全脂乳粉和脫脂乳粉在1KHZ～10MHZ下的介電特征研究

金亞美，王 寧，孟 彤，崔文華，郭光輝，楊 哪，金征宇，徐學(xué)明

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫214122)

全脂乳粉和脫脂乳粉在1KHZ～10MHZ下的介電特征研究

金亞美，王 寧，孟 彤，崔文華，郭光輝，楊 哪，金征宇，徐學(xué)明*

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫214122)

分別研究了各4種不同品種的全脂乳粉和脫脂乳粉在1kHz～10MHz波段的介電特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著頻率的增加，全脂乳粉和脫脂乳粉的ξ'和ξ″值呈單調(diào)遞減趨勢;全脂乳粉的ξ'和ξ″值都高于脫脂乳粉，相同類型乳粉各品種間的ξ'和ξ″差異不大;全脂乳粉的ξ″值在103～105Hz頻率段減小趨勢明顯，且ξ″值的對(duì)數(shù)與頻率的對(duì)數(shù)成線性反比關(guān)系，而脫脂乳粉無此規(guī)律;全脂乳粉和脫脂乳粉的穿透深度Dp隨頻率的提高而減小，兩類乳粉的介電特性差異可能與它們各自的脂肪和乳糖含量有關(guān)。

全脂乳粉，脫脂乳粉，介電特性

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

全脂乳粉 隨機(jī)選擇超市4個(gè)不同品牌的全脂乳粉，按全脂品種1、全脂品種2、全脂品種3、全脂品種4編號(hào);脫脂乳粉 隨機(jī)選擇超市4個(gè)不同品牌的脫脂乳粉，按脫脂品種1、脫脂品種2、脫脂品種3、脫脂品種4編號(hào)，以保證不同種類的全脂乳粉和脫脂乳粉在蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、水分含量上存在差異。

65120B型精密阻抗分析儀 英國Wayne Kerr。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 全脂乳粉和脫脂乳粉的主要理化特性測定水分:《AOAC Official Method 927.05》奶粉中的水分真空干燥法測定;蛋白質(zhì):《AOAC Official Method 930.29》奶粉中蛋白質(zhì)的測定;脂肪:《AOAC Official Method 932.06》奶粉中脂肪的測定;乳糖:《AOAC Official Method 980.13》牛奶巧克力中乳糖的色譜法測定。

1.2.2 全脂乳粉和脫脂乳粉的介電特性測定 采用精密阻抗分析儀和平行板(圓形)介電治具1J1011測量粉末物料介電特性。分別稱取4個(gè)不同種類的全脂乳粉和脫脂乳粉各1g，置于平行板介電治具中，其中粉末物料測試直徑18mm、厚度1mm。由精密阻抗分析儀計(jì)算出物料的相對(duì)介電常數(shù)ξ'和介質(zhì)損耗因數(shù)ξ″。本阻抗分析儀可提供從超低頻到射頻范圍(1kHz～10MHz)間50個(gè)頻率點(diǎn)下的介電特性值。測試前分別用空氣、標(biāo)準(zhǔn)電容和電阻對(duì)介電治具在所測頻率區(qū)間進(jìn)行開路和短路校準(zhǔn)，然后運(yùn)行并記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 全脂乳粉和脫脂乳粉介電參數(shù)的頻率特性

相對(duì)介電常數(shù)ξ'表示電介質(zhì)在交變電場下對(duì)電場能量的儲(chǔ)存能力大小，而介電損耗因數(shù)ξ″表示電介質(zhì)中的偶極子在交變電場下克服隨機(jī)碰觸的干擾，沿著不同方向來回取向時(shí)的能量損耗［10］。圖1和圖2分別為全脂乳粉和脫脂乳粉各自的ξ'數(shù)和ξ″平均值的頻率依賴性。說明隨頻率的增加，全脂乳粉和脫脂乳粉的ξ'和ξ″值呈單調(diào)遞減趨勢。全脂乳粉的ξ'和ξ″值都高于脫脂乳粉，全脂和脫脂的各品種間乳粉ξ'和ξ″差異不大，都是隨頻率的提高而減小，其中全脂乳粉的ξ″值在103～105Hz頻率段減小趨勢明顯，而在105～107Hz頻率段減小趨勢緩慢。從表1得出，全脂乳粉和脫脂乳粉成分差異較大的是乳糖和脂肪含量，這可能是由于脂肪和乳糖分子的正負(fù)電子云中心不重合形成偶極子的偶極距不一，在交變電場下發(fā)生取向極化存在差異，材料的取向極化又與交變電場頻率、分子熱運(yùn)動(dòng)阻礙及分子間作用有關(guān)［11］，故造成它們介電特性的不同。

圖1 常溫下4種全脂乳粉和脫脂乳粉的相對(duì)介電常數(shù)的頻率依存性Fig.1 Frequency dependence of relative dielectric constant of powder of four whole milk and skimmed milk at room temperature

圖2 常溫下4種全脂乳粉和脫脂乳粉的介電損耗因數(shù)的頻率依存性Fig.2 Frequency dependence of loss factor of powder of four whole milk and skimmed milk at room temperature

表1 不同種類全脂和脫脂乳粉的蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖和水分含量(%)Table 1 The content of water，lactose，fat and protein in different kinds of powder on whole milk and skimmed milk(%)

表2是1kHz和10MHz時(shí)各類全脂乳粉和脫脂乳粉常溫下的介電參數(shù)。由圖1、圖2可知，當(dāng)頻率小于105Hz時(shí)，全脂乳粉的介電損耗因數(shù)的對(duì)數(shù)幾乎與頻率的對(duì)數(shù)成線性反比關(guān)系，類似規(guī)律在其他食品物料中也存在［12］，但此現(xiàn)象在脫脂乳粉中沒有發(fā)現(xiàn)，這可能與脂肪和乳糖在交變電場下分子形成的偶極子取向極化有關(guān)。圖3反映的是在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下各類全脂乳粉的介電損耗因數(shù)在103～105Hz的頻率依存性的線性關(guān)系，可用下式描述:

式中:a－直線斜率;b－直線在Log ξ″軸上的截距。表3表示其擬合公式的a和b值及決定系數(shù)R。

圖3 常溫下全脂乳粉的介電損耗因數(shù)在103～105Hz頻率依賴性的對(duì)數(shù)圖Fig.3 Log－log plot of frequency dependence of loss factor of whole milk powder from 103Hz to105Hz at room temperature

表2 1kHz和10MHz下各類全脂乳粉和脫脂乳粉常溫下的介電參數(shù)Table 2 Dielectric permittivities of powder of four whole milk and skimmed milk under 1kHz and 10MHz at room temperature

表3 各種全脂乳粉的a和b擬合值以及決定系數(shù)RTable 3 Values of regression constants a and b and coefficients of determination for whole milk powder

2.2 全脂乳粉和脫脂乳粉的穿透深度

穿透深度(depth of penetration)是指某頻率的電磁波進(jìn)入某種介質(zhì)的深度。在交流電法勘探中，習(xí)慣上把振幅值衰減到它在表層值的1/e(約37%)時(shí)的距離稱作穿透深度，常用符號(hào)d表示［11］。公式如下:

式中:c－光速(3×108m/s)，f－電磁波頻率，Dp－穿透深度。圖4是常溫下，不同種類全脂乳粉和脫脂乳粉在不同頻率下的穿透深度。由圖4可以看出，全脂乳粉和脫脂乳粉的穿透深度都隨頻率的提高而減小，該現(xiàn)象與不同儲(chǔ)藏期雞蛋在不同頻率的穿透深度變化規(guī)律一致［8］。

圖4 常溫下4種全脂乳粉和脫脂乳粉的穿透深度Fig.4 Penetration depths for milk powder at room temperature

不同的食品原料和生物組織因自身的介電特性差異，使得不同頻率電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部的深淺不一，造成其對(duì)不同頻率電磁波吸收后轉(zhuǎn)化為熱能的效率不同。有的食物原料對(duì)相對(duì)高頻率的電磁波有高效吸收，而有的食物對(duì)相對(duì)較低頻的電磁波有高效吸收，由于食品原料體系的復(fù)雜性，若只對(duì)其中某些成分進(jìn)行處理，而不影響其他成分或者說對(duì)其他成分影響較小時(shí)，則需比較成分間的介電特性后進(jìn)行合適處理波段的選擇。微觀上是因?yàn)椴煌煞址肿诱?fù)電荷中心不重合，存在偶極距，造成的偶極子弛豫效應(yīng)不同。故商業(yè)電磁波頻率選擇2.5GHz作用于食品時(shí)，此刻水分子因反復(fù)取向極化摩擦劇烈，將電磁波能量轉(zhuǎn)化成熱能的效率最高，穿透深度為4.8cm，可起到均勻加熱食品的作用［13］。

3 結(jié)論

研究表明，全脂乳粉和脫脂乳粉的ξ'值和ξ″值隨頻率呈單調(diào)遞減趨勢，且全脂乳粉的ξ'和ξ″值都高于脫脂乳粉;全脂乳粉的ξ″值在103～105Hz頻率段減小趨勢明顯，并且ξ″值的對(duì)數(shù)與頻率的對(duì)數(shù)成線性反比關(guān)系，但脫脂乳粉無此規(guī)律現(xiàn)象;全脂乳粉和脫脂乳粉的穿透深度Dp隨頻率的提高而減小，兩類乳粉的介電特性差異可能與它們各自的脂肪和乳糖含量有關(guān)，需進(jìn)一步探討交變電磁場中脂肪和乳糖分子水平上的各種極化機(jī)制及偶極子的弛豫過程，為其他食品物料介電特性的研究和應(yīng)用提供參考。

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Dielectric properties of whole milk powder and skimmed milk powder from 1kHz to 10MHz

JIN Ya－mei，WANG Ning，MENG Tong，CUI Wen－h(huán)ua，GUO Guang－h(huán)ui，YANG Na，JIN Zheng－yu，XU Xue－ming*
(State Key Laboratory of Food Science＆Technology，School of Food Science＆Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

The dielectric constant and loss factor of powder of four whole milk and skimmed milk over the frequency range from 1kHz to 10MHz were measured at room temperature.The results indicated that the dielectric constant，loss factor and depth of penetration of powder of whole milk and skimmed milk decreased monotonically as frequency increased，and there were no obvious difference between the cultivars of powder on whole milk and skimmed milk.The dielectric constant and loss factor of whole milk powder were higher than those of skimmed milk.The whole milk powder exhibited significant drop in loss factor and inverse proportion linear relationships were evident between the log of frequency and loss factor below 105Hz，but this was not found in the skimmed milk powder.The contents of fat and lactose were related with dielectric properties.

whole milk powder;skimmed milk powder;dielectric properties

TS252.51

A

1002－0306(2012)08－0152－04

材料的介電特性可以用來衡量食品的物性特征。電導(dǎo)性、偶極子、電子、離子以及 Maxwell－Wagner機(jī)制都與材料的介電特性有關(guān)，且直接被電磁波的頻率所影響［1］。食品物料的電學(xué)特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。介電特性的研究主要集中在音頻、射頻和微波范圍內(nèi)，如食品的射頻和微波殺菌、加熱、解凍都與物料的介電特性有關(guān)［2－4］。針對(duì)不同測試方法、不同測試條件下物料介電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，獲得被測樣品的某些品質(zhì)變化規(guī)律，例如含水率［5］、容積密度［6］、成分含量［7］、新鮮度［8］等，確定最佳測試條件，探索物料品質(zhì)與介電性質(zhì)的關(guān)系，這些研究均有很大實(shí)際意義。就營養(yǎng)成分而言，全脂乳粉和脫脂乳粉主要在脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖、水分等含量上有較大差異。2006年 A C Nunes等人研究了高頻1～20GHz下不同液態(tài)乳的介電特性，發(fā)現(xiàn)其濃縮程度、脂肪含量、碳水化合物等與其介電特性有一定相關(guān)性［9］。本文研究在音頻和射頻波段1kHz～10MHz區(qū)間這兩類乳粉的介電特性，旨在發(fā)現(xiàn)它們之間介電特性差異，為乳粉種類快速定性檢測提供新的依據(jù)。

2011－07－28 *通訊聯(lián)系人

金亞美(1990－)，女，本科，研究方向:動(dòng)物科學(xué)。

國家自然科學(xué)基金(31071490)。