高效、節能、殺菌的干燥過程。

2.3 高紅外加熱原理

近來在國內外,紅外輻射加熱技術又向短波長延伸,在雜志上也可見到“高紅外”的名詞,即“高密度紅外輻射加熱(High Density Infrared)”俗稱高紅外。

我們可以這樣來描述高紅外技術:

1.采用了高頻率(短波)的紅外輻射加熱燈管;

2.采用了高密度的加熱布局;

3.采用高輻射強度的加熱方式。

紅外波長越短,越容易被緊密排列分子吸收而產生熱量。在對有機涂料的干燥固化過程中,金屬最容易吸收短波紅外輻射,而有機涂料對短波紅外輻射則是透明的。因此高紅外管0.76~3μm波段能量透射空氣與涂料,直接向金屬工件加熱,涂層內表面首先膠化固化,同時里層的水分和空氣被趕出涂層外表面。雖然金屬溫度高達400℃,但有機涂料表面并不先形成皮膜,這樣保證了加熱的有效性。

二、紅外技術在食品工業中的實際應用

3.1近紅外技術在食品工業的應用

3.1.1 近紅外技術的特點

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經費。近紅外儀器的測定時間短,幾分鐘幾秒鐘就可以完成檢測,并打印出結果。

2.無破壞性

無破壞性是近紅外技術的一大優點,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。在果品儲藏庫中安裝近紅外裝置,能夠實現果蔬的自動檢測,節省大量的人力物力。

3.在線檢測

由于近紅外技術能夠技術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在線檢測,有利于及時的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

多組分同時檢測,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,其他組分對近紅外光線也有吸收。

3.1.2 近紅外技術在食品工業中的應用

近紅外技術的研究始于1930年。50年代Curcio和Petty利用近紅外的投射光譜“不透明”體,測定其透射率具有一定的進行水分檢測的研究。但是,大多數食品和農產品的無破壞、無損傷對近紅外來說都是困難。60年代初,Norris和Buller將近紅外的反射光譜技術用于分析谷物類農產品的濕度研究,揭示了這一技術在農產品及其加工領域、食品工業領域應用研究新的篇章。從而近紅外技術在食品和農業產品加工中的應用實例及方法被不斷的提出,主要應用在工程中的食品成分分析、品質檢測以及在線的品質檢測與控制。而品質檢測和在線檢測與控制往往是基于成分分析之上的。常規化學分析具有較高的準確度和可靠性,而且還是很多近代儀器分析技術的基礎。但是,無論是化學分析還是儀器分析,其試樣的前處理、實驗本身的耗時性以及對物料的破壞性又是許多場合不允許的。例如:小麥和油菜籽按品質分倉輸運,用標準化學分析測定小麥中蛋白質需2小時,油菜籽中油脂含量需18小時,賴氨酸含量大約需兩天,而卡車的卸貨時間僅需5分鐘,到貨后,用化學分析鑒定其品質,再進行按質分倉,需要很長的等待時間,勢必影響整個經營步驟。

近紅外技術則能以它的快速、準確和實時性及時反饋有關信息,彌補這一缺陷,因此受到越來越多的行業研究者的青睞。

1 近紅外可靠性研究結果(原料:面粉)

成分

樣本數

含量范圍/%

相關系數

蛋白質

375

6.1~12.7

0.98

濕度

57

12.2~13.6

0.99

3.2 遠紅外技術在食品行業中的應用

基于遠紅外線的特性,目前國內外食品專家正在大力研究這一技術在食品工業中的應用,主要應用在以下幾個方面:

1.促進食品的成熟:國外食品專家已成功的實驗出利用遠紅外線使水產制品蛋白質易于成膠,促進面筋的形成,達到成熟;雞蛋用遠紅外線照射受熱均勻,熱度一致,風味勝過水煮。在茶葉生產中,用遠紅外線照射可以使茶葉的溫度達到30~40℃凋萎,從而可以增加茶葉的香味,保持良好的品質。

2.用于防腐殺菌:遠紅外線用于照射食品可以起到防腐殺菌的作用。例如:用遠紅外線照射剛采集的高水分的新鮮柑橘、蘋果等,能降低其水分含量,減少儲存過程中因水分過大而造成的腐爛現象。采用遠紅外線輻射加熱,還能殺死細菌和微生物,可以用于各種袋裝食品的滅菌處理,因為這些食品,不能使用傳統的高溫消毒方法,因此遠紅外的殺菌技術已廣泛用于奶制品、豆制品等食品加工業和保鮮技術當中。

3.脫水干燥處理:食品應用紅外線脫水干燥具有加熱速度快、加熱方式均勻、傳熱效應高等優點。這種原理和微波爐的原理是一樣的,現今也出現了光波爐這種烹調技術。日本就開發出一種遠紅外線蔬菜干燥裝置。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。這樣不僅減少了蔬菜營養成分的流失,且蔬菜的外形變化不大,用冷水或溫水侵泡后,蔬菜能很快的恢復原狀。該裝置既能生產出冷凍干燥食品相媲美的干燥蔬菜,且成本比熱風干燥低很多。

4.遠紅外線烘烤食品:遠紅外線具有表面加熱均勻的性能,因此可用于烘烤食品。遠紅外烘烤食品的優點在于不會產生類似膨化造成的內外表面的水分分布不均勻、口感較差的現象,能使食物的內外表面水分一致,口感好。常見用于炸魚,煎蛋等。

5.檢驗食品的營養:利用遠紅外線分析食品營養成分是遠紅外在食品工業中的又一新應用,美國科學家利用紅外光譜法則測定麥類制品的面粉及烘烤食品原料的蛋白質、微量元素、脂肪及含水量等。應用這樣技術的目的在于實現食品質量常規監測程序的自動化。這種紅外線檢測儀的大小和影碟機類似,具有攜帶方便、分析速度快等特點,測定全過程僅2~3分鐘。

6.在榨油業中的應用:日本輕金屬公司成功的開發出遠紅外線釀酒器,只需十幾個小時便能釀出美味的果子酒。這種釀酒器是利用鋁材經過特殊處理加工后,再經過加溫就會散發出遠紅外線,從而代替了傳統的自然放置釀酒工業。在類似電飯容器里裝上鋁制電氣加熱器便制成。使用時接通電源可以使鍋內保持28℃,這一溫度促使果汁外流從而迅速的釀出果酒。

3.3 中波紅外摻假技術的應用

物質在中紅外光譜區具有一定的吸收特性,像中紅外技術已應用于測定啤酒和酒精飲料中乙醇含量、原料肉中蛋白質和脂肪含量、黃油中的脂肪和水分、牛奶的分析測定、某些食品的摻假檢測、食用油脂特性的研究等等,它已成為現代結構化學、分析化學最常用和最不可缺少的工具之一。

3.4 高紅外加熱技術的應用—光波爐

光波微波爐與傳統微波爐的工作原理不一樣,普通微波爐加熱(烹飪)由磁控發射的微波來完成,光波微波爐工作時分別選擇微波、光波或微波與光波組合等三種加熱方式。光波微波爐綜合微波自內而外和光波自外而內的加熱原理,使烹調者可根據食物的特點分別選擇微波、光波或微波與光波的組合等三種加熱方式。選擇微波和光波組合加熱時,光波源和磁控管可同時啟動,在數碼光波技術的作用下,數碼光波微波爐能綜合光波和微波同時以30萬公里/秒的速度在高度密閉的爐腔內對食物進行從里到外加熱,由于加熱時間更短,不僅比一般微波爐加熱更快速,而且通過高密度智能化能更好的保持食物水分和營養成分不流失,其原理如前所述的遠紅外加熱原理。

4  總結和展望

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,是我們應該大力開發的項目,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。

4.1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。

4.2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檢測的標樣,不同單位的標樣之間存在著一定的差異,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。

4.3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監測成為現實,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發展空間。

 

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