影响食品射频-微波介电特性的因素及影响机理分析

朱新华，郭文川

(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

影响食品射频-微波介电特性的因素及影响机理分析

朱新华，郭文川

(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

了解食品的射频-微波介电特性，对于充分利用电磁能加热食品及研发食品成分传感器具有重要意义。为了给国内食品射频-微波介电特性领域的研究提供借鉴，本文在介绍常用食品介电特性参数和介电极化机理的基础上，综述电信号的频率、食品温度、主要成分(水、盐和脂肪)以及容积密度对食品物料射频-微波介电特性的影响规律，分析影响机理，并指出今后的研究方向。

食品；介电特性；频率；温度；成分

Abstract：Understanding radio frequency (RF) and microwave (MW) dielectric properties of foods is important to exploit electromagnetic energy during heating and to develop food composition sensors. In order to provide useful information on the microwave dielectric properties of food, the effects of signal frequency, sample temperature and major compositions including water, salt and fat as well as bulk density on RF-MW dielectric properties of food have been reviewed on the basis of dielectric properties and dielectric polarization mechanisms of commonly-available foods, which will be beneficial for future analysis of its mechanisms and future development trends.

Key words：food；dielectric property；frequency；temperature；composition

食品的介电特性描述了处于电磁场中的物质与电磁波相互作用的能力。对食品介电特性，尤其是其射频(300kHz～300MHz的电磁波)和微波(300MHz～300GHz的电磁波)介电特性的研究，使得从20世纪40年代开始出现了一种不同于传统的对流、传导和辐射加热的方法——射频-微波加热。随后，食品物料的介电特性和微波加热设备的研发成为研究的焦点。对食品介电特性的研究，不仅有助于了解食品在电场中的介电行为，为充分利用能源，研发更经济的射频-微波加热设备提供基础，而且介电特性可用于检测食品的组成成分，因为科研工作者发现食品的介电特性与成分，例如水、盐、脂肪以及食品的结构等有关。目前我国在食品射频-微波介电特性的研究成果较少，本文将介绍信号频率、食品温度、食品中的水、盐、脂肪和容积密度等对食品物料介电特性的影响规律，并分析影响机理，旨在为此领域的研究提供参考。

1 食品介电特性基础

1.1 常用反映介电特性的物理参数

自然界中的物质皆具有比真空大的介电常数值，为此用物质的绝对介电常数εa与真空中的介电常数ε0(8.854×10－12F/m)的比值εr表示物质的相对介电常数，即εr=εa/ε0。在时间变化的正弦高频或微波电场中，常将处于电场中的物质等效为电阻与电容的并联或串联模型，因此用具有实部和虚部的复数相对介电常数(εr*)表示物质的介电特性，即：

式中：εr＇为复数相对介电常数的实部，称为相对介电常数；εr＂为复数相对介电常数的虚部，称为介质损耗因数；j为虚部单位。

εr＇与物质的电容特性有关，εr＂与物质的电阻特性有关，它们分别反映了物质储存电场的能力和将电磁能转换为热能的能力。绝大多数食品物料的εr＂是正值且小于其εr＇。理论上有εr＂=εr＇tanδ，δ为损耗角，tanδ为损耗角正切，是所消耗的能量与储存能量之比，称为耗散因数或介质损耗正切。

1.2 电介质的极化

电介质处于电场中时，由于同号电荷相斥，异号电荷相吸使得介质表面会出现与各自贴近极板电荷相反的电荷分布，这种现象称作电介质的极化，介质表面上出现的电荷称作极化电荷。复数介电常数的值反映了电场中物质被极化的难易程度[1]。

电场中电介质的极化主要有3种方式：偶极子的取向极化、电子位移极化和原子位移极化。各种极化的特征频率是偶极子取向极化主要在微波域，电子极化在紫外线域，原子极化在红外、远红外域[2]。除此之外，离子的导电性是引起介电损耗的主要原因。物质的介电特性是各种极化的综合反映。在射频-微波频段下，原子和电子极化相对较弱，基本为一常值，离子导电性和偶极子取向极化是引起介电损耗的主要原因[3]，因此有：

式中：ε＂rd为偶极子旋转引起的相对介电损耗；ε＂rσ为离子的导电性引起的相对介电损耗；σ为离子的电导率/(S/m)；ε为角频率/(rad/s)；ω=2πf，f为电场频率/Hz。

当电信号是大于1GHz的微波时，偶极子的取向极化是所有的损耗机理中最显著的影响因素；而当电信号是小于1GHz的微波或射频时，离子的导电性是引起介电损耗的主要原因[3]。

2 影响食品射频-微波介电特性的因素

影响食品射频-微波介电特性的主要因素有电信号频率、食品温度和食品成分——水、盐、脂肪等。在颗粒状食品物料中，容积密度也是影响介电特性的因素。

2.1 频率的影响

德拜方程(式(3))可用于描述极性物质，尤其是自由水的介电特性。

将式(3)分成实部和虚部两部分后，得[4]：

式中：εrs为介质的静态相对介电常数，即介质在直流电场作用下的介电常数；εr∞为电子位移极化的介电常数，又称光频介电常数；ω为角频率/(rad/s)；ω＝2πf，f为电场频率/Hz；τ为松弛时间/s (一般大于10－10s)。

公式说明，εr＇和εr＂都是随频率变化的函数。图1是常温下自由水的介电参数随频率变化的规律[5]。25℃条件 下自由水的松弛频率fc是19.2GHz[6]，此时εr＂具有最大值，而εr＇急剧下降。但是，食品中除了水之外，还有各种各样能溶于水的离子。在射频下，离子的导电性是引起介电损耗的主要原因，这使得射频段εr＂随着频率的增大而减小，而在微波频段由于引起介电损耗的主要原因是偶极子的极化，此时水溶液的介电特性与纯水的介电行为基本相同。如图2所示是频率对3种蜜瓜汁的εr＂的影响[7]。这种介电参数随频率变化的规律也发现于其他食品的介电特性中，例如鸡蛋[8-9]、饮料[10-11]和酱油[12]。

图1 常温下自由水的介电行为Fig.1 Dielectric behavior of free water at room temperature

图2 24℃下频率对蜜瓜汁ε＂r的影响Fig.2 Effect of radio frequency onεr＂of honeydew melon juice at 24℃

2.2 温度的影响

当食品处于冷冻状态时，食品在微波频段下的介电特性受冷冻食品中自由水和离子浓度的影响。冷冻状态下食品中的自由水较少，因此此时食品的εr＇和ε＂r值较小。而在解冻过程中，随着食品中自由水含量的增多，在小于松弛频率的微波频段，食品的εr＇和ε＂r迅速增加[13]。ε＂r越大，物质吸收电磁能而将其转换为热能的能力越大。因此在同样的电磁场下，已被解冻食品吸收的能量大于未被解冻的食品，容易形成所谓的“冷点”。这也就是为什么在微波炉中解冻肉时表面的肉几乎快被烤熟而内部肉仍然处于冷冻状态的原因。如果食品含盐量较少或不含盐，则食品被解冻之后，当f＜fc时，εr＇和ε＂r随温度的升高而减小[14-15]，使得温度高处吸热相对少，温度低处吸热相对较大，这有利于加热的均匀性。图3是温度对水的介电参数的影响[16]。图3说明随着温度的增加，水被极化时的fc增大，但相应fc下的ε＂r值减小。

图3 温度对水的介电参数的影响Fig.3 Effect of temperature on dielectric parameters of water

2.3 水的影响

水对食品介电特性的影响程度取决于湿性食品中水的存在形式。食品中的水以自由水和束缚水的形式存在。自由水容易散失，而束缚水很难散失。当物品干燥到一定程度，含水率不能再降低时，此时存在于食品中的水主要是束缚水[4]。偶极子存在于自由水中，微波下偶极子的取向极化是主要的极化方式。束缚水对极化的响应要比自由水小得多。当含水率大于某一值时，自由水对介电特性的影响起主要作用，此时ε＇r和ε＂r随含水率的降低迅速减小。但当低于该值时，由于食品中的水主要是束缚水，ε＂r随含水率的减小缓慢降低，如图4所示。因此，含水率小的食品比同种含水率多的食品吸收的热量少，这样在利用微波能干燥物品或利用微波能进行食品脱水时就使含水量多处失水较快，含水量少处失水较慢，会使干燥后食品的水分分布比较均匀。

图4 室温27MHz条件下含水率对介质损耗因数的影响Fig.4 Effect of water content on dielectric loss factor of chickpea under room temperature and 27 MHz radio frequency

在成分对食品介电特性的影响研究中，对水的研究是最多的，如各种肉及其制品[17-18]、奶[19]、果蔬[20]、蜂蜜[21]和各种颗粒状农产品[22-24]。这些研究为基于介电特性的食品物料水分检测新方法或含水率传感器的开发提供了基础。

2.4 盐的影响

湿性食品中的盐会使离子浓度增加，从而使食品的介电特性发生明显的变化。这种影响主要体现在三个方面：1)影响介电参数值。相同条件下，加盐食品的εr＇明显小于未加盐食品，而εr＂却明显增大，这是由于离子浓度的增大使得导电性能增大。例如，30℃、2450MHz条件下，未加盐黄油的εr＇=24.5，εr＂=4.3，而加盐(NaCl)0.60g/100g黄油的εr＇=9.0，εr＂=15.5[25]。在鸡肉[26]、猪肉[27-28]中加入盐后，也发现随着食品中含盐量的增加，εr＇逐渐减小，而εr＂逐渐增大；2)影响介电参数的频率特性。在微波频段，含盐食品的εr＇随频率增加明显减小，而未含盐食品的εr＇随频率增加缓慢减小[3]。图5是40℃条件下，盐对黄油介电参数频率特性的影响[25]。3)影响介电参数的温度特性。如果非冷冻状态下的食品中不含盐或含盐量比较小，在松弛频率以下的微波频段，εr＇和εr＂将随温度的升高而减小。但是当含盐量较大时，离子的浓度增大，温度的增加使得液体的黏度下降和离子的流动性增加，导致微波下离子溶液电导率的增加，从而使得εr＇和εr＂随温度的升高而增大[4]。此时，温度高处吸热多，温度低处反而吸热少，造成所谓的“热逸散”，引起加热的不均匀。

盐对介电特性的影响在很大程度上也取决于其运动过程中受其他食品成分限制的方式，这就使得根据单一成分的介电特性预测混合物的介电特性比较复杂[29]。

图5 加盐量对40℃条件下黄油样品介电特性的影响Fig.5 Effect of salt amount on dielectric properties of butter sample at 40 ℃

2.5 脂肪的影响

脂肪和油脂通常被认为是自然界中微波场下的惰性物质，它们和电场的作用力很弱。因此，相同条件下，食品中的脂肪或油脂含量越高，则其εr＇和εr＂越小。例如在450W，27.12MHz加热90s后测得的脂肪含量76.1%，含水率19.0%的猪背部脂肪肉的εr＇=12.5，εr＂=13.1，而脂肪含量4.4%，含水率73.9%的猪肩部肉的εr＇=69.6，εr＂=392.0[28]。牛肉的研究中也发现脂肪含量高的牛肉比脂肪含量低的具有比较小的εr＇和εr＂值[30]。当然，这种现象也与样品中的含水率不同有关。

2.6 容积密度的影响

电介质的介电特性取决于与电磁场相互作用的物体质量的大小，因此单位体积内物质的量，对于颗粒状或半流动性固体食品而言，即其容积密度，也对介电参数值有影响。当其他条件相同时，容积密度大的食品物料具有较高的εr＇和ε＂r。这在对大量的粮食、谷物、粉状农产品或食品介电特性的研究中已经得到证实。同时Trabelsi等[31]发现当εr＇ 和分别除以容积密度ρ时，εr＇/ρ与ε＂r/ρ呈线性关系，而与物料的含水率无关。该发现为基于介电特性的容积密度传感器的研发鉴定了基础。

除以上因素影响食品的射频-微波介电特性外，淀粉种类和形式[32-33]，蛋白质含量[34]，食用油中脂肪酸的含量和种类[35]，水果中的可溶性固形物含量[36-37]等也影响介电特性。值得说明的是，对食品介电特性的影响是多种因素共同作用的结果，因此在分析某种因素的影响时不可避免的涉及其他因素。

3 展 望

虽然在食品介电特性研究方面取得了一些成果，而且主要集中于国外，但仍然有许多方面需进一步的探索和研究，笔者认为今后的研究将着重于以下几个方面：

1) 拓宽研究对象。目前研究的食品品种已比较多，但主要还是集中于肉、奶、蛋、果蔬、颗粒状农产品等中，对于非大众食品的研究较少。因此，有必要更广泛地了解各类食品的介电特性。

2) 加大单一组分对介电特性影响研究的深度。在众多的组成成分中，对水的研究是最多的，另外，对于盐、脂肪等也有一定的研究，但对其他成分对介电特性影响规律缺乏了解。现有研究的深度和广度远远不够。只有充分了解介电特性与主要成分间的关系，才能为介电特性识别品质提供可能。

3) 探索基于介电特性综合评价各种成分的方法。事实上，影响食品介电特性的因素非常多，各种因素之间又有一定的交联作用，这给介电特性评价食品的单一成分带来困难。因此，在了解各种成分对食品介电特性影响的基础上，建立基于介电特性综合评价食品中多种成分的方法将成为今后研究的重点。

4) 加强成果转化的力度。虽有一些研究成果已经转化为生产力，但绝大多数的研究还处于实验室阶段，在从理论到实践的过程中还需继续努力。

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A Review of Affecting Factors and Their Mechanisms of the Radio Frequency-Microwave Dielectric Properties of Foods

ZHU Xin-hua，GUO Wen-chuan
(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

S183

A

1002-6630(2010)17-0410-05

2009-12-22

陕西省自然科学基金项目(SJ08-ZT06)；西北农林科技大学青年学术骨干项目(Z111020711)

朱新华(1967—)，男，副教授，学士，研究方向为农产品和食品加工工程。E-mail：zxhjdxy@sina.com