介電特性在食品檢測中的應用

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)，常常被用于材料領域或電氣領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。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。與食品領域里常規(guī)的化學檢測方法相比，介電特性檢測技術具有快速、便捷、無損的顯著優(yōu)勢，近年來有不少食品領域的研究者將其與統(tǒng)計學分析、數(shù)學模型相結合，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，得到了良好的相關性。

廉飛宇等以糧谷中水分含量與介電常數(shù)的關系建立了一個經(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、溫度之間的關系，建立了含水量與這三種因素的三元二次關系模型，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，該變化主要與含水量的降低有關。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研究者的關注。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)之間的關系，結果表明，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。Soltani等采用平板電極法設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與之結合，幾種技術的貝葉斯網(wǎng)絡均表現(xiàn)出接近100%的預測結果。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系，結果表明，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，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聯(lián)模型。通過關聯(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，R大于0.96，結果表明，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)巍uo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性。結果表明，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備、不同的測試條件，所得到的規(guī)律和結論也不盡相同。如何制定統(tǒng)一的測試儀器和測試技術規(guī)范關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。介電特性在食品領域研究的上的過于細分也限制了該檢測技術的應用和發(fā)展，未來有必要開展更具通用性的研究。

結語

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和檢測設備的還比較少，而介電特性檢測技術以其獨有的快速、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。