基于介电特性的食用植物油品质检测研究进展

李春花，张建新

(西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100)

油脂安全

基于介电特性的食用植物油品质检测研究进展

李春花，张建新

(西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100)

阐述了基于介电特性的食用植物油品质检测原理及平行板电容法、同轴探头法与谐振腔体法介电特性测试方法的特点,并进行了比较。综述了介电特性在食用植物油品质检测中的应用,以期为食用植物油品质检测技术构建提供参考。

介电特性；食用植物油；品质检测

油脂在加热过程中会发生一系列的化学变化，高温或反复煎炸会发生氧化、聚合和水解等反应从而使食品发生品质劣变和感官品质下降。食用植物油主要成分为三酰甘油酯，经历这些反应后产生的主要产物为挥发性组分、水解产物、 氧化三酰甘油酯单体、环化物、反式结构化合物、聚合物等[1-2]。食用植物油的品质检测传统方法主要为国标法，而传统方法耗时耗力、需要使用化学试剂、操作烦琐，不利于环境保护且难以实现现场检测。近年来，气质联用、色谱技术、拉曼光谱技术、近红外光谱分析技术、核磁共振技术和电子鼻等已被广泛应用于食用植物油的品质检测中，但这些方法仪器昂贵，检测成本高，样品前处理严格，不利于推广应用。本文介绍基于介电特性的食用植物油品质无损快速检测技术，为实现食用植物油品质无损、快速检测提供参考。

1 食用植物油介电特性快速检测原理

介电特性是指介电体物质中的束缚电荷对外加电场与磁场应激的响应特性。描述介电特性的参数主要有介电常数和介电损耗因子，此外还有损耗角正切、电阻电导和电容[3]。一般来说，电介质中的电子受到束缚力的作用不能自由移动也不导电，食用植物油中的极性组分在外加电场的作用下发生分子重排，从而引起介电常数的改变。电介质中极性化合物的含量直接影响介电常数的变化，新鲜的食用植物油中极性化合物较少，介电常数较小。当食用植物油在高温加热和不同贮藏条件下发生劣变时，食用植物油中的极性化合物增多，在电磁场的作用下发生改变，引起介电特性的改变。食用植物油的介电参数常随频率、温度、极化特性、组分、分子结构等因素的影响而变化[4]。

食用植物油属于电介质，电介质中电子受原子核强烈束缚， 不能自由移动， 电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响，其中起主要作用的是束缚电荷[5]。食用植物油具有不同的脂肪酸组成，经高温煎炸，其酸值、过氧化值、羰基值、极性组分含量等理化指标发生变化[6-7]，并产生游离脂肪酸、聚合物、醛类、酮类等极性化合物，所带电荷数目和电荷空间分布改变，其电场分布和强度随之变化。根据这一原理，利用食用植物油品质指标与介电参数建立相关性可判断和评价其品质变化。

2 食用植物油介电特性测试方法

测试食用植物油介电特性常用的方法有平行板电容法、同轴探头法和谐振腔体法。

2.1 平行板电容法

平行板电容法是测定介电常数的一种最简单的方法，该法的测量系统主要包括电容器和电容测量仪(LCR)。其中，电容器是由两个平行矩形极板电容器或同心圆式电容器的极板固定而构成，测定时将食用植物油放置于电容器中，设定好频率、电压、电流就可以获得食用植物油的电容、阻抗与电感值等介电参数。秦文等[8]利用平行板电容法对菜籽油的品质进行了研究，发现菜籽油的介电特性参数电容、阻抗和电感值与其品质指标过氧化值、酸值及羰基值具有较好的线性相关性，其实际测量值与计算值的误差在允许范围内，可实现菜籽油品质的快速检测。

该方法的优点是原理简单、成本低、精度较高，缺点是测量的频率范围有限。

2.2 同轴探头法

同轴探头法是研究食用植物油介电特性最常用的一种方法，该法测量系统主要由同轴探头、网络分析仪或阻抗分析仪、计算机和测试软件等组成。测量前，首先开机预热30 min以上，先经过开路、短路、负载，其后经金属性短路、空气、25℃水校正，测量时将探头与被测油样充分接触，并保证探头端面无气泡时采集数据[4]。应用同轴探头法对食用植物油(包括菜籽油、调和油、葵花籽油、橄榄油、玉米油、芝麻油、大豆油及花生油等)的介电特性进行研究取得了良好进展，相对比较成熟[9-10]。

该方法的优点是简便、快速、无损、精度较高及频率范围宽(500 MHz～110 GHz)，缺点是校准比较麻烦、要求样品结构均匀、样品截面比较大、损耗分辨率低。

2.3 谐振腔体法

谐振腔体法测量系统主要包括网络分析仪、谐振腔、计算机和软件。将待测样品制成片状或棒状插入微波谐振腔内，引起谐振腔的等效体积的改变，谐振频率随之变化。谐振腔的品质因子数会因为加入样品的介质损耗而下降，根据加入样品前后谐振腔的谐振频率和品质因子数的变化，就可计算出待测样品的介电特性参数。该法被成功应用于植物油制备生物柴油中，用于监测酯交换反应[11]。

该方法的优点是精度高、样品前处理简单和测量温度范围宽。缺点是样品要求低损耗和小体积、频率范围有限及分析复杂。

3 介电特性在食用植物油品质检测中的应用

食用植物油介电特性的研究主要集中在温度[12]、频率[13]、水分含量[9]和脂肪酸组成[10]对食用植物油介电特性的影响。

3.1 介电特性在检测食用植物油品质劣变中的应用

利用介电特性检测食用植物油的品质劣变主要是通过建立食用植物油的理化指标及组分与介电特性的相关性，以确定通过测定食用植物油的介电特性来评价食用植物油品质。陆青青等[10]采用同轴探头法，探究了 25 ℃下8种常见食用植物油的介电常数。结果表明：随着油炸时间的延长，大豆油的酸值逐渐增加，过氧化值先增加后减小，大豆油的介电常数逐渐增加；在同一频率下，大豆油的介电常数变化与上述品质变化呈正相关；并发现在频率为700 MHz 时，大豆油品质指标与介电特性指标之间相关性较好，并以此建立了模拟数学模型。利用数学模型预测大豆油品质指标，从而实现油炸过程中食用植物油品质的快速检测[14]。曹玮珈等[15]研究大豆油在油炸过程中其介电常数变化与酸值、过氧化值、碘值和极性成分等指标之间的关系，结果显示通过介电常数变化可以评价氧化酸败程度。Yang等[9]对大豆油进行空炸以及加入面团进行油炸测定介电参数的变化，研究发现大豆油的介电常数、介电损耗与油炸时间和面团的水分含量呈正相关，根据大豆油的导电性的不同可利用介电谱法来评价煎炸油品质。

在测定煎炸油时，常把介电常数当作测定极性组分含量的指标[16]，利用介电常数法测定油中的极性组分含量是一种简单方便且又可靠的方法，并已有人设计出了简单便携式的测定极性组分的检测仪[17]。食用植物油的介电特性与食用植物油脂肪酸组成有关，在较低频段(100～180 MHz)时，除花生油外，同频率下食用植物油介电常数大小与油中不饱和脂肪酸含量呈正相关；在较高频段(300～10 000 MHz)内，食用植物油的介电常数随亚油酸含量的增加而增加[10]。郭文川等[12]采用同轴探头技术，研究温度在20～90 ℃、频率在200～4 500 MHz范围内菜籽油、大豆油、花生油、玉米油及调和油的介电特性。研究发现：在500～4 000 MHz频率范围内，介电特性与食用植物油的饱和及不饱和脂肪酸含量存在明显的线性相关性。介电特性可对食品加工、贮藏和运输过程进行监控。Hu等[18]研究10种食用植物油和6种脂肪酸在不同频率、不同温度和不同水分含量条件下介电参数的变化，并确定介电参数可以用来评价食用植物油的品质。Corach等[19]研究8种食用植物油的介电特性，结果表明：利用介电特性测定食用植物油运输和贮藏过程中品质变化是可行的。杨琴[20]研究油炸食品在贮藏过程中的品质劣变，对4种油炸食品的介电常数和相应的理化指标(酸值、过氧化值、茴香胺值)进行相关性分析。结果表明：这4种油炸食品的介电常数与相应的理化指标均具有显著的相关性，因此可以将介电常数作为评价油炸食品品质劣变程度的指标之一。

3.2 介电特性在检测食用植物油掺假中的应用

章颖强[21]利用介电谱技术结合偏最小二乘法(PLS)对山茶油中掺入花生油和葵花籽油的掺伪量进行定量分析，为食用植物油的掺伪分析和成分预测提供了快速、简便、精确的检测方法。Lizhi等[13]测量初榨橄榄油、大豆油、玉米油、菜籽油、芝麻油、紫苏籽油、红花籽油以及在初榨橄榄油中分别掺入不同体积的大豆油和紫苏籽油的混合油101 Hz～1 MHz 频段的介电谱，并对不同食用植物油的介电特性进行分析；同时分别采用主成分分析(PCA)和PLS对掺伪初榨橄榄油进行定性和定量分析，其均方根误差为0.053，标准均方根误差为0.017，R2为0.967。张冰等[22]为检测油茶籽油的掺伪程度，对5种食用植物油及两组油茶籽油掺杂混合油进行了介电谱测量，对两组油茶籽油掺杂混合油的介电谱数据建立定量分析模型，经外部验证集验证，混合油的预测均方根误差(RMSEP)小于2.1%，决定系数(R2)大于0.998 9。试验结果表明，介电谱法为食用植物油的掺伪鉴别和纯度检测提供了一种快捷、准确的方法。

3.3 介电特性在食用植物油检测其他方面的应用

Mancebo-Campos等[23]研究5类植物油的介电特性并进行归类，指出植物油可以作为介电冷却剂用于变压器，为寻找合适的工业应用绝缘体提供依据。Kang 等[24]基于介电特性应用同轴探头技术研究油条中明矾的加入量，用介电谱和石墨炉原子化吸收光谱测得商业油条中明矾的检出量分别是0.994 2 g/L和0.972 2 g/L，相对误差为2.2%，结果说明介电谱法是一种检测油条中明矾含量的合适且有效的方法。Song等[25]基于介电特性检测炸油条过程中产生的丙烯酰胺，在频率2.0 GHz条件下，丙烯酰胺含量与介电损耗的相关系数为0.99，基于介电特性法检测丙烯酰胺含量与高效液相色谱法相比较，丙烯酰胺的最低检出质量浓度分别是0.3、0.9 μg/mL，丙烯酰胺含量与水分(或油脂)含量相关系数为0.93。结果表明：基于介电特性测量油炸食品中丙烯酰胺含量是一种合适且高效的方法。Corach等[26]研究发现测定介电常数可以用于检测污染物，比如甲醇残余或非酯交换植物油的存在。结果表明：介电特性的测定可成功地应用于描述不同油样中提取的脂肪酸甲酯的特性，这对实验室和工业产品描述及应用于自动化生产体系的在线检测有着非常重要的意义。

4 结束语

在国外，食用植物油介电特性的研究较多，相比之下，国内对这方面的研究还不够深入。笔者认为可从以下几个方面深入研究：

(1)食用植物油介电特性的研究范围需要进一步拓展。根据不同食用植物油在不同加热条件下的介电特性对食用植物油进行测定，与食用植物油的理化指标建立相关模型，根据模型推导出食用植物油的品质指标，可以为食用植物油的快速检测提供有效的测量手段。对商业煎炸油、地沟油、掺假油、废弃油重复利用过程中油脂介电特性的研究还有待进行，对食用植物油中有害物质与介电特性相关性的研究也需进一步加强。

(2)利用食用植物油的介电特性应用设计出快速有效的检测仪。根据不同的原理结合食用植物油的特性设计出合适的快速检测仪器是迫切需要的。同时，可以将食用植物油介电特性与其他测定方法联用，以寻找准确、可靠、简单、便捷的检测方法，提高检测灵敏度。

(3)建立相应数据库，方便查询。利用不同的数据处理软件(如Matlab，SPSS等)或方法(如PLS，PCA等)建立不同种类、不同条件下影响食用植物油品质的不同理化指标与食用植物油介电特性的相关性数据库，或将测试仪器与数据处理软件相关联，设计测试与数据处理为一体的测定仪器，为快速检测食用植物油品质提供测量依据。

(4)加大成果转化力度。目前对食用植物油介电特性的研究大都处于实验室阶段，从实验研究转化为实际应用的过程还需努力。

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Advance in quality detection of edible vegetable oil based on dielectric properties

LI Chunhua, ZHANG Jianxin

(College of Food Science and Engineering, Northwest A & F University,Yangling 712100, Shaanxi, China)

The principle of quality detection of edible vegetable oil based on dielectric properties was illustrated, and several test methods including parallel plate, coaxial probe, and resonant cavity were explained and compared. The applications of dielectric properties in quality detection of edible vegetable oil were overviewed so as to provide references for constructing quality detection technology of edible vegetable oil.

dielectric property; edible vegetable oil; quality detection

2016-09-14；

2017-01-15

李春花(1992),女,在读硕士,研究方向为食品营养与安全 (E-mail)1058164936@qq.com。

张建新,教授(E-mail) zhangjx59@foxmail.com。

TQ646；TS07

A

1003-7969(2017)05-0096-04