胡萝卜、辣椒干燥过程中的介电特性与其理化品质的关系研究

董晓林，吴 龙，2，徐 庆，2，王瑞芳，2，吴中华，2，李占勇，2

（1.天津科技大学 机械工程学院，天津 300222；2.天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心，天津 300222）

0 引言

在我国，胡萝卜被誉为“小人参”。胡萝卜是一种营养价值较高的根茎类蔬菜，含有多种维生素、无机盐和多种氨基酸等成分，富含胡萝卜素，可治疗角膜干燥、夜盲症等。研究表明，胡萝卜中含有较多的叶酸，有抗癌的作用；胡萝卜中的木质素，也有提高机体免疫力的功用［1-2］。并且我国胡萝卜资源丰富，产量和出口量占全球的40%以上，稳居世界第一。辣椒，别名：牛角椒、长辣椒、菜椒、灯笼椒，属于茄科辣椒属。富含多酚、类胡萝卜素、维生素C和维生素E和辣椒碱类化合物等，具有抗菌、抗癌的功效。我国是主要辣椒生产国和消费国。但是，辣椒、胡萝卜含水率较高，由于微生物和酶的作用易发生腐烂变质，不易储存，并且蔬菜种植具有季节性。脱水蔬菜由于味美、色鲜，能保持原有的营养价值。与新鲜蔬菜相比，具有重量轻、体积小、运输食用方便和入水复原快等特点［3-4］，备受广大消费者的青睐。并且脱水蔬菜可以调节市场的供需平衡，提高产品的附加值及商品价值。近些年，我国的脱水蔬菜加工业在国际贸易需求的形势下迅速崛起［5］。

目前常见的果蔬内部品质检测的方法有光谱分析技术、计算机视觉检测技术、声学特性检测技术、力学特性检测技术、X射线检测技术、核磁共振检测技术、介电特性检测技术等［6-9］。蔬菜的电学特性与其理化品质密切相关，当电学特性与产品品质指标如硬度、可溶性固形物含量、含水率、密度、成熟度、衰老程度等关联时，可以通过电学特性来测定这些指标［10］。Yi-LungCheng［11］建立了含水率与介电常数的关系。MojtabaNaderi-Boldaji［12］等利用介电光谱技术可以对葡萄糖浆中的掺假进行检测。ChunFang Song［13］研究了馒头的介电常数与含水率、温度、频率均有明显的相关关系。Nelson［14-17］研究了不同产品介电常数与其品质的关系。Bo Ling等［18］研究了开心果的含盐率、含水率与介电特性的关系。Samir Trabelsi等［19］通过测量介电特性计算谷物和油菜籽的体积密度和水分，误差范围在可接受范围内。Wen Chuan Guo等［20］研究了蜂蜜的介电常数与总可溶性固形物和含水量之间存在着显著的线性关系。Richard Torrealba-Meléndez［21］的研究表明随着水分含量的增加，大豆的介电常数增加，可以通过微波对豆类进行灭菌或质量控制测量。Marta Castro-Giráldez等［22］研究了苹果在成熟过程中介电特性的变化，发现介电常数与苹果生理化合物（糖分含量、苹果酸）之间存在良好的相关性。孙俊等［23］利用介电常数来预测玉米的含水率，结果表明基于介电特性的玉米叶片含水率检测的方法是可行的。Li zhi Hu等［24］通过测量了食用油的介电性能，结果表明可以通过介电性能分析油的主要脂肪酸成分。李冬冬等［25］利用LCR平行板测试仪测试贮藏过程中草莓呼吸强度、可溶性固形物和失重率的变化规律。结果表明，介电特性与草莓品质指标间有较强的相关性。

虽然研究者们在基于介电特性的检测中做了很多工作，不过，对蔬菜的介电特性与其内部品质间变化规律的研究较少。其中，胡萝卜和辣椒的理化品质与其介电特性的关系还没有研究者报道过。因此，本文以胡萝卜和辣椒为研究对象，测量干燥过程中含水率、可溶性固形物含量、色泽、硬度的参数值，并通过网络分析仪测量其介电特性，探索胡萝卜和辣椒的理化品质与其介电特性之间的数学关系，为研制基于介电特性的胡萝卜、辣椒等蔬菜内部理化品质在线快速无损检测技术提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用物料购于天津市河西区博疆菜市场，选用市场同一批次出售的小米椒、胡萝卜。选择颜色鲜红，无畸形、无霉变、无虫害、无损伤、个体均匀、成熟度接近一致的新鲜辣椒以及新鲜胡萝卜。试验前将辣椒、胡萝卜用双层保鲜膜密封，置于0～4 ℃冰箱中冷藏待用。测定胡萝卜的初始湿基含水率为90.1%，辣椒的初始湿基含水率为79.7%。

1.2 试验仪器

PAL-BX/ACID F5糖酸度一体机（日本ATAGO中国分公司）；SY-5型果蔬智能试验烘房（北京华珍烘烤系统设备工程有限公司）；LHS-800HC-II恒温恒湿箱（上海一恒科学仪器有限公司）；FA2204B型电子分析天平（感应量为0.000 1 g，上海精科天美科学仪器有限公司）；3nh分光测色仪（深圳市威福光电科技有限公司）；安捷伦E5063A网络分析仪（德科技（中国）有限公司）；Brookfield CT3质构仪（广州博勒飞粘度计质构仪技术服务有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 热风干燥试验

将胡萝卜切成厚度为5 mm、直径4 cm的圆形薄片，将薄片放到托盘中编号，分别在60，80 ℃的烘箱中进行热风干燥试验，每隔 30 min测定其质量，直至含水率达13%以下，停止干燥。选取果实颜色鲜红，无畸形、无损伤、个体均匀的小米椒10 g，将其放到托盘中编号，分别在60，80 ℃的烘箱中进行热风干燥试验。每隔1 h测定其质量，直至含水率到达20%以下，停止干燥。上述试验重复3次，取其平均值。

1.3.2 介电特性的测量

介电特性测量系统主要由计算机、安捷伦E5063A网络分析仪、校准套件、开放式同轴探头等组成。首先预热网络分析仪1 h，用开路、短路及负载对其进行校准。然后连接同轴探头，启动软件，设定测量频率范围为0～3 500 MHz，线性扫描点数275个。然后用空气、短路和25 ℃去离子水对探头进行校准，测量25 ℃去离子水的介电常数，并与已知数据进行比较。校准完成后，将待测物料放置在圆柱探头下，用手按压探头紧贴样品，确保在测量过程中探头不与外部空气接触，通过计算机读出相对介电常数与介质损耗因子的数值。在物料周围选取8个点进行测量，取其平均值。

1.3.3 含水率的测量

物料初始含水率的测定方法根据AOAC 925.10（2002）方法测定。将物料放置于105 ℃的恒温干燥箱中，当物料的质量不再发生变化时认为物料完全干燥。物料含水率的计算式如下：

式中 W ——干燥到t时刻的湿基含水率；

mt——干燥到t时刻的物料质量；

mg——物料绝干质量。

1.3.4 可溶性固形物含量的测量

糖度是评价果蔬内部品质特性最主要的指标之一。而糖度中的主要成分是可溶性固形物含量（Soluble solids content，SSC），因此常以可溶性固形物含量来评价果蔬的糖度。用ATAGO PALBX/ACID F5糖酸度一体机测量物料的糖度，将干燥后的胡萝卜片、辣椒研磨挤汁，将汁液滴在糖度仪的凹槽中，重复测量3次，取平均值。

1.3.5 色泽的测量

将鲜样与干燥后的胡萝卜片、辣椒在室温下用测色仪在去除镜面反射模式进行颜色测定，每个样品平行测定6次。测定颜色参数分别为亮度值L*、红绿值a*、黄蓝值b*，并以此为依据，根据下式计算总色差ΔE。

1.3.6 硬度的测量

使用Brookfield CT3质构仪对胡萝卜、辣椒进行硬度的测量。测量条件为：运行速度：2 mm/s；触发点负载：0.1 N，测试类型：TPA质构分析。采用CA-TK3探头进行切割［26］。

2 结果与分析

2.1 干燥过程中理化指标分析

2.1.1 干燥过程含水率的变化

温度越高，到达安全含水率的时间越短。无论是胡萝卜还是辣椒，干燥初期均为快速干燥阶段，这是因为物料表面水分的蒸发。随着干燥的进行，干燥速率逐渐下降，处于降速干燥阶段，这是因为随着表面水分的快速降低，内部水分无法及时扩散到物料表面，导致“表面硬化”，导致干燥速率降低；并且随着水分的降低，物料内外的水蒸气压使物料内部水分扩散较快，因而物料处于缓慢降速干燥阶段［27-28］。

2.1.2 干燥过程中可溶性固形物含量的变化

蔬菜中的可溶性固形物绝大部分是碳水化合物，主要由糖构成，包括单糖、双糖和多糖。由图3可知，在加热过程中，这些碳水化合物会发生糊化、老化、美拉德反应和焦糖化。多糖受热后分解成单糖，单糖受热脱水生成糠醛或其衍生物，它们相互之间进行聚合或与胺类反应生成深褐色物质。随着干燥的不断进行，可溶性固形物含量不断增加，这是因为物料的含水率不断降低，可溶性固形物浓度不断增加。

2.1.3 干燥过程中介电特性的变化

由图4、图5可知，当干燥温度为60 ℃时，随着干燥时间的增加，相对介电常数逐渐减小，最后趋于不变。当干燥温度为80 ℃时，胡萝卜的相对介电常数在120 min左右出现骤降，后趋于不变。

辣椒在4 h左右出现骤降，后趋于不变。干燥温度为60 ℃时，在0～120 min内，胡萝卜的介质损耗因子随着干燥时间的增长而增加，在120 min之后，介质损耗因子呈下降趋势。辣椒的介质损耗因子在0～5 h之间出现上下波动，5 h之后，介电损耗因子呈现下降趋势。当干燥温度为80 ℃时，在0～120 min内，胡萝卜的介质损耗因子出现波动，在120 min后，介质损耗因子呈下降的趋势。在0～4 h内，辣椒的介质损耗因子出现上下波动，4 h之后，介质损耗因子呈下降的趋势。

2.1.4 干燥过程中色泽、硬度的变化

教材往往以定义的形式直接给出概念，学生对一些定义和符号一时接受比较困难.概念教学要讲过程， 因此，教师应精心创设符合学生认知规律的问题，通过设置“微型探究”活动，引导学生积极参与概念形成过程的分析、比较、归纳、抽象、概括等思维活动，使学生的直接经验获得抽象与提升，自然地、水到渠成地实现“概念的形成”，从而实现对知识的意义建构.

L*表示产品的亮度，值越大，表示产品越亮。a*表示产品的红绿度，值越大，产品的颜色越红，b*表示产品的黄度，值越大，产品的颜色越黄。色差值ΔE是指处理组颜色与对照组颜色之间的差值，反映了颜色的总体变化，ΔE越大表示颜色变化越大。由图6可以看出，干燥时间越长，胡萝卜的L*值越大，即胡萝卜的亮度越大，a*值越小，越偏向于绿色。b*值越大，即胡萝卜偏向于黄色。这是因为温度越高，胡萝卜色泽的破坏越严重。在热风干燥过程中，烘箱中存在氧气和水分，比较容易产生褐变，干燥时间过长，接触氧气太久，色泽就会变的越差［29］。辣椒的L*值越小，辣椒越暗，这是因为辣椒中的胡萝卜素分解后与辣椒红素结合显黑红色。a*、b*的值都有降低的趋势，变化不明显。由图6（a）可以看出，随着干燥时间的进行，胡萝卜的硬度先下降再上升。这是因为干燥初期，胡萝卜含水率较高，细胞膨胀，此时胡萝卜中的水分大部分为游离水，水分从物料的表面蒸发，造成其疲软萎蔫。干燥后期，硬度不断增大，此时细胞内部的水分大量散失，纤维素发生木质化和角质化，造成细胞组织变得坚硬。由图6（b）可以看出，辣椒的硬度变化趋势同胡萝卜相似。

2.2 干燥过程中介电常数的变化规律

图7、图8分别是室温25 ℃，0～3 500 MHz范围内，不同湿基含水率（40%～85.5%）下的胡萝卜、辣椒与其介电常数的影响。

由图可以看出，胡萝卜、辣椒的介电常数均随频率的增加而减小。低频率（f ＜50 MHz）下，介电常数呈现快速降低的趋势，而在高频率（f ＞50 MHz）下，介电常数变化趋势缓慢。根据极化理论可知，低频电场下会发生表面极化现象［30-32］。在高频区域内有些偶极子停止反转，极化作用不做出响应，因此，介电常数会较小。在同一频率下，含水率越高，介电常数越大。介电常数主要受含水率的影响。水分子是典型的偶极子，介电常数的变化受水分子存在形式的影响。对于高含水率的物料，自由水对介电常数起主要影响作用，离子活动比较活跃。此时介电常数随含水率的增加而迅速增加。

2.3 数学模型的建立

2.3.1 介电常数与含水率的数学模型

利用Minitab软件对干燥温度为60 ℃，频率为1 009 MHz下胡萝卜、辣椒的介电常数随含水率变化的试验数据进行回归拟合，并建立数学模型，模型表达了含水率与介电常数的关系。拟合结果表明，胡萝卜、辣椒的介电常数与含水率间存在明显的线性正相关关系，相关系数R2均大于0.9。这表明利用介电特性来表达胡萝卜、辣椒热风干燥过程中的含水率的变化是具有可行性的。胡萝卜、辣椒的湿基含水率与其介电特性的关联模型为：

2.3.2 介电常数与可溶性固形物的数学模型

利用Minitab软件对干燥温度为60 ℃，频率为1 009 MHz下胡萝卜、辣椒的介电常数与可溶性固形物的试验数据进行回归拟合，并建立数学模型，模型表达了可溶性固形物与相对介电常数的关系。拟合结果表明，胡萝卜的相对介电常数与可溶性固形物含量之间存在明显的线性负相关关系，这表明利用介电常数来预测胡萝卜热风干燥过程中的可溶性固形物的变化是可行的；胡萝卜、辣椒的可溶性固形物与其介电特性的关联模型为：

2.3.3 介电常数与色泽的数学模型

利用Minitab软件对干燥温度为60 ℃，频率为1 009 MHz下胡萝卜、辣椒的介电常数与色泽的试验数据进行回归拟合，并建立数学模型，模型表达了色泽与介电常数的关系。拟合结果表明，胡萝卜、辣椒的介电常数与色泽之间存在明显的线性关系。这表明利用介电常数来预测胡萝卜、辣椒热风干燥过程中的色泽的变化是可行的。胡萝卜的色泽与其介电常数的关联模型为：

辣椒的色泽与其介电常数的关联模型为：

2.3.4 介电常数与硬度的数学模型

利用Minitab软件对干燥温度为60 ℃，频率为1 009 MHz下胡萝卜、辣椒的介电常数与硬度的试验数据进行回归拟合，并建立数学模型，模型表达了硬度与介电常数的关系。拟合结果表明，胡萝卜、辣椒的介电常数与硬度之间存在明显的线性关系，相关系数R2均大于0.9。这表明利用介电常数来预测胡萝卜、辣椒热风干燥过程中硬度的变化是可行的；胡萝卜的硬度与其介电常数的关联模型为：

辣椒的硬度与其介电常数的关联模型为：

3 结论

（1）试验研究了在热风干燥条件下，胡萝卜、辣椒的介电特性与含水率、可溶性固形物含量、色泽和硬度之间的关系。试验结果表明在热风干燥过程中，胡萝卜、辣椒的介电常数含水率、可溶性固形物含量、色泽、硬度之间都存在一定的线性关系。

（2）辣椒的相对介电常数与含水率、可溶性固形物含量、色泽、硬度之间存在一定的相关性。但介质损耗因子与内在品质之间的相关性较差。这可能是由于，辣椒干燥过程中，形变量过大，以及辣椒本身的形状，导致测量误差。

（3）试验结果表明可以通过介电常数来预测胡萝卜、辣椒的含水率、可溶性固形物含量、色泽和硬度的变化，为今后实现胡萝卜、辣椒热风干燥过程内部品质的在线检测提供理论基础。从而进一步实现对干燥过程中内部品质的无损在线检测与控制。