牛肉饼欧姆蒸煮过程中的腐蚀与健康问题

摘要

欧姆烹饪过程是基于电流通过食物导致内部发热。先前的研究表明，通电加热和常规加热相结合可以缩短肉饼的烹饪时间。然而，烹饪后电极板上出现点蚀，影响食品安全。在本工作中，选定的参数（50 Hz和10 kHz频率）用于确定频率对不同不锈钢电极板腐蚀的影响。肉眼观察腐蚀的316L不锈钢电极板和烹饪馅饼中的金属离子浓度表明，较高的频率显著降低了欧姆烹饪中的腐蚀。更重要的是，结果表明，镍和铬离子从不锈钢板转移到肉中的速度比铁离子导致铬和镍离子使用高频电源时，熟肉中的浓度在安全范围内。

介绍

欧姆加热，即焦耳加热，是一种先进的热过程，其中电能被转换为热量，并导致食品内部温度的有效升高。该方法基于欧姆定律，其中热量产生(P（P）)由于电流(我)穿过有阻力的食物(R（右）)由提供P（P） = 我²R（右）先前的研究表明，大多数食物都含有盐和酸等离子物种（Palaniappan和Sastry，1991）；因此，电能可以转化为热量，从而有效加热食物内部，从而高效、快速、均匀地加热食物（O'zkan等人，2004年）。

欧姆加热的历史可以追溯到19世纪90年代末，当时Wanger等人（Jayasinghe，2004）于1895年申请了第一项专利。两年后，F.Jones发明了一种用于液体欧姆加热的设备（Ching，2007）。自那时以来，人们尝试在牛奶巴氏杀菌、罐装（在无菌包装技术出现之前）、解冻和热烫的应用中利用欧姆加热。随着欧姆加热的进一步研究，还发现了蒸发、脱水、发酵和提取等其他潜在应用。欧姆加热的大多数商业应用仅限于液体食品的加工（Ramaswamy等人，2003年，Shiby等人，2012年），包括果汁、液体鸡蛋、啤酒和葡萄酒（Reznik，1996年，Shibe等人，2012）。如今，欧姆加热的大多数研究都集中在固体食品上，因为该技术已证明优于传统热处理和其他替代热技术，如微波、射频和感应加热（Shiby等人，2012）。

2002年，发明了一种将欧姆加热和传统平板烹饪相结合的烹饪方法（Farid，2002）。这种新方法使用欧姆加热，在牛肉饼与三明治烤架一起烹饪时，在整个厚度范围内产生热量。对这种烹饪方法的研究表明，采用这种平板/欧姆烹饪可以显著缩短烹饪时间（O'zkan等人，2004年）。肉饼的中心温度比传统的平板加热上升得快得多，这可以有效地灭活病原体，从而在较短的烹饪时间内生产出更安全的产品（Jayasinghe，2004）。

然而，在这种方法中，每次烹饪后，烹饪盘都会被严重腐蚀。电极的腐蚀问题在食品应用中变得尤为关键，因为食品的安全和质量始终是食品加工中的重要参数。因此，天然存在于食物中无害形式的生物分子可能会导致有毒物质或使煮熟的食物产生难闻的味道（O'zkan等人，2004年）。

腐蚀可以定义为材料（通常是金属）通过与其周围环境的化学反应而逐渐破坏或变质。金属腐蚀是一个复杂的过程；腐蚀机理可以用多种方法解释，如混合电位理论（Sedriks，1996）和电极“结”理论（Samaranayake和Sastry，2005）。

根据混合电位理论（Sedriks，1996），腐蚀涉及两个独立的过程或半反应，即氧化和还原。氧化是金属原子腐蚀时消耗金属原子并释放电子的反应。氧化发生在腐蚀金属的阳极位置，可以通过以下一般反应来描述：

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阳极反应产生的所有电子都被相应的还原反应消耗掉。还原反应发生在腐蚀金属的阴极部位。电化学腐蚀中遇到的一般阴极（电子消耗）反应可写为：

• 氢离子还原：2H⁺ + 第二版 → H（H）₂.

• 氧气还原（酸溶液）：O₂ + 4小时⁺ + 第四版 → 2小时₂O。

• 氧气还原（碱性或中性溶液）：O₂ + 2小时₂O（运行） + 第四版 → 4小时⁻.

• 金属离子还原：M^+n个 + e（电子） → M（M）^+（n−1），其中n个 = 1, 2, 3, …

• 金属沉积（电镀）：M^n个 + 氖 → M、 其中n个 = 1, 2, 3, …

在腐蚀过程中，可能会发生阳极反应和多个阴极反应。去除其中一种阴极反应可以降低腐蚀速度。

电极“连接”理论（Samaranayake和Sastry，2005）也是解释腐蚀机理的可用方法之一。在该理论中，欧姆加热中的电极表面被假定为固态导体（即馈线）和液相或半固态导体（如加热介质电池）之间的“接头”。通过将电流均匀地传输到加热介质中，结起着至关重要的作用。众所周知，电极的物理和化学性质，尤其是电极表面，都会影响电化学中电极/溶液界面的电化学过程。与电极的特定电化学反应可能缓慢发生或根本不发生，而在相同条件下与另一电极的相同电化学反应可能更快。根据电极“结”理论，有必要选择合适的电极材料，以避免或抑制欧姆加热条件下的电化学反应。

为了减少腐蚀，在过去几年中研究了肉饼的平板/欧姆烹饪所涉及的因素（Jayasinghe，2004，Liu等人，2006，Ching，2007，Gin和Farid，2007）。几乎所有类型的电极在低频（50 Hz）交流电（Jayasinghe，2004，Liu等人，2006，Ching，2007）。高频（3 kHz等）有效地减少了不锈钢电极的腐蚀（Gin和Farid，2007）。在过去几年中，还对食物的质地进行了测试（O'zkan等人，2004年，Ching，2007年）。通过平板/欧姆蒸煮的肉饼的机械性能、水分和脂肪含量与普通平板蒸煮的肉饼相似。由于在大多数欧姆加热过程中都发现了腐蚀现象，因此近年来研究了熟食的电气和热物理特性，如肉丸（Engchuan和Jittanit，2013）、火腿（Zell等人，2012）、碎牛肉-脂肪混合物（Bozkurt和Icier，2010）、牛肉肌肉（Zell等，2010）。

腐蚀速率是根据每次烹饪后电极的质量损失来测量的。然而，这种方法不足以进行食品安全评估，因为各种金属离子可能以不同的速率从电极板转移到肉中。金属向食品迁移的测定以前从未进行过研究；本文的目的不仅是测量平板/欧姆蒸煮中电极的腐蚀速率，而且是测量单个离子从蒸煮电极表面到肉的迁移速率。此外，人类对铁、铬和镍的安全消费量也大不相同，因为与铬和镍相比，我们可以承受更高的铁离子浓度。

这里需要注意的是，与在连续欧姆加热中观察到的情况相比，在食品的分批欧姆烹饪中，电极（烹饪板）的腐蚀非常严重。在前者中，盐和酸性食物在烹饪表面附近保持静止，而在后者中，离子通过加热的物料流不断补充。