介电特性在食品检测中的应用

文 余辉 康翠欣 周晓婷 聂懿 夏婷涓 邵梅 周玮婧 武汉食品化妆品检验所 国家市场监管重点实验室（食用油质量与安全）

介电特性检测技术因其快速、便捷、无损的显著优势，近年来被较为广泛地应用于食品领域的研究。本文从含水量测定、新鲜度测定、品质鉴定、掺杂掺假鉴别、加工过程控制和优化等方面阐述了介电特性在食品领域的应用情况，并对目前测定标准不统一、应用实例少等问题进行了探讨。

介电特性是指物质在外加电场下，因内部被束缚电子的分布发生改变，产生极化现象而导致的一些特性。介电特性参数主要指介电常数和介质损耗因数，常常被用于材料领域或电气领域表征材料的极化特性或绝缘性能。介电常数表示分子在特定电场下的极性大小，介质损耗因子则表示物质因其极性而导致的在特定电场下的能量损失，其数值和电场频率、温度等测量条件均有关。而食品大多介于绝缘体和导体之间，品类繁多、组成复杂，淀粉、蛋白质、脂肪等组分非极性物质介电常数小、介质损耗低，而水分、有机酸、醇类等极性物质的介电常数大、介质损耗高。当食品中某些极性的组分含量发生变化时，则可将介电特性参数与之相关联，通过测定介电特性参数来表征食品的变化情况。与食品领域里常规的化学检测方法相比，介电特性检测技术具有快速、便捷、无损的显著优势，近年来有不少食品领域的研究者将其与统计学分析、数学模型相结合，应用于食品品质检测和加工过程控制中。

1.含水率的检测

食品品质最重要的指标之一就是含水率。而水作为强极性物质，也是影响食品介电特性最重要的因素。Dunlap于1945年在研究胡萝卜脱水的过程中提出了通过介电常数和电导率来测定含水率。Tulasidas等以葡萄为研究体系，设计了响应面实验，建立了介电常数与含水量、温度的二元数学模型。Funebo测量了苹果、樱桃、蘑菇、欧芹和草莓等多种水果的相对介电常数和相对损耗因子在不同含水量下随温度的变化关系，以介电常数/介质损耗、温度为变量，建立了含水量的插值模型。Roelvink等研究了鸡肉熟成过程中含水量和介电特性的变化规律，得到了良好的相关性。

廉飞宇等以粮谷中水分含量与介电常数的关系建立了一个经验模型，通过测量表层介电常数以及推算出的粮堆中的介电常数分布，绘制出了整个粮堆的三维水分分布图，粮堆含水量的预测值与实际值的误差小于3%，此成果已应用于部分粮库，产生了可观的经济价值。

王婧等研究了1kHz-1MHz频率范围内，红小豆的介质损耗因数和含水量、容积率、温度之间的关系，建立了含水量与这三种因素的三元二次关系模型，并验证了模型的准确性，R为0.9882，较为准确地预测了含水量。

通过测定不同频率下297个苹果样本的含水量、介电常数、介质损耗的数据，蒙代伟分别采用回归法建立了线性模型，采用连续投影法与支持向量回归法建立了非线性模型，通过比较两种模型，非线性含水量模型效果更好，R为0.811。

宋春芳等采用同轴探头测定了30-3000MHz频率内不同含水量的芋头片在不同温度下的介电特性并建立数学模型，以模型的显著水平筛选频率，确定91MHz频率下的模型最适于预测芋头的含水率。

2.新鲜度的测定

蔬菜瓜果在采摘后，其糖类、水分等物质的含量会随着储存时间而发生变化，过长时间的储存还会导致腐败反应的发生。这些食物的化学组成中，一旦有极性物质发生改变，就会导致其外在的介电特性参数也相应发生变化。张立彬等将不同储存时间的苹果样本进行切片，置于平板电极测定介电参数，发现储存时间与介电常数、介质损耗有非常明显的负相关，该变化主要与含水量的降低有关。胥芳等采用无损方式研究了桃子的介电特性与储存时间的关系，介电特性表现出类似的规律。当桃子腐败时，介电常数和介质损耗有明显的上升，主要是由于腐败过程中有机酸类物质的产生。

禽畜类在宰杀后其介电特性同样会发生变化。Toldra等研究了猪肉宰杀后介电特性随时间的变化，发现宰杀24小时和48小时后的介电常数和介质损耗因子均有显著性的差异，可通过介电特性参数的测量来剔除同批次中明显不新鲜的肉。

鸡蛋的新鲜程度也受到了相关研究者的关注。张蕾等自制了一种无损测试装置用来测定鸡蛋的介电特性参数，他们以蛋黄指数为鸡蛋新鲜度的考察指标，研究了新鲜度和介电特性参数之间的关系，结果表明，蛋黄指数与介电常数、介质损耗因子以及电容之间都有着显著的正相关。Soltani等采用平板电极法设计了一种测试鸡蛋新鲜度的电子装置，并开发了几种机器学习技术与之结合，几种技术的贝叶斯网络均表现出接近100%的预测结果。刘彬等通过平行板电极法研究了介电常数和蛋黄指数之间的关系，发现不同品种鸡蛋的介电常数有显著性的差异。针对同一品种，建立了介电常数和新鲜度的预测模型，误差小于4.2%，利用支持向量机（SVM）技术进行机器学习，开发了一款鸡蛋品质检测系统，其品种鉴别正确率高达98%。

3.食用油的品质检测

国外的研究者较早地关注了食用油的介电特性。El-Shami等研究了棉籽油和葵花籽油混合物在煎炸过程中介电性能（介电常数和介电损耗）与传统分析指标，如粘度、折射率、碘值、过氧化值和游离脂肪酸等的变化关系，结果表明，介电常数和介电损耗可以有效地预测油品的劣化过程。Inoue等在不同温度下对大豆油进行连续煎炸，发现其介电常数随加热时间的增加而增加，并且与密度、粘度、酸值等密切相关，认为介电特性检测装置在油脂品质评价上有可使用的空间。

陈慰忠收集了60多组麦当劳的煎炸油，使用平板电容器测定了油样的介电常数，发现在不同的煎炸时间，介电常数与极化成分总含量均有着一致的变化规律，无论煎炸过程中是否补油或者更换新油，均不影响两者间的相关性，认为测定介电常数可以更简单、更低成本的在现场确定煎炸油的品质。

胡立志等研究了食用油和脂肪酸的介电特性，结果表明，油脂的介质损耗随着脂肪酸的双键数量或分子链长度的增加而增加，而介电常数主要受碳18不饱和脂肪酸含量影响，两者介电参数一定程度上都可以表征食用油的脂肪酸组成。不同含水量的植物油介电常数测试结明，介电常数随含水量的增加而增加的规律，在高频率测试条件下，含水量的影响会减小。

范柳萍等以棕榈油的煎炸过程为研究体系，以介电常数作为油脂品质的考察指标，对茶多酚、维E、植酸这三种天然抗氧化剂的效果进行了考察，并给出了最优的抗氧化剂复配配方。

同样是棕榈油煎炸体系，樊之雄等研究了介电常数和游离脂肪酸含量的变化情况，结果表明，煎炸过程中介电常数随游离脂肪氧化物的含量的增加而增加。

陆青青等采用同轴探针技术研究了菜籽油、大豆油等8种常见食用植物油的脂肪酸组成、介电常数的关系以及煎炸过程中大豆油的酸值、过氧化值与介电常数的相关性，发现植物油的介电常数随不饱和脂肪酸含量的增加而增加，煎炸过程中油脂的酸值和介电常数一直增加，而过氧化值先增后降。

曹玮珈用阻抗测试仪研究了大豆油煎炸过程中介电特性与酸值、极性组分、羰基值、,碘值之间的关系，发现与介质损耗因子相比，介电常数与品质指标呈更良好的相关性，R大于0.88。

4.其他食品的品质检测

黄亚玲通过葡萄糖-乙醇-水三元体系来模拟酒类饮料，通过测定不同模拟样品的介电谱，建立了介电常数、弛豫时间与酒精度、糖含量之间的二元线性方程。该方程可以较好地适用于红酒体系，但是在黄酒体系偏差较大。

Bohigas等在微波频率范围内研究了醋酸-水体系的介电常数变化，拟合的方程可以很好地预测出醋酸体积分数10%以下时醋中醋酸的含量。

5.食品加工过程控制和工艺优化

王琴等将介电性能测定应用于蓝莓浆果的微波加热过程，通过研究微波过程中的介电常数和介电损耗变化情况，关联了介质损耗因子和微波吸收功率密度。当浆果的介电损耗因数到达优化值时，微波吸收功率密度最大，加热效果最好，可通过测定介质损耗来控制微波加热过程，提高加热效率，减少能耗。

罗归一等建立了马铃薯干燥过程中介电常数/介质损耗因子与含水量、温度的二元模型，并通过递延平均的方法建立了含水量和吸收功率之间的关系。基于干燥过程中介电特性的变化情况，建立相应的加热控制方案，使整个干燥过程节能约37%，并保证了较优的终产品品质质量。

采用同轴探头法，高亚平研究了青萝卜在微波干燥过程中的介电特性变化，建立了含水量、糖度与介电特性的关联模型。通过关联介电特性与湿基含水率、温度，将干燥温度优化到50℃，达到提高品质、降低能耗的目的。

Castro-Giraldez等采用同轴探针研究了猪肉腌制过程中介电特性和含水量、含盐量的关系，通过测定介电特性参数，无损、方便地监控整个腌制过程。

陈莹莹等利用介电特性进行了三文鱼的模拟食品的开发研究，通过调整模拟食品的配方，使其介电特性曲线与真实的三文鱼接近，该模拟食品可以较好地模拟三文鱼在微波巴杀过程中的受热情况，可用于三文鱼巴杀工艺的优化研究。

6.掺杂掺假鉴别

橄榄油由于其极高的商业附加值，一直以来掺假状况严重。鉴于此，陆青青等使用同轴探针技术测定了橄榄油、玉米油、大豆油、菜籽油及调和油的介电特性。在橄榄油中混入不同比例的其他油，其介电常数的改变与混入比例正相关，R大于0.96，结果表明，橄榄油中大比例的掺假会导致其介电常数发生显著的变化。

而蔗糖糖浆是蜂蜜中最常见的掺假原料，通过测定蜂蜜中蔗糖的含量可以有效地鉴别其真伪。Guo等以纯枣、黄刺槐和紫云英蜂蜜为研究对象，测定了蔗糖含量为0%（纯蜂蜜）到80%（蜂蜜-蔗糖糖浆混合物）之间介电特性与蔗糖含量之间的相关性。结果表明，介质损耗因子随蔗糖含量的增加而降低，R大于0.98。

鉴别酿造酱油和配制酱油一直是食品行业的难点，因此常常有不法商家拿低价的配制酱油冒充高价的酿造酱油。赵佳瑶研究了配制酱油中的特征物质-酸水解植物蛋白调味液含量和介电常数的关系，通过偏最小二乘法和支持向量机建立了水解植物蛋白调味液含量与介电常数、介电损耗因子的预测模型以及不同酱油的鉴别模型，可以有效地鉴别酿造酱油和配制酱油。

7.问题和展望

目前介电特性测试的设备有平行板电极、同轴探针、阻抗分析、杯装电极、传感器探头等，对于固体样品，如鸡蛋等还会有一些特制的设备，而介电特性参数的测定条件如频率、电压、温度等还没有统一的标准，不同的研究者采用不同的设备、不同的测试条件，所得到的规律和结论也不尽相同。如何制定统一的测试仪器和测试技术规范关系着介电特性在食品行业的应用和深入研究的开展。

由于食品体系繁杂，不同的食品体系的介电特性有着不同的应用，也呈现出不同的规律，如基于大豆油煎炸实验得到的介电常数模型无法适用于棕榈油体系。介电特性在食品领域研究的上的过于细分也限制了该检测技术的应用和发展，未来有必要开展更具通用性的研究。

结语

目前大多数的研究还聚焦于探明介电特性参数与食品某些特征性质之间的关联规律以及模型的建立，真正转化为实际的检测技术和检测设备的还比较少，而介电特性检测技术以其独有的快速、便捷、无损的优势，在食品检测行业有着非常广阔的应用空间。