CN1545823A - 变频自动电容射频(rf)介电加热系统 - Google Patents

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Abstract

通过使食品保持在由射频信号产生的交流电场中对食品加热。当进行加热时，利用自动阻抗匹配以调节该过程的加热速度，使最大能量被输送给食品。

Description

变频自动电容射频(RF)介电加热系统
技术背景和概述
本发明涉及食物和生物制品的电容射频(RF)介电加热方法和设备。
多种不同的方法可用于各种材料的热加工。可以利用热水、蒸气、电阻加热元件、燃烧器、焰炬、炉、导电(欧姆加热)、感应加热(磁)、电容加热(介电)和电磁辐射加热(谐振炉、腔或室)以及其他许多加热方法来提供热量。这些热加工技术的应用包括消毒、巴氏灭菌、解冻、熔化、固化、干燥、粘结(例如，层压)、焊接、钎焊、化学反应所需要的加热以及其他许多应用。可被加热的材料包括陶瓷、橡胶、塑料(和其他聚合物)、复合材料、金属、土壤、木材和包括食物在内的多种生物材料。
加热技术的一个重要的应用领域是食物的消毒和巴氏灭菌，特别是对大尺寸包装食物的消毒和巴氏灭菌。随着许多因食物中的未被杀死的微生物种群而导致人们生病或者死亡的事件的发生，使得食品安全和质量成为越来越重要的课题。例如，象苜蓿和萝卜种子这类农业原产品，在生长和收获过程中可被藏有诸如沙门氏菌或者E.coli O157：H7(大肠杆菌)等病原体的有机材料污染。种子处理和储藏程序旨在通过除去草子和外来物质来减少种子的品种污染。这样的种子清洁和净化程序确保品种纯度，但没有提供用于发芽和作为食物消费的种子的食品安全干涉的方法。因此，关于萝卜和苜蓿芽的发芽种子产品被微生物污染而导致疾病爆发的案例也在增加。有几个国家均发现人类沙门氏菌病(由沙门氏菌引起)和E.coli O 157：H7的爆发与苜蓿和萝卜芽的食用有关。苜蓿和萝卜芽，这种公认的高营养健康食物，被怀疑与在多地的几起因食物致病的手段有关。1996年，Oregon和British Columbia的大约150个沙门氏菌病确诊病例都与食用这些蔬菜芽有关。同样在1996年，日本有11000人因食用萝卜芽感染了E.coli O157：H7并导致11人死亡。1997年6月和7月，在Michigan和VirginiaE.coliO 157：H7传染病的同时爆发分别与食用由同一批种子生长的苜蓿芽有关。Michigan Department of Community Health收到了60个E.coil O157：H7感染者病例报告，Virginia Department of Health收到了48个病例报告。近年来，the California Department of Health Services证实1998年6月16日至6月27日发作的由E.coli O 157：NM诱发的6个病例是食用苜蓿-三叶草草芽的结果。
为确保食品安全的需要，加强食品加热/温度关系标准化是必需的。另外，食品质量和品味对于我们这种以消费者为主和消费者具有选择性的社会来说也是至关重要的。因此，需要一种加热技术，它能在合理的时间内均匀地杀死食品中微生物并且最小可能地影响食品的质量。
在海产食品工业中，例如，现用于海产食物的巴氏灭菌的加热技术使用热水或者蒸汽。这些技术具有一些局限性，包括依赖食品表面的热传导，(导致不均匀加热)，加热速率慢(特别需要传热到食品的中心时)、要求大设备的占地面积，总体能量效率低、产生大量的废水以及对食品几何结构的限制(即，要求薄的和扁平的形状)。
电容射频(RF)介电加热已应用于不同工业领域中。它们包括：在木材工业中的各种木材和锯屑产品的干燥；纸产品的预热和后期干燥；纺织品干燥；玻璃纤维和卷筒的干燥；纸板工业中的水基胶的干燥；药品干燥；塑料熔接；密封；塑料成型前的预热；铸造中型芯焙烧；纤维面板的聚合；胶合板的木材的胶粘；纺织、皮革和制鞋工业中的印刷和标记；蜂蜜熔化；橡胶硫化前的加热；玻璃成形部分的熔接；多层玻璃制品的粘接；粉末干燥；皮革和皮毛的干燥；环氧化物的硬化；塑料溶胶的硬化；制动衬面的硬化；树脂浸渍；粘结剂的热固化；硬质纤维板和刨花板的硬化以及其他许多应用。
与非电磁加热方法相比，使用电容(RF)介电加热方法对进行食物巴氏灭菌和消毒具有几个优点。这些优点包括：快速加热；基本上不依赖于物体的热传导(即，直接对物体的内部进行加热)；能量效率高；即使在没有直流导电性的情况下也能够进行良好的加热；高能量密度；较小的生产占地面积以及容易适应自动化批量生产和/或连续流水作业。由于电容(RF)介电加热快，因此与常规加热方法相比，被加热的食品水分损失小。
该技术的另一个应用是冷冻食品的解冻。常用的解冻应用仍然依赖于实现解冻的热量从表面到内部的热传导。为保证食品的质量和新鲜程度，解冻通常将食品浸泡在略高于其冻结温度的水池中或放置在略高于其冻结温度(例如，35-40°F)的电冰箱中来进行的。因此，解冻时间通常很长。电容加热技术可以对整个体积均匀加热，从而实现快速解冻。
电容(RF)介电加热与频率较高的电磁辐射介电加热(例如，微波炉)的不同之处在于，利用电容加热，所选择的频率的波长大于被加热的样品的尺寸，而利用电磁辐射加热，波长与被加热的样品的尺寸相当，甚至小于被加热的样品的尺寸。电容加热的实例之一是，放置在木材样品的相对两侧的两个大平行电极，并且使交流位移电流流过木材样品以加热和干燥木材。电磁辐射加热的一个实例是，具有谐振电磁驻波模式的金属腔，诸如微波炉。电容加热与较低频率的欧姆加热的不同之处在于，电容加热取决于介电损耗，而欧姆加热依赖于在介质中的直接电阻传导损耗，并且需要电极直接接触介质(即，不能穿透塑料包装或者空气间隙)  (在某些情况下，可一起使用电容和欧姆加热)。
电容(RF)介电加热方法优于其他电磁加热方法。例如，电容(RF)介电加热与频率较高的电磁辐射介电加热方法(例如，微波炉)相比，由于较强的穿透性及以及简单均匀的场分布(相对于微波炉中的复杂非均匀驻波分布)，因此电容(RF)介电加热方法在样品的整个几何形状上提供更均匀的加热。另外，电容(RF)介电加热方法在足以使用标准功率栅极管的低频下操作，所述标准功率栅极管不仅成本较低(对于特定的功率级)而且能提供比微波管高的功率。
电容(RF)介电加热方法与低频欧姆加热相比具有优点。这些优点包括对被封闭在绝缘塑料包装内并且可能被空气或者去离子水阻挡层包围的介质加热的能力(即，电极不必与加热体直接接触)。因此，电容加热的性能基本上不局限于与电极平滑接触的产品。电容(RF)介电加热方法不依赖于是否具有直流导电性并且可加热绝缘体，只要它们包含可部分转动和产生介电损耗的极性介电分子即可。在Orfeuil，M.1987.Electric Process Heating：Technologies/Equipment/Applications.Columbus：Battelle Press中描述了一种现有常规的电容介电加热系统的设计。
电容(RF)介电加热装置已用于食品工业中，但报告的能量效率低并且加热不总是均匀的。Proctor Strayfield公司已经开发了一种magnatube巴氏灭菌系统(Koral，A.L.，1990.Proctor-StrayfieldMagnatube Radio Frequency Tube Heating System.Proctor Strayfield，ADivision of Proctor & Schwartz，Inc.)，该magnatube巴氏灭菌系统被证实已成功用于炒蛋的烹调/消毒以及由利用垂直管系统的泵送浆制作“无皮”肉糕的过程中。在1991年荷兰的Houben等人(Houben，J.，Schoenmakers，L.，van Putten，E.，van Roon，P.And Krol，B.1991.Radio-frequency pasteurization of sausage emulsions as a continuous process.J.Microwave Power & Electromagnetic Energy.26(4)：202-205)证实，利用射频加热可成功地对香肠肉糊进行巴氏灭菌。在1970年瑞典的Bengtsson等人(Bengtsson，N.E.，and W.Green.1970.Radio-FrequencyPasteurization of Cured Hams.Journal of Food Science.V35：681-687)证实，利用射频加热可成功地对腌制火腿进行巴氏灭菌。在PSC，Inc.Of Cleveland，Ohio的一个试验场(Kolbe，E.1996.Heating of packagedsurimi seafoods in a commercial RF oven.Unpublished information.OSUDept.Of Bioresource Engineering.)对包装的和未包装的切碎加工的海产食品样品进行了射频加热可行性试验。该试验系统是设定在18MHz的高功率单一频率电容加热器。对于放置在平行电极之间的样品的试验表明，当它们取向适合时，切碎加工的海产食品可在小于10分钟的时间被加热到巴氏灭菌温度(85℃)。但是，结果还表明，包装可以使加热中的问题复杂化。例如，陷在包装缝中的少量食物可导致快速的局部加热和燃烧。
在介电加热领域中，先前的一些研究工作探讨了利用介电加热对种子发芽的催化作用。在过去的四十年里，已经对利用介电能量刺激或者提高种子的发芽和生长以及控制昆虫的可能性进行各种论证(Nelson，S.O.and Walker，E.R.1961，“Effects of radio-frequencyelectrical seed treatment，”Agricul.Eng.42(12)：688-691；Nelson，S.O.1976，“Use of microwave and lower power frequency RF energy forimproving alfalfa seed germination，”J.Microwave Power 12(1)：67-72；Nelson，S.O.1996，“Review and assessment of radio-frequency andmicrowave energy for stored-grain insect control，”Transactions of theASAE.39(4)：1475-1484.)。报告结果显示射频和微波技术可以加速发芽和早期生长，并且可以杀灭镰刀菌孢子促使种子生长的植物的早开花和高产出。Nelson and Walker(1961)报导，使包含很硬的种壳的苜蓿短暂暴露在电场下成功地降低了硬种百分比并且相应地提高了正常种子发芽率。另外，已经证实，电场处理所带来的有益效果包括，苜蓿种子可被储放高达21年并且没有表现出任何短期或者长期的不良效果(Nelson，1961，1976)。Nelson(1976)发现，处理时的种子中的水分含量会影响种子对电场处理的响应程度。通常，水分含量较低的种子对于处理作出的反应比水分含量较高的种子更好。在任何特定的水分含量下种子处理的最终温度好似良好响应程度的良好指示器。已经进行了利用频率较高的微波加热处理种子的一些工作。Cavalcanteet al.(Cavalcante，M.J.B.and Muchovej，J.J.1993，“Microwave irradiationof seeds and selected fungal spores，”Seed Sci. & Technol.21：247-253)研究对种子应用微波辐射及其对于所选择的真菌孢子的控制效果。
已有一些研究工作对食物和包装材料的介电性能进行了探索。初步数据表明塑料聚合材料在低频下具有依赖温度的Debye(德拜)谐振效应(Malik，T.M.，R.E.Prud’Homme.1984.Dielectric Properties ofPoly(α-Methyl-α-N-Propyl-β-Propiolactone)/Poly(Vinyl Chloride)Blends.Polymer Engineering and Science.V24，n2 p 144-152；Scarpa，P.C.N.，Svatik，A.And Das-Gupta，D.K.1996.Dielectric spectroscopy ofpolyethylene in the frequency range of 10-5Hz to 10-6Hz.Polymer Eng. &Sci.36(8)：1072-1080)。并且，有些研究对食物在中频范围的介电特性进行了探索并得到有限的列表数据(Von Hippel，A.R.，1954.Dielectric Materials and Applications.MIT Press；Kent，M.1987.Electrical and Dielectric properties of food materials.Science andTechnology Publishers，England；Mudgett，R.E.1985.Electrical Propertiesof Foods.In Microwaves in the Food Processing Industry，R.V.Decareau(Ed.).New York：Academic Press；Pethig，R.1979.Dielectric andElectrical properties of Biological Materials.Chichester：John Wiley &Sons，Inc.；Tinga，W.R.and S.O.Nelson.1973.Dielectric Properties ofMicrowave Processing-Tabulated.J.of Microwave Power：8：1-65；Tran，V.N.and Stuchly，S.S.1987.Dielectric properties of beef，beef liver，chicken and salmon at frequencies from 100 to 2500MHz.J.MicrowavePower.29-33)。大多数关于食物的介电特性数据是在较高的频率(＞100MHz)测得的，主要是为微波炉的应用而研究的，这些数据与食品物体中的水的介电性能紧密相关的。
电容(RF)介电加热方法的缺点是，在非均匀性材料中的热逸散或者局部过热的可能性，这是由于介电损耗通常是温度的强函数(例如，有损耗的介电食品材料的小袋，例如陷在包装接缝中的小的热物质，可能快速加热并且其本身可能燃烧接着使包装熔化)。电容加热的另一个缺点是，如果穿过被加热物体的电场强度太高可能出现介电击穿(弧化)(增加厚度以及减小电极和物品之间的空气间隙能使加热在较低的电压下进行从而避免介电击穿)。
近年来食用薄膜被用来延长食品贮藏寿命并且保护它们不会受到有害环境影响。在过去的十年对食用薄膜的关注和研究非常热门。食用薄膜对于食品质量和在加工和储藏过程中的保藏的将来发展是非常有前途的。实际上，食用薄膜可用在许多塑料包装膜无法应用的场合。例如，它们可在食物内分离几个隔间。尽管食用薄膜不能完全取代合成薄膜，但是它们的确能够减少包装和在传统包装不能发挥作用的食物部分之间限制水分、香味和脂类的转移。
食用薄膜被定义为以覆层的形式形成在食物上或者放置(预形成)在食物上或者在食物部分之间的一种或者多种食用材料的薄层。大多数食用薄膜是由诸如动物和植物蛋白质的农产品、胶质和脂类获得的天然聚合物并且最好是可生物降解的，而且通常是水溶性的。用于制造食用薄膜的常用材料是纤维素醚、淀粉、玉米蛋白、面筋、大豆蛋白和牛乳蛋白质。示例包括甲基纤维素(MC)、羧基丙基纤维素(HPC)、钠和钙酪蛋白(SC或者CC)和乳清蛋白质浓缩物(WPC)。
食用包装物的性能在机械强度、阻挡性能和相容性方面与常规合成聚合物薄膜相当。食用包装的应用包括其在抑止合成食物内的水分、氧、二氧化碳、香味和脂类等的迁移；携带食品成分(例如，抗氧化剂、抗菌剂、调味剂)；和/或提高食品的机械整体性或者易于传递特性。
通过薄膜输送的水分受到不同聚合物薄膜特性的影响，它们包括：薄膜的化学结构、制备方法、加工条件、自由体积、密度、结晶度、极性、构形规正度、交联和接枝、取向、添加剂的存在和聚合物混合物的使用。结晶度、密度、取向、分子重量或者交联的增大会导致食用薄膜的渗透性降低。
尽管过去已经使用电容(RF)介电加热系统加热食物，但是仍然需要能够快速、有效和均匀加热食品或者部分食品的改进方法和设备。
现在已经发现，可使用特定的电容(RF)介电加热设备和/或方法快速、有效和均匀加热食品，包括常规的食物和种子，以及任何相关的包装物，以进行安全巴氏灭菌、消毒和/或解冻。
附图的简要说明
在附图中：
图1是现有的电容(RF)介电加热系统的示意图；
图2A、2B和2C是图1的介电加热系统的用于不同类型食品的等效电路图；
图3是图1的介电加热系统的框图；
图4是更详细地表示图3的介电加热系统的高功率RF信号产生部分的框图；
图5是一种电容(RF)介电加热系统的框图；
图6是可用于图5和图9的系统中的栅电极的顶部平面图；
图7是沿着图6的线7-7所得到的截面图；
图8A-图8D是有益于使用介电加热系统的四个制造工艺流程的框图；
图9是与图5类似的框图，不同之处在于表示了一种电容(RF)介电加热系统的一个备选的实施例；以及
图10和图11是表示在电容(RF)介电加热系统中应用的阻抗匹配方法的步骤流程图。
图12和图13是表示在实例6中描述的分别用于第一和第二次实验中的种子的加热速率和发芽率的表。
图14是表示实例6中的种子的微生物试验结果的表。
图15A和图15B是表示在实例6中描述的分别用于第一和第二次实验中的种子容器构造和温度传感器位置的示意图。
图16是表示实例5中所述的电容(RF)介电加热方法的结果的温度相对于时间的变化分布图。
图17是表示在实例6的第一次实验中的萝卜种子的加热均匀性的温度相对于时间的图表。
图18是表示在实例6的第二实验中的苜蓿种子的加热速率的温度相对于时间的图表。
图19是表示在实例6的第二实验中的苜蓿种子相对于它们在容器内的位置的温度分布的温度相对于时间的图表。
图20是实例7中所述的碎鱼肉凝胶的温度相对于时间的图表。
图21是实例7中所述的碎鱼肉凝胶的加热速率相对于时间的图表。
图22是与图21类似的加热速率相对于时间的图表，但是示出了由于较好的阻抗匹配而在加热速率方面提高了均匀性。
附图的详细说明
图1-图4示出了一种已知的电容(RF)介电加热系统的示例。高压射频频率正弦交流信号被施加在如图1中所示的位于介电介质24的相对两侧上的一组平行电极20、22上。在被称为产品处理区的区域中，被加热的介质24被夹在或者放置在电极20、22之间，从而由于介质中的极性分子以与所施加的交流电场相反的形式排列和转动而使交流位移电流流过介质24。不发生直接传导，而是由于极性分子随着有效电荷前后转动使得有效交流电流流过电容。当这些极性分子转动时，这些极性分子与相邻分子的相互作用而产生晶格和摩擦损耗，因此产生热量。
因此，如图2A中所示，图1所示的合成等效电路是电阻器与电容器并联的电路。具有相对于所施加的射频电压的电流的同相IR部分和异相IC部分，同相部分IR对应于电阻电压损耗。对于固定的电场强度或者电压梯度，当施加的信号的频率增大时，由于与相邻分子相互作用的速度较快，因此，这些损耗增高。交变电场的频率越高，提供给介质24的能量越大，直至频率高到转动的分子由于晶格限制而不再跟上外部电场为止。
该频率(被称为“Debye谐振频率”，是根据对其模型化的数学家命名)表示在发生晶格限制时的频率，并且是对于特定的电场强度，在最大能量可被提供到介质中(并且因此最大加热)时的频率。该高频率限制与极性分子的复杂性成反比。例如，具有氨基酸极性侧基或者链的蛋白质具有比单极性水分子低的转动限制，从而具有比单极性水分子低的Debye谐振频率。当介质被加热时，这些Debye谐振频率也会随着温度变化。
一些介质可由不同于图2A中电路的合成等效电路表示。在本申请中所涉及的介质是食品，这里所涉及的食品包括常规食物、获得食物的农产品(例如，发芽种子)以及其他可食用的物质(例如，用于包装种子的食用薄膜)。例如，对于通常具有高水分含量(大约74-84％)和高含盐量(大约1-4％)的碎的海产品，合成电路仅是一个电阻器(图2B)，这是由于欧姆性能占优势。但是，对于水分含量较低(大约3-6％)的种子，合成电路是与电阻器串联的电容器(图2C)。
其他各种食物和食物类型的产品可能具有不同的电路模拟。较复杂的模型可能具有串联和并联方面的结合以达到二级效应。在任何模型中的任何部分可具有温度和频率相关性。
图3和图4中示出了常规的射频加热系统的实例。在该系统中，高压变压器/整流器将整流正高电压(5kV至15kV)提供给标准三极功率振荡器管的正极。如图4中所示，调谐电路(并联电感和电容器储能电路)连接在阳极和该管的接地阴极之间，并且所述调谐电路是能够振荡并因此产生射频信号的从阴极到管的栅极电感耦合的正反馈电路的一部分。接着，如图3中所示，该射频信号发生器电路输出通过适配器网络转到组合的电容介电和电阻/欧姆负载，所述适配器网络包括耦合电路和能够匹配负载的阻抗并且使输送到负载上的加热功率达到最大的匹配系统。如图1中所示，施热器包括用于将射频能量输送给被加热的介质24的电极系统。
图1-4的已知系统仅能够在窄的频带上以及仅以固定频率工作，该固定频率通常由目前的ISM(工业、科学、医学)频带所规定。这样一种窄的工作频带不能提供阻抗的调谐。必须在射频放大器系统不运转时人工地进行系统参数调节。另外，所选择的频率可发生漂移。因此，即使已知系统可以提供任何控制，这样的控制是不精确、不稳固、不实时或者非自动的。
下面所述的新的电容(RF)介电加热方法和系统提供改进的整体性能并且对加热过程提供更精确和稳固的控制。对于该新的方法和系统，在该控制过程中确定和/或使用食品的特定的介电性能，该性能或者直接作为过程控制参数或者间接参考在该控制过程中所用的模型的形式，该模型包括基于该性能的关系。在处理、包装和制备食品的各个阶段中的利用电容(RF)介电加热的新的方式被披露。详细描述两个示例性的技术方案。
根据参照图5中所示的系统所述的第一技术方案，产生变频射频波形，该波形被输出到放大器和阻抗匹配网络以产生用于加热食物的电场。至少基于食品的测量温度和食品的一个或者多个特定介电或者欧姆特性，该系统被控制以提供最佳的加热。多个频率的功率波形可同时被提供。
根据主要参照图9的系统描述的第二技术方案，为自动阻抗匹配提供增强反馈。通过匹配阻抗，最大功率被供给到负载，从而达到最大的加热速度。一般地，达到最高可能的加热速度是希望的，这是由于快速加热能够减小对食物的破坏(例如，长时间加热会降低食品中的水分含量)。如果出现阻抗不匹配，对食品的加热速度则会降低。
下面对每一个技术方案的特定实施例进行描述，以下内容是关于介电性能和阻抗匹配的特性和监测。
特性、监测和模型化
了解介电性能相对于频率和温度的关系特性对于利用本发明的一些方法对各种食物进行巴氏灭菌、消毒和解冻的电容(RF)介电加热系统的设计是有帮助的。通常希望在没有使质量、质地或者味道出现任何不适宜的劣化的情况下加热食物，包括需要预先烹制的食物。这样，为了有助于对适合的操作条件的选择，对食物样品进行研究以评估在各种频率和温度下RF能量对食物样品的主要特性的影响。这些研究结果影响电容介电加热系统的设计。
另外，电容介电加热器可用来加热包装的食品。在某种情况下，如果过度加热，那么一些包装材料将降解，而其他包装材料可被故意加热以将热能转移到包含在包装材料中的食品。因此，对选择适合的包装材料和/或工作频率，包装材料的介电性能的特性和射频能量对这些材料的影响可能是重要的。
可利用电磁/热交换数学模型来预测各种食物和包装材料的介电加热性能。这样一种模型可包括2维和/或3维数学模型化程序以及能够使合成材料模型化的有限元方法。利用综合电磁和热交换原理的模型达到最佳的结果。
为了在所需的频率下提供交流位移电流，可调谐的射频信号发生器电路和相关的匹配网络的可变部分被主动调谐以改变频率，或者被自动调谐，或者利用控制系统予以切换。因此，还提供软件控制系统以建立频率分布图。变频合成器或者发生器和宽频带功率放大器及其相关匹配系统和电极是这样一个电容介电加热系统的有效组成部分。在有些实施例中，可利用热传感器或者红外扫描器监测加热介质的温度并且将数据反馈到控制系统中，扫描发生器的频率组以跟踪所关注的参数，诸如Debye谐振频率(下面将描述的)或者其他介电性能或者其他依赖温度的参数。
被试验的介质的主要电磁参数定义如下：
σ＝电导率(S/m)          E＝RMS电场强度(V/m)
ε＝电容率(F/m)          H＝RMS磁场强度(A/m)
μ＝磁导率(H/m)          B＝磁通密度(W/m2)
电容率和磁导率可被分成如下的损耗项：
ε＝ε′-jε″                  (1)
μ＝μ′-jμ″                  (2)
其中
j = - 1
ε′＝电容率的能量储存项
ε″＝电容率的损耗项
μ′＝磁导率的能量储存项
μ″＝磁导率的损耗项
当分析试验数据时，可假设磁损耗等于零，一般地，可假设频率足够高以使介电损耗因子ε″远大于由电导率σ造成的损耗(即，其中ωε″＞＞σ，角频率ω＝2πf，f是用Hz表示的测量频率)。(但是，对于海产品SURIMI，试验表明在100kHz至300MHz的范围内电导率σ是主导的介电损耗)。在低频范围内，有时需要考虑和测量电导率σ。利用以上这些假设，图2中的等效电容和等效电阻的表达形式被简化成如下形式：
C＝(ε′S)/d                         (3)
R＝d/(ωε″S)                       (4)
其中，S是电极板的暴露面积，而d是电极之间的板间距。
如上所述，本发明所涉及的电容加热系统在中频(MF：300kHz-3MHz)和/或高频(HF：3MHz-30MHz)频带中的频率下工作，有时延伸到甚高频(VHF：30MHz-300MHz)频带的低频部。频率通常是足够低的，从而可以假设工作波长远大于食品介质的尺寸，这样导致很均匀的平行电场电力线穿过食物介质。
阻抗匹配
电“阻抗”是对于给定的施加电压提供电流的电路或者一部分电路的总阻力的大小量度，总阻力包括电阻和电抗。电阻部分是由于载流带电粒子与导体的内部结构碰撞而产生的。电抗部分是由于在载有交变电流的电路中改变电磁场而产生的对电荷移动的附加阻力。对于稳定的直流电，阻抗简化为电阻。
如这里所用的，“输入”阻抗被定义为从输入端观察的一个或多个部分的阻抗，而“输出”阻抗被定义为从输出端往回观察的一个或多个部分的阻抗。
加热负载，或者更正式地，“实际负载”是介质(即，食品和任何包装)和周围结构(例如电容电极和任何可存在的电极封罩)的组合。这样，如这里所用的，“实际负载阻抗”是从实际负载往里观察的输入阻抗。介质的阻抗受到其欧姆和可依赖于温度的介电特性的影响。这样，由于介质的阻抗会随着温度变化而改变，实际负载阻抗在加热过程中通常会随着时间改变。
“有效调整”的负载阻抗也是输入阻抗，是经过任何“阻抗调整”改变的实际负载阻抗。在特定实施例中，“阻抗调整”包括可与负载耦合的可调谐阻抗匹配网络的输入阻抗和/或与负载周围的结构(例如，电极和/或可能存在的电极封罩)耦合的耦合网络的输入阻抗。在这些实施例中，“有效负载”包括任何阻抗调整结构的阻抗负载和实际负载。也可采用其他有助于使有效调节负载阻抗与信号产生单元输出阻抗匹配的阻抗调节。有效负载阻抗是本阻抗匹配方案所涉及的参数。
这里所用的信号产生单元指的是，产生功率波形、放大功率波形(如果需要的话)并将其提供给负载的一个或多个元器件。在特定实施例中，信号产生单元包括信号发生器、信号放大器以及导体，例如同轴电缆，通过它可使放大的发生器信号提供给负载。
所涉及的信号产生单元阻抗是其输出阻抗。在特定实施例中，信号产生单元输出阻抗在工作频率范围内基本上是恒定的并且不受控制。功率放大器的输入阻抗和输出阻抗以及信号产生单元阻抗和导体特性阻抗约为50欧姆。因此，信号产生单元输出阻抗也约为50欧姆。
这样，在特定实施例中，将有效调整负载阻抗与信号产生单元输出阻抗的匹配简化为调整有效调整负载阻抗以使其“匹配”50欧姆。根据具体情况不同，在有效调节负载阻抗可被控制为25至100欧姆内时，将把其达到适合的阻抗匹配，此时，约有90％或更多的功率将被传到实际负载中去。
基于在加热过程中进行的检测对该过程进行控制，从而基本上实时地进行阻抗匹配。可根据几种不同的方法完成阻抗匹配。这些方法可独立使用，但通常最好结合使用以在总阻抗匹配算法中提供不同程度的阻抗调整：
1、控制信号发生器的频率在一种自动控制方案中，信号发生器频率根据测量参数的反馈自动改变。
例如，信号发生器频率可根据实际负载温度以及预定的频率和温度的关系而改变。该频率还可被改变以跟踪上述Debye谐振和/或保持近似阻抗匹配。通常，这被用作一种比较粗的控制算法。
对于更精确的控制，提供给有效负载的功率波形特征可被测量、反馈和用于控制频率。例如，可检测提供给有效负载的正向功率和从有效负载反射的逆功率，并且与实际电压和在负载处的电流的测量结合使用以控制频率。
2.可调谐的匹配网络可被自动调谐以调节有效负载阻抗，以便与信号生成单元输出阻抗匹配。在第一步骤中，串联电感用于阻抗匹配网络的输出部分中以解调实际负载阻抗的串联电容部分。通过测量初始电容部分设定串联电感，初始电容部分是通过测量实际电压和在负载处的电流以及确定它们的相位差而确定的。也可在匹配网络内检测电压和电流并且控制零相移。
对比较复杂的负载的模型，将需要其他模型。另一种可选择的方案是使用分路感应线圈对分路电容负载解调。
最初，所得到的有效负载阻抗仅是电阻，但可能不等于所需50欧姆。在第二步中，匹配网络内的附加元件被调谐以便对于所述实施例使被定义为有效调节负载阻抗的匹配网络输入阻抗匹配所需50欧姆的目标值。第二步调谐是基于测量的正向功率和逆功率大小来控制的。
3.调节位于负载处的电容耦合网络中的间隙。在加热过程中可利用伺服马达自动地进行这样的调节。
4.调节作为实际负载的一部分被包括的电容电极的大小和间距以对实际负载阻抗进行微量调节。
下面两个部分对采用阻抗匹配的特定实施例进行描述。
第一方案
图5中示出了适于第一方案的一个示例性系统，其中至少监测被加热食品的测量温度。图5中的系统包括具有输出电压控制的可变射频信号生成器30、宽频带线性功率放大器32可调谐阻抗匹配网络34(用于固定频率工作或者变频工作)，电容负载20、22、24包括被加热的介质24。
该系统以在300kHz至300MHz的范围内的RF频率提供交流射频信号位移电流36。该频率范围包括中频(300kHz-3MHz)、高频(3MHz-30MHz)和超高频(30MHz-300MHz)的射频(RF)范围的低频区域中的VHF频率。
在图5中所示的特定实施例中，可变射频频率信号生成器30是能够同时产生多个不同频率的多路射频频率信号生成器。尽管可使用单一频率信号生成器，但是多频信号生成器可用于控制加热过程，特别是在食品的介电特性与频率有依赖关系的情况。以下实施例将给予详细的描述。
Debye谐振频率的实施例
作为一个示例，能量效率和/或加热速率在介质的“Debye谐振”频率下或者靠近该频率时达到最大。在其他的特定实施例中，介质的介电性能被追踪并且用于控制电容(RF)介电加热，当Debye谐振不存在或者不确切时。类似于Debye谐振，这些其他的介电性能可取决于频率和/或温度，但可能以不同的速率和程度变化，如电导率和电容率。
在该示例中，射频信号频率被调谐到部分被加热食品的一个或多个最佳Debye频率。多个Debye频率可出现在一种复合材料中。因此，多个合成频率组可被提供以控制几个Debye谐振。另外，射频信号频率可随着温度改变以追踪随温度变化的Debye频率偏移。
选择RF频率或者几个RF频率的合成信号以与被加热的介质24的主要Debye谐振频率组相关。这些Debye谐振率取决于介质24的极性分子组成，对于不同类型的食物的Debye谐振进行研究以用于加热系统的控制编程。信号发生系统，即可变射频频率信号生成器30，能够同时产生多个的频率。这种多频率控制系统可以根据不同食品种类或其他介质进行优化达到最佳效果。
由于食品或者其他介质24的极性分子组成的Debye谐振频率随着温度偏移，用于加热系统中的RF信号的频率或者合成频率组也将追踪温度和随着温度变化。
对于最佳设备，利用能够改变负载电流以控制加热速度和考虑不同食品几何结构和包装类型的计算机控制系统，自动调节RF信号功率水平和所得到的电场强度。功率的大小是通过以下两个步骤来控制的：(1)，用如图5中的附图标记35所示的电压和电流测量设备测量穿过实际负载的电流和电场强度；以及(2)，调节电压(交流电场强度)，从而改变电流，直至电流和电场强度的测量指示所需的功率水平已经达到。如图5中所示，计算机还通过控制多频射频信号合成器30以改变其频率和调节可调谐的阻抗匹配网络34。
图10是详细表示第一方案所涉及的另一种示例性加热过程的流程图。
在步骤170中，信号发生器30被设定一个或者多个初始频率。为了便于说明，假设在该实例中，设定一个频率，但是说明的内容同样适用于设定多个频率的的情况。
可基于已知的频率和温度之间的关系参照预定的频率或者频率范围选择设定频率。例如，可基于上述介质的一个或者多个Debye谐振选择设定频率。
在步骤172中，测量介质温度。在步骤174中，测量的温度和设定频率与介质的频率和温度预定关系相比较。该关系例如可以查阅表的形式被存储在计算机38中。
如果设定频率和预定频率之间的比较表明设定频率必须改变(步骤176；YES)，那么该程序前进到步骤178，利用被送至信号生成器30的控制信号自动改变设定频率，并且重复步骤174。如果设定频率不需要改变(步骤176；NO)，则该程序进入下一步。
如虚线所示，自动阻抗匹配程序181跟随步骤176。作为一个示例性的实施例，自动阻抗匹配始于步骤182。在步骤182中，利用电压和电流测量设备35测量实际负载阻抗的大小和相位，并且测量值被传送给计算机38。在步骤184中，确定测量电压和电流之间的相角差以对阻抗的电抗部分解调。因此，控制阻抗匹配的一个要素是，对实际负载中电容电抗部分解调，使电压和电流之和产生零相移。
在步骤186中，测量信号生成单元和有效负载之间的阻抗匹配。也可通过测量提供给有效负载和从有效负载反射回来的功率波形(“正向功率和逆功率”)控制阻抗匹配(可选择的子步骤188)，如果图5中的系统包括如图9中所示的测量仪器156和定向耦合器150。(正向功率和逆功率的测量如在下面描述)。
在步骤186完成后，该程序前进到步骤190。在步骤190中，有效负载阻抗与信号生成单元的预定阻抗相比较。如果阻抗匹配不充分，那么程序前进到步骤192。如果阻抗匹配充分，那么程序前进到步骤194。
在步骤192中，调节有效负载阻抗。在图5的实施例中，通过由计算机38发送的控制信号自动地调谐所述可调谐的阻抗匹配网络34来调节有效负载阻抗(步骤193)。在步骤192后，程序返回步骤186。
在步骤194中，测量温度与所需最终温度相比较。如果测量温度等于或者大于所需最终温度，那么加热程序完成(步骤196)。或者，持续加热并且程序返回步骤172。
快速加热到巴氏灭菌和消毒的温度可以减少对食品质量的降质(例如，对海产品蛋白酶失活处理)。快速加热能力应归于上述同样的均匀加热的优点，以及通过使生成器频率或者频率合成与各种食品和/或包装的Debye谐振频率组匹配以及追踪随着温度而变化的那些Debye谐振频率从而获得输入给被加热负载的最大功率。对功率发生器/加热系统的功率的控制能够用来设定加热速度以使加热过程达到最佳。
在一些实施例中，总能量效率的获得可以通过使功率发生器的频率或射频波形合成频率与食品的Debye谐振频率相匹配来实现，也可以通过追踪随温度而变的那些谐振频率来实现，因此获得给定能量输入条件下较短的单位体积加热时间。
通过对包括食品和/或包装材料的各种介质组分的选择性加热能够达到加热过程的完全控制。蛋白质分子包含具有氨基酸侧基的肽链，氨基酸侧基通常是极性的。另外，复合组织分子的各种含水界面(结合水)也可是极性的。例如，在监测Debye谐振的实施例中，可使用该技术将需要加热的食物的这些组分的Debye谐振作为目标，并且通过设定功率发生器频率或者RF波形的频率组以瞄准适合的Debye谐振并且随着温度追踪它们以及避开其他的Debye谐振，从而避开不需要加热的其他组分(例如包装材料)的Debye谐振。
通过使功率发生器频率或者RF波形的频率合成与各种加热介质的Debye谐振频率组匹配并且随着温度追踪那些Debye谐振频率组可提高加热速率。
同样，总能量效率的提高是由于生成器频率或者频率合成与各种加热介质的Debye谐振频率组相匹配并且随着温度追踪那些Debye谐振频率组的结果。通过瞄准那些食品组分的Debye谐振分布图并且使用生成器激励它们并且随着温度追踪它们，对介质的各个独立组分(例如塑料包装层片的层之间的胶)选择性加热也能够提高效率。
研究食物的介电性能和频率及温度之间的关系以及寻找各种食物组成部分的Debye谐振频率是值得关注的，如果我们有足够的数据，就可以对加热设备进行精确地编程。可通过对被加热的各种食品类型进行初步试验获得这样的信息。
本文后面给出了几个有关的实验实例。
第二方案
根据第二方案，利用增强反馈和自动控制使有效调节负载阻抗与能够产生放大的变频RF波形的信号产生单元的输出阻抗匹配。
图9的系统与图5的系统类似，不同之处在于，图9的系统对放大器的功率输出进行直接测量，并且可利用该结果使负载阻抗与信号生成单元输出阻抗匹配，如下面将详细描述的。特别是，图9的系统对正向功率和反射功率以及电压和电流之间的相角差进行测量。
另外，在该方案中介质的温度不用作加热调节所依据的变量，尽管它可被监测以便当达到所需最终温度时使该过程结束。与图5的元件共有的图9的元件用图5中所示的附图标记加100表示。
与图5类似，图9示出了与宽频带线性功率放大器132相连的可变射频频率生成器130，放大器312输出被供给到可调谐阻抗匹配网络134。对于这里所用的放大器132，虽然功率在500W-10kW的放大器均可使用放大器132的工作频率范围在10kHz至300MHz之间，其功率为2kW。具有正向功率测量部分152和逆功率测量部分154的可调谐定向耦合器150位于放大器132和匹配网络134之间。
可调谐定向耦合器150与放大器132和匹配网络134直接相连。正向功率测量部分152和逆功率测量部分154还分别与放大器132和匹配网络134之间的连接部分133(连接部分133可为轴传输线)耦合，以接收与通过连接部分133传输的正向功率和逆功率成比例的低功率输出。这些适合测量的低功率输出可被输入到测量装置156。
如果25W传感器用于每一个正向功率测量部分152和逆功率测量部分154中，用于正向功率和逆功率的测量能力将是带有-20dB的耦合系数的2.5kW。
测量装置156用来测量电压驻波比(SWR)。电压SWR是信号生成电路输出阻抗和有效负载阻抗之间的阻抗匹配的测量。
如上所述，匹配网络134可被用以阻抗调节，以使有效调节负载阻抗与信号生成电路输出阻抗匹配。1∶1的电压SWR表示信号生成电路输出阻抗和有效负载阻抗之间的完美匹配，而较高的电压SWR表示较差的匹配。但是，如上所述，甚至2∶1的电压SWR表明约90％的功率达到负载，或被负载吸收。
测量装置156也可用来确定有效负载反射系数，有效负载反射系数等于逆(或者反射)功率和正向功率除的比值的平方根。在特定实施例中，测量装置156可是RF宽频带双频道功率表或者电压驻波比测量计。
代替或者连同上述方法，也可通过控制最小的反射功率来控制加热，例如反射功率是正向功率的10％或者更小。
与图5类似，交流射频功率波形136从网络134被提供给负载，该负载包括电极120、122和在电极120、122之间的产品处理区中被加热的介质124。如图5中所示，图9的系统也包括电压和电流测量设备，如图9中的方块135所示，用于测量施加在电容负载上的电压和输送到电容负载上的电流，测量的电流和电压可用于确定负载功率和阻抗匹配程度。电压、电流和可选择的温度测量温度方块135包括RF电流探针137a和RF电压探针137b，图中所示的RF电流探针137a与在网络134和电极120之间的连接部分耦合，图中所示的RF电压探针137b与电极120相连(但也可与电容耦合)。如图中所示，也可以附加用于测量介质的温度和其他适合的环境参数的传感器。利用作为宽频带单元的探针137a和137b可获得极好的结果，并且电压探针137b具有1000∶1分压器。也可使用具有比率不同的分压器的电容耦合电压探针。
电压和电流测量还用于确定电容电抗效应。当电容器或者电阻器并联或者串联时，特别是当电容器与电阻器串联时，电路中产生电容电抗。流过理想电容器的电流相对于施加电压为-90°异相。通过确定电压和电流之间的相角，利用调节可调谐的网络134可使电容电抗被“解调”。特别是，在可调谐的匹配网络134的输出部分内的电感元件被调谐以对负载的电容部分解调。
来自探针173a、173b的信号表明了电容负载电流的大小以及负载电压的大小，它们分别被传送给计算机138。方块135包括能够将信号处理成计算机138能够读出的格式的计算机界面。计算机界面可是数据采集卡，也可是常规示波器的一部分。如果使用示波器，它可显示电流和电压信号的一种或者两种，这些信号也可由计算机显示。
图9的系统包括如引向计算机138和从计算机引出的箭头所示的反馈控制。基于从测量仪器156和方块135接收的输入信号和由计算机138处理的算法，产生控制信号，控制信号从计算机138被送至频率生成器130和匹配网络134。
根据被加热食品的特性、测量的负载阻抗、电流、电压、正向和逆功率等，计算机的控制算法可包括一个或者多个控制参数。例如，可以将特定食品的阻抗与温度的关系编入算法中，作为影响控制信号的因素以改变频率和/或调谐阻抗匹配网络。
图11是表示利用阻抗匹配技术的电容(RF)加热方法的流程图。
在步骤200中，信号发生单元被设定一个初始频率，正如图10中步骤170所示，初始频率可基于预定频率相对于温度关系，并且开始加热程序。
如虚线所示，自动阻抗匹配过程208跟随步骤200。对于一个示例性的实施例，自动阻抗匹配始于步骤210。在步骤210中，利用电压和电流测量设备135测量实际负载阻抗的大小和相位，并且测量值被传送给计算机138。在步骤212中，确定测量电压和电流之间的相角差以对阻抗的电抗部分解调。
在步骤213中，功率发生单元和有效负载之间的阻抗匹配被测量。对于该实施例，测量阻抗匹配包括测量正向功率和逆功率(子步骤214)，以及电压比SWR。计算的电压比SWR被反馈到计算机138。在步骤220中，有效负载阻抗与功率发生器的阻抗相比较，在该示例中，功率发生器的阻抗是不变的。如果匹配不充分，例如，如通过估算电压SWR确定的，那么程序前进到步骤222。如果阻抗匹配充分，那么程序前进到步骤228。
在步骤222中，调节有效负载阻抗。如上所述，可以两种方式调节有效负载阻抗，即，使其升高或者降低。如子步骤224中所示，阻抗匹配网络(例如，网络134)可被调谐以产生阻抗调节使有效调节负载阻抗与信号生成单元输出阻抗匹配。另一种调节方式，或者连同子步骤224，可以改变施加RF波形的频率(子步骤226)以使有效调节负载阻抗发生变化。如果该频率被改变，如从子步骤226引向步骤210的控制线225所示，在达到步骤213之前，可能需要通过重复步骤210和212对电容电抗再次解调。如果步骤222仅包括调谐阻抗匹配网络，那么该程序可直接返回步骤213。
在确定可接受的阻抗匹配存在后进入步骤228。在步骤228中，监测温度与所需最终温度相比较。如果测量温度等于或者大于所需最终温度，那么加热程序完成(步骤230)。或者，持续加热(步骤229)并且程序返回步骤210。
在加热过程中，步骤210、220和222的反馈程序以预定的采样率持续或者持续进行预定次数。在特定实施例中，采样率为每样本1-5s。这样，当食品被加热时，有效调节负载阻抗的变化被周期性地监测和自动调节到恒定的信号生成单元输出阻抗(50Ω)，从而确保使用最大功率对食品加热。因此，食品可被快速和有效加热。
测量温度可被用作附加检查以有助于监测加热过程，以及通过直接或者参考控制算法所用的温度相关性关系建立作为控制该过程所用的一个附加控制参数的温度。
为了使该系统在非ISM(工业、科学和医学)RF频带上工作，最好使用屏蔽以使所述系统的各个部件相互绝缘以及与周围环境绝缘。例如，如图9中示意性示出的，可提供谐振腔158以使电容负载和相关电路与周围屏蔽。也可要求屏蔽其他部件。
屏蔽有助于防止干扰。即使在加热过程中频率改变，它仍然在任何一个频率值下驻留足够长时间以至需要所规定的屏蔽。另一种可选择的方案是使用抖动(很快地改变频率以使其不驻留并且不产生可感觉的辐射)或者扩展频谱以降低屏蔽要求。
如图9中所示，第二类阻抗匹配装置，例如，电容耦合网络159，被串联在网络134和电极120之间。改变电容耦合网络的电容有助于实现阻抗匹配。
常规伺服马达(未示出)可与电容器耦合网络相连以改变其电容。伺服马达可被连接以接收来自于计算机138的用于调节电容的控制信号。通常，电容耦合网络159用于对负载阻抗进行比较粗糙的调节。
网络分析仪(未示出)可用于确定阻抗大小。通常，网络分析仪仅可在系统不运行状态下使用。因此，该系统可在加热循环中的不同阶段暂时断开以确定电容负载的阻抗和在各个温度下的阻抗匹配程度。
系统部件
图5和图9的系统适合部件是从以下单位获得的或者可能由以下单位设计的：
·National Instruments-用于计算机系统的GPIB(IEEE488)数据采集界面卡
·Agilent Technologies-带有选择部件1EA(高功率)的频率生成器8648B(9KHz-4GHz)、示波器54615B(2频道500MHz)或者54602B(4频道150MHz)、E4419B双频道RF功率表、带有选择部件006的8753ES网络分析器30kHz-6GHz、用于定向耦合器的8482B 25W传感器(100kHz-4.2GHz)
·Kalmus-功率放大器
·Flugstad Engineering-定向耦合器、可调谐匹配网络、谐振腔、电极
·Flugstad Engineering/Oregon State University-用于测量和控制算法的软件和用于使计算机系统和网络相连的硬件、电压和电流测量设备和测量装置
·Tektronix-Model A6312电流探针(DC 200MHz，测量能力达到峰值对峰值40A，与基于GPIB的AM3050电流探针放大器结合使用)和Model P6015A电压探针(1000∶1 20kV DC/40kV脉冲峰值，DC频带宽75MHz)或者Model P5100电压探针(100∶1 2.5kV，DC频带宽250MHz)
电极结构
如图6和图7中所示，图5或者图9的系统可在电容负载上使用栅极加热电极以利用计算机38对食物介质24的加热进行精确控制，特别有助于加热非均匀性介质。至少一个电极，例如在图6-图7的实施例中的顶部电极20，具有多个电绝缘的电极元件40。底部电极22也具有多个电绝缘的电极元件44。最好，每一个顶部电极元件40的位置与在另一个电极上的相应底部电极元件44的位置是正对的。在计算机38的控制下，多组开关46被提供以在相对的成对电极元件40、44之间有选择性地接通和断开电流。和/或，独立的计算机控制可变电阻器(未示出)可被包括在每一个电极对的电路中，该可变电阻器与负载并联以独立调节在每一对电极元件之间流动的电流。通过在不同的时刻断开不同的电极元件对或者可对在对样品的不同部分提供不同场强，这些布置能够以不同于其他区域的速度对食品的各个区域进行加热并且防止热散逸或者“局部过热”。
最好在至少一个电极20、22上装有一个或者多个热传感器。图6-图7示出了一种紧凑的布置，其中多个隔开的热传感器42被插在顶部电极20的电极元件40之间。热传感器42获取关于食品样品多个位置处的温度数据，数据作为输入信号被送至计算机38。计算机使用来自于每一个传感器的数据，以计算流过传感器附近的成对电极元件之间的电流的频率和功率水平所需的调节，并且产生被供给到射频信号发生器30、网络34和开关46的相应的输出控制信号。
电极应该由适用于食品处理设备中的导电的且非腐蚀性材料制成，诸如不锈钢或者金。电极可根据被处理的食品及其包装的形状和性质采用各种形状。选择电极形状的一个目的是使电极的形状与被处理的物品的形状相对应，以使空气间隙达到最小。尽管在图6-图7中示出了电极的一个优选实施例；但是也可使用电极元件和传感器的其他布置达到类似的效果或者实现特殊加热需要。
包装的考虑
为了设计适用于可利用本发明所涉及的电容(RF)介电加热系统进行加热的食品的令人满意的包装材料，最好考虑诸如电场水平、频率选用、被加热体的几何结构和周围介质等因素。特别是，有助于充分了解包装材料和被加热的产品在一定频率和温度范围内的介电性能。另外，重要的是，避开任何可能导致场强局部升高和损耗材料局部浓度升高的因素，损耗材料局部浓度升高可由真空包装的角部中的盐水成分积累而导致的，这是由于盐水比食物的其他组分相比损耗更大。
选择在1MHz-300MHz的正常工作范围内或者其一部分频段内基本上对射频能量具有透明性或无热反应的包装，以便在不破坏包装的情况下能够实现对食品的加热。
电容(RF)介电加热系统特别适用于加热在食品处理流程中的不同阶段具有不同性能的多种聚合物的包装内的食品。
可使用多种设计方法以利用与对于RF不敏感的塑料聚合物组分结合使用的特定塑料聚合物的密封和保存性能。可采用多步骤工艺，其中首先利用射频不敏感的材料包装产品，接着通过电容(RF)加热巴氏灭菌，然后利用具有较好密封和保存性能的另一层不同聚合物包装。多种密封和粘合方法可用于层状塑料包装材料。可选择或者改性包装材料以使层状塑料的粘合剂或者粘合区对于RF暴露效果比较不敏感。
可利用非导电介电耦合介质(例如，去离子水)包围被加热的产品，非导电介电耦合介质本身没有被加热(较高频率段的Debye谐振)但将增大电极和被加热的介质之间的间隙的介电常数，从而降低间隙阻抗和提高介质的能量转换。
对于介质的外边缘提供更多的热量(例如，利用与预热的去离子水的对流)也是有帮助的，这有助于补偿在这些区域发生的更大的热损耗。预热的水可处于75-80℃的温度。
示例
下面是描述如何设计特定的设备、数据表、算法和操作程序的示例。
示例1
可进行实验，测量肉类食物及其包装材料的介电性能和频率(10Hz-100MHz)与温度之间的关系，包括Debye谐振。
试验将测量肉类食物样品及其包装材料的阻抗(平行电容器和电阻器型)，被测量的肉类食物和包装材料夹置于两个平行电极之间。整个试验装置则置于一个温度/湿度控制箱内。试验所用的设备如下：
HP 4194A：                     100Hz-100MHz阻抗/增益-相位分析器
HP 41941A：                    10kHz-100MHzRF电流/电压阻抗探针
HP 16451B：                    10毫米、4端子桥式100Hz-15MHz介电试验夹具
HP 16453A：                    3毫米、100Hz-100MHz，射频/高温介电试验夹具
Damaskos Test，Inc.            各种专门设计的夹具
Dielectric Products Co.        9毫米100Hz-1MHz密封高温食物/半固体LD3T
                               液体密封电容介电试验夹具
HP 16085B：                    与HP 16453A与HP 4194A配合的适配器-4端子
                               阻抗桥式端口(40MHz)
HP 16099A：                    HP 16453A与HP 4194A配合的适配器RF IV端
                               口(100MHz)
温度/湿度箱：                  温差电偶真空计计算机控制的温度/湿度腔-68-+177
                               ℃，10％-98％RH，具有LN2增压以进行冷却
每一个电容介电试验夹具装有用于测量样品厚度的精密微米测量计，主要用于根据所测量的阻抗计算介电性能。不同的试验夹具提供在阻抗测量范围、频率范围、温度范围、样品厚度和食品/半固体和液体的相容性之间的折衷。
为准备实验，需要制备多种仿肉类样品，例如，仿鱼制品的样品的水分含量为78％和84％、盐含量为0％、2％和4％，分别利用介电探针对每一种肉类食品的和制品的最少四个重复制品进行试验，每一种肉类食品或者制品共有12个试验样品。预先制备四个重复制品的不同组以与三种介电探针中的一种相容。除对组成商业食品的“宏观”样品特性进行评估以外，对诸如淀粉、水和糖的各个食物组分进行性能评估。这些评估结果将适用于后面的随机食物性能模型中。
选定频率范围以覆盖常规工业电容加热范围(300kHz至100MHz)以及低频(低至100Hz)以确定DC或者低频导电性。并认定该频率范围内包装材料的Debye谐振频率位置和食物中很复杂的极性侧基(例如，在侧基中存在氨基酸的蛋白质分子-肽链)。选择0℃至90℃的温度范围以覆盖20℃至85℃的巴氏灭菌温度。
首先测量样品的阻抗(分路电阻和电容)，然后根据材料厚度、试验夹具校准因素以及所扫过的频率计算电容率ε′、电容率损耗因子ε″和电导率σ(Hewlett Packard.1995.Measuring the Dielectric Constant ofSolid Materials-HP 4194A Impedance/Gain-Phase Analyzer.HewlettPackard Application Note 339-13)。对于有关食物的介电性能(包括Debye谐振)的技术背景的细节请参见下面关于示例2的描述。
示例2
数学模型和计算机模拟程序可基于表征化介电性能来模型化和预测包装的仿肉食品的电容加热性能。
下面是形成所有模拟基础的数学模型。可以用Debye方程式对电容率进行了经典模型化(Barber，H.1983.Electroheat.London：GranadaPublishing Limited；Metaxes，A.C.and Meredith，R.J.1983.In IndustrialMicrowave Heating.Peter Peregrinus Ltd.；Metaxas，A.C.and Meredith，R.J.1983.In Industrial Microwave Heating.Peter Peregrinus Ltd.；andRamo，S.，J.R.Whinnery，and T.Van Duzer.1994.Fields and Waves inCommunications Electronic，3rd edition.New York：John Wiley & Sons，Inc.)。这些方程式可用于模拟响应于外部变化电场的与介电校准或者偏移相关的多个驰豫过程。这些校准过程的每一个具有相应的驰豫时间T0，驰豫时间T0是介质的原子和分子结构的几个参数的函数，因此是这些现象可能发生的最高频率的测量值。在频率等于1/2πT0时产生Debye谐振，此时损耗因子ε″呈现最大峰值，方程式(5)中描述了以Debye函数表示的单个驰豫过程的电容率模型：
ϵ = ϵ 0 [ ϵ ∞ + ϵ d - ϵ ∞ 1 + j ωT 0 ] - - - ( 5 )
其中εd＝介质的低频介电常数(f＜＜Debye谐振)
ε∞＝介质的高频介电常数(f＞＞Debye谐振)
ε0＝自由空间的电容率(8.854e-12F/m)
因此，从方程式(1)中可以看出，对于单个Debye谐振，电容率的真实和假想部分可以表示如下：
ϵ ′ = ϵ 0 [ ϵ ∞ + ϵ d - ϵ ∞ 1 + ω 2 T 0 2 ] - - - ( 6 )
ϵ ′ ′ = ωT 0 ϵ 0 ( ϵ d - ϵ ∞ ) 1 + ω 2 T 0 2 - - - ( 7 )
εd是一个数量级或者远大于ε∞，因此从方程式(6)和(7)中可以看出，在Debye谐振附近，ε′迅速下降，从而在损耗因子ε″中出现峰值。当包含多个驰豫时间的复合介质存在时，可利用方程式(8)(仅损耗项)(Metaxas and Meredith，1983)给出以Debye项的总和来表示的广义模型：
ϵ ′ ′ = Σ τ = τ 0 τ n g ( τ ) ( ωτ 1 + ω 2 τ 2 ) Δτ - - - ( 8 ) 其中g(τ)是每一个Δτ区间中的定向极化过程的分数。
该总和假设极化或者Debye谐振的线性组合。如果不假设为线性，对于多个Debye谐振以及随着组分几何结构改变的复杂复合介电材料存在更复杂的数学模型(Neelakanta，P.S.1995.Handbook ofElectromagnetic Materials.Monolithic and Composite Versions and TheirApplications.New York：CRC Press)。对于非均匀性食品，需要利用随机变量来对各种组分的相对浓度和空间分布进行模拟，并且进行Monte Carlo分析以确定在介质的每一个3D有限元分割模型块中的统计复合介电性能。
可以看出(Roussy，G.，J.A.Pearce.1995.Foundations and IndustrialApplication of Microwaves and Radio Frequency Fields.Physical andChemical Processes，New York：John Wiley & Sons；Barber，1983；Metaxus and Meredith，1983)，对于给定的电场强度，输送到介质的单位体积的功率(Pv)表示如下：
Pv＝Qgen＝(ωε″+σ)|E|2         (9)
当ωε″＞＞σ时该公式简化如下：
Qgen(x，y，z，t)＝Pv＝E2ωε″    (10)
其中E是电场强度的RMS值。因此，对于已知的电场强度，损耗因子ε″中的峰值导致传递到介质的能量产生峰值，从而实现高效快速加热。假设此时如不存在由对流或者传导而产生的介质之间热交换，对于给定的温升(ΔT)，介电加热时间th由方程式(11)给出(Orfeuil，1987)：
t h = C P ρΔT E 2 ωϵ ′ ′ = C P ρΔT P V - - - ( 11 ) 其中，Cp＝介质的比热(J/Kg℃)
ρ＝介质的密度(kg/m3)
其他参数如前面定义。
考虑热交换(与相邻区域的对流或者传导)和热产生(介电加热源项)的更广义的能量转换的方程式如下(Roussy and Pearce，1995)：
ρC P ∂ T ∂ t - ▿ · ( k T ▿ T ) = Q gen ( x , y , z , t ) - - - ( 12 ) 其中Kr＝介质的导热率，以及t＝时间，其他参数如前面定义。
以一种类似的形式，对于电场的更广义的主导方程式(以与Maxwell’s方程式不同的形式)表示如下(Roussy and Pearce，1995)：
▿ 2 V - μϵ ∂ 2 V ∂ t 2 = - ρ v ϵ - - - ( 13 ) 其中ρv＝电荷密度；V＝电势或者电压。
方程式(13)也被称为Helmholtz方程式，在时间导数为零的情况下，它简化为Poisson方程式。
当介质是诸如食物的无源介质时并且当工作频率足够低，其波长正如在电容加热(准静态模式)的情况下比样品尺寸要长时，方程式(13)可简化如下：
  2V＝0     (14)
电场与电压的关系如下列方程式表示：
   E＝-V    (15)
简言之，电场在三维上是电压的负梯度。
方程式(8)、(9)、(12)、(14)和(15)形成电磁介电加热模式的基础，该模型可应用于复合介电模型，用以模拟有几个子组分的食物。
另外，对于被包装层、空气层或者水层和电极夹在顶部和底部之间的食物样品能够制造复合串模型。从前面的描述中，可以明显地看出，介电参数都是温度和频率的函数。从方程式(9)和方程式(10)中也可以证实，由加热所产生的功率是介电损耗因子和电场强度的函数。最后，从方程式(13)-(15)中可以推出，电场强度是介电参数的函数并且也是温度和频率的函数。因此，可以建立一种重复求解算法以对该模型中所用所需参数求解，该模型可对时间排序、在电磁和热解之间往复循环并将它们作为频率函数求解。
对于开发一种模拟模型具有几种选择。一种是采用目前的在MathCAD和MATLAB中开发的电磁模型。另一种是使用有关复杂的复合几何结构的电磁场有限元程序的多个实例，诸如由AgilentTechnologies开发的高频结构模拟器(HFSS)以及由Ansoft，Inc.ofPittsburgh，PA.开发的Maxwell Extractor电磁场求解程序。HeatWaveDrying Systems，Ltd.公司与维多利亚大学W.Hoefer博士共同开发了第三种用于电磁和热过程的求解方法(Herring，J.L.，W.J.Hoefer，and R.L.Zwick.1995.Time Domain Transmission Line Matrix(TLM)Modeling ofa RF/Vacuum Wood Drying Kiln.Progress in Electromagnetic ResearchSymposium.Seattle，WA)。人们可以从这一与热交换模拟模型结合的3维TLM电磁场求解模型开始进行模拟，该模型中的热交换模型已被用于模拟木材干燥过程。接着将所涉及的食品样品的Debye谐振和表示食品体积内组分的非均匀性空间分布的随机模型进行的检测结果进行结合。另外，除了Debye谐振以外，包括欧姆和其他除Debye谐振以外的介电性能可被模型化以进行研究。这样，初始的模型工作可以直接借用HeatWave公司及其合作者开发出来的模型来进行。
示例3
检查射频巴氏灭菌对代表性仿肉食品中的微生物杀灭率、颜色和组织的热和非热影响。
样品制备
研究两种类型的肉类样品：牛肉香肠和仿鱼制品。由所有食品成分对食品的每一项质量特征，包括微生物、品味和物理性能都有重要影响，开发用于两种样品的商用配方。对于仿鱼制品，配方中含有75％的水分和1.65％的盐。整个切碎工序是基于Yongsawatdigul，J.，Park，J.W.，Kolbe，E.，AbuDagga，Y.And Morrissey，M.T.1995所描述的方法进行的，欧姆加热使得太平洋鱼白仿鱼制品的凝胶功能性达到最大，J.Food Sci.60：10-14。
仿鱼制品的鱼泥被填塞在不锈钢钢管中(1.9cm I.D.×17.5cm长)。在90℃水池中进行初始加热直至内部温度达到70℃。在该温度下，鱼的肌球蛋白和肌动蛋白完成变性和凝胶化(Oakenfull，D.G.1996.Gelation mechnisms.Foods and Food Ingredients J.Japan.167：48-68)。牛肉肠的初始烹调建议在155°F(68.2℃)保持30分钟(Hanson，R.1995.Design and function of batch meat processing ovens.A textbook ofViskase and AMSA Meat Science School.Aug.16-18.Chicago，IL)。因此，该加工过程是模拟仿鱼制品和牛肉肠的商业加工过程中的初始烹调。
烹熟的凝胶在没有冷却的情况下从管中取出并且被真空包装在塑料袋中以进行巴氏灭菌的各种热处理。
巴氏灭菌/加热方法
在射频(RF)加热装置中进行巴氏灭菌。
在一定频率范围内以相同的速度加热能够测量RF对微生物总数(APC)的非热影响。作为比较样品，实验样品在水池(90℃)中加热60分钟。每一个热处理重复三次。热水池加热器中的温度随时间变化是由型号为21X的数据记录器测量的，射频加热器中的温度是用光纤温度传感器测量的。
微生物化验
生肉泥、初始烹熟的凝胶和经过巴氏灭菌的凝胶被无菌采集以进行微生物总数(APC)。通过涂覆在胰胨-蛋白胨-酵母萃(TPE)琼脂上并且在30℃培养48小时来进行该微生物化验(Lee，J.S.and Howard，L.A.1970.Comparison of two procedures for enumeration ofmicroorganisms from frozen foods.J.Milk and Food Technol.33：237-239)。
组织性能
较长时间和较高温度烹调通常会使特别是仿鱼制品含量较低和淀粉含量较高的仿鱼制品中的组织受到破坏。利用扭转试验以剪切应力和剪切应变的形式监测组织性能的变化(NFI.1991.A Manual ofStandard Methods for Measuring and Specifying the Properties of Surimi，T.C.Lanier，K.Hart，and R.E.Martin(Ed.)，National Fisheries Institute，Washington，DC)。剪切应力表示凝胶强度，而剪切应变表示凝胶的粘性。
颜色性能
较长时间和较高温度烹调会使仿鱼制品褪色(发黄)，特别当存在蛋白质添加剂和糖时。利用Minolta色度测量计(Minolta USA，Ramsey，NJ)测量凝胶的颜色性能(L*，a*，b*)。
利用射频的非热杀灭效果
测量水池加热的样品和射频加热样品中的微生物杀灭量。射频加热器的加热速度被调节到与热水池一样的加热速度。射频加热器中使用各种频率。两种微生物杀灭测量之间的差异被用作非热杀灭。
示例研究
选择用于最大热处理的巴氏灭菌方法以进行示例研究。选择粪肠球菌(Enterococcus faecium)作为目标有机生物体，这是由于其在真空烹饪产品中具有高抗热性(Ghazala，S.Coxworthy，D.，and Alkanani，T.1995.Thermal kinetics of Streptococcus faecium in nutrient broth sousvide products under pasteurization conditions.J.Food Processing andPreservation 19：243-257；Magnus，C.A.，McCurdy，A.R.，and Ingledew，W.M.1988.Further studies on the thermal resistance of Streptococcusfaecium and Streptococcus faecalis in pasteurized ham.Can.Inst.Food Sci.Technol.J.21：209-212)。粪肠球菌的贮存培养物在烹熟的肉汁中在37℃下再生24小时，被涂覆在Difco胰酶解酪蛋白大豆琼脂(TSA)上并且在37℃下培养24小时。这些琼脂板保持在1℃下。在烹熟的肉汁中(pH 7.23，0.5％NaCl)中制备隔夜培养物并且在37℃下培养20小时以使细胞浓度达到107-108CFU/ml。仿鱼制品和牛肉香肠泥被注入培养物并且在热处理之前均质化。稀释后进行计数并且如上所述被涂覆(Ghazala et al.，1995)。
在每一个温度下(30、45、60、75、90℃)进行三次热钝化试验。在每一个试验温度下的E.faecium的D值是由微生物残存量相对于加热时间的对数曲线确定的。通过绘制D值相对于加热温度的对数曲线(热死亡时间，TDT曲线)获得z值。利用Quattro Pro软件及通过最小平方线性回归分析确定斜率、截距和r2值。
巴氏灭菌值表示在产品的最冷点接收目标有机体的十进制换算的13-14倍所需的特定温度下的最少分钟数(Ghazala，S.and Aucoin，E.J.1996，Optimization of pasteurization processes for a sous vide product inrectangular thin profile forms.J.Food Quality 19：203-215)。利用鲍尔方程式(Ball equation)确定巴氏灭菌值(Ball，C.O.and Olson，F.C.W.1957，In Sterilization in Food Technology，pp.291，353，356，McGraw-Hill Book Co.，New York NY)，同时利用曼斯菲尔德方程式(Mansfieldequation)确定烹调值(Mansfield，T.1962，High-temperature short-timesterilization，Proc.1st Iht.Cong.Food Sci. & Tech.Vol 4，Gordon andBreach，London，UK)如下：
Figure A0182357200491
Figure A0182357200492
其中，Pv＝在最慢加热点的巴氏灭菌积分值
  Cv＝在最慢加热点的烹调积分值
t＝处理时间，分钟
T＝在时间t时的温度，℃
Tref＝参考温度(85℃)
z＝特定有机体的十进制换算时间相对于温度的对数的斜率，℃
zC＝特定质量因素，例如组织和颜色，的质量降低的z值。
巴氏灭菌值和烹调值是由使用粪肠球菌的z值和参考巴氏灭菌温度的方程式(16)和(17)确定的。计算粪肠球菌的热动力。
示例4
可对各种包装的肉末食品进行高能量密度电容加热试验，验证计算机模拟模型，检测巴氏灭菌功效，检测电磁能量对于食品质量的影响和检验适合的包装材料。例如，可在电容加热试验设备中进行这样的试验。
对于处理过的食品样品在组织变化和巴氏灭菌功效方面进行分析。对于包装材料在对RF能量的敏感性方面进行分析。分析加热相对于时间的关系以验证计算机模拟模型并且基于这些结果对模型进行一些必要的调整。基于示例1-3的结果确定样品的精确数量和重复实验次数以及精确的RF功率水平和示例4的其他试验细节。
基于示例1中获得的信息以在1MHz-100MHz的范围内的频率加热试验中的各种介质。下面示出了两种实验方案。第一种是对于频率的半对数分布的通用试验。第二种集中对示例1所确定的Debye谐振的实验。其他试验试验，例如，获得控制的/恒定场强；电压梯度可随着试验的样品厚度改变。在所有情况下，食物包装尺寸可改变——从单一的较薄包装到表示厚度达到24cm的载荷堆。电极尺寸和形状在加热系统中可改变。对于所有情况，热传感器被放置在待测介质中以确定温升和分布。
试验1：通用目的的频率扫描：
频率*          试验功率水平      植入       重复实验       食品类型
                (最大，输出)      (Y/N)      次数*
1-100MHz        200W，2KW        Y          4              仿鱼制品
1-100MHz        200W，2KW         Y          4              香肠
1-100MHz        200W，2KW         N          4              仿鱼制品
1-100MHz        200W，2KW         N          4              香肠
1-100MHz        200W，2KW         N          4              仅包装材料
*制备样品并且在通用频率扫描试验中对于下列频率的每一个进行试验：1、2、3、5、7、10、20、30、50、70、100MHz
试验2：Debye谐振搜索
在该试验中，电容加热器的频率可被设置在任何由示例1中的结果所确定的Debye谐振的位置处。对于第一组样品功率水平首先被设定为低水平(100W)并且逐渐进行频率扫描以搜索该谐振以及试验其对温度的相关性。在低功率100W下，首先找到Debye谐振频率，然后将功率提高到2kW，并且对于不同组复制样品重复进行Debye谐振试验及测量温升。
示例5
在示例5中，进行试验以确定电容介电(RF)方法和系统的加热效率。在示例5中进行的实验源于示例4计划的实验。示例5的实验不是仅考虑Debye谐振频率，而且集中在利用阻抗匹配控制加热过程。
第一组实验
在第一组实验中，使用具有12-132MHz变频范围和高达1kW输出功率的电容介电(RF)加热系统对仿鱼制品、香肠、苜蓿种子和包装物进行加热和巴氏灭菌。对样品进行试验以评价射频频率和电场强度对加热速度的影响。
在该系统中进行以下调节，包括改变电极位置以减小空气间隙和仿鱼制品凝胶的尖锐边缘磨圆，结果表明，对于种子和碎鱼肉可以达到比较均匀和快速加热。另外，对于种子，发现以较高的频率和较高的电场强度能够获得较高的加热速度。图16示出了对于种子，在给定的电场强度下，在60MHz条件下比在15MHz条件下的加热速度快许多。
第二组实验
第二组实验的目的是，检验是否能够通过调节空气间隙、电极的尺寸和形状以及种子和包装物的构造来达到较快加热速度。具有高达50MHz的变频的1kW电容介电加热系统用于第二组实验。所用的工作频率在33至39MHz之间。
通过人工设定频率(即，调谐在频率发生器上的四个旋钮)人工地控制在负载阻抗和信号生成电路之间的阻抗匹配。人工地测量正向功率水平和逆功率水平，并且还测量穿过介质的电压。
图20示出了当盘状仿鱼制品样品从26℃加热到77℃时的温度相对于时间分布图。三个温度探针测量穿过仿鱼制品样品厚度温度的变化。最大测量温度差小于5.6℃(在中心位置和顶部位置之间)。该结果表明，利用电容介电加热比利用常规热水池加热能够达到更好的温度均匀。AbuDagga和Kolbe(2000)说明了热水加热在仿鱼制品样品的表面和中心之间产生了20-30℃的初始温度差。Analysis of HeatTransfer in Surimi Paste Heated by Conventional and Atomic Means，Journal of Aquatic Food Product Technology，9(2)：43-54。
图20也示出了加热速率在加热过程中减慢并几乎停止两次。加热的中断是由于功率放大器和负载之间的阻抗失配而导致的。频率的人工调节不能足够快速和精确地执行以当仿鱼制品被加热时能够跟上碎鱼肉的介电或者欧姆性能的变化。当仿鱼制品的介电和欧姆性能或者电阻抗随着温度变化时，这导致功率放大器和被加热的仿鱼制品之间阻抗匹配的损耗。
图21是图20的温度-时间分布图的一阶导数的图。如图中所示，加热速率首先在A点处增加到25℃/min，接着由于阻抗匹配的损耗而在B和D点处基本降至0。在点C和点E处加热速度重新达到最大。
图22示出了当利用人工调节维持较好的阻抗匹配时的仿鱼制品样品的加热速度相对于时间的关系。图22中所得到的加热速度比图21中所示的均匀得多。
因此，自动控制频率加热器的频率以及阻抗匹配网络中的元件以保持阻抗匹配将产生较好的结果。这样一种自动系统有助于达到可使用功率和被试验食品产量的最大加热速度。
示例6
示例6涉及利用电容(RF)介电加热对采用食用薄膜或者其他标准聚合物薄膜包装的种子进行消毒和/或巴氏灭菌。
种子的电容(RF)介电加热中的考虑因素
电容(RF)介电加热可用于提高或者促进种子的发芽率，在种子种植和发芽之前利用电容(RF)介电加热对其进行预处理能够提高或者促进种子的发芽率。当使用电容(RF)加热技术作为一种预发芽种子处理方法时，种壳的加温以及发芽-抑止微生物的控制或者减少/去除是提高发芽率的两种主要方法。
选择食用薄膜包装材料以使种子在电容(RF)介电加热系统中消毒后与外部污染剂完全隔离。该薄膜将是可生物降解的和水溶的以便当种植种子以在无菌床或者溶液培养环境中发芽时自然分解。
电容(RF)介电加热系统将能够用于加热应用中以提高种子发芽效果。该系统将加热以杀死发芽-抑止有机体以及软化种子的硬壳材料以准备发芽。种子将被包装在可食用或者非食用包装薄膜(单独或者共同地)中，或者密封容器中，或者可在非密封容器中被加热。
电容(RF)介电加热系统将能够用于加热应用中，以提高利用电容加热处理过的种子所长出植物的生长和开花性能以及产量和抵抗疾病和害虫的能力以及其他延期强化效果。该系统将能够再次瞄准最佳频率(在这种情况下不一定限于Debye谐振)，该频率已经被证实在种子处理过程中是有效的，从而在植物的生长阶段出现的所需延期效果。
对电容(RF)介电加热系统进行适当地设计，使对于种子的消毒或者巴氏灭菌不会产生抑止发芽效果。这是基于理解种子的介电性能和以最佳频率加热以增强微生物杀灭率和发芽和避开可能抑止种子发芽的频率或者种子暴露在介电加热器中时间。
电容(RF)介电加热系统将提供各种产品几何结构以应付包装的或者非包装的种子几何结构的变化。
各种种芽产品可能具有最佳的“Debye谐振”或者使电容(RF)介电加热最有效的频率。如在上述第一方案部分中所述的，电容(RF)介电加热系统可被设定为瞄准那些最佳频率。种芽产品的这些可能的“Debye谐振”将具有特定的温度相关性。电容(RF)介电加热系统将被设计成当温度升高时在加热过程中追踪那些温度相关性。各种种芽产品可能具有不一定是“Debye”谐振，但仍然被证明是能够在种子或者从种子生长的植物中达到各种所需益处的重要频率的其他“最佳”频率。电容(RF)介电加热系统将能够瞄准那些频率和追踪一些温度相关性。
目标微生物或者微生物剂也可具有“Debye”谐振或者其他非Debye最佳频率，后者被证明在达到选择性杀灭有机体性能方面是特别有效的并且没有对留在可能使用的任何包装材料上的有机体的种子产生不良影响。电容(RF)介电加热系统将能够瞄准那些最佳频率，并且随着温度追踪它们以达到那些有机体的选择性控制。通常，各种微小的病原体(微生物、真菌孢子等)以及宏观的有害物(例如，昆虫、昆虫幼虫等)可能具有“Debye”谐振或者其他非Debye最佳频率，后者被证明在达到选择性杀灭有机体性能以为上述电容(RF)介电加热技术的广泛使用或者应用方面是特别有效的。
在正常环境下，种子将被包装在可食用和/或非食用标准薄膜中，这些包装材料对射频电场不敏感，以确保包装材料在暴露在射频电场中没有加热或者燃烧或者改变任何它们的包装性能质量。包装材料和相应的电容(RF)介电加热系统将被设计(包括频率选择)成具有这样的性能和相容性。
在特定环境下，种子可被包装在特定类型的食用薄膜中，该薄膜具有的Debye谐振能够利用电容(RF)介电加热系统的复杂多频率分布图同时加热包装薄膜和种子。这在除种子本身的直接介电加热以外，还能够由包装材料对种子进行补充加热。在该薄膜中的Debye谐振的位置可处于比在种子中发现的Debye谐振低许多的频率。电容(RF)介电加热系统将被设计成或者以同时的方式，或者以接近同时加热方式的时分多路传输方式来瞄准食用薄膜包装材料和种子产品的Debye谐振。频率和加热分布图被设计成能够加热包装材料并且在不破坏包装材料的情况下将热量补充输送给种子。
或者，食用薄膜和种子可具有类似的介电性能，诸如类似的Debye谐振和/或介电损耗因素，提供更均匀的加热。
试验和结果
在示例6中，电容(RF)介电加热设备用于对用于生产蔬菜芽的包装的苜蓿和萝卜种子进行巴氏灭菌。种子样品在控制的RF频率和电场强度下经受RF加热。在每一次试验中种子的时间和温度分布图被监测以确定产品加热速度。种子发芽率、总微生物总数、大肠菌和粪肠球菌(E.coli)也被确定。
已经发现，利用RF能量可实现在蔬菜芽种子中的快速和均匀加热。加热速度和均匀性与RF频率、电场强度和RF系统(即，电极设计和频率控制)和样品形状结构密切相关。涉及水分含量的最终种子温度控制和在RF加热后快速冷却种子将有助于避免水分损耗和改善结果。
以两轮试验的形式进行利用RF能量的蔬菜芽种子处理。
第一轮试验是研究RF频率和电场强度对种子的加热速度以及它们对种子发芽和微生物存在情况的影响。具有12至132MHz的变频范围和1kW输出功率的RF系统用于加热苜蓿和萝卜种子。
使用利用具有三个复制的区组作为频率的2×2随机区组设计(RBD)试验。施加15和60MHz(±10％变化)的频率和大约0.55和0.85kV/cm(±20％变化)的电场强度来加热苜蓿和萝卜种子，目的是使种子的温度最终达到75℃。
第二轮试验的目的是检查是否能够通过调节间隙尺寸、电极的尺寸和形状以及种子和包装的结构来实现较快加热速度。
在第二轮试验中使用变频达到50MHz的1kW电容介电加热系统。所用的工作频率在31.2至31.6MHz之间。
在两次实验的射频加热过程中，以人工的方式在频率发生器上进行系统频率的调节以达到在加热的种子和信号生成电路之间的最佳阻抗匹配。通过改变频率以及调节与负载，即腔/电容电极系统，相连的阻抗匹配网络来控制阻抗匹配。调节和优化电容电极以减小空气间隙以减小穿过电极的所需的最大总电场强度，从而减少起弧的危险和过于集中边缘电场强度。通过调节和优化电极以与较小尺寸的样品几何结构相符，从而增大实际穿过样品的电场强度，因此能够提供较高的功率密度和较快的加热速度。对于每一组合的最少进行四次重复试验。
比较示例5和6表明，如果保持阻抗匹配，那么可对样品进行快速加热。当保持阻抗匹配时种子可在25秒内被加热到所需的温度，而当阻抗匹配没有保持接近时，碎鱼肉需要3分钟或更长的加热时间被加热到期望的巴氏灭菌温度。
试验样品制备
由Dorsing Seeds(Nyssa，OR)公司提供用于试验的萝卜种子。产于1999年的萝卜种子具有大约6.5％的水分含量和大约97％的估算发芽率。用于试验的苜蓿种子是从Andrews Seeds(Ontario，OR)公司购买的。产于1998年的苜蓿种子具有大约7.3％的水分含量和大约92％的发芽率。
在第一实验中，苜蓿和萝卜种子被包装在9″×6″×1.5″聚苯乙烯种子托盘中。大约1600g的苜蓿种子或约1400g的萝卜种子被封装在种子托盘中。同样数量的每一种类型的种子也被包装在水溶性薄膜袋(polymer Inc.，West Heaven，CT)中。在第二实验中，如图15A和图15B中所示，聚苯乙烯箱(4 1/2″×4 1/2″×1″)的一半用于盛装种子，另一半由聚碳酸酯隔离物隔散隔开。样品尺寸大小和重量是根据第一次试验的经验确定的。
在第一实验中，加热后的种子被保持在射频加热器内几分钟，接着被倒入大塑料容器并加以搅拌以使其快速冷却。每一次处理的250g种子样品被随机选择和包装在无菌袋中，接着被送回到实验室中以进行水分含量、种子发芽和微生物试验。接着是环境卫生和工人卫生程序以避免种子的进一步污染。未经处理的种子被用作比较样品。
在第二实验中，在种子样品被装入到塑料拉链袋中之前它们在加热箱中保持了一至几分钟。在加热后没有即时使它们快速冷却。对RF加热和未加热种子样品进行水分含量和发芽率的检测。
时间一温度分布图的监测
在第一实验过程中，Luxtron牌的温度探针以每5秒就显示一次种子的温度，并且使用笔记本电脑数据记录系统获得每一个时间—温度读数。在该情况下，5秒样品间隔率是足够的，因为此次实验中的加热速率并不是很快。
在第二实验中，四个光纤温度探针(FOT-C低温传感器，由FISOTechnology Inc.，of Quebec，Canada制造)用于每1.2秒记录种子容器中的温度分布图。温度探针具有长1.0英寸(25.4毫米)并且直径为0.059英寸(1.5毫米)的探头。该温度探针温度测量范围是-50℃到250℃，其测量精度为±0.3℃。它们都由间隔装置和间隔装置中的安装孔被精确地定位在种子容器的中心、上层、下层和角部。所有探针都插入到容器中1英寸(图15B)。
种子发芽实验
种子发芽实验是在俄那冈州立大学种子实验室进行的。用于苜蓿和萝卜种子发芽的方法符合the Association of Official Seed AnalystRules For Testing Seed中所述的标准。对于每一种样品在100个种子复制中种植四百个种子。种子被种植在用水湿润的棕色纸巾上。样品被放置在20℃的发芽器中，接着经过7天发芽后利用种子分析师协会种子评估手册对它们评估。
微生物试验
在俄那冈州农业司实验试验中心分析控制(未加热)种子或者RF加热种子的总微生物总数(APC)、大肠菌和E.coli。25克干种子被放置在无菌混合罐中，并且225ml的Lactose Broth(稀释剂)被添加以达到1∶10的稀释度。种子和稀释剂被高速混合2分钟，并且再制备十分之一的稀释度。
种子被涂覆在胰蛋白酶大豆琼脂(TSA)中以进行总微生物总数(APC)测量。该板在32℃下培养24小时。如Maturin and Peeler，Bacteriological Analytical Manual，1998(8th ED.，Rev.A)，FDA(publishedby AOAC International)所述，利用螺旋涂覆方法确定种子中的APC。
采用(Colicomplete disc分析法)(Biocontrol System，Inc.，Bellevue，WA)进行大肠菌和E.coli的分析。利用选择的适合的样品稀释组使硫酸月桂酸胰化蛋白培餋液(Lauryl sulfate tryptose broth)(LST)试管被培养以确定种子中的全部大肠菌和E.coli的MPN水平或者存在/不存在。一个ColiComplete分析丸被无菌地加入到每一个试管。接着试管在35℃下被培养(AOAC Official method 992.30，1992)。对于总的大肠菌读数，在24小时培养后，每一个试管被检查在盘或者在周围的介质中的在视觉上可检测的蓝色。出现蓝色表示总的大肠菌的证实阳性结果。试管在另外24±2小时在35℃下被重新培养并且被重新检查。持续缺少蓝色表示阴性结果；出现蓝色表示总的大肠菌的证实阳性结果。样品中总的大肠菌的MPN码或者存在或者不存在被读出和记录。对于E.coli的读出，在30±2小时初始培养后试管在长波UV光(366nm)下被检查。荧光表示E.coli的证实阳性结果。种子样品中E.coli的MPN码或者存在或者不存在被读出和记录。
微生物试验的结果被记录在图14中。
射频加热的种子的温度-时间分布图
第一次实验结果表明，两种类型的种子可以实现较快和均匀的加热(图12和图17)。加热速度随着频率和电场强度的增大而增大，在60MHz频率和0.85kV/cm场强下，温度一时间分布图的较大斜率可以证明这一结论。但是，从该试验获得的加热速度仍然小于种子的最佳发芽所建议的速度低，这是由于有限的RF功率源、较大的物理样品尺寸以及电极几何结构和较大的空气间隙尺寸导致的电场强度低。以前的研究推荐，将种子在10至20秒从环境温度加热到大约75℃以避免杀死发芽种子。(Nelson，S.O.，Stetson，L.E.and Works，D.W.，Hard-seedreduction in alfalfa by infrared and radio-frequency treatment，Transactions of ASAE，11(5)：728-730，1968)。这样，第二次实验的目标是提高加热速率。
通过调节样品尺寸、空气间隙以及种子和包装的结构，第二次实验取得了比第一次实验高得多的加热速率(图12和图13的比较)。如图13中所示，第一次实验的加热速度为4.66至20℃/min，而第二次实验加热速率范围为56至109℃/min。
图18和图19示出了苜蓿种子在频率范围在31.3至34.4MHz的射频电场下的温度-时间响应。如图18中所示，估计种子的最大加热速率在点A(108秒，26℃)和B(132秒，70℃)之间为110℃/min，与如图13中所示的为109℃/min的加热速度相近。
除了较快的加热速度以外，也可实现高热均匀性。图19示出了利用对苜蓿种子的常规试验所得到数据的温度相对于时间的分布图。所有探针插入容器中1英寸。在加热阶段(在两个垂直虚线之间)，在顶部、中心和底部位置处的测量温度表明，在中心和顶部位置之间的温度差小于2.5℃，在中心和底部位置之间的温度差小于1℃。在边缘位置和顶部位置之间加热结束时最大的温度差小于6.5℃。
种子发芽
在持续时间、最终温度和在最终温度的保持时间(即，种子冷却多快)对种子在加热过程中的水分损耗产生一定影响。种子中的较低最终水分含量与种子的较低发芽率直接相关。
图12中示出了对于第一实验的与RF频率、电场强度和最终产品温度有关的种子发芽率。一般地，如果不能控制阻抗匹配，那么种子不能快速地被加热，造成太多的水分损失，从而降低种子发芽率。另外，如果不能精确地测量种子的最终温度，那么最终温度会升得太高，从而不必要地增大水分损耗。在一些情况下，被加热的所有样品因加热温度不均匀也可导致一些样品局部被加热到所需的最终温度以上和/或超过最佳持续时间，导致不必要水分损失。
该实验证实了有关种子发芽的频率和电场强度之间的相互作用。如图14中数据所示，在0.55kV/cm的较低的电场强度下，种子发芽率在两个不同频率下的相差不大。而在较高的场强(0.85kV/cm)下较高频率(62MHz)产生的种子具有比较低频率(15MHz)处理的种子高的发芽率。这可能是由在高频下的快速加热速度导致的。
最终种子温度对种子发芽的影响与该试验不一致，尽管先前的研究表明最终种子温度对于种子发芽率是关键的(Nelson，1968，1976)。另外，包括其他许多因素诸如频率和电场强度影响种子发芽率。
因此，在第二实验中，对频率进行控制以有助于保持阻抗匹配。实际工作频率被控制在31.2至31.6MHz的范围内。同样地，所有实验的电场强度也可被控制在相同水平上。
第二次试验的结果如图13中所示。在第二次试验中，加热速度被大大提高，这取决于电极优化、空气间隙的减小(使穿过实际样品的电场强度最大)、样品尺寸减小(并且因此热质量减小)、以及更好的阻抗匹配。
已经证实，种子的最终温度的确是影响发芽率的因素。但是，在加热完成后种子在加热箱中较长的停留和冷却时间也是导致发芽率低的一个重要因素。较高的最终温度加上较长的冷却时间促使干燥或者水分损失。因此，在加热后应尽快使种子冷却下来。
当最终的温度超过75℃时，种子发芽率将会降低，如图13中所示，样品号为RD-G4-01(发芽率32％)，AF-G4-03(发芽率27％)和AF-G4-04(发芽率13％)。这与先前发现的“最重要的温度是由于RF能量提高的最终种子温度。对于正常水分含量为6至7％的种子，75℃接近提高种子发芽率的最佳温度”(Nelson，1968，1976)相符。当最终温度太高时，许多种子实际上被杀死。
据Nelson报告，由于最佳RF处理水平产生的最终温度影响最终的种子的水分含量。最终温度升高时，最终水分含量下降。在Nelson的发现中，最终水分含量范围为在最终温度为49℃时的9.8％最终水分含量至在最终温度为100℃时的2.8％最终水分含量。这样，根据种子的水分含量控制最终种子温度是重要的。这说明具有精确温度测量能力，包括精确温度传感器的重要性。
尽管在第二轮试验中取得了较高的加热速率，种子样品的发芽率仍然比期望的低很多。一个可能的原因是种子在加热后在腔中停留时间过长，即，它们没有被立即取出加热箱进行快速冷却。
在两轮试验中，发现，在RF加热后种子损失了水分。如图13中所示，根据实际加热速度和最终种子温度，萝卜种子的水分含量从其初始的6.27％降低到4.5-5.4％，并且苜蓿种子从7.12％至5.5-6.7％。这由在种子托盘顶盖内部上观察到的因水分积累而发生的水分凝聚证实。先前的研究表明，水分含量对于种子所能承受的最终加热温度是重要的，并且影响发芽率(Nelson，1968)。通常，较低水分含量的种子比高水分含量种子的热处理效果更佳。该发现表明，需要种子快速冷却以维持它们的初始水分含量以达到所需的种子发芽率。另外，需要精确确定最终温度并使加热系统能够精确地加热到这一温度。
微生物结果
在第一轮试验中测量总微生物总数(APC)、大肠菌和E.coli，其结果列在图14中。经RF加热处理的样品和控制样品之间萝卜种子上的APC数量没有观察到重大差异。但是，RF加热导致苜蓿种子上的APC减少了一个对数级，即从105减少到104。频率不影响，但0.85kV/cm的较高的电场强度在15MHz时使APC数量从4×104减小到1.3×104，并且在60MHz时使APC数量从5.2×104减小到2.4×104。RF加热处理没有对两种种子的大肠菌产生有关的影响。E.coli的数量小于3.6，不受种子类型、频率和施加的电场强度的影响。
在该研究中的微生物试验不是挑战性试验。即，对种子没有进行细菌培养。由于该研究所用的种子相对比较干净，所以难以看到RF加热对微生物的准确影响。根据International Sprout Grower Association的种子卫生标准，蔬菜上的E.coli的数量必须小于10/g。用于该试验的种子不符合该标准。先前的研究表明，RF能量对微生物的主要影响仅是基于加热，即，升高温度杀死细菌。Kozempel，Michael F.；Annous，Bassam A；Whiting，Richard C.，Inactivation of Microorganisms withMicrowaves at Reduced Temperatures，J.Food Prot.，1998，vol.61(5)，582。因此，第二轮试验中没有使用挑战性试验。
如上所述，在对包装种子的巴氏灭菌中利用电容介电加热是非常可能的。基于HPMC-或CC-的食用薄膜可是包装材料的一种良好的选择，这是由于它们对射频场的较低的敏感性。损耗因数与频率(在高温下)的负二次方根关系将预示高频(大于30MHz)在种子中的应用。这是由于当介电损耗机构占据主要部分时功率密度对频率和电容率的损耗部分(损耗因数)的正线性相关性。
制造工艺流程潜在应用
在食品工业上，电容介电加热技术的制造工艺流程具有几种潜在应用。这些在图8中被示意性示出。图8中示出的四种制造工艺可表示下列类型的工艺应用：
A.对特定的混合浆液(例如，在汤中的切碎蔬菜)进行电容介电加热，其中通过瞄准其Debye谐振可调谐该设备以优选地或者选择性地加热选定材料。相反，通过瞄准其Debye谐振可使该设备被调谐到优选地或者选择性地加热配制的载体介质。
B.对包装食品进行电容(RF)介电加热(例如对包装的仿鱼制品进行巴氏杀菌)，其中食品可被加热，即使其被包装在电热绝缘体内。
C.针对包装产品的现场周围微环境进行电容(RF)介电加热。在这样的情况下，射频电场与包装内气体环境(例如，气体元素、气态分子化合物、气溶胶、液体和/或流体)的相互作用所激发和导致的副影响产生质量强化、保存和/或巴氏灭菌效果。
D.利用RF能量激发活培养基以刺激细胞数量、细胞内或者细胞外代谢物和/或发酵产品。
一般性应用
电容(RF)介电加热系统将具有功率控制和电压/电场水平控制能力以及可能包含栅电极结构布置(见图6-7)，以在加热样品中提供场强相对于时间和位置的精确控制。这将提供对大小产品几何结构以及合成产品和非均匀产品结构的加热，并防止起弧、燃烧和热逸散问题。这对于解冻应用、以及可能为非规则的产品几何结构的仿鱼制品和包装种子产品是特别重要的。
电容(RF)介电加热系统将与目前用于肉和鱼产品的生产流程相容，并提高其工业和生产加工能力，包括用于种子的加工处理。
电容(RF)介电加热系统将根据对出口食品的消毒和巴氏灭菌加工工艺要求设计，从而确保出口食品的质量。
电容(RF)介电加热技术将被开发成家用电器，为消费者提供各种类型的家庭/橱房使用的食品消毒和巴氏灭菌装置。它们可以与微波炉相媲美，能够以较低的频率工作，获得更均匀，穿透性更强的加热。
除了上述各种制造工艺流程的示例以外，还存在将该技术与其他加热技术结合使用以提高产品质量、工艺生产率和/或能量效率的可能性。该技术与常规热水加热系统相比，将使生产占地面积减少并且产量增加。
可从射频加热和其他加热相结合的加热技术获益的加工工艺包括液体—固体和液体—液体分离、油水混合物和相分离、压力和真空处理、通风等。
利用特定的工艺，能够在食品的整个体积上获得均匀的加热。与依赖与介质表面热传导的热水和蒸汽加热或者冷水解冻技术相反，该技术均匀加热极性介电分子并且在样品的整个体积上直接加热。电容(RF)介电加热提供比高频微波炉更高的加热均匀性，这是由于较低射频频率范围而造成的，本专利中所涉及的较低RF频率范围指的是300KHz至300MHz，最有可能的频率范围是1MHz至100MHz，这个频率范围可以提供更强的穿透性且其波长远大于介质的尺寸，因此电容加热不依赖于在微波炉中所需的复杂波传播和反射模式。其电场模式通常是在平行板之间的简单的2维模式。
对大包装食品进行快速和均匀解冻并且尽量小地破坏食品的质量难度是比较大的，诸如解冻大块冷冻肉的情况。常规热水池解冻过程不仅花费长时间，还改变肉的质量。微波加热不宜用于大包装，这是因为它的穿透能力有限。但是，本专利所申请的电容(RF)介电加热技术具有足够的穿透能力，特别是其自动阻抗匹配能力和栅电极结构系统可以提供快速均匀地加热系统。射频加热的这些特征特别适用于食品的实时制备，诸如在餐馆和其他食品服务行业中，这是由于RF加热优于其他已知加热技术。
食品的电容(RF)介电加热是一种不产生废水的清洁加工工艺。相对于热水和蒸汽加热(用于巴氏灭菌和消毒)以及冷水解冻技术和其他加热技术，本发明所涉及的电容(RF)介电加热系统具有很多优点。
电容(RF)介电加热在用于巴氏灭菌时，比高能量幅射和高压技术费用低(基于处理每磅食品的费用)。
即使食品被包装在热电绝缘体中以及样品厚并且形状不规则，电容(RF)介电加热也可使食品加热，这是由于内部极性分子被加热(因此，不依赖于与表面的热传导)。热水和蒸汽技术则要求使用扁平和很薄的包装或绝缘层以利于热传导。
上述电容(RF)介电加热对包装食品进行加热并且不会产生过高的局部功率密度，这类局部过高功率密度可能发生的情形诸如在包装材料缝内的少量食品/水的集中，导致大介电损耗的小质量热导体暴露在局部大电压梯度下。
利用这里所述的方法和设备，能够避免上述电容(RF)介电加热方法的潜在缺点。根据本发明的第一种方案，通过提供频率控制以匹配Debye谐振或者介质的主要组分的其他参数，随着温度追踪它们，控制场强和优化产品几何结构以防止起弧，来解决潜在的加热中出现的问题。根据第二种方案，自动阻抗匹配确保有效调节负载阻抗以与信号生成单元的输出阻抗匹配，从而确保利用最大能量加热负载(这样，产生较短的加热时间)。
为了防止或者减少热逸散的危险，栅电极系统可与红外扫描器结合使用以监测被加热食品的整体。另外，可通过电极系统构造减小包装接缝上电场强度(适当的包装方法可以防止食物进入包装缝中也可以避免使接缝加热)。根据扫描器的信号，通过调节局部电场强度或者在不同的工作循环接通或中断开某部分栅极来分别加热食品的各个部分，以防止“局部过热”。
应该理解的是，本发明包括所有下面的权利要求及其等同形式所限定的保护范围内的所有这样变型。

Claims (62)

1.一种加热包括食品的介质的方法，所述方法包括：
使介质经受交流电场的作用，所述交流电场是由以选定频率施加的射频波形所产生，利用该选定频率来加热介质；
根据介质的阻抗，初始测量有效负载阻抗；
将有效负载阻抗与产生RF波形的射频信号生成单元的输出阻抗相比较；以及
自动调节有效负载阻抗，以使其与信号生成单元的输出阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号生成单元的输出阻抗是预定的恒定值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号生成单元的输出阻抗是约50欧姆。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量有效负载阻抗包括测量穿过介质的电压和在介质中产生的合成电场。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量有效负载阻抗包括测量施加在介质上的射频波形的电流。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量有效负载阻抗包括测量施加在介质上的RF波形的电压和电流，以及基于所测得的电压和所测得的电流来确定相角。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量有效负载阻抗包括测量用于产生穿过介质的电压和通过介质的电流所施加的RF波形的正向功率水平，和测量由有效负载反射的RF波形的逆功率水平。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括根据正向功率水平和逆功率水平计算电压驻波比。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括重复进行自动调节有效负载阻抗的动作，直至电压驻波比为约2∶1或者更小。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括重复进行自动调节有效负载阻抗的动作，直至电压驻波比为约1∶1。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，自动调节有效负载阻抗以与信号生成单元的输出阻抗相匹配包括调节所施加的RF波形的选定频率。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，自动调节有效负载阻抗以与信号生成单元的输出阻抗相匹配包括调谐与负载相连的可调谐阻抗匹配网络。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在加热过程中周期性地测量食品的至少一个温度，以及利用所测的温度自动调节有效负载阻抗并使其与信号生成单元的输出阻抗相匹配。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RF波形的选定频率允许波长至少比试验中介质的最大几何尺寸大10倍。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述RF波形的选定频率在1MHz至300MHz的范围内。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在介质中的食品被包含在包装材料中。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品是未发芽的种子。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，未发芽的种子覆可食用覆层。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述覆层是HPMC-基或者CC-基材料。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品是仿鱼制品。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品至少包含一种肉。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品是种子，并且RF波形的选定频率略大于30MHz。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品是一种未发芽的种子，并且被加热的未发芽种子的发芽率高于未处理种子的发芽率。
24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品是种子，并且被加热种子的测量微生物存活率小于未处理种子的测量微生物存活率。
25.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品是至少一种种子，并且所述食品在30秒或者更短的时间内被加热。
26.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品是仿鱼制品，并且所述食品在约3分钟或者更短的时间内被加热。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将食品浸在去离子水的水池中。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，被浸没的食品在浸泡在池中的同时被加热。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，被浸没的食品在浸泡在温度为75至85℃的池中的同时被加热。
30.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在食品达到所需的最终温度后在预定条件下冷却食品。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述食品至少是一种种子，并且所需的最终温度为约75℃。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述食品是仿鱼制品，并且所需的最终温度为约85℃。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述食品保持在所需的最终温度下的保持时间是约三分钟或者更短。
34.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述食品至少是一种种子，并且所述食品保持在所需的最终温度下的保持时间是约30秒或者更低。
35.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述食品至少是一种种子，在所述食品达到所需最终温度后，食品在约4分钟或者更短的时间内被冷却到室温。
36.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述食品被包含在包装物中，并且所述方法还包括在达到所需的最终温度后将包含食品的包装物浸在水池中以使食品和包装物冷却。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，将所述水池保持在低于室温的温度。
38.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述食品至少被部分冷冻并且对该食品进行加热以使其解冻。
39.一种食品，利用权利要求1所述的方法制造。
40.一种加热食品的方法，所述方法包括：
使食品经受交流电场的作用，该交流电场通过利用信号生成单元以已知频率施加的AC波形所产生，信号生成单元具有已知的、通常恒定的输出阻抗；
测量食品的实际阻抗；
确定最初与食品的实际阻抗有关的有效负载阻抗，通过下列至少一种测量方式来确定有效负载阻抗，即测量所施加RF波形的电压和电流以及计算相角差、以及利用信号生成电路测量施加在食品上的RF波形的正向功率水平和从食品反射的RF波形的逆功率水平；
将有效负载阻抗与信号生成单元的输出阻抗相比较；以及
通过调节施加RF波形的频率和调谐可调谐阻抗匹配网络中的至少一种调节形式，自动调节有效负载阻抗以使其与信号生成单元的输出阻抗匹配，使有效调节负载阻抗近似等于信号生成单元的输出阻抗。
41.一种加热食品的方法，所述方法包括：
使被包含在包装材料中的食品保持在AC电场中，该AC电场由信号生成电路提供的处于不大于300MHz的频率下的RF波形所产生；以及
通过自动地保持自动匹配食品阻抗的食品和信号生成电路之间的阻抗匹配来对食品进行可控制加热。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述食品至少被部分冷冻并且对食品加热使其解冻。
43.一种加热食品的方法包括：
使被包含在包装材料中的食品保持在由RF波形产生的AC电场中；
周期性地检测食品和包装材料的阻抗以产生传感器输出信号；
基于最近测量的阻抗和已知阻抗之间的差异确定阻抗失配，并且利用计算机产生对应于该差异的相应控制信号输出；以及
当食品和包装材料的温度增加时，利用计算机的控制信号输出来调节RF波形的频率，以使检测的阻抗与最近检测的阻抗相匹配。
44.一种杀死与食品相关的有害微生物的方法，所述方法包括：
使被包含在包装材料中的食品保持在由RF波形产生的AC电场中；
周期性地检测食品和包装材料的阻抗以产生传感器输出信号；
基于最近测量的阻抗和已知阻抗之间的差异确定阻抗失配，并且利用计算机产生对应于该差异的相应控制信号输出；以及
当食品和包装材料的温度增加时，利用计算机的控制信号输出来调节RF波形的频率，以使检测的阻抗与最近检测的阻抗相匹配。
45.一种加热食品的方法包括：
试验食品的第一样品以确定该食品在几个不同温度下的阻抗；
将所得到的食品阻抗与温度的关系存储在计算机的存储器中；
使信号流过食品的第二样品，对于该食品，射频信号频率不大于300MHz；
检测第二样品的至少一个部分的阻抗；
通过操作计算机，确定食品的最近检测阻抗和食品的加热速度之间的关系；以及
基于该关系调节食品的加热速度。
46.一种处理种子的方法，所述方法包括：
使种子保持在由处于不大于300MHz的RF频率下的RF信号所提供的AC电场中；以及
对种子进行可控制加热，同时使种子的阻抗与预定的恒定值匹配。
47.一种用于处理食品的电容RF介电加热设备，所述设备包括：
AC RF信号源，处于不大于300MHz的RF频率下所述信号源与位于产品处理区域相对两侧上的一对电极相连，以使RF信号在产品处理区域中产生AC电场；
频率控制器，用于调节不同RF频率之间的RF信号的频率；
数学模型，预测作为温度的函数的食品阻抗；
检测食品阻抗的阻抗传感器；
计算机，该计算机被编程以接收来自于阻抗传感器的阻抗数据、利用食品模型处理阻抗数据，以及为频率控制器提供控制信号以调节RF信号的频率，从而使检测阻抗与预定阻抗匹配。
48.如权利要求47所述的设备，其特征在于，所述交流信号源包括与功率放大器相连的频率生成器。
49.如权利要求48所述的设备，其特征在于，还包括可调谐的阻抗匹配网络以使功率放大器的输出阻抗与负载阻抗相匹配，所述负载包括成对的电极和在两个电极之间的食品处理区域中的任何食品。
50.如权利要求48所述的设备，其特征在于，还包括与从功率放大器引出的传输线耦合的定向耦合器，以接收与放大器所提供的功率水平成比例的信号。
51.如权利要求50所述的设备，其特征在于，定向耦合器包括正向功率部分和逆功率部分，该正向功率部分用于接收与放大器所提供的功率成比例的信号，该逆功率部分用于接收与从放大器反射回来的功率成比例的信号。
52.如权利要求51所述的设备，其特征在于，还包括相连的测量仪器，以接收来自于正向功率部分和逆功率部分的相应信号。
53.如权利要求52所述的设备，其特征在于，通过所述测量仪器计算电压驻波比。
54.如权利要求53所述的设备，其特征在于，所述测量设备计算负载反射系数。
55.如权利要求52所述的设备，其特征在于，计算机与所述测量设备相连并且接收来自于所述测量设备的输入信号，对所接受的信号和温度数据进行处理以产生控制信号。
56.一种用于处理食品和种子产品的电容RF介电加热设备，所述设备包括：
射频频率不大于300MHz的AC RF信号源；
与所述信号源相连的第一电极；
与所述信号源相连的第二电极，所述第二电极与所述第一电极保持间隔，以使产品处理区域被限定在电极之间且射频信号流过该产品处理区域；
阻抗匹配装置，通过调节RF信号的频率使被加热的食品和种子产品的阻抗与预定恒定值匹配。
57.如权利要求56所述的设备，其特征在于，所述第一和第二电极的每一个具有多个电极元件，所述多个电极元件相互之间是电绝缘的，第一电极的各个元件的位置与第二电极的相应各个元件的位置相对以提供多对相对的电极元件。
58.如权利要求56所述的设备，其特征在于，用于每一对电极的计算机控制开关被连接在RF信号供给电路中，以使各个电极对可由计算机断开和接通。
59.如权利要求56所述的设备，其特征在于，还包括温度传感器，并且至少一些温度传感器被装在第一电极上。
60.一种用于处理食品的电容(RF)介电加热设备，所述设备包括：
至少一对间隔开的电极，在所述电极之间限定出可容纳被加热食品的食品处理区域；
与电极相连的信号生成电路，信号生成电路能够提供AC RF信号为电极充电并且在食品处理区域中产生AC电场；
与电极和信号生成电路相连的阻抗测量电路，阻抗测量电路测量电极阻抗和在食品处理区域内的食品的阻抗；以及
与阻抗测量电路和信号生成电路相连的控制器，所述控制器基于由阻抗测量电路测量的阻抗来控制信号生成电路和由其产生的AC电场。
61.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述信号生成电路包括变频RF信号生成器。
62.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述信号生成电路包括与变频RF信号生成器相连的放大器。
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