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?yàn)閷t外波譜并沒有一個(gè)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(dòng)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(jí)。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(shí)，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(dòng)頻率不同，該頻率的紅外光就不會(huì)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(shí)，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(huì)變?nèi)?，另外一些波長范圍內(nèi)會(huì)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(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)原料及產(chǎn)品品質(zhì)的變化，便于及時(shí)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(dòng)（振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)）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(jí)變化，迫使分子運(yùn)動(dòng)加劇而內(nèi)部發(fā)熱，使其溫度急劇升高。同時(shí)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(shí)間。同時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)

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(shí)，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(huì)對環(huán)境造成污染，又可以節(jié)約大量的試劑經(jīng)費(fèi)。近紅外儀器的測定時(shí)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(diǎn)，根據(jù)這一優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)藏庫中安裝近紅外裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)果蔬的自動(dòng)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(shí)的發(fā)現(xiàn)原料及產(chǎn)品品質(zhì)的變化，便于及時(shí)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(shí)。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(shí)檢測

多組分同時(shí)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(shí)測定多種組分，比如在測小麥的模式中，可以同時(shí)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?yàn)樵跍y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(shí)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(shí)驗(yàn)本身的耗時(shí)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(shí)，油菜籽中油脂含量需18小時(shí)，賴氨酸含量大約需兩天，而卡車的卸貨時(shí)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(shí)間，勢必影響整個(gè)經(jīng)營步驟。

近紅外技術(shù)則能以它的快速、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)性及時(shí)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）

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(gè)方面:

1.促進(jìn)食品的成熟：國外食品專家已成功的實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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?yàn)檫@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(diǎn)。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(shí)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(diǎn)在于不會(huì)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(yàn)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(shí)現(xiàn)食品質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測程序的自動(dòng)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(diǎn)，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(gè)小時(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)，光波源和磁控管可同時(shí)啟動(dòng)，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(shí)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(shí)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(gè)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(xiàng)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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)現(xiàn)異地定標(biāo)、異地檢測及資料共享，同時(shí)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。