紅外技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用
紅外(波長0.72~1000μm之間的電磁波)技術(shù)已逐漸應(yīng)用于航天、航空、遙感、工業(yè)檢測、食品、醫(yī)藥、化工、石油工業(yè)等軍民研究領(lǐng)域。人們根據(jù)紅外光譜的不同波段合理的選擇應(yīng)用到其他所關(guān)心的領(lǐng)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(lǐng)域有不同的劃分,我們引入到食品工業(yè)中,習(xí)慣上將近紅外(0.72~3μm)用來進(jìn)行快速檢測,例如含水量檢測和蛋白質(zhì)含量的檢測;中紅外(3~40μm)已經(jīng)被廣泛用來進(jìn)行摻假檢測;遠(yuǎn)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(xiàn)在流行的光波爐就是高紅外應(yīng)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(tuán)的吸收,其中包含了大多數(shù)類型有機(jī)化合物的組成和分子結(jié)構(gòu)的信息。由于不同的有機(jī)化合物含有不同的基因,不同的基團(tuán)有不同的能級。不同的基團(tuán)和同一基團(tuán)在不同的化學(xué)環(huán)境中對近紅外光的吸收波長都有明顯的差別,且吸收系數(shù)小,發(fā)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(tuán)將發(fā)生共振現(xiàn)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(xù)改變頻率的近紅外關(guān)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(nèi)會變?nèi)?,另外一些波長范圍內(nèi)會變強(qiáng),透射出來的紅外光線就攜帶有機(jī)物組分和結(jié)構(gòu)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(jìn)行檢測的方法,稱為近紅外透射檢測法。
由于近紅外技術(shù)能夠及時快捷的對樣品進(jìn)行檢測,在生產(chǎn)中可以在生產(chǎn)流水線上裝配近紅外裝置,對原料和成品及半成品進(jìn)行連續(xù)在線檢測,有利于及時發(fā)現(xiàn)原料及產(chǎn)品品質(zhì)的變化,便于及時調(diào)控,維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。
2.2 遠(yuǎn)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(zhì),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(zhì)熱損失,隨著波長的變化有質(zhì)的變化,突出表現(xiàn)為它的穿透力和熱效應(yīng)。水和含水物質(zhì)的分子或基團(tuán)的固有運(yùn)動(振動或轉(zhuǎn)動)頻率,換成波長表示大致在2.5~200μm波帶,遠(yuǎn)紅外線頻率相匹配。遠(yuǎn)紅外線能穿入食物內(nèi)部粒子之間的微小間隙,激起分子內(nèi)能級變化,迫使分子運(yùn)動加劇而內(nèi)部發(fā)熱,使其溫度急劇升高。同時視頻內(nèi)部的液態(tài)水分在溫度梯度的作用方向由內(nèi)向外和濕度梯度方向一致,食品內(nèi)部的水分熱擴(kuò)散以及表面水汽的蒸發(fā)都處于正向的最佳狀態(tài),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(xì)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(xiàn)了高效、節(jié)能、殺菌的干燥過程。
2.3 高紅外加熱原理
近來在國內(nèi)外,紅外輻射加熱技術(shù)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(shù):
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(qiáng)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(chǎn)生熱量。在對有機(jī)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(jī)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(nèi)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(dá)400℃,但有機(jī)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(shù)在食品工業(yè)中的實際應(yīng)用
3.1近紅外技術(shù)在食品工業(yè)的應(yīng)用
3.1.1 近紅外技術(shù)的特點
1.無前處理、無污染、方便快捷
近紅外光線具有很強(qiáng)的穿透能力,在檢測樣品時,不需要進(jìn)行任何前處理可以穿透玻璃和塑料包裝進(jìn)行直接檢測,也不需要任何化學(xué)試劑。和常規(guī)分析方法相比,既不會對環(huán)境造成污染,又可以節(jié)約大量的試劑經(jīng)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(jié)果。
2.無破壞性
無破壞性是近紅外技術(shù)的一大優(yōu)點,根據(jù)這一優(yōu)點,近紅外技術(shù)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?qū)崿F(xiàn)果蔬的自動檢測,節(jié)省大量的人力物力。
3.在線檢測
由于近紅外技術(shù)能夠技術(shù)快捷的對樣品進(jìn)行檢測,在生產(chǎn)中,可以在生產(chǎn)流水線上配置近紅外裝置,對原料和成品及半成品進(jìn)行連續(xù)在線檢測,有利于及時的發(fā)現(xiàn)原料及產(chǎn)品品質(zhì)的變化,便于及時調(diào)控,維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。光纖導(dǎo)管和光纖探頭的開發(fā)應(yīng)用使遠(yuǎn)距離檢測成現(xiàn)實。并且遠(yuǎn)距離檢測技術(shù)特別適用于污染嚴(yán)重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環(huán)境應(yīng)用,為近紅外網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
4.多組分同時檢測
多組分同時檢測,是近紅外技術(shù)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(zhì)含量、水分含量、硬度、沉淀值、快速混合比等指標(biāo),這樣大大簡化了測定操作。不同的組分對測定結(jié)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(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用
近紅外技術(shù)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(jìn)行水分檢測的研究。但是,大多數(shù)食品和農(nóng)產(chǎn)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(shù)用于分析谷物類農(nóng)產(chǎn)品的濕度研究,揭示了這一技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品及其加工領(lǐng)域、食品工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究新的篇章。從而近紅外技術(shù)在食品和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用實例及方法被不斷的提出,主要應(yīng)用在工程中的食品成分分析、品質(zhì)檢測以及在線的品質(zhì)檢測與控制。而品質(zhì)檢測和在線檢測與控制往往是基于成分分析之上的。常規(guī)化學(xué)分析具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性,而且還是很多近代儀器分析技術(shù)的基礎(chǔ)。但是,無論是化學(xué)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(zhì)分倉輸運(yùn),用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)分析測定小麥中蛋白質(zhì)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(xué)分析鑒定其品質(zhì),再進(jìn)行按質(zhì)分倉,需要很長的等待時間,勢必影響整個經(jīng)營步驟。
近紅外技術(shù)則能以它的快速、準(zhǔn)確和實時性及時反饋有關(guān)信息,彌補(bǔ)這一缺陷,因此受到越來越多的行業(yè)研究者的青睞。
表1 近紅外可靠性研究結(jié)果(原料:面粉)
成分 |
樣本數(shù) |
含量范圍/% |
相關(guān)系數(shù) |
蛋白質(zhì) |
375 |
6.1~12.7 |
0.98 |
濕度 |
57 |
12.2~13.6 |
0.99 |
3.2 遠(yuǎn)紅外技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)用
基于遠(yuǎn)紅外線的特性,目前國內(nèi)外食品專家正在大力研究這一技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用,主要應(yīng)用在以下幾個方面:
1.促進(jìn)食品的成熟:國外食品專家已成功的實驗出利用遠(yuǎn)紅外線使水產(chǎn)制品蛋白質(zhì)易于成膠,促進(jìn)面筋的形成,達(dá)到成熟;雞蛋用遠(yuǎn)紅外線照射受熱均勻,熱度一致,風(fēng)味勝過水煮。在茶葉生產(chǎn)中,用遠(yuǎn)紅外線照射可以使茶葉的溫度達(dá)到30~40℃凋萎,從而可以增加茶葉的香味,保持良好的品質(zhì)。
2.用于防腐殺菌:遠(yuǎn)紅外線用于照射食品可以起到防腐殺菌的作用。例如:用遠(yuǎn)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(xiàn)象。采用遠(yuǎn)紅外線輻射加熱,還能殺死細(xì)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(tǒng)的高溫消毒方法,因此遠(yuǎn)紅外的殺菌技術(shù)已廣泛用于奶制品、豆制品等食品加工業(yè)和保鮮技術(shù)當(dāng)中。
3.脫水干燥處理:食品應(yīng)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(yīng)高等優(yōu)點。這種原理和微波爐的原理是一樣的,現(xiàn)今也出現(xiàn)了光波爐這種烹調(diào)技術(shù)。日本就開發(fā)出一種遠(yuǎn)紅外線蔬菜干燥裝置。根據(jù)蔬菜的不同種類和狀態(tài)采取不同的措施,在短時間內(nèi)將蔬菜烘干。這樣不僅減少了蔬菜營養(yǎng)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(fù)原狀。該裝置既能生產(chǎn)出冷凍干燥食品相媲美的干燥蔬菜,且成本比熱風(fēng)干燥低很多。
4.遠(yuǎn)紅外線烘烤食品:遠(yuǎn)紅外線具有表面加熱均勻的性能,因此可用于烘烤食品。遠(yuǎn)紅外烘烤食品的優(yōu)點在于不會產(chǎn)生類似膨化造成的內(nèi)外表面的水分分布不均勻、口感較差的現(xiàn)象,能使食物的內(nèi)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(yǎng):利用遠(yuǎn)紅外線分析食品營養(yǎng)成分是遠(yuǎn)紅外在食品工業(yè)中的又一新應(yīng)用,美國科學(xué)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(zhì)、微量元素、脂肪及含水量等。應(yīng)用這樣技術(shù)的目的在于實現(xiàn)食品質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測程序的自動化。這種紅外線檢測儀的大小和影碟機(jī)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(yè)中的應(yīng)用:日本輕金屬公司成功的開發(fā)出遠(yuǎn)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(jīng)過特殊處理加工后,再經(jīng)過加溫就會散發(fā)出遠(yuǎn)紅外線,從而代替了傳統(tǒng)的自然放置釀酒工業(yè)。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(nèi)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(shù)的應(yīng)用
物質(zhì)在中紅外光譜區(qū)具有一定的吸收特性,像中紅外技術(shù)已應(yīng)用于測定啤酒和酒精飲料中乙醇含量、原料肉中蛋白質(zhì)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(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)、分析化學(xué)最常用和最不可缺少的工具之一。
3.4 高紅外加熱技術(shù)的應(yīng)用—光波爐
光波微波爐與傳統(tǒng)微波爐的工作原理不一樣,普通微波爐加熱(烹飪)由磁控發(fā)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(nèi)而外和光波自外而內(nèi)的加熱原理,使烹調(diào)者可根據(jù)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(shù)碼光波技術(shù)的作用下,數(shù)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(nèi)對食物進(jìn)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(yǎng)成分不流失,其原理如前所述的遠(yuǎn)紅外加熱原理。
4 總結(jié)和展望
紅外技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于食品工業(yè)各個領(lǐng)域,特別是遠(yuǎn)距離檢測技術(shù)適用于污染嚴(yán)重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環(huán)境應(yīng)用,為近紅外網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),是我們應(yīng)該大力開發(fā)的項目,一些新技術(shù)、方法的提出和設(shè)備的制造也加速了這一領(lǐng)域的進(jìn)步。
4.1新應(yīng)用領(lǐng)域及新儀器的開發(fā)
紅外技術(shù)的應(yīng)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(yè)中應(yīng)用,因此應(yīng)擴(kuò)大新的應(yīng)用領(lǐng)域。
4.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化
不同地區(qū)的不同單位,在紅外儀器的定標(biāo)過程中往往采用各自檢測的標(biāo)樣,不同單位的標(biāo)樣之間存在著一定的差異,導(dǎo)致測定結(jié)果也有一定的差異。在一定大的區(qū)域建立一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),可以消除用不同標(biāo)樣帶來的誤差,使測定結(jié)果更具有可比性。
4.3發(fā)展在線檢測及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
在線檢測是及時解決生產(chǎn)中質(zhì)量問題的最有效途徑。光導(dǎo)纖維及傳感技術(shù)的發(fā)展使在線監(jiān)測成為現(xiàn)實,有望在企業(yè)生產(chǎn)過程中獲得廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近幾年發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域,將近紅外檢測技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,不僅可以實現(xiàn)異地定標(biāo)、異地檢測及資料共享,同時也有利于掌握大區(qū)域內(nèi)樣品的總體情況。近紅外在線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很大發(fā)展空間。