影響食品射頻-微波介電特性的因素及影響機(jī)理分析

朱新華，郭文川

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

影響食品射頻-微波介電特性的因素及影響機(jī)理分析

朱新華，郭文川

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

了解食品的射頻-微波介電特性，對(duì)于充分利用電磁能加熱食品及研發(fā)食品成分傳感器具有重要意義。為了給國(guó)內(nèi)食品射頻-微波介電特性領(lǐng)域的研究提供借鑒，本文在介紹常用食品介電特性參數(shù)和介電極化機(jī)理的基礎(chǔ)上，綜述電信號(hào)的頻率、食品溫度、主要成分(水、鹽和脂肪)以及容積密度對(duì)食品物料射頻-微波介電特性的影響規(guī)律，分析影響機(jī)理，并指出今后的研究方向。

食品；介電特性；頻率；溫度；成分

Abstract：Understanding radio frequency (RF) and microwave (MW) dielectric properties of foods is important to exploit electromagnetic energy during heating and to develop food composition sensors. In order to provide useful information on the microwave dielectric properties of food, the effects of signal frequency, sample temperature and major compositions including water, salt and fat as well as bulk density on RF-MW dielectric properties of food have been reviewed on the basis of dielectric properties and dielectric polarization mechanisms of commonly-available foods, which will be beneficial for future analysis of its mechanisms and future development trends.

Key words：food；dielectric property；frequency；temperature；composition

食品的介電特性描述了處于電磁場(chǎng)中的物質(zhì)與電磁波相互作用的能力。對(duì)食品介電特性，尤其是其射頻(300kHz～300MHz的電磁波)和微波(300MHz～300GHz的電磁波)介電特性的研究，使得從20世紀(jì)40年代開(kāi)始出現(xiàn)了一種不同于傳統(tǒng)的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射加熱的方法——射頻-微波加熱。隨后，食品物料的介電特性和微波加熱設(shè)備的研發(fā)成為研究的焦點(diǎn)。對(duì)食品介電特性的研究，不僅有助于了解食品在電場(chǎng)中的介電行為，為充分利用能源，研發(fā)更經(jīng)濟(jì)的射頻-微波加熱設(shè)備提供基礎(chǔ)，而且介電特性可用于檢測(cè)食品的組成成分，因?yàn)榭蒲泄ぷ髡甙l(fā)現(xiàn)食品的介電特性與成分，例如水、鹽、脂肪以及食品的結(jié)構(gòu)等有關(guān)。目前我國(guó)在食品射頻-微波介電特性的研究成果較少，本文將介紹信號(hào)頻率、食品溫度、食品中的水、鹽、脂肪和容積密度等對(duì)食品物料介電特性的影響規(guī)律，并分析影響機(jī)理，旨在為此領(lǐng)域的研究提供參考。

1 食品介電特性基礎(chǔ)

1.1 常用反映介電特性的物理參數(shù)

自然界中的物質(zhì)皆具有比真空大的介電常數(shù)值，為此用物質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)εa與真空中的介電常數(shù)ε0(8.854×10－12F/m)的比值εr表示物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，即εr=εa/ε0。在時(shí)間變化的正弦高頻或微波電場(chǎng)中，常將處于電場(chǎng)中的物質(zhì)等效為電阻與電容的并聯(lián)或串聯(lián)模型，因此用具有實(shí)部和虛部的復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)(εr*)表示物質(zhì)的介電特性，即：

式中：εr＇為復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部，稱(chēng)為相對(duì)介電常數(shù)；εr＂為復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的虛部，稱(chēng)為介質(zhì)損耗因數(shù)；j為虛部單位。

εr＇與物質(zhì)的電容特性有關(guān)，εr＂與物質(zhì)的電阻特性有關(guān)，它們分別反映了物質(zhì)儲(chǔ)存電場(chǎng)的能力和將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能的能力。絕大多數(shù)食品物料的εr＂是正值且小于其εr＇。理論上有εr＂=εr＇tanδ，δ為損耗角，tanδ為損耗角正切，是所消耗的能量與儲(chǔ)存能量之比，稱(chēng)為耗散因數(shù)或介質(zhì)損耗正切。

1.2 電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)處于電場(chǎng)中時(shí)，由于同號(hào)電荷相斥，異號(hào)電荷相吸使得介質(zhì)表面會(huì)出現(xiàn)與各自貼近極板電荷相反的電荷分布，這種現(xiàn)象稱(chēng)作電介質(zhì)的極化，介質(zhì)表面上出現(xiàn)的電荷稱(chēng)作極化電荷。復(fù)數(shù)介電常數(shù)的值反映了電場(chǎng)中物質(zhì)被極化的難易程度[1]。

電場(chǎng)中電介質(zhì)的極化主要有3種方式：偶極子的取向極化、電子位移極化和原子位移極化。各種極化的特征頻率是偶極子取向極化主要在微波域，電子極化在紫外線域，原子極化在紅外、遠(yuǎn)紅外域[2]。除此之外，離子的導(dǎo)電性是引起介電損耗的主要原因。物質(zhì)的介電特性是各種極化的綜合反映。在射頻-微波頻段下，原子和電子極化相對(duì)較弱，基本為一常值，離子導(dǎo)電性和偶極子取向極化是引起介電損耗的主要原因[3]，因此有：

式中：ε＂rd為偶極子旋轉(zhuǎn)引起的相對(duì)介電損耗；ε＂rσ為離子的導(dǎo)電性引起的相對(duì)介電損耗；σ為離子的電導(dǎo)率/(S/m)；ε為角頻率/(rad/s)；ω=2πf，f為電場(chǎng)頻率/Hz。

當(dāng)電信號(hào)是大于1GHz的微波時(shí)，偶極子的取向極化是所有的損耗機(jī)理中最顯著的影響因素；而當(dāng)電信號(hào)是小于1GHz的微波或射頻時(shí)，離子的導(dǎo)電性是引起介電損耗的主要原因[3]。

2 影響食品射頻-微波介電特性的因素

影響食品射頻-微波介電特性的主要因素有電信號(hào)頻率、食品溫度和食品成分——水、鹽、脂肪等。在顆粒狀食品物料中，容積密度也是影響介電特性的因素。

2.1 頻率的影響

德拜方程(式(3))可用于描述極性物質(zhì)，尤其是自由水的介電特性。

將式(3)分成實(shí)部和虛部?jī)刹糠趾?，得[4]：

式中：εrs為介質(zhì)的靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)，即介質(zhì)在直流電場(chǎng)作用下的介電常數(shù)；εr∞為電子位移極化的介電常數(shù)，又稱(chēng)光頻介電常數(shù)；ω為角頻率/(rad/s)；ω＝2πf，f為電場(chǎng)頻率/Hz；τ為松弛時(shí)間/s (一般大于10－10s)。

公式說(shuō)明，εr＇和εr＂都是隨頻率變化的函數(shù)。圖1是常溫下自由水的介電參數(shù)隨頻率變化的規(guī)律[5]。25℃條件 下自由水的松弛頻率fc是19.2GHz[6]，此時(shí)εr＂具有最大值，而εr＇急劇下降。但是，食品中除了水之外，還有各種各樣能溶于水的離子。在射頻下，離子的導(dǎo)電性是引起介電損耗的主要原因，這使得射頻段εr＂隨著頻率的增大而減小，而在微波頻段由于引起介電損耗的主要原因是偶極子的極化，此時(shí)水溶液的介電特性與純水的介電行為基本相同。如圖2所示是頻率對(duì)3種蜜瓜汁的εr＂的影響[7]。這種介電參數(shù)隨頻率變化的規(guī)律也發(fā)現(xiàn)于其他食品的介電特性中，例如雞蛋[8-9]、飲料[10-11]和醬油[12]。

圖1 常溫下自由水的介電行為Fig.1 Dielectric behavior of free water at room temperature

圖2 24℃下頻率對(duì)蜜瓜汁ε＂r的影響Fig.2 Effect of radio frequency onεr＂of honeydew melon juice at 24℃

2.2 溫度的影響

當(dāng)食品處于冷凍狀態(tài)時(shí)，食品在微波頻段下的介電特性受冷凍食品中自由水和離子濃度的影響。冷凍狀態(tài)下食品中的自由水較少，因此此時(shí)食品的εr＇和ε＂r值較小。而在解凍過(guò)程中，隨著食品中自由水含量的增多，在小于松弛頻率的微波頻段，食品的εr＇和ε＂r迅速增加[13]。ε＂r越大，物質(zhì)吸收電磁能而將其轉(zhuǎn)換為熱能的能力越大。因此在同樣的電磁場(chǎng)下，已被解凍食品吸收的能量大于未被解凍的食品，容易形成所謂的“冷點(diǎn)”。這也就是為什么在微波爐中解凍肉時(shí)表面的肉幾乎快被烤熟而內(nèi)部肉仍然處于冷凍狀態(tài)的原因。如果食品含鹽量較少或不含鹽，則食品被解凍之后，當(dāng)f＜fc時(shí)，εr＇和ε＂r隨溫度的升高而減小[14-15]，使得溫度高處吸熱相對(duì)少，溫度低處吸熱相對(duì)較大，這有利于加熱的均勻性。圖3是溫度對(duì)水的介電參數(shù)的影響[16]。圖3說(shuō)明隨著溫度的增加，水被極化時(shí)的fc增大，但相應(yīng)fc下的ε＂r值減小。

圖3 溫度對(duì)水的介電參數(shù)的影響Fig.3 Effect of temperature on dielectric parameters of water

2.3 水的影響

水對(duì)食品介電特性的影響程度取決于濕性食品中水的存在形式。食品中的水以自由水和束縛水的形式存在。自由水容易散失，而束縛水很難散失。當(dāng)物品干燥到一定程度，含水率不能再降低時(shí)，此時(shí)存在于食品中的水主要是束縛水[4]。偶極子存在于自由水中，微波下偶極子的取向極化是主要的極化方式。束縛水對(duì)極化的響應(yīng)要比自由水小得多。當(dāng)含水率大于某一值時(shí)，自由水對(duì)介電特性的影響起主要作用，此時(shí)ε＇r和ε＂r隨含水率的降低迅速減小。但當(dāng)?shù)陀谠撝禃r(shí)，由于食品中的水主要是束縛水，ε＂r隨含水率的減小緩慢降低，如圖4所示。因此，含水率小的食品比同種含水率多的食品吸收的熱量少，這樣在利用微波能干燥物品或利用微波能進(jìn)行食品脫水時(shí)就使含水量多處失水較快，含水量少處失水較慢，會(huì)使干燥后食品的水分分布比較均勻。

圖4 室溫27MHz條件下含水率對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.4 Effect of water content on dielectric loss factor of chickpea under room temperature and 27 MHz radio frequency

在成分對(duì)食品介電特性的影響研究中，對(duì)水的研究是最多的，如各種肉及其制品[17-18]、奶[19]、果蔬[20]、蜂蜜[21]和各種顆粒狀農(nóng)產(chǎn)品[22-24]。這些研究為基于介電特性的食品物料水分檢測(cè)新方法或含水率傳感器的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。

2.4 鹽的影響

濕性食品中的鹽會(huì)使離子濃度增加，從而使食品的介電特性發(fā)生明顯的變化。這種影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：1)影響介電參數(shù)值。相同條件下，加鹽食品的εr＇明顯小于未加鹽食品，而εr＂卻明顯增大，這是由于離子濃度的增大使得導(dǎo)電性能增大。例如，30℃、2450MHz條件下，未加鹽黃油的εr＇=24.5，εr＂=4.3，而加鹽(NaCl)0.60g/100g黃油的εr＇=9.0，εr＂=15.5[25]。在雞肉[26]、豬肉[27-28]中加入鹽后，也發(fā)現(xiàn)隨著食品中含鹽量的增加，εr＇逐漸減小，而εr＂逐漸增大；2)影響介電參數(shù)的頻率特性。在微波頻段，含鹽食品的εr＇隨頻率增加明顯減小，而未含鹽食品的εr＇隨頻率增加緩慢減小[3]。圖5是40℃條件下，鹽對(duì)黃油介電參數(shù)頻率特性的影響[25]。3)影響介電參數(shù)的溫度特性。如果非冷凍狀態(tài)下的食品中不含鹽或含鹽量比較小，在松弛頻率以下的微波頻段，εr＇和εr＂將隨溫度的升高而減小。但是當(dāng)含鹽量較大時(shí)，離子的濃度增大，溫度的增加使得液體的黏度下降和離子的流動(dòng)性增加，導(dǎo)致微波下離子溶液電導(dǎo)率的增加，從而使得εr＇和εr＂隨溫度的升高而增大[4]。此時(shí)，溫度高處吸熱多，溫度低處反而吸熱少，造成所謂的“熱逸散”，引起加熱的不均勻。

鹽對(duì)介電特性的影響在很大程度上也取決于其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受其他食品成分限制的方式，這就使得根據(jù)單一成分的介電特性預(yù)測(cè)混合物的介電特性比較復(fù)雜[29]。

圖5 加鹽量對(duì)40℃條件下黃油樣品介電特性的影響Fig.5 Effect of salt amount on dielectric properties of butter sample at 40 ℃

2.5 脂肪的影響

脂肪和油脂通常被認(rèn)為是自然界中微波場(chǎng)下的惰性物質(zhì)，它們和電場(chǎng)的作用力很弱。因此，相同條件下，食品中的脂肪或油脂含量越高，則其εr＇和εr＂越小。例如在450W，27.12MHz加熱90s后測(cè)得的脂肪含量76.1%，含水率19.0%的豬背部脂肪肉的εr＇=12.5，εr＂=13.1，而脂肪含量4.4%，含水率73.9%的豬肩部肉的εr＇=69.6，εr＂=392.0[28]。牛肉的研究中也發(fā)現(xiàn)脂肪含量高的牛肉比脂肪含量低的具有比較小的εr＇和εr＂值[30]。當(dāng)然，這種現(xiàn)象也與樣品中的含水率不同有關(guān)。

2.6 容積密度的影響

電介質(zhì)的介電特性取決于與電磁場(chǎng)相互作用的物體質(zhì)量的大小，因此單位體積內(nèi)物質(zhì)的量，對(duì)于顆粒狀或半流動(dòng)性固體食品而言，即其容積密度，也對(duì)介電參數(shù)值有影響。當(dāng)其他條件相同時(shí)，容積密度大的食品物料具有較高的εr＇和ε＂r。這在對(duì)大量的糧食、谷物、粉狀農(nóng)產(chǎn)品或食品介電特性的研究中已經(jīng)得到證實(shí)。同時(shí)Trabelsi等[31]發(fā)現(xiàn)當(dāng)εr＇ 和分別除以容積密度ρ時(shí)，εr＇/ρ與ε＂r/ρ呈線性關(guān)系，而與物料的含水率無(wú)關(guān)。該發(fā)現(xiàn)為基于介電特性的容積密度傳感器的研發(fā)鑒定了基礎(chǔ)。

除以上因素影響食品的射頻-微波介電特性外，淀粉種類(lèi)和形式[32-33]，蛋白質(zhì)含量[34]，食用油中脂肪酸的含量和種類(lèi)[35]，水果中的可溶性固形物含量[36-37]等也影響介電特性。值得說(shuō)明的是，對(duì)食品介電特性的影響是多種因素共同作用的結(jié)果，因此在分析某種因素的影響時(shí)不可避免的涉及其他因素。

3 展 望

雖然在食品介電特性研究方面取得了一些成果，而且主要集中于國(guó)外，但仍然有許多方面需進(jìn)一步的探索和研究，筆者認(rèn)為今后的研究將著重于以下幾個(gè)方面：

1) 拓寬研究對(duì)象。目前研究的食品品種已比較多，但主要還是集中于肉、奶、蛋、果蔬、顆粒狀農(nóng)產(chǎn)品等中，對(duì)于非大眾食品的研究較少。因此，有必要更廣泛地了解各類(lèi)食品的介電特性。

2) 加大單一組分對(duì)介電特性影響研究的深度。在眾多的組成成分中，對(duì)水的研究是最多的，另外，對(duì)于鹽、脂肪等也有一定的研究，但對(duì)其他成分對(duì)介電特性影響規(guī)律缺乏了解?，F(xiàn)有研究的深度和廣度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。只有充分了解介電特性與主要成分間的關(guān)系，才能為介電特性識(shí)別品質(zhì)提供可能。

3) 探索基于介電特性綜合評(píng)價(jià)各種成分的方法。事實(shí)上，影響食品介電特性的因素非常多，各種因素之間又有一定的交聯(lián)作用，這給介電特性評(píng)價(jià)食品的單一成分帶來(lái)困難。因此，在了解各種成分對(duì)食品介電特性影響的基礎(chǔ)上，建立基于介電特性綜合評(píng)價(jià)食品中多種成分的方法將成為今后研究的重點(diǎn)。

4) 加強(qiáng)成果轉(zhuǎn)化的力度。雖有一些研究成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，但絕大多數(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，在從理論到實(shí)踐的過(guò)程中還需繼續(xù)努力。

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A Review of Affecting Factors and Their Mechanisms of the Radio Frequency-Microwave Dielectric Properties of Foods

ZHU Xin-hua，GUO Wen-chuan
(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

S183

A

1002-6630(2010)17-0410-05

2009-12-22

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(SJ08-ZT06)；西北農(nóng)林科技大學(xué)青年學(xué)術(shù)骨干項(xiàng)目(Z111020711)

朱新華(1967—)，男，副教授，學(xué)士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品和食品加工工程。E-mail：zxhjdxy@sina.com