蘋果介電特性對其射頻加熱均勻性的影響

周敏姑，歐業(yè)寶，張 麗，高　彤，王云陽

蘋果介電特性對其射頻加熱均勻性的影響

周敏姑1，歐業(yè)寶2，張 麗2，高彤2，王云陽2※

（1. 西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學食品科學與工程學院，楊凌 712100）

射頻加熱作為一種新型的熱加工技術，在果蔬燙漂工藝中應用潛力巨大。介電特性是影響果蔬射頻加熱的主要因素，其大小受到電磁場頻率、溫度以及水等因素的影響，依據(jù)介電特性變化可以對果蔬燙漂工藝進行優(yōu)化改進。該文選用富士和秦冠2個蘋果品種，采用末端開路同軸探頭技術測定了不同溫度（25、40、60、80、95 ℃），不同頻率（12～3 000 MHz）下，蘋果的介電特性的變化規(guī)律。采用6 kW、27.12 MHz的射頻加熱系統(tǒng)在不同極板間距（110、120、130 mm）下，對蘋果塊進行加熱處理，通過熒光光纖測溫探頭監(jiān)測樣品的中心溫度，得到3種不同極板間距下蘋果塊中心溫度從25升至95 ℃的升溫曲線和升溫速率。用紅外熱像儀測定加熱前后蘋果塊表面的溫度分布，研究了蘋果塊射頻加熱均勻性。結果表明：蘋果果肉的介電常數(shù)和損耗因子在12～3 000 MHz之間隨著頻率的增大先降低，后增大，再降低；溫度對蘋果果肉的介電常數(shù)和損耗因子的影響沒有特定的規(guī)律；射頻加熱蘋果塊時，極板間距110 mm時升溫最快，130 mm時升溫最慢，各需要120和150 s。且蘋果塊中心溫度隨時間近似線性增長，射頻加熱過程中，蘋果塊表面溫度分布表現(xiàn)出中心加熱現(xiàn)象，即中心溫度高，邊緣溫度低。

水果；射頻；加熱；蘋果；介電特性；均勻性

0 引 言

中國作為世界上蘋果主產(chǎn)國之一[1-2]，擁有的面積和產(chǎn)量分別占世界的40%和33%，均居世界首位[3]。近幾年，中國蘋果產(chǎn)量仍保持逐年增加，無論是烹食、釀造、罐藏還是鮮切、榨汁都受到人們的喜愛[4]。

燙漂技術作為蘋果乃至果蔬加工過程最重要的前處理之一[5-7]，不僅有效的抑制了果蔬在運輸、儲藏加工過程中由氧化酶引起的營養(yǎng)物質(zhì)的氧化損失、褐變等不良反應[8-9]，而且還能殺蟲殺菌，達到提質(zhì)保鮮的效果[10-11]。傳統(tǒng)的果蔬燙漂技術多采用熱水燙漂和蒸汽燙漂[12-13]，但高溫處理不僅會造成果蔬品質(zhì)以及貯藏性能的下降，還會產(chǎn)生異味[14]。除此之外，這2種技術都存在傳熱速度慢、色澤變化嚴重、營養(yǎng)物質(zhì)損失大、水資源損耗大等缺點[15-16]。近年來人們在傳統(tǒng)燙漂方法的基礎上研究了一些新型的干法燙漂技術[17]，其中射頻加熱技術成為研究的新課題。

射頻（radio frequency，RF）屬于一種高頻交流電磁波，頻率范圍在1～300 MHz[18-20]。射頻加熱系統(tǒng)可被看成一個由上下2個極板組成的電容器[21]，被加熱物體放置在2個極板之間，極板之間會形成頻率為10～40 MHz、電壓為5 kV以上的交流電磁場[22]，高頻交流電磁波能穿透到物料內(nèi)部，使物料中的極性分子被極化后往復旋轉(zhuǎn)[23]，帶電離子還會隨著電磁波正負性的改變不斷往復運動，導致物體中的分子或原子相互之間劇烈碰撞和摩擦，這些相互作用導致電磁波損耗，不斷地產(chǎn)生熱量而使物料升溫[24]。因此射頻加熱技術的本質(zhì)是把電磁波的電能轉(zhuǎn)變成物體的熱能，從而達到對物體進行加熱升溫的目的[25-26]。

目前已有研究將射頻加熱作為一種新型燙漂技術用于果蔬的加工工藝中，張永迪等[27]采用射頻加熱燙漂測定蘋果片顏色和質(zhì)構的變化，結果表明，隨著燙漂溫度的升高蘋果片護色效果變好，硬度減小，細胞破壞程度增大，升溫速度越快對蘋果片細胞破壞越??；Zhang等[28]研究了射頻輔助燙漂對馬鈴薯多酚氧化酶、顏色和微觀結構的影響，結果表明：射頻處理對馬鈴薯滅酶效果較好，儲藏性能穩(wěn)定，溫度過高會導致馬鈴薯色澤及質(zhì)構發(fā)生顯著變化；劉家璇等[29]對不同時間（20、30、40、50 min）射頻預處理后的杏果進行熱風干燥, 測定在干燥過程中杏果水分含量、營養(yǎng)成分變化和最終干制品的營養(yǎng)成分含量，結果表明：射頻預處理可提高杏果熱風干燥速率，有利于營養(yǎng)成分溶出或提取。因此，射頻加熱在果蔬的滅酶護色、營養(yǎng)成分保持和升溫速度等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)加熱方式。然而，在射頻加熱過程中，由于食品物料的復雜特性而影響加熱過程中溫度的分布均勻性。如物料的介電特性、熱特性、形狀、組分等。其中最主要的影響因素是物料的介電特性，受電磁場參數(shù)、頻率、溫度、外形參數(shù)以及水分等因素的影響，其分布會隨著溫度發(fā)生變化，其大小影響射頻波穿透物料的深度，從而影響加熱均勻性。因此，射頻加熱是一個非常復雜的過程，射頻加熱技術應用于果蔬燙漂工藝中尚需一定研究[30]。

本試驗以新鮮蘋果為材料，測定蘋果介電常數(shù)和介電損耗因子隨頻率和溫度變化規(guī)律及蘋果塊射頻加熱均勻性進行研究，以期為射頻加熱技術在蘋果乃至果蔬漂燙工藝方面的應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗選取“富士”和“秦冠”2個蘋果品種，均從陜西省咸陽市禮泉縣某小商戶的冷庫中篩選出成熟度一致、無物理破損和生物傷害的蘋果樣品。自封袋封存，放入4 ℃的冷藏柜中，試驗前18 h取出，放入25 ℃的恒溫箱中。

1.2 儀器與設備

E4991B射頻阻抗材料分析儀（是德科技中國有限公司）、SST-20制冷加熱循環(huán)器（無錫冠亞恒溫制冷技術有限公司）、GF-6A-27-JY射頻加熱器（河北華氏紀元有限公司）、HQ-FTS-D1F00熒光光纖測溫儀（西安和其光電有限公司）、FLIR-A300紅外熱像儀（美國菲力爾公司）。

介電特性測試系統(tǒng)由3部分組成：1）E4991B射頻阻抗材料分析儀，測定樣品的介電性能，頻率范圍為1～3 000 MHz，采用開放末端同軸探頭技術進行測定；2）放置樣品的套筒；3）SST-20型制冷加熱循環(huán)器，對樣品進行升溫、降溫。見圖1。

圖1 介電特性測試系統(tǒng)

射頻加熱系統(tǒng)采用GF-6A-27-JY型射頻加熱器，包括射頻加熱系統(tǒng)和熱風輔助加熱系統(tǒng)2部分組成。本次試驗中未開啟熱風加熱系統(tǒng)。射頻加熱額定功率6 kW，頻率27.12 MHz。射頻加熱腔由上下2個極板組成，加熱面積為650 mm×450 mm，2個極板間距調(diào)整范圍60～215 mm，系統(tǒng)通過調(diào)整極板間距來改變射頻加熱器的輸出功率，使物料獲得不同的加熱升溫速率。樣品內(nèi)部溫度通過熒光光纖測溫系統(tǒng)進行實時測量，將光纖探頭插入樣品采集溫度數(shù)據(jù)，檢測溫度范圍為?30～200 ℃，溫度變化曲線通過軟件由電腦輸出。見圖2。

圖2 射頻加熱系統(tǒng)示意圖

1.3 試驗方法

1.3.1 介電特性測定

食品物料的介電特性使得物料可以像電容器一樣在電磁場中存貯電能，將電能轉(zhuǎn)化為熱能使物料升溫。包括兩部分：介電常數(shù)和介電損耗因子。介電常數(shù)反映物料存儲電場能量的能力，介電損耗因子決定物料損耗電場的能力。因此，介電特性決定了電場能量和物料的相互作用。在射頻加熱中，食品物料的復介電常數(shù)由公式（1）表示[31]。

介電特性是影響射頻加熱均勻性的主要參數(shù)之一。當電磁波到達物料表面時，部分電磁波被反射回來，剩下的電磁波會穿入物料，而強度隨著穿透深度d的增加而減小。d為電磁波到達食品物料后，能量衰減至表面強度的1/(=2.71828)的位置到表面的距離，是衡量電磁波在物料內(nèi)部滲透時電磁能衰減的指標，是物料內(nèi)部溫度分布形成的重要因素。電磁波穿透深度越淺，表面加熱效果越好，但溫度分布不均勻性越顯著。反之，加熱均勻性越好。物料穿透深度d如公式（2）所示[32]。

式中是真空條件下的光速(3×108m)，是電磁波頻率，Hz。

從公式（2）看出，電磁波頻率是影響穿透深度d繼而影響射頻加熱均勻性的另一關鍵參數(shù)，當介電常數(shù)和損耗因子一定時，頻率越低，穿透深度d越深，電磁場強度變化較小，物料的加熱均勻性也會提高。頻率一定時，損耗因子太高，會導致d減小，引起表面加熱。相反，會使物料對電磁波變成透明體。然而，食品物料的介電特性會隨著電磁場的頻率、物料的溫度、水分等因素而發(fā)生變化，因此射頻加熱是一個非常復雜的過程。

樣品預處理：蘋果介電特性測試前18 h，將冷藏柜中的蘋果樣品取出，置于恒溫箱中（25 ℃）回升至室溫后去皮。用打孔器在平行于蘋果中心線方向切出一個直徑21 mm、高40 mm的圓柱形果肉樣品，見圖3。

圖3 圓柱形蘋果果肉樣品示意圖

圖1所示測定蘋果的介電特性系統(tǒng)，設定溫度范圍20 ℃～100 ℃，頻率范圍1～3 000 MHz。試驗設計的測定溫度為25、40、60、80、95 ℃，測試頻率為13.56、27.12、40.68、915、2 450 MHz，先測定蘋果介電特性，然后分析蘋果的介電特性隨溫度和頻率的變化規(guī)律。

測試前，需要對系統(tǒng)進行以下校正，將阻抗分析儀預熱2 h，以消除設備元件在溫度平衡前的誤差，采用開路、短路、50 Ω校準件校準。末端開路同軸探頭與儀器連接，采用空氣、短路件和25 ℃去離子水校準。為了提高測量精度，在校準和測量時，阻抗分析儀、延長電纜和探頭需固定，防止位移引起的反射參數(shù)測量誤差。校正程序完成后，將處理好的果肉樣品分別放入自行設計訂制的加熱套筒中，分別測量25、40、60、80、和95 ℃下物料的介電常數(shù)和介電損耗因子。

試驗時，將圓柱形果肉樣品放入密閉的圓柱形加熱套筒中，將T型熱電偶傳感器從套筒底部的微孔中插入樣品內(nèi)部監(jiān)測中心溫度。樣品的溫度由制冷加熱循環(huán)器來控制，樣品從一個測量溫度上升到下一個測量溫度并保持穩(wěn)定需15 min。每個樣品在同一溫度下重復測量3次，計算每個溫度下的均值和標準差（SD）。

1.3.2 蘋果塊射頻加熱升溫速率測定

樣品預處理：介電特性測定試驗前18 h，將冷藏柜中的2種蘋果樣品取出，放置恒溫箱中（25 ℃）回升至室溫后去皮。在平行于蘋果中心線方向切出一個尺寸為20 mm×20 mm×50 mm的蘋果樣品，將樣品豎直放置于泡沫盒中，為減少散熱，兩邊各放一塊泡沫夾緊，放置于射頻腔的下極板中央，將熒光光纖測溫探頭透過泡沫盒插入蘋果塊的中間位置，見圖4。啟動射頻加熱，實時記錄蘋果塊的中心溫度。

注：A、B、C、D為4層蘋果，所有尺寸均以毫米為單位。

在頻率27.12 MHz，輸出功率為6 kW條件下，設置不同的極板間距（110、120、130 mm），對蘋果塊進行射頻加熱處理，當蘋果塊中心溫度達到95 ℃時停止加熱。使用熒光光纖測溫系統(tǒng)分別記錄不同極板間距下，將蘋果塊從室溫加熱至95 ℃的升溫曲線。試驗獨立重復3次。

1.3.3 蘋果塊射頻加熱均勻性

對20 mm×20 mm×50 mm的蘋果塊進行射頻加熱均勻性測定，極板間距分別選取110、120、130 mm。（1）距離蘋果塊最底部10、25、40 mm處分別切開，將樣品分為A、B、C和D共4塊，測定每塊樣品上表面的溫度分布，見圖4a。將蘋果樣品沿豎直軸切成大小和形狀相同的2個長方體來測定豎直方向上的溫度分布。2）再將蘋果塊整體裝入自制的泡沫盒，放置在下極板的中央位置。在樣品中心位置插入1根熒光光纖測溫探頭，當溫度升至85 ℃時關閉射頻加熱系統(tǒng)，快速取出樣品，10 s內(nèi)完成紅外熱像儀照相，從關閉加熱系統(tǒng)到照相用時不超過30 s。

2 結果與分析

2.1 蘋果的介電特性

2.1.1 蘋果介電常數(shù)與頻率和溫度的關系

富士和秦冠蘋果果肉的介電常數(shù)隨頻率和溫度變化規(guī)律見圖5。

從圖5a可以看出，當溫度相同時，隨著頻率的增大，富士蘋果的介電常數(shù)開始不斷降低，當頻率超過1 300 MHz時，蘋果的介電常數(shù)反而隨著頻率的增大而升高，頻率達到2 500 MHz后，介電常數(shù)又隨著頻率的增大而呈現(xiàn)降低趨勢。

從圖5b可以看出，當溫度相同時，隨著頻率的增大，秦冠蘋果的介電常數(shù)開始不斷的降低，當頻率超過1 500 MHz時，蘋果的介電常數(shù)反而隨著頻率的增大而升高，在2 300 MHz之后，介電常數(shù)又隨著頻率的增大而呈現(xiàn)降低趨勢。

圖5 蘋果介電常數(shù)隨頻率和溫度的變化

從圖5c可以看出，在相同頻率下，隨著溫度的不斷升高，富士蘋果的介電常數(shù)呈現(xiàn)先增大后降低趨勢。

圖5d中秦冠蘋果的介電常數(shù)除了頻率13.56 MHz時呈現(xiàn)先升高后降低現(xiàn)象，其他頻率下，介電常數(shù)均隨著溫度的升高而不斷降低。并且隨著溫度的升高，介電常數(shù)下降的速率越來越快。

2.1.2 蘋果介電損耗因子與頻率和溫度的關系

富士和秦冠蘋果果肉的介電損耗因子隨頻率和溫度的變化規(guī)律見圖6。

圖6 蘋果介電損耗因子隨頻率和溫度的變化

從圖6a看出，在同一溫度下，隨著頻率的不斷增大，富士蘋果的介電損耗因子最初不斷降低，當頻率達到1 200 MHz時，介電損耗因子開始呈現(xiàn)升高現(xiàn)象，當頻率超過2 800 MHz時，介電損耗因子隨著頻率的增大反而降低。

從圖6b中看出，在同一溫度下，秦冠蘋果的介電損耗因子隨著頻率的持續(xù)增大，最初不斷降低，當頻率達到1 300 MHz時，介電損耗因子開始升高，頻率超過2 800 MHz時，介電損耗因子隨著頻率的增大反而降低。

從圖6c中看出，當頻率低于1 000 MHz時，富士蘋果的介電損耗因子隨著溫度的不斷升高呈現(xiàn)升高趨勢，而當頻率高于1 000 MHz時，富士蘋果的介電損耗因子隨著溫度的升高，反而不斷地降低。

從圖6d中看出，當頻率低于915 MHz，溫度小于80 ℃時，秦冠蘋果的介電損耗因子隨著溫度的升高而升高，當溫度超過80 ℃時，損耗因子開始下降。在高頻率下，隨著溫度的升高，秦冠蘋果的損耗因子則不斷降低。

2.2 極板間距對蘋果塊升溫速率的影響

采用6 kW、27.12 MHz的射頻加熱系統(tǒng)對形狀為20 mm×20 mm×50 mm的蘋果塊進行射頻加熱，使蘋果塊中心溫度從25 升到95 ℃，得到中心溫度變化曲線見圖7。

圖7 射頻加熱蘋果的升溫曲線

從圖7看出，蘋果塊在射頻加熱的情況下，隨著時間的變化，溫度不斷上升，近似呈線性增長。這是因為隨著溫度升高，蘋果塊散熱速度加快，即蘋果塊的介電損耗因子″升高，射頻加熱速度增大，蘋果塊的介電常數(shù)′先升高后降低。當″的增長和′的增長二者幾乎相互抵消，或者″的增長小于′的增長時，即蘋果塊對電能的損耗能力小于對電能的存貯能力時，蘋果塊表現(xiàn)升溫速度最快；反之，會降低蘋果塊升溫速率。

當極板間距為110 mm時，升溫最快，蘋果塊中心溫度升到95 ℃需要120 s；極板間距為130 mm時升溫最慢，蘋果塊中心溫度升到95 ℃需要150 s，這說明極板間距越小，射頻加熱設備輸出的電流越高，升溫速率越快。

2.3 射頻加熱均勻性

射頻加熱蘋果塊的中心溫度升至85 ℃時，圖4中切成4塊蘋果樣品的上表面、D塊下表面和整個蘋果塊縱截面的溫度分布見圖8。

圖8 蘋果塊不同截面溫度分布圖

圖8可見，蘋果塊在射頻加熱的情況下呈現(xiàn)中心溫度高、邊緣溫度低的現(xiàn)象。這表明蘋果塊的電介質(zhì)分布均勻，在均勻磁場中極化損耗相同。因此，對物料水平方向上射頻加熱均勻性的研究可以簡化為對稱的任意一邊加熱均勻性的研究。物料最高溫度出現(xiàn)在中心點的位置，距離中心位置等距離的下截面的最高溫度大于上截面。物料邊緣的溫度較低，這是由于物料邊界熱量損失較快，導致溫度降低，故冷點出現(xiàn)在邊緣的位置。這個結果與劉嫣紅等[33]研究面包和Tiwari等[34]研究小麥粉的射頻加熱處理得到的結果相反，這說明物料進行射頻加熱時，溫度的不同分布與物料本身的介電特性和密度有很大的關系，蘋果的介電損耗因子遠大于面包和小麥粉，介電加熱速度更快[35]。

3 結 論

本文研究了富士和秦冠蘋果果肉的介電特性、損耗因子隨溫度和頻率的變化規(guī)律以及不同極板間距下，蘋果塊射頻加熱升溫速率和加熱均勻性。

1）蘋果的介電常數(shù)和損耗因子隨著溫度和頻率的變化發(fā)生明顯的變化，同一溫度下，隨著頻率（12～3 000 MHz）的不斷變大，介電常數(shù)先不斷降低而后增大再降低；損耗因子則是先降低再升高而后降低；在同一頻率下，溫度對蘋果的介電常數(shù)和損耗因子沒有特定的規(guī)律。

2）采用6 kW、27.12 MHz的射頻加熱系統(tǒng)在不同極板間距（110、120、130 mm）下，對蘋果果肉進行加熱處理，中心溫度從25升到95 ℃過程中，升溫曲線隨時間增長近似呈線性關系且升溫較快，極板間距為110 mm時升溫最快，需要120 s，130 mm時升溫最慢需要150 s?？梢姡瑯O板間距對蘋果加熱速率的影響很大，隨著極板間距的增大，蘋果樣品升溫速度減慢，是因為極板間距增大，極板間的電容減小，射頻加熱系統(tǒng)輸出的電流也隨之減小，射頻腔中的電場強度變?nèi)酰O果塊吸收的功率變小，升溫越慢。

3）蘋果塊在射頻加熱的過程中，溫度分布呈中心加熱現(xiàn)象，即中心溫度高，邊緣溫度低。最高溫度出現(xiàn)在中心點的位置，距離中心位置等距離的下截面的最高溫度大于上截面。物料邊緣的溫度較低，這是由于物料邊界熱量損失較快，導致溫度降低，故冷點出現(xiàn)在邊緣的位置。這說明物料進行射頻加熱時，溫度的不同分布與物料本身的密度和介電特性有很大的關系。

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Effect of dielectric properties on radio frequency heating uniformity of apple

Zhou Mingu1, Ou Yebao2, Zhang Li2, Gao Tong2, Wang Yunyang2※

(1.(),,712100,; 2.,,712100,)

As a new processing technology, RF heating has great potential in blanching of fruits and vegetables. Dielectric property is the main factor affecting the RF heating of fruits and vegetables. It is affected by frequency, temperature, water and other factors. According to the change of dielectric property, the blanching process of fruits and vegetables can be optimized and improved. In this paper, the dielectric properties of Fushi and Qinguan apple pulp at different temperatures (25, 40, 60, 80, 95 ℃)and different frequencies (13.56, 27.12, 40.68, 915, 2 450 MHz) are determined by using the open-ended coaxial probe technique. A RF heating system with the power of 6 kW and the frequency of 27.12 MHz is used to study the heating speed and uniformity of apple sample. Different electrode gaps (110, 120 and 130 mm) are set to heat the apple slice (20 mm × 20 mm × 50 mm). When the center temperature of the apple sample reaches 95 ℃, the heating is stopped. The temperature rise curve of apple sample from room temperature to 95 ℃ is recorded with fluorescent fiber temperature measuring system under different electrode gaps. The temperature distribution of the surface of the heated apple sample is measured by infrared thermal imager. The results show that the dielectric constant and loss factor of apple slice change significantly with temperature and frequency. At the same temperature, as the frequency (12-3 000 MHz) increases, the dielectric constant decreases first and then increases and then decreases. The loss factor reduces first increases then and decreases then; at the same frequency, there is no specific law for the dielectric constant and loss factor of apple. The temperature of the apple sample rises from 25 ℃ to 95℃, and the temperature rise curve approximates linear growth. When the electrode gap is 110mm, the temperature rise is the fastest. When the electrode gap is 130 mm, the temperature rise is the slowest, 120 and 150 s, respectively. The heating speed increases with the decrease electrode gap. During the process of RF heating, the temperature distribution of the apple sample is centered, that is, the center temperature is high and the edge temperature is low. The maximum temperature occurs at the center point, and the maximum temperature of the lower segment equidistant from the center is greater than that of the upper segment. The present study shows the great potential of RF heating for the blanching of fruit and vegetable. Future studies should aim to determine changes in the texture and nutrient contents of fruit and vegetable during RF heating.

fruit; radio frequency; heating; apple; dielectric properties; uniformity

周敏姑，歐業(yè)寶，張 麗，高彤，王云陽. 蘋果介電特性對其射頻加熱均勻性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(20)：273－279.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.033 http://www.tcsae.org

Zhou Mingu, Ou Yebao, Zhang Li, Gao Tong, Wang Yunyang. Effect of dielectric properties on radio frequency heating uniformity of apple[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(20): 273－279. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.033 http://www.tcsae.org

2019-06-28

2019-09-29

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目子課題（2018YFD0400804）；國家自然科學基金（31871819）；西北農(nóng)林科技大學基本科研業(yè)務費專項資金項目（2452015067）

周敏姑，實驗師，主要從事材料分析與檢測研究。Email：zmingu@163.com

王云陽，教授，主要從事食品工程新技術、食品安全控制技術研究。Email：wyy@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.033

TS255.36

A

1002-6819(2019)-20-0273-07