文 余輝 康翠欣 周曉婷 聶懿 夏婷涓 邵梅 周瑋婧 武漢食品化妝品檢驗所 國家市場監(jiān)管重點實驗室（食用油質(zhì)量與安全）

介電特性檢測技術(shù)因其快速、便捷、無損的顯著優(yōu)勢，近年來被較為廣泛地應用于食品領(lǐng)域的研究。本文從含水量測定、新鮮度測定、品質(zhì)鑒定、摻雜摻假鑒別、加工過程控制和優(yōu)化等方面闡述了介電特性在食品領(lǐng)域的應用情況，并對目前測定標準不統(tǒng)一、應用實例少等問題進行了探討。

介電特性是指物質(zhì)在外加電場下，因內(nèi)部被束縛電子的分布發(fā)生改變，產(chǎn)生極化現(xiàn)象而導致的一些特性。介電特性參數(shù)主要指介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)，常常被用于材料領(lǐng)域或電氣領(lǐng)域表征材料的極化特性或絕緣性能。介電常數(shù)表示分子在特定電場下的極性大小，介質(zhì)損耗因子則表示物質(zhì)因其極性而導致的在特定電場下的能量損失，其數(shù)值和電場頻率、溫度等測量條件均有關(guān)。而食品大多介于絕緣體和導體之間，品類繁多、組成復雜，淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等組分非極性物質(zhì)介電常數(shù)小、介質(zhì)損耗低，而水分、有機酸、醇類等極性物質(zhì)的介電常數(shù)大、介質(zhì)損耗高。當食品中某些極性的組分含量發(fā)生變化時，則可將介電特性參數(shù)與之相關(guān)聯(lián)，通過測定介電特性參數(shù)來表征食品的變化情況。與食品領(lǐng)域里常規(guī)的化學檢測方法相比，介電特性檢測技術(shù)具有快速、便捷、無損的顯著優(yōu)勢，近年來有不少食品領(lǐng)域的研究者將其與統(tǒng)計學分析、數(shù)學模型相結(jié)合，應用于食品品質(zhì)檢測和加工過程控制中。

1.含水率的檢測

食品品質(zhì)最重要的指標之一就是含水率。而水作為強極性物質(zhì)，也是影響食品介電特性最重要的因素。Dunlap于1945年在研究胡蘿卜脫水的過程中提出了通過介電常數(shù)和電導率來測定含水率。Tulasidas等以葡萄為研究體系，設(shè)計了響應面實驗，建立了介電常數(shù)與含水量、溫度的二元數(shù)學模型。Funebo測量了蘋果、櫻桃、蘑菇、歐芹和草莓等多種水果的相對介電常數(shù)和相對損耗因子在不同含水量下隨溫度的變化關(guān)系，以介電常數(shù)/介質(zhì)損耗、溫度為變量，建立了含水量的插值模型。Roelvink等研究了雞肉熟成過程中含水量和介電特性的變化規(guī)律，得到了良好的相關(guān)性。

廉飛宇等以糧谷中水分含量與介電常數(shù)的關(guān)系建立了一個經(jīng)驗模型，通過測量表層介電常數(shù)以及推算出的糧堆中的介電常數(shù)分布，繪制出了整個糧堆的三維水分分布圖，糧堆含水量的預測值與實際值的誤差小于3%，此成果已應用于部分糧庫，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟價值。

王婧等研究了1kHz-1MHz頻率范圍內(nèi)，紅小豆的介質(zhì)損耗因數(shù)和含水量、容積率、溫度之間的關(guān)系，建立了含水量與這三種因素的三元二次關(guān)系模型，并驗證了模型的準確性，R為0.9882，較為準確地預測了含水量。

通過測定不同頻率下297個蘋果樣本的含水量、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗的數(shù)據(jù)，蒙代偉分別采用回歸法建立了線性模型，采用連續(xù)投影法與支持向量回歸法建立了非線性模型，通過比較兩種模型，非線性含水量模型效果更好，R為0.811。

宋春芳等采用同軸探頭測定了30-3000MHz頻率內(nèi)不同含水量的芋頭片在不同溫度下的介電特性并建立數(shù)學模型，以模型的顯著水平篩選頻率，確定91MHz頻率下的模型最適于預測芋頭的含水率。

2.新鮮度的測定

蔬菜瓜果在采摘后，其糖類、水分等物質(zhì)的含量會隨著儲存時間而發(fā)生變化，過長時間的儲存還會導致腐敗反應的發(fā)生。這些食物的化學組成中，一旦有極性物質(zhì)發(fā)生改變，就會導致其外在的介電特性參數(shù)也相應發(fā)生變化。張立彬等將不同儲存時間的蘋果樣本進行切片，置于平板電極測定介電參數(shù)，發(fā)現(xiàn)儲存時間與介電常數(shù)、介質(zhì)損耗有非常明顯的負相關(guān)，該變化主要與含水量的降低有關(guān)。胥芳等采用無損方式研究了桃子的介電特性與儲存時間的關(guān)系，介電特性表現(xiàn)出類似的規(guī)律。當桃子腐敗時，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗有明顯的上升，主要是由于腐敗過程中有機酸類物質(zhì)的產(chǎn)生。

禽畜類在宰殺后其介電特性同樣會發(fā)生變化。Toldra等研究了豬肉宰殺后介電特性隨時間的變化，發(fā)現(xiàn)宰殺24小時和48小時后的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子均有顯著性的差異，可通過介電特性參數(shù)的測量來剔除同批次中明顯不新鮮的肉。

雞蛋的新鮮程度也受到了相關(guān)研究者的關(guān)注。張蕾等自制了一種無損測試裝置用來測定雞蛋的介電特性參數(shù)，他們以蛋黃指數(shù)為雞蛋新鮮度的考察指標，研究了新鮮度和介電特性參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，蛋黃指數(shù)與介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因子以及電容之間都有著顯著的正相關(guān)。Soltani等采用平板電極法設(shè)計了一種測試雞蛋新鮮度的電子裝置，并開發(fā)了幾種機器學習技術(shù)與之結(jié)合，幾種技術(shù)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)均表現(xiàn)出接近100%的預測結(jié)果。劉彬等通過平行板電極法研究了介電常數(shù)和蛋黃指數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同品種雞蛋的介電常數(shù)有顯著性的差異。針對同一品種，建立了介電常數(shù)和新鮮度的預測模型，誤差小于4.2%，利用支持向量機（SVM）技術(shù)進行機器學習，開發(fā)了一款雞蛋品質(zhì)檢測系統(tǒng)，其品種鑒別正確率高達98%。

3.食用油的品質(zhì)檢測

國外的研究者較早地關(guān)注了食用油的介電特性。El-Shami等研究了棉籽油和葵花籽油混合物在煎炸過程中介電性能（介電常數(shù)和介電損耗）與傳統(tǒng)分析指標，如粘度、折射率、碘值、過氧化值和游離脂肪酸等的變化關(guān)系，結(jié)果表明，介電常數(shù)和介電損耗可以有效地預測油品的劣化過程。Inoue等在不同溫度下對大豆油進行連續(xù)煎炸，發(fā)現(xiàn)其介電常數(shù)隨加熱時間的增加而增加，并且與密度、粘度、酸值等密切相關(guān)，認為介電特性檢測裝置在油脂品質(zhì)評價上有可使用的空間。

陳慰忠收集了60多組麥當勞的煎炸油，使用平板電容器測定了油樣的介電常數(shù)，發(fā)現(xiàn)在不同的煎炸時間，介電常數(shù)與極化成分總含量均有著一致的變化規(guī)律，無論煎炸過程中是否補油或者更換新油，均不影響兩者間的相關(guān)性，認為測定介電常數(shù)可以更簡單、更低成本的在現(xiàn)場確定煎炸油的品質(zhì)。

胡立志等研究了食用油和脂肪酸的介電特性，結(jié)果表明，油脂的介質(zhì)損耗隨著脂肪酸的雙鍵數(shù)量或分子鏈長度的增加而增加，而介電常數(shù)主要受碳18不飽和脂肪酸含量影響，兩者介電參數(shù)一定程度上都可以表征食用油的脂肪酸組成。不同含水量的植物油介電常數(shù)測試結(jié)明，介電常數(shù)隨含水量的增加而增加的規(guī)律，在高頻率測試條件下，含水量的影響會減小。

范柳萍等以棕櫚油的煎炸過程為研究體系，以介電常數(shù)作為油脂品質(zhì)的考察指標，對茶多酚、維E、植酸這三種天然抗氧化劑的效果進行了考察，并給出了最優(yōu)的抗氧化劑復配配方。

同樣是棕櫚油煎炸體系，樊之雄等研究了介電常數(shù)和游離脂肪酸含量的變化情況，結(jié)果表明，煎炸過程中介電常數(shù)隨游離脂肪氧化物的含量的增加而增加。

陸青青等采用同軸探針技術(shù)研究了菜籽油、大豆油等8種常見食用植物油的脂肪酸組成、介電常數(shù)的關(guān)系以及煎炸過程中大豆油的酸值、過氧化值與介電常數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)植物油的介電常數(shù)隨不飽和脂肪酸含量的增加而增加，煎炸過程中油脂的酸值和介電常數(shù)一直增加，而過氧化值先增后降。

曹瑋珈用阻抗測試儀研究了大豆油煎炸過程中介電特性與酸值、極性組分、羰基值、,碘值之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)與介質(zhì)損耗因子相比，介電常數(shù)與品質(zhì)指標呈更良好的相關(guān)性，R大于0.88。

4.其他食品的品質(zhì)檢測

黃亞玲通過葡萄糖-乙醇-水三元體系來模擬酒類飲料，通過測定不同模擬樣品的介電譜，建立了介電常數(shù)、弛豫時間與酒精度、糖含量之間的二元線性方程。該方程可以較好地適用于紅酒體系，但是在黃酒體系偏差較大。

Bohigas等在微波頻率范圍內(nèi)研究了醋酸-水體系的介電常數(shù)變化，擬合的方程可以很好地預測出醋酸體積分數(shù)10%以下時醋中醋酸的含量。

5.食品加工過程控制和工藝優(yōu)化

王琴等將介電性能測定應用于藍莓漿果的微波加熱過程，通過研究微波過程中的介電常數(shù)和介電損耗變化情況，關(guān)聯(lián)了介質(zhì)損耗因子和微波吸收功率密度。當漿果的介電損耗因數(shù)到達優(yōu)化值時，微波吸收功率密度最大，加熱效果最好，可通過測定介質(zhì)損耗來控制微波加熱過程，提高加熱效率，減少能耗。

羅歸一等建立了馬鈴薯干燥過程中介電常數(shù)/介質(zhì)損耗因子與含水量、溫度的二元模型，并通過遞延平均的方法建立了含水量和吸收功率之間的關(guān)系?；诟稍镞^程中介電特性的變化情況，建立相應的加熱控制方案，使整個干燥過程節(jié)能約37%，并保證了較優(yōu)的終產(chǎn)品品質(zhì)質(zhì)量。

采用同軸探頭法，高亞平研究了青蘿卜在微波干燥過程中的介電特性變化，建立了含水量、糖度與介電特性的關(guān)聯(lián)模型。通過關(guān)聯(lián)介電特性與濕基含水率、溫度，將干燥溫度優(yōu)化到50℃，達到提高品質(zhì)、降低能耗的目的。

Castro-Giraldez等采用同軸探針研究了豬肉腌制過程中介電特性和含水量、含鹽量的關(guān)系，通過測定介電特性參數(shù)，無損、方便地監(jiān)控整個腌制過程。

陳瑩瑩等利用介電特性進行了三文魚的模擬食品的開發(fā)研究，通過調(diào)整模擬食品的配方，使其介電特性曲線與真實的三文魚接近，該模擬食品可以較好地模擬三文魚在微波巴殺過程中的受熱情況，可用于三文魚巴殺工藝的優(yōu)化研究。

6.摻雜摻假鑒別

橄欖油由于其極高的商業(yè)附加值，一直以來摻假狀況嚴重。鑒于此，陸青青等使用同軸探針技術(shù)測定了橄欖油、玉米油、大豆油、菜籽油及調(diào)和油的介電特性。在橄欖油中混入不同比例的其他油，其介電常數(shù)的改變與混入比例正相關(guān)，R大于0.96，結(jié)果表明，橄欖油中大比例的摻假會導致其介電常數(shù)發(fā)生顯著的變化。

而蔗糖糖漿是蜂蜜中最常見的摻假原料，通過測定蜂蜜中蔗糖的含量可以有效地鑒別其真?zhèn)?。Guo等以純棗、黃刺槐和紫云英蜂蜜為研究對象，測定了蔗糖含量為0%（純蜂蜜）到80%（蜂蜜-蔗糖糖漿混合物）之間介電特性與蔗糖含量之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，介質(zhì)損耗因子隨蔗糖含量的增加而降低，R大于0.98。

鑒別釀造醬油和配制醬油一直是食品行業(yè)的難點，因此常常有不法商家拿低價的配制醬油冒充高價的釀造醬油。趙佳瑤研究了配制醬油中的特征物質(zhì)-酸水解植物蛋白調(diào)味液含量和介電常數(shù)的關(guān)系，通過偏最小二乘法和支持向量機建立了水解植物蛋白調(diào)味液含量與介電常數(shù)、介電損耗因子的預測模型以及不同醬油的鑒別模型，可以有效地鑒別釀造醬油和配制醬油。

7.問題和展望

目前介電特性測試的設(shè)備有平行板電極、同軸探針、阻抗分析、杯裝電極、傳感器探頭等，對于固體樣品，如雞蛋等還會有一些特制的設(shè)備，而介電特性參數(shù)的測定條件如頻率、電壓、溫度等還沒有統(tǒng)一的標準，不同的研究者采用不同的設(shè)備、不同的測試條件，所得到的規(guī)律和結(jié)論也不盡相同。如何制定統(tǒng)一的測試儀器和測試技術(shù)規(guī)范關(guān)系著介電特性在食品行業(yè)的應用和深入研究的開展。

由于食品體系繁雜，不同的食品體系的介電特性有著不同的應用，也呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，如基于大豆油煎炸實驗得到的介電常數(shù)模型無法適用于棕櫚油體系。介電特性在食品領(lǐng)域研究的上的過于細分也限制了該檢測技術(shù)的應用和發(fā)展，未來有必要開展更具通用性的研究。

結(jié)語

目前大多數(shù)的研究還聚焦于探明介電特性參數(shù)與食品某些特征性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律以及模型的建立，真正轉(zhuǎn)化為實際的檢測技術(shù)和檢測設(shè)備的還比較少，而介電特性檢測技術(shù)以其獨有的快速、便捷、無損的優(yōu)勢，在食品檢測行業(yè)有著非常廣闊的應用空間。