915MHz和2450MHz下扇貝柱介電特性的研究

,,, ,

(中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266003)

915MHz和2450MHz下扇貝柱介電特性的研究

張文杰,薛長湖*,叢海花,賈敏,王兆琦

(中國海洋大學食品科學與工程學院,山東青島 266003)

利用介電網絡分析儀測量溫度20～100℃,頻率0.3～3GHz下扇貝柱介電常數和介電損耗因數,從而得出扇貝柱在微波加熱過程中溫度和頻率對介電特性的影響。結果表明,溫度一定時,介電常數和介電損失因數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,介電常數與溫度成負相關,介電損耗因數與溫度成正相關。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的研究提供了理論基礎。

扇貝柱,介電特性,溫度,頻率,穿透深度

扇貝(Chlamysfarreri)是味道鮮美、營養豐富的海珍品,其肉質細嫩,營養成分高,富含蛋白質,脂肪,磷酸鈣,維生素A、B、D等,具有重要的食用價值和經濟價值。目前扇貝的實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。近年來我國扇貝養殖規模和產量增加迅猛,扇貝加工產業具有良好的發展前景,而扇貝柱的殺菌環節是扇貝加工環節中至關重要的。目前扇貝柱的殺菌采用的是傳統的水產品殺菌技術,殺菌時間長,致使營養物質和風味成分的破壞[1]。微波殺菌是一種新型的無損的加工技術,它能縮短加工時間,并且提高產品質量[2]。通過微波加熱的方式,使電磁場和介電材料之間相互作用,在食物內部產生熱量。與傳統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]。由于微波加熱產生熱量的多少與材料的介電特性、熱特性,產品的大小、形狀、組成,微波加熱腔配置有關[4]。從而影響微波加熱的溫度分布,導致食品內部溫度分布的不均勻,而介電特性描述了處于電磁場中的物質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。目前關于食品介電特性的研究主要有果蔬、谷物、蛋奶肉類,對關于水產品的研究很少。Cong Haihua[5]研究了915MHz下溫度對復水海參介電特性的影響；Yu Wang[6]做了關于頻率和溫度對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下溫度對其影響；F.Tanaka[9]研究了從解凍到加熱過程蝦的介電特性變化；賈敏[1]做了溫度和頻率對鮑魚介電特性的研究；何天寶[10]研究了溫度和頻率對魚糜介電特性的影響；張保艷[11]研究了溫度、頻率和水分含量對羅非魚介電特性的影響；楊振超等[12]對915MHz和2450MHz下溫度和鹽溶液浸漬對青魚介電特性做了研究。目前還沒有關于扇貝柱介電特性的研究,本文通過研究溫度和頻率對扇貝柱介電特性的影響,從而得出扇貝柱介電特性隨溫度、頻率的變化規律,為微波殺菌提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

薛家島扇貝柱 購于青島水產品批發市場。

8714ET安捷倫介電網絡分析儀 深圳市盛騰儀器儀表有限公司,包括Agilent 8714ET矢量網絡分析儀、Agilent 85070E末端開路同軸探頭、85070E分析軟件,計算機、加熱循環系統；SY-X2/10L 循環油浴 鄭州長城科工貿有限公司；HYF-7412溫度控制儀 上海霍宇儀器儀表有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 實驗樣品扇貝柱的準備 將扇貝去殼,去掉內臟團、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 打開網絡分析儀預熱30min,設定介電網絡分析儀的測量頻率為0.3～3GHz,溫度設定為當時室溫,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 裝樣測量 將扇貝柱裝入加熱套筒內,利用油浴控制扇貝柱溫度,每隔10℃測量一次介電常數(控制3～4min完成10℃升溫),測量溫度范圍為20～120℃。取三組樣品三次測量的平均值。

1.2.3 數據分析 取3次測量數據的平均值,用Excel分別對扇貝柱介電特性對溫度和頻率進行線性回歸分析,得出線性回歸方程。

2 結果與討論

2.1頻率對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,扇貝柱介電常數在100℃下最高,數值達98.8,而在20℃下最低,為81.3。介電常數的變化趨勢是在小于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,扇貝柱介電常數下降幅度越大。扇貝柱介電常數隨頻率變化的趨勢,這與賈敏[1]得出的鮑魚介電常數、Yu Wang[7]得到的三文魚的介電常數及F.Tanaka[9]得出的蝦的介電常數、張保艷[11]得出的羅非魚的介電常數對頻率的變化規律一致。

圖1 不同溫度下頻率對扇貝柱介電常數的影響

根據介質極化理論,置于外加電場中的介質表面的電荷重新分布,正負電荷向反方向移動從而產生了與外電場相反的電場。低頻下的電荷有足夠的時間在導電區域的邊緣積累,使樣品的電容量增加,反映在介電常數e′增加。可能因為扇貝柱的水分子大部分是以結合水的形式存在,所以介電常數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。圖2可以看出,在初始頻率180MHz下扇貝柱介電損失因數在100℃下最大,其數值達221.7,而在20℃下最小,達98.0。不同溫度下介電損耗因數隨頻率的變化趨勢：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,當頻率大于1000MHz時,介電損失因數無明顯變化。在頻率小于200MHz時,離子傳導對介電損失因數有重要作用,在微波頻率下,自由水中偶極子旋轉和離子傳導有很重要作用：

σ(S/m)-離子導電率,ω-角頻率,e0(rad/s)-自由空間或真空下的介電常數[13]。濕食品的水帶有各種離子,因為有導電性,而溶有離子的水溶液的導電性在加熱過程中會隨著頻率的降低而增強,由公式1.1的第二部分決定,圖2顯示在介電加熱過程中,偶極子旋轉和離子傳導的綜合作用結果是介電損耗隨頻率增加而減小,進而說明濕食品中自由水中偶極子的旋轉造成的介電損失隨著頻率增加而增加,而且增加的效應大于離子傳導造成的損失效應。這結果也在其他的水產品鮑魚[1]、蝦[9]、復水海參[5]、羅非魚[11]研究結果中得到驗證,這些水產品的介電損失因數隨頻率變化的規律與扇貝柱的一致,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 不同溫度下頻率對扇貝柱介電損耗因數的影響

2.2溫度對扇貝柱介電特性的影響

溫度對介電特性的影響與很多因素有關,其中包括食品組成、含水量、含鹽量等。靜態介電常數反映了靜態電場下分子極化和布朗運動間的動態平衡,溫度升高,布朗運動速率加快,靜態介電常數降低。溫度對介電常數的影響主要是由樣品中自由水和結合水的含量和比例決定的,由于樣品中存在自由水,介電常數隨水分含量增加而增加[14]。因此自由水和結合水的比例關系決定了介電常數和溫度的關系。本實驗選用915MHz和2450MHz兩個頻率,因為食品工業中常使用915MHz和2450MHz兩個頻率,915MHz下微波能達到更大的穿透深度(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與溫度呈負相關,隨溫度由20℃上升到100℃,915MHz下扇貝柱介電常數由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℃,介電常數下降；Yu Wang[7]等研究的915MHz下三文魚的介電常數隨溫度下降；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,這些結果與本實驗結果一致。

圖3 915MHz和2450MHz下溫度對扇貝柱介電常數的影響

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

圖4 915MHz和2450MHz下溫度對扇貝柱介電損失因數的影響

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,回歸系數都在0.96以上,較好的反映了介電常數和介電損耗因數與溫度的關系。為了預測方程的準確性,本研究對介電常數和介電特性的實驗值和擬合值進行比較,結果如圖5所示,從圖中可以看出,實驗結果的預測值與實驗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驗值和預測值比較

2.3扇貝柱穿透深度

微波進入物料后,物料吸收微波能并將其轉化為熱能,從而達到加熱的效果。穿透深度的大小與頻率有關,頻率越高,波長越短,穿透力越弱。微波具有穿透力強的特點,能深入到物料內部加熱,使物料表面和內部同時升溫加熱。

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。為進一步預測方程準確性,對穿透深度的實驗值和擬合值進行比較。見圖6。由圖可以看出,扇貝柱微波穿透深度的實驗值與預測值有較好的擬合度。

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驗值和預測值比較

3 結論

扇貝柱的介電常數和介電損耗因數與頻率成負相關,介電常數與溫度成負相關,介電損耗因數與溫度成正相關。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、介電損耗因數、穿透深度與溫度的線性回歸方程有較好的擬合度,能對扇貝柱的介電特性進行有效預測。本研究結論為微波殺菌技術提供了理論基礎,隨著微波技術發展,介電特性的研究對水產品品質的提高具有重要意義。

[1]賈敏,薛長湖,叢海花，等. 頻率和溫度對鮑魚介電特性的影響[J]. 食品工業科技,2012,33(18):182-198.

[2]R B Pandit,J Tang,F Liu,etal.A computer vision method to locate cold spots in food in microwave sterilization process[J].Pattern Recognition,2007,40(12):3667-3676.

[3]Z Tang,J Tang,G Mikhaylenko.Microwave sterilization of sliced beef in gravy in 7-oz trays[J].Journal of Food Engineering,2008,89(4):375-383.

[4]Y Wang,M H Lau,J Tang,etal.Kinetics of chemical marker M-1 formation in whey protein gels for developing sterilization processes based on dielectric heating[J].Journal of Food Engineering,2004,64(1):111-118.

[5]H Cong,C Xue,F Liu,etal.Dielectric properties of sea cucumbers(Stichopus japonicus)and model foods at 915MHz[J]. Journal of Food Engineering,2012,109(3):635-639.

[6]Y Wang,J Tang,B Rasco,etal.Dielectric properties of salmon fillets as a function of temperature and composition[J].Journal of Food Engineering,2008,87(2):236-246.

[7]Y Wang,J Tang,B Rascoetal.Using whey protein gel as a model food to study dielectric heating proterties of salmon(Oncorhynchus gorbuscha)fillets[J].LWT-Food Science and Technology,2009,42(6):1174-1178.

[8]X Hu,P Mallikarjunan.Thermal and dielectric properties of shucked oysters[J].LWT-Food Science and Technology,2005,35(5):489-494.

[9]F Tanaka,P Mallikarjunan,Y C Hung.Dielectric properties of shrimp related to microwave. frequencies:from frozen to cooked stages[J].Journal of Food Process Engineering,1999,22:455-468.

[10]何天寶,程裕東.溫度和頻率對魚糜介電特性的影響[J].水產學報,2005,29(2):252-257.

[11]楊振超,程裕東,金銀哲.915MHz和2450MHz頻率下溫度和鹽溶液浸漬對青魚介電特性的影響[J].食品工業科技,2013,34(10):138-158.

[12]張保艷,于海洋,程裕東，等.溫度、頻率和水分含量對羅非魚介電特性的影響[J]. 水產學報,2012,36(11):1785-1792.

[13]【德】Helmar Schubert,Marc Regier.食品微波加工技術[M].北京:中國輕工業出版社,2008. 18-22.

[14]Kent M. Complex permittivity of fish meal:a general discussion of temperature,density and moisture dependence[J].Microwave Power,1977,12(4):341.

[15]RE Mudgett. Microwave food processing[J].Food technology,1989,43(1)：117-126.

[16]K Rajnish,M Calay.Predictive equations for the dielectric properties of foods[J].International Journal of food Science and Technology,1995,29:699-713.

[17]S O Nelson,P G Bartley Jr.Measuring frequency and temperature dependent dielectric properties of food materials[J].American Society of Agricultural Engineers,2000,43(6):1733-1736.

[18]N E Bengtsson,P O Risman.Dielectric properties of foods at 3GHz as determined by a cavity perturbation technique[J]. Microwave Power and EM Energy,1971,6:107-123.

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 *通訊聯系人

張文杰(1987-),女,碩士研究生,研究方向：水產品加工及貯藏。

國家863計劃(2011AA100803)；農業部“948”計劃(2011-Z25)。

TS254.1

：A

：1002-0306(2014)01-0074-05