红外技术在食品工业中的应用

时间：2018-06-15

红外技术在食品工业中的应用

红外（波长0.72~1000μm之间的电磁波）技术已逐渐应用于航天、航空、遥感、工业检测、食品、医药、化工、石油工业等军民研究领域。人们根据红外光谱的不同波段合理的选择应用到其他所关心的领域，因为对红外波谱并没有一个明确的划分，在不同的研究领域有不同的划分，我们引入到食品工业中，习惯上将近红外（0.72~3μm）用来进行快速检测，例如含水量检测和蛋白质含量的检测；中红外（3~40μm）已经被广泛用来进行掺假检测；远红外（40~1000μm）更多的用来加热和干燥，例如烤烟、果蔬的脱水处理；高红外（0.76~3）一般用来加热，现在流行的光波炉就是高红外应用的典型例子。

一、原理

2.1 近红外检测原理

近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，主要是对含氢基团的吸收，其中包含了大多数类型**化合物的组成和分子结构的信息。由于不同的**化合物含有不同的基因，不同的基团有不同的能级。不同的基团和同一基团在不同的化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显的差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效载体。近红外光照射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶较矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不同，该频率的红外光就不会被吸收。因此，选用连续改变频率的近红外关照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，另外一些波长范围内会变强，透射出来的红外光线就携带**物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量。这种通过透射光携带信息进行检测的方法，称为近红外透射检测法。

由于近红外技术能够及时快捷的对样品进行检测，在生产中可以在生产流水线上装配近红外装置，对原料和成品及半成品进行连续在线检测，有利于及时发现原料及产品品质的变化，便于及时调控，维持产品质量的稳定。

2.2 远红外干燥杀菌原理

由于红外线的谱带位于可见光和微光之间，具有光和波的性质，以光速在空间直线传播。它辐射到物体表面上能反射、透射和吸收，无介质热损失，随着波长的变化有质的变化，**表现为它的穿透力和热效应。水和含水物质的分子或基团的固有运动（振动或转动）频率，换成波长表示大致在2.5~200μm波带，远红外线频率相匹配。远红外线能穿入食物内部粒子之间的微小间隙，激起分子内能级变化，迫使分子运动加剧而内部发热，使其温度急剧升高。同时视频内部的液态水分在温度梯度的作用方向由内向外和湿度梯度方向一致，食品内部的水分热扩散以及表面水汽的蒸发都处于正向的较佳状态，从而大大加速了干燥过程，缩短了干燥时间。同时湿食品中含有的细菌体接受了红外辐射后，变化凝固、代谢障碍、活性消失以至杀死。上述作用的综合叠加，实现了高效、节能、杀菌的干燥过程。

2.3 高红外加热原理

近来在国内外，红外辐射加热技术又向短波长延伸，在杂志上也可见到“高红外”的名词，即“高密度红外辐射加热（High Density Infrared）”俗称高红外。

我们可以这样来描述高红外技术：

1.采用了高频率（短波）的红外辐射加热灯管；

2.采用了高密度的加热布局；

3.采用高辐射强度的加热方式。

红外波长越短，越容易被紧密排列分子吸收而产生热量。在对**涂料的干燥固化过程中，金属较容易吸收短波红外辐射，而**涂料对短波红外辐射则是透明的。因此高红外管0.76~3μm波段能量透射空气与涂料，直接向金属工件加热，涂层内表面首先胶化固化，同时里层的水分和空气被赶出涂层外表面。虽然金属温度高达400℃，但**涂料表面并不先形成皮膜，这样保证了加热的有效性。

二、红外技术在食品工业中的实际应用

3.1近红外技术在食品工业的应用

3.1.1 近红外技术的特点

1.无前处理、无污染、方便快捷

近红外光线具有很强的穿透能力，在检测样品时，不需要进行任何前处理可以穿透玻璃和塑料包装进行直接检测，也不需要任何化学试剂。和常规分析方法相比，既不会对环境造成污染，又可以节约大量的试剂经费。近红外仪器的测定时间短，几分钟几秒钟就可以完成检测，并打印出结果。

2.无破坏性

无破坏性是近红外技术的一大优点，根据这一优点，近红外技术可以用于果蔬原料及成品的无损检测。在果品储藏库中安装近红外装置，能够实现果蔬的自动检测，节省大量的人力物力。

3.在线检测

由于近红外技术能够技术快捷的对样品进行检测，在生产中，可以在生产流水线上配置近红外装置，对原料和成品及半成品进行连续在线检测，有利于及时的发现原料及产品品质的变化，便于及时调控，维持产品质量的稳定。光纤导管和光纤探头的开发应用使远距离检测成现实。并且远距离检测技术特别适用于污染严重、高压、高温等对人体和仪器有损害的环境应用，为近红外网络技术的发展奠定了基础。

4.多组分同时检测

多组分同时检测，是近红外技术得以大力推广的主要原因。在同一模式下，可以同时测定多种组分，比如在测小麦的模式中，可以同时测定其蛋白质含量、水分含量、硬度、沉淀值、快速混合比等指标，这样大大简化了测定操作。不同的组分对测定结果都有一定的影响，因为在测定过程中，其他组分对近红外光线也有吸收。

3.1.2 近红外技术在食品工业中的应用

近红外技术的研究始于1930年。50年代Curcio和Petty利用近红外的投射光谱“不透明”体，测定其透射率具有一定的进行水分检测的研究。但是，大多数食品和农产品的无破坏、无损伤对近红外来说都是困难。60年代初，Norris和Buller将近红外的反射光谱技术用于分析谷物类农产品的湿度研究，揭示了这一技术在农产品及其加工领域、食品工业领域应用研究新的篇章。从而近红外技术在食品和农业产品加工中的应用实例及方法被不断的提出，主要应用在工程中的食品成分分析、品质检测以及在线的品质检测与控制。而品质检测和在线检测与控制往往是基于成分分析之上的。常规化学分析具有较高的准确度和可靠性，而且还是很多近代仪器分析技术的基础。但是，无论是化学分析还是仪器分析，其试样的前处理、实验本身的耗时性以及对物料的破坏性又是许多场合不允许的。例如：小麦和油菜籽按品质分仓输运，用标准化学分析测定小麦中蛋白质需2小时，油菜籽中油脂含量需18小时，赖氨酸含量大约需两天，而卡车的卸货时间仅需5分钟，到货后，用化学分析鉴定其品质，再进行按质分仓，需要很长的等待时间，势必影响整个经营步骤。

近红外技术则能以它的快速、准确和实时性及时反馈有关信息，弥补这一缺陷，因此受到越来越多的行业研究者的青睐。

表1 近红外可靠性研究结果（原料：面粉）

成分
 样本数
 含量范围/％
 相关系数
 
蛋白质
 375
 6.1~12.7
 0.98
 
湿度
 57
 12.2~13.6
 0.99
 

3.2 远红外技术在食品行业中的应用

基于远红外线的特性，目前国内外食品*正在大力研究这一技术在食品工业中的应用，主要应用在以下几个方面:

1.促进食品的成熟：国外食品*已成功的实验出利用远红外线使水产制品蛋白质易于成胶，促进面筋的形成，达到成熟；鸡蛋用远红外线照射受热均匀，热度一致，风味胜过水煮。在茶叶生产中，用远红外线照射可以使茶叶的温度达到30~40℃凋萎，从而可以增加茶叶的香味，保持良好的品质。

2.用于防腐杀菌：远红外线用于照射食品可以起到防腐杀菌的作用。例如：用远红外线照射刚采集的高水分的新鲜柑橘、苹果等，能降低其水分含量，减少储存过程中因水分过大而造成的腐烂现象。采用远红外线辐射加热，还能杀死细菌和微生物，可以用于各种袋装食品的灭菌处理，因为这些食品，不能使用传统的高温消毒方法，因此远红外的杀菌技术已广泛用于奶制品、豆制品等食品加工业和保鲜技术当中。

3.脱水干燥处理：食品应用红外线脱水干燥具有加热速度快、加热方式均匀、传热效应高等优点。这种原理和微波炉的原理是一样的，现今也出现了光波炉这种烹调技术。日本就开发出一种远红外线蔬菜干燥装置。根据蔬菜的不同种类和状态采取不同的措施，在短时间内将蔬菜烘干。这样不仅减少了蔬菜营养成分的流失，且蔬菜的外形变化不大，用冷水或温水侵泡后，蔬菜能很快的恢复原状。该装置既能生产出冷冻干燥食品相媲美的干燥蔬菜，且成本比热风干燥低很多。

4.远红外线烘烤食品：远红外线具有表面加热均匀的性能，因此可用于烘烤食品。远红外烘烤食品的优点在于不会产生类似膨化造成的内外表面的水分分布不均匀、口感较差的现象，能使食物的内外表面水分一致，口感好。常见用于炸鱼，煎蛋等。

5.检验食品的营养：利用远红外线分析食品营养成分是远红外在食品工业中的又一新应用，美国科学家利用红外光谱法则测定麦类制品的面粉及烘烤食品原料的蛋白质、微量元素、脂肪及含水量等。应用这样技术的目的在于实现食品质量常规监测程序的自动化。这种红外线检测仪的大小和影碟机类似，具有携带方便、分析速度快等特点，测定全过程仅2~3分钟。

6.在榨油业中的应用：日本轻金属公司成功的开发出远红外线酿酒器，只需十几个小时便能酿出美味的果子酒。这种酿酒器是利用铝材经过特殊处理加工后，再经过加温就会散发出远红外线，从而代替了传统的自然放置酿酒工业。在类似电饭容器里装上铝制电气加热器便制成。使用时接通电源可以使锅内保持28℃，这一温度促使果汁外流从而迅速的酿出果酒。

3.3 中波红外掺假技术的应用

物质在中红外光谱区具有一定的吸收特性，像中红外技术已应用于测定啤酒和酒精饮料中乙醇含量、原料肉中蛋白质和脂肪含量、黄油中的脂肪和水分、牛奶的分析测定、某些食品的掺假检测、食用油脂特性的研究等等，它已成为现代结构化学、分析化学较常用和较不可缺少的工具之一。

3.4 高红外加热技术的应用—光波炉

光波微波炉与传统微波炉的工作原理不一样，普通微波炉加热（烹饪）由磁控发射的微波来完成，光波微波炉工作时分别选择微波、光波或微波与光波组合等三种加热方式。光波微波炉综合微波自内而外和光波自外而内的加热原理，使烹调者可根据食物的特点分别选择微波、光波或微波与光波的组合等三种加热方式。选择微波和光波组合加热时，光波源和磁控管可同时启动，在数码光波技术的作用下，数码光波微波炉能综合光波和微波同时以30万公里/秒的速度在高度密闭的炉腔内对食物进行从里到外加热，由于加热时间更短，不仅比一般微波炉加热更快速，而且通过高密度智能化能更好的保持食物水分和营养成分不流失，其原理如前所述的远红外加热原理。

4  总结和展望

红外技术已经广泛的应用于食品工业各个领域，特别是远距离检测技术适用于污染严重、高压、高温等对人体和仪器有损害的环境应用，为近红外网络技术的发展奠定了基础，是我们应该大力开发的项目，一些新技术、方法的提出和设备的制造也加速了这一领域的进步。

4.1新应用领域及新仪器的开发

红外技术的应用将为仪器分析带来一场革命。由于其方便快捷、无损伤等特性，适合在各行各业中应用，因此应扩大新的应用领域。

4.2标准规范化

不同地区的不同单位，在红外仪器的定标过程中往往采用各自检测的标样，不同单位的标样之间存在着一定的差异，导致测定结果也有一定的差异。在一定大的区域建立一个统一的标准，可以消除用不同标样带来的误差，使测定结果更具有可比性。

4.3发展在线检测及网络技术

在线检测是及时解决生产中质量问题的较有效途径。光导纤维及传感技术的发展使在线监测成为现实，有望在企业生产过程中获得广泛的应用。网络技术是近几年发展较快的技术领域，将近红外检测技术与网络技术相结合，不仅可以实现异地定标、异地检测及资料共享，同时也有利于掌握大区域内样品的总体情况。近红外在线技术及网络技术具有很大发展空间。

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