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(中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266003)

915MHz和2450MHz下扇貝柱介電特性的研究

張文杰,薛長(zhǎng)湖*,叢?；?賈敏,王兆琦

(中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266003)

利用介電網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量溫度20～100℃,頻率0.3～3GHz下扇貝柱介電常數(shù)和介電損耗因數(shù),從而得出扇貝柱在微波加熱過(guò)程中溫度和頻率對(duì)介電特性的影響。結(jié)果表明,溫度一定時(shí),介電常數(shù)和介電損失因數(shù)都是先隨著頻率增加而降低,隨后變化不顯著；頻率915MHz和2450MHz時(shí),介電常數(shù)與溫度成負(fù)相關(guān),介電損耗因數(shù)與溫度成正相關(guān)。且915MHz和2450MHz下,穿透深度隨溫度的升高而減小。扇貝柱介電特性的研究為微波殺菌技術(shù)的研究提供了理論基礎(chǔ)。

扇貝柱,介電特性,溫度,頻率,穿透深度

扇貝(Chlamysfarreri)是味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富的海珍品,其肉質(zhì)細(xì)嫩,營(yíng)養(yǎng)成分高,富含蛋白質(zhì),脂肪,磷酸鈣,維生素A、B、D等,具有重要的食用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前扇貝的實(shí)用方法除了直接食用外,還有加工成冷凍鮮柱、扇貝精油、扇貝罐頭等即食食品。近年來(lái)我國(guó)扇貝養(yǎng)殖規(guī)模和產(chǎn)量增加迅猛,扇貝加工產(chǎn)業(yè)具有良好的發(fā)展前景,而扇貝柱的殺菌環(huán)節(jié)是扇貝加工環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的。目前扇貝柱的殺菌采用的是傳統(tǒng)的水產(chǎn)品殺菌技術(shù),殺菌時(shí)間長(zhǎng),致使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味成分的破壞[1]。微波殺菌是一種新型的無(wú)損的加工技術(shù),它能縮短加工時(shí)間,并且提高產(chǎn)品質(zhì)量[2]。通過(guò)微波加熱的方式,使電磁場(chǎng)和介電材料之間相互作用,在食物內(nèi)部產(chǎn)生熱量。與傳統(tǒng)的以水分和水蒸氣為媒介的加熱方式相比,微波加熱是更均勻、更快速的體積加熱[3]。由于微波加熱產(chǎn)生熱量的多少與材料的介電特性、熱特性,產(chǎn)品的大小、形狀、組成,微波加熱腔配置有關(guān)[4]。從而影響微波加熱的溫度分布,導(dǎo)致食品內(nèi)部溫度分布的不均勻,而介電特性描述了處于電磁場(chǎng)中的物質(zhì)和電磁能相互作用介電行為,是影響食品中熱量分布的重要因素。目前關(guān)于食品介電特性的研究主要有果蔬、谷物、蛋奶肉類,對(duì)關(guān)于水產(chǎn)品的研究很少。Cong Haihua[5]研究了915MHz下溫度對(duì)復(fù)水海參介電特性的影響；Yu Wang[6]做了關(guān)于頻率和溫度對(duì)三文魚介電特性的研究；Yu Wang[7]研究了三文魚不同部位介電特性的差異,以及溫度和頻率對(duì)三文魚介電特性的影響；Xiaopei Hu[8]研究了去殼牡蠣的熱特性以及915MHz和2415MHz下溫度對(duì)其影響；F.Tanaka[9]研究了從解凍到加熱過(guò)程蝦的介電特性變化；賈敏[1]做了溫度和頻率對(duì)鮑魚介電特性的研究；何天寶[10]研究了溫度和頻率對(duì)魚糜介電特性的影響；張保艷[11]研究了溫度、頻率和水分含量對(duì)羅非魚介電特性的影響；楊振超等[12]對(duì)915MHz和2450MHz下溫度和鹽溶液浸漬對(duì)青魚介電特性做了研究。目前還沒(méi)有關(guān)于扇貝柱介電特性的研究,本文通過(guò)研究溫度和頻率對(duì)扇貝柱介電特性的影響,從而得出扇貝柱介電特性隨溫度、頻率的變化規(guī)律,為微波殺菌提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

薛家島扇貝柱 購(gòu)于青島水產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)。

8714ET安捷倫介電網(wǎng)絡(luò)分析儀 深圳市盛騰儀器儀表有限公司,包括Agilent 8714ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent 85070E末端開路同軸探頭、85070E分析軟件,計(jì)算機(jī)、加熱循環(huán)系統(tǒng)；SY-X2/10L 循環(huán)油浴 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；HYF-7412溫度控制儀 上?；粲顑x器儀表有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)樣品扇貝柱的準(zhǔn)備 將扇貝去殼,去掉內(nèi)臟團(tuán)、生殖腺,取出扇貝柱,濾紙吸干表面水分,備用。

1.2.2.1 校正儀器 打開網(wǎng)絡(luò)分析儀預(yù)熱30min,設(shè)定介電網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量頻率為0.3～3GHz,溫度設(shè)定為當(dāng)時(shí)室溫,依次用空氣、短電阻、超純水與探頭接觸,從而校正探頭。

1.2.2.2 裝樣測(cè)量 將扇貝柱裝入加熱套筒內(nèi),利用油浴控制扇貝柱溫度,每隔10℃測(cè)量一次介電常數(shù)(控制3～4min完成10℃升溫),測(cè)量溫度范圍為20～120℃。取三組樣品三次測(cè)量的平均值。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 取3次測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值,用Excel分別對(duì)扇貝柱介電特性對(duì)溫度和頻率進(jìn)行線性回歸分析,得出線性回歸方程。

2 結(jié)果與討論

2.1頻率對(duì)扇貝柱介電特性的影響

圖1為不同溫度下扇貝柱介電常數(shù)隨頻率變化的曲線,由圖1可以看出,在初始頻率180MHz下,扇貝柱介電常數(shù)在100℃下最高,數(shù)值達(dá)98.8,而在20℃下最低,為81.3。介電常數(shù)的變化趨勢(shì)是在小于360MHz頻率下,隨著頻率增加而降低,隨后變化不顯著,并且隨著溫度升高,扇貝柱介電常數(shù)下降幅度越大。扇貝柱介電常數(shù)隨頻率變化的趨勢(shì),這與賈敏[1]得出的鮑魚介電常數(shù)、Yu Wang[7]得到的三文魚的介電常數(shù)及F.Tanaka[9]得出的蝦的介電常數(shù)、張保艷[11]得出的羅非魚的介電常數(shù)對(duì)頻率的變化規(guī)律一致。

圖1 不同溫度下頻率對(duì)扇貝柱介電常數(shù)的影響

根據(jù)介質(zhì)極化理論,置于外加電場(chǎng)中的介質(zhì)表面的電荷重新分布,正負(fù)電荷向反方向移動(dòng)從而產(chǎn)生了與外電場(chǎng)相反的電場(chǎng)。低頻下的電荷有足夠的時(shí)間在導(dǎo)電區(qū)域的邊緣積累,使樣品的電容量增加,反映在介電常數(shù)e′增加?？赡芤?yàn)樯蓉愔乃肿哟蟛糠质且越Y(jié)合水的形式存在,所以介電常數(shù)e′隨著頻率的增加而幅度不大。

圖2為不同溫度下扇貝柱隨頻率變化的介電損失因數(shù)。圖2可以看出,在初始頻率180MHz下扇貝柱介電損失因數(shù)在100℃下最大,其數(shù)值達(dá)221.7,而在20℃下最小,達(dá)98.0。不同溫度下介電損耗因數(shù)隨頻率的變化趨勢(shì)：在小于1000MHz的頻率下,隨著頻率增大而減小,隨著溫度升高,減小的幅度增大,當(dāng)頻率大于1000MHz時(shí),介電損失因數(shù)無(wú)明顯變化。在頻率小于200MHz時(shí),離子傳導(dǎo)對(duì)介電損失因數(shù)有重要作用,在微波頻率下,自由水中偶極子旋轉(zhuǎn)和離子傳導(dǎo)有很重要作用：

σ(S/m)-離子導(dǎo)電率,ω-角頻率,e0(rad/s)-自由空間或真空下的介電常數(shù)[13]。濕食品的水帶有各種離子,因?yàn)橛袑?dǎo)電性,而溶有離子的水溶液的導(dǎo)電性在加熱過(guò)程中會(huì)隨著頻率的降低而增強(qiáng),由公式1.1的第二部分決定,圖2顯示在介電加熱過(guò)程中,偶極子旋轉(zhuǎn)和離子傳導(dǎo)的綜合作用結(jié)果是介電損耗隨頻率增加而減小,進(jìn)而說(shuō)明濕食品中自由水中偶極子的旋轉(zhuǎn)造成的介電損失隨著頻率增加而增加,而且增加的效應(yīng)大于離子傳導(dǎo)造成的損失效應(yīng)。這結(jié)果也在其他的水產(chǎn)品鮑魚[1]、蝦[9]、復(fù)水海參[5]、羅非魚[11]研究結(jié)果中得到驗(yàn)證,這些水產(chǎn)品的介電損失因數(shù)隨頻率變化的規(guī)律與扇貝柱的一致,而扇貝柱的含水量78.5%±2.9% 與鮑魚的74.4%[1]、蝦的78.4%[9]接近。

圖2 不同溫度下頻率對(duì)扇貝柱介電損耗因數(shù)的影響

2.2溫度對(duì)扇貝柱介電特性的影響

溫度對(duì)介電特性的影響與很多因素有關(guān),其中包括食品組成、含水量、含鹽量等。靜態(tài)介電常數(shù)反映了靜態(tài)電場(chǎng)下分子極化和布朗運(yùn)動(dòng)間的動(dòng)態(tài)平衡,溫度升高,布朗運(yùn)動(dòng)速率加快,靜態(tài)介電常數(shù)降低。溫度對(duì)介電常數(shù)的影響主要是由樣品中自由水和結(jié)合水的含量和比例決定的,由于樣品中存在自由水,介電常數(shù)隨水分含量增加而增加[14]。因此自由水和結(jié)合水的比例關(guān)系決定了介電常數(shù)和溫度的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)選用915MHz和2450MHz兩個(gè)頻率,因?yàn)槭称饭I(yè)中常使用915MHz和2450MHz兩個(gè)頻率,915MHz下微波能達(dá)到更大的穿透深度(約3cm)[15],2450MHz是一般家用微波爐的頻率。圖3中可以看出,隨著扇貝柱介電常數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān),隨溫度由20℃上升到100℃,915MHz下扇貝柱介電常數(shù)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,蝦隨著溫度從20℃上升到100℃,介電常數(shù)下降；Yu Wang[7]等研究的915MHz下三文魚的介電常數(shù)隨溫度下降；Cong Haihua[5]等研究的海參在915MHz下隨溫度升高,介電常數(shù)下降；Xiaopei Hu[8]等研究的去殼牡蠣在915MHz和2150MHz下,介電特性隨溫度升高而下降,這些結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖3 915MHz和2450MHz下溫度對(duì)扇貝柱介電常數(shù)的影響

溫度對(duì)介電損耗因數(shù)的影響,與頻率、水分含量、離子導(dǎo)電率有關(guān)[16]。圖4表明了溫度對(duì)扇貝柱介電損失因數(shù)的影響,隨著溫度的上升,915MHz下扇貝柱介電損失因數(shù)由28.02上升到57.09,2450MHz下介電損耗因數(shù)上升幅度較小,其數(shù)值由20.97上升到26.97。表1給出了915、2450MHz下,20～100℃時(shí)扇貝柱的介電特性。賈敏[1]等研究的915MHz和2450MHz下鮑魚的介電損耗因數(shù)的規(guī)律與本研究結(jié)論一致；Cong Haihua[5]等研究的915MHz下海參的介電損耗因數(shù)也隨著溫度升高而上升；Xiaopei Hu[8]等做的關(guān)于去殼牡蠣介電損耗因數(shù)的研究,915MHz下規(guī)律與本研究一致,2450MHz下規(guī)律不同,此頻率下先下降后上升,蝦[9]在915MHz下隨溫度升高而增大,2450MHz下介電損耗因數(shù)也是先下降后上升,這表明介電特性不僅與溫度、頻率有關(guān),也與組成、物理和化學(xué)狀態(tài)有關(guān)[17]。Bengtsson[18]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,低頻時(shí)起主導(dǎo)作用的電導(dǎo)損失與溫度成正相關(guān),高頻下,起主導(dǎo)作用的水分的損耗因子與溫度成負(fù)相關(guān),因此,不同頻率下,溫度與介電損失的相關(guān)性不一致。低頻(低于2000MHz)下占主導(dǎo)作用的是離子的導(dǎo)電性,隨著溫度升高,離子溶液的粘度降低,粒子流動(dòng)性增強(qiáng),離子溶液中的電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加,根據(jù)公式1,eσ″隨溫度升高而增加,從而增加了e″。

圖4 915MHz和2450MHz下溫度對(duì)扇貝柱介電損失因數(shù)的影響

表1給出了915MHz和2450MHz下扇貝柱介電特性隨溫度變化的線性回歸方程,回歸系數(shù)都在0.96以上,較好的反映了介電常數(shù)和介電損耗因數(shù)與溫度的關(guān)系。為了預(yù)測(cè)方程的準(zhǔn)確性,本研究對(duì)介電常數(shù)和介電特性的實(shí)驗(yàn)值和擬合值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖5所示,從圖中可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值都具有較好的一致性。

表1 915MHz和2450MHz下扇貝柱介電特性的線性回歸方程

圖5 915MHz和2450MHz下扇貝柱介電特性實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值比較

2.3扇貝柱穿透深度

微波進(jìn)入物料后,物料吸收微波能并將其轉(zhuǎn)化為熱能,從而達(dá)到加熱的效果。穿透深度的大小與頻率有關(guān),頻率越高,波長(zhǎng)越短,穿透力越弱。微波具有穿透力強(qiáng)的特點(diǎn),能深入到物料內(nèi)部加熱,使物料表面和內(nèi)部同時(shí)升溫加熱。

表2為915MHz和2450MHz下扇貝柱的穿透深度,從中可以看出,隨著溫度升高,穿透深度減小,且高頻率下的穿透深度高于低頻率下的穿透深度。

表2 915MHz和2450MHz下扇貝柱的穿透深度

表3是扇貝柱穿透深度的線性回歸方程,由R2可以看出,穿透深度與溫度有較好的擬合度。為進(jìn)一步預(yù)測(cè)方程準(zhǔn)確性,對(duì)穿透深度的實(shí)驗(yàn)值和擬合值進(jìn)行比較。見圖6。由圖可以看出,扇貝柱微波穿透深度的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值有較好的擬合度。

表3 915MHz和2450MHz下扇貝柱穿透深度的線性回歸方程

圖6 915MHz和2450MHz下扇貝柱穿透深度實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值比較

3 結(jié)論

扇貝柱的介電常數(shù)和介電損耗因數(shù)與頻率成負(fù)相關(guān),介電常數(shù)與溫度成負(fù)相關(guān),介電損耗因數(shù)與溫度成正相關(guān)。915MHz和2450MHz下扇貝柱的穿透深度隨溫度升高而下降。并且介電常數(shù)、介電損耗因數(shù)、穿透深度與溫度的線性回歸方程有較好的擬合度,能對(duì)扇貝柱的介電特性進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。本研究結(jié)論為微波殺菌技術(shù)提供了理論基礎(chǔ),隨著微波技術(shù)發(fā)展,介電特性的研究對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)的提高具有重要意義。

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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 *通訊聯(lián)系人

張文杰(1987-),女,碩士研究生,研究方向：水產(chǎn)品加工及貯藏。

國(guó)家863計(jì)劃(2011AA100803)；農(nóng)業(yè)部“948”計(jì)劃(2011-Z25)。

TS254.1

：A

：1002-0306(2014)01-0074-05