915MHz和2450MHz下扇贝柱介电特性的研究

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(中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003)

915MHz和2450MHz下扇贝柱介电特性的研究

张文杰,薛长湖*,丛海花,贾敏,王兆琦

(中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003)

利用介电网络分析仪测量温度20～100℃,频率0.3～3GHz下扇贝柱介电常数和介电损耗因数,从而得出扇贝柱在微波加热过程中温度和频率对介电特性的影响。结果表明,温度一定时,介电常数和介电损失因数都是先随着频率增加而降低,随后变化不显著；频率915MHz和2450MHz时,介电常数与温度成负相关,介电损耗因数与温度成正相关。且915MHz和2450MHz下,穿透深度随温度的升高而减小。扇贝柱介电特性的研究为微波杀菌技术的研究提供了理论基础。

扇贝柱,介电特性,温度,频率,穿透深度

扇贝(Chlamysfarreri)是味道鲜美、营养丰富的海珍品,其肉质细嫩,营养成分高,富含蛋白质,脂肪,磷酸钙,维生素A、B、D等,具有重要的食用价值和经济价值。目前扇贝的实用方法除了直接食用外,还有加工成冷冻鲜柱、扇贝精油、扇贝罐头等即食食品。近年来我国扇贝养殖规模和产量增加迅猛,扇贝加工产业具有良好的发展前景,而扇贝柱的杀菌环节是扇贝加工环节中至关重要的。目前扇贝柱的杀菌采用的是传统的水产品杀菌技术,杀菌时间长,致使营养物质和风味成分的破坏[1]。微波杀菌是一种新型的无损的加工技术,它能缩短加工时间,并且提高产品质量[2]。通过微波加热的方式,使电磁场和介电材料之间相互作用,在食物内部产生热量。与传统的以水分和水蒸气为媒介的加热方式相比,微波加热是更均匀、更快速的体积加热[3]。由于微波加热产生热量的多少与材料的介电特性、热特性,产品的大小、形状、组成,微波加热腔配置有关[4]。从而影响微波加热的温度分布,导致食品内部温度分布的不均匀,而介电特性描述了处于电磁场中的物质和电磁能相互作用介电行为,是影响食品中热量分布的重要因素。目前关于食品介电特性的研究主要有果蔬、谷物、蛋奶肉类,对关于水产品的研究很少。Cong Haihua[5]研究了915MHz下温度对复水海参介电特性的影响；Yu Wang[6]做了关于频率和温度对三文鱼介电特性的研究；Yu Wang[7]研究了三文鱼不同部位介电特性的差异,以及温度和频率对三文鱼介电特性的影响；Xiaopei Hu[8]研究了去壳牡蛎的热特性以及915MHz和2415MHz下温度对其影响；F.Tanaka[9]研究了从解冻到加热过程虾的介电特性变化；贾敏[1]做了温度和频率对鲍鱼介电特性的研究；何天宝[10]研究了温度和频率对鱼糜介电特性的影响；张保艳[11]研究了温度、频率和水分含量对罗非鱼介电特性的影响；杨振超等[12]对915MHz和2450MHz下温度和盐溶液浸渍对青鱼介电特性做了研究。目前还没有关于扇贝柱介电特性的研究,本文通过研究温度和频率对扇贝柱介电特性的影响,从而得出扇贝柱介电特性随温度、频率的变化规律,为微波杀菌提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

薛家岛扇贝柱 购于青岛水产品批发市场。

8714ET安捷伦介电网络分析仪 深圳市盛腾仪器仪表有限公司,包括Agilent 8714ET矢量网络分析仪、Agilent 85070E末端开路同轴探头、85070E分析软件,计算机、加热循环系统；SY-X2/10L 循环油浴 郑州长城科工贸有限公司；HYF-7412温度控制仪 上海霍宇仪器仪表有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 实验样品扇贝柱的准备 将扇贝去壳,去掉内脏团、生殖腺,取出扇贝柱,滤纸吸干表面水分,备用。

1.2.2.1 校正仪器 打开网络分析仪预热30min,设定介电网络分析仪的测量频率为0.3～3GHz,温度设定为当时室温,依次用空气、短电阻、超纯水与探头接触,从而校正探头。

1.2.2.2 装样测量 将扇贝柱装入加热套筒内,利用油浴控制扇贝柱温度,每隔10℃测量一次介电常数(控制3～4min完成10℃升温),测量温度范围为20～120℃。取三组样品三次测量的平均值。

1.2.3 数据分析 取3次测量数据的平均值,用Excel分别对扇贝柱介电特性对温度和频率进行线性回归分析,得出线性回归方程。

2 结果与讨论

2.1频率对扇贝柱介电特性的影响

图1为不同温度下扇贝柱介电常数随频率变化的曲线,由图1可以看出,在初始频率180MHz下,扇贝柱介电常数在100℃下最高,数值达98.8,而在20℃下最低,为81.3。介电常数的变化趋势是在小于360MHz频率下,随着频率增加而降低,随后变化不显著,并且随着温度升高,扇贝柱介电常数下降幅度越大。扇贝柱介电常数随频率变化的趋势,这与贾敏[1]得出的鲍鱼介电常数、Yu Wang[7]得到的三文鱼的介电常数及F.Tanaka[9]得出的虾的介电常数、张保艳[11]得出的罗非鱼的介电常数对频率的变化规律一致。

图1 不同温度下频率对扇贝柱介电常数的影响

根据介质极化理论,置于外加电场中的介质表面的电荷重新分布,正负电荷向反方向移动从而产生了与外电场相反的电场。低频下的电荷有足够的时间在导电区域的边缘积累,使样品的电容量增加,反映在介电常数e′增加。可能因为扇贝柱的水分子大部分是以结合水的形式存在,所以介电常数e′随着频率的增加而幅度不大。

图2为不同温度下扇贝柱随频率变化的介电损失因数。图2可以看出,在初始频率180MHz下扇贝柱介电损失因数在100℃下最大,其数值达221.7,而在20℃下最小,达98.0。不同温度下介电损耗因数随频率的变化趋势：在小于1000MHz的频率下,随着频率增大而减小,随着温度升高,减小的幅度增大,当频率大于1000MHz时,介电损失因数无明显变化。在频率小于200MHz时,离子传导对介电损失因数有重要作用,在微波频率下,自由水中偶极子旋转和离子传导有很重要作用：

σ(S/m)-离子导电率,ω-角频率,e0(rad/s)-自由空间或真空下的介电常数[13]。湿食品的水带有各种离子,因为有导电性,而溶有离子的水溶液的导电性在加热过程中会随着频率的降低而增强,由公式1.1的第二部分决定,图2显示在介电加热过程中,偶极子旋转和离子传导的综合作用结果是介电损耗随频率增加而减小,进而说明湿食品中自由水中偶极子的旋转造成的介电损失随着频率增加而增加,而且增加的效应大于离子传导造成的损失效应。这结果也在其他的水产品鲍鱼[1]、虾[9]、复水海参[5]、罗非鱼[11]研究结果中得到验证,这些水产品的介电损失因数随频率变化的规律与扇贝柱的一致,而扇贝柱的含水量78.5%±2.9% 与鲍鱼的74.4%[1]、虾的78.4%[9]接近。

图2 不同温度下频率对扇贝柱介电损耗因数的影响

2.2温度对扇贝柱介电特性的影响

温度对介电特性的影响与很多因素有关,其中包括食品组成、含水量、含盐量等。静态介电常数反映了静态电场下分子极化和布朗运动间的动态平衡,温度升高,布朗运动速率加快,静态介电常数降低。温度对介电常数的影响主要是由样品中自由水和结合水的含量和比例决定的,由于样品中存在自由水,介电常数随水分含量增加而增加[14]。因此自由水和结合水的比例关系决定了介电常数和温度的关系。本实验选用915MHz和2450MHz两个频率,因为食品工业中常使用915MHz和2450MHz两个频率,915MHz下微波能达到更大的穿透深度(约3cm)[15],2450MHz是一般家用微波炉的频率。图3中可以看出,随着扇贝柱介电常数与温度呈负相关,随温度由20℃上升到100℃,915MHz下扇贝柱介电常数由69.18下降到60.83,2450MHz下由63.43下降到56.10。F. Tanaka[9]等研究的915MHz和2450MHz下,虾随着温度从20℃上升到100℃,介电常数下降；Yu Wang[7]等研究的915MHz下三文鱼的介电常数随温度下降；Cong Haihua[5]等研究的海参在915MHz下随温度升高,介电常数下降；Xiaopei Hu[8]等研究的去壳牡蛎在915MHz和2150MHz下,介电特性随温度升高而下降,这些结果与本实验结果一致。

图3 915MHz和2450MHz下温度对扇贝柱介电常数的影响

温度对介电损耗因数的影响,与频率、水分含量、离子导电率有关[16]。图4表明了温度对扇贝柱介电损失因数的影响,随着温度的上升,915MHz下扇贝柱介电损失因数由28.02上升到57.09,2450MHz下介电损耗因数上升幅度较小,其数值由20.97上升到26.97。表1给出了915、2450MHz下,20～100℃时扇贝柱的介电特性。贾敏[1]等研究的915MHz和2450MHz下鲍鱼的介电损耗因数的规律与本研究结论一致；Cong Haihua[5]等研究的915MHz下海参的介电损耗因数也随着温度升高而上升；Xiaopei Hu[8]等做的关于去壳牡蛎介电损耗因数的研究,915MHz下规律与本研究一致,2450MHz下规律不同,此频率下先下降后上升,虾[9]在915MHz下随温度升高而增大,2450MHz下介电损耗因数也是先下降后上升,这表明介电特性不仅与温度、频率有关,也与组成、物理和化学状态有关[17]。Bengtsson[18]等通过实验表明,低频时起主导作用的电导损失与温度成正相关,高频下,起主导作用的水分的损耗因子与温度成负相关,因此,不同频率下,温度与介电损失的相关性不一致。低频(低于2000MHz)下占主导作用的是离子的导电性,随着温度升高,离子溶液的粘度降低,粒子流动性增强,离子溶液中的电导率随温度的升高而增加,根据公式1,eσ″随温度升高而增加,从而增加了e″。

图4 915MHz和2450MHz下温度对扇贝柱介电损失因数的影响

表1给出了915MHz和2450MHz下扇贝柱介电特性随温度变化的线性回归方程,回归系数都在0.96以上,较好的反映了介电常数和介电损耗因数与温度的关系。为了预测方程的准确性,本研究对介电常数和介电特性的实验值和拟合值进行比较,结果如图5所示,从图中可以看出,实验结果的预测值与实验值都具有较好的一致性。

表1 915MHz和2450MHz下扇贝柱介电特性的线性回归方程

图5 915MHz和2450MHz下扇贝柱介电特性实验值和预测值比较

2.3扇贝柱穿透深度

微波进入物料后,物料吸收微波能并将其转化为热能,从而达到加热的效果。穿透深度的大小与频率有关,频率越高,波长越短,穿透力越弱。微波具有穿透力强的特点,能深入到物料内部加热,使物料表面和内部同时升温加热。

表2为915MHz和2450MHz下扇贝柱的穿透深度,从中可以看出,随着温度升高,穿透深度减小,且高频率下的穿透深度高于低频率下的穿透深度。

表2 915MHz和2450MHz下扇贝柱的穿透深度

表3是扇贝柱穿透深度的线性回归方程,由R2可以看出,穿透深度与温度有较好的拟合度。为进一步预测方程准确性,对穿透深度的实验值和拟合值进行比较。见图6。由图可以看出,扇贝柱微波穿透深度的实验值与预测值有较好的拟合度。

表3 915MHz和2450MHz下扇贝柱穿透深度的线性回归方程

图6 915MHz和2450MHz下扇贝柱穿透深度实验值和预测值比较

3 结论

扇贝柱的介电常数和介电损耗因数与频率成负相关,介电常数与温度成负相关,介电损耗因数与温度成正相关。915MHz和2450MHz下扇贝柱的穿透深度随温度升高而下降。并且介电常数、介电损耗因数、穿透深度与温度的线性回归方程有较好的拟合度,能对扇贝柱的介电特性进行有效预测。本研究结论为微波杀菌技术提供了理论基础,随着微波技术发展,介电特性的研究对水产品品质的提高具有重要意义。

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Study on the dielectric properties of scallop adductors at frequency of 915MHz and 2450MHz

ZHANGWen-jie,XUEChang-hu*,CONGHai-hua,JIAMin,WANGZhao-qi

(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

The dielectric constant and dielectric loss factor of scallop adductors were measured by the RF network analyzer over the frequency range of 0.3～3GHz from the temperature 20℃ to 100℃. The effect of temperature and frequency on dielectric properties during microwave heating was found. The results showed that the dielectric constant and dielectric loss factor decreased with the growing of frequency at first at the same temperature,then they didn’t change significantly. At frequency of 915MHz and 2450MHz,there was a negative correlation between the dielectric constant and temperature while the dielectric loss factor was positively correlated to temperature. In addition,the penetration depth decreased as temperature was growing. Study on the dielectric properties of scallop adductors provided theoretical basis for microwave sterilization.

scallop adductors;dielectric properties;temperature;frequency;penetration depth

2013-05-31 *通讯联系人

张文杰(1987-),女,硕士研究生,研究方向：水产品加工及贮藏。

国家863计划(2011AA100803)；农业部“948”计划(2011-Z25)。

TS254.1

：A

：1002-0306(2014)01-0074-05