食用植物介電特性的研究進展

張春娥，薛文通，張澤俊，陶 莎

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京100083）

食用植物介電特性的研究進展

張春娥，薛文通*，張澤俊，陶 莎

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京100083）

近年來，我國食用植物油生產和消費量明顯增長，對油的品質檢測也越來越受關注。目前，介電特性用于食用植物油品質檢測越來越受人們的重視。本文分析了食用植物油介電特性機制和介電特性測試原理，綜述了目前出現的幾種有關食用植物油介電特性的測試方法和測試系統以及與食用油介電特性相關的如頻率、溫度等因素，介紹了基于食用油介電特性研究方法上的其它食品的介電特性研究。

食用植物油，介電特性，測試方法

食用植物油是人民生活的必需品，是人體必需脂肪酸的主要來源。但是，植物油的質量安全卻存在著嚴重問題。例如，近年來不斷爆出的一系列有關植物油質量安全的事件，如“酸價超標”、“過氧化值超標”、“溶劑殘留超標”、“植物油摻假”、“泔水油”等事件［1］。植物油安全快速、準確檢測技術的研究成為解決植物油質量安全的關鍵環節，植物油的分析檢測技術也有了更多的進展，先后出現了化學檢測法、試紙檢測法、比色法、高效液相色譜法、電分析方法、近紅外光譜技術和核磁共振法鑒別食用植物油摻偽餐飲業廢油脂。本文主要介紹了使用介電特性的方法檢測植物油品質的檢測原理和測試裝置。

1 植物油介電特性的測定原理

介電特性（dielectric properties）是指生物分子中的束縛電荷對外加電場的響應特性。評價介電特性的主要參數是介電常數（dielectric constant）和介電損耗因數［2］。食用植物油的主要組成成分是三?；视皖?，三?；视陀闪u基（－OH）和羧基（－COOH）兩部分組成，由于－OH極性基團的存在，使得油脂成為較大偶極矩的極性分子，具有電介質特性。一般情況下，電介質中的電子受到束縛力的作用不能自由移動而不導電。若將電介質置于接有電源的極板之間，在電場的作用下，其內部將發生極化，原來雜亂無章排列的有極分子，變為沿電場方向定向排列，形成定向極化，產生相反電場（見圖1），其特征為電介質貼近極板的兩個表面上出現與極板上電荷相反的束縛電荷，這標志著電介質的極化（見圖2）。此時，平板電容器的電容比真空時的電容增大!倍，!就是該介質的電容率（相對介電常數）。電介質的極化成分越多，電容率就越大。電容率表示該物質可能貯存的電場能量和提高電容器容量的能力［3］。因此，通過極板間電容率的變化，來反映植物油介電特性的變化。

根據電介質理論，電介質相對介電常數為：!r=C/C0

其中：!r－電介質的相對介電常數；C－充滿介質的平板電容器的電容；C0－同樣尺寸真空電容器電容。

即通過測試平行平板電容器兩種狀態下的電容量，可得到電介質的介電參數。

圖1 有極分子的排布

圖2 電介質的極化

2 目前國內出現的幾種介電常數測定法與測試系統

2.1 諧振電路法

張俐等（2008）通過自制平行平板三電極結構的諧振替代測試裝置，在一定的頻率和溫度范圍內，以市售大豆油為例，探討了食用植物油介電特性和溫度的關系，研究表明：溫度和頻率與食用植物油介電特性參數有相關性。該測試系統主要由儀器儀表、諧振電路、電極系統和抗干擾措施4部分組成。信號發生器提供輸出頻率范圍為0～55×105Hz、輸出電壓范圍為1～5V的可調激勵信號；測量儀表包括高頻毫伏表、數字頻率計、數字電壓表等，主要用于信號監控和實驗測試；諧振電路由標準電感和調諧電容組成，通過調節調諧元件使電路產生諧振狀態，電極測試系統主要用于盛放實驗樣品，構成平板電容器；抗干擾措施主要用于降低干擾、減小誤差。電極系統采用平行平板接觸式三電極帶屏蔽、接地的電極系統（見圖3）［4］?；谥C振電路的測試方法上，其他液體的介電特性研究表明：915MHz和2450MHz下酒精的介電特性依賴于酒精的溫度、類型和測量頻率［5］。

圖3 測試系統

2.2 平行極板電容法

食用油在煎炸食品時，往往是長時間反復加熱使用的。在此過程中，產生對人體有害的物質。陳慰宗（1999）用測定油脂介電常數的方法確定食用油在使用過程中質量的惡化。其測試方法是制作一個合適大小的平行板電容器，使其能夠完全浸入到油樣品中，然后用萬用電橋或電容測量儀測出它在空氣及不同油樣品中的電容。根據介電特性測試原理，假定一個電容器在空氣中的電容是C0，把它浸入未使用過的新鮮的油中，其電容為C1，那么新鮮油的介電常數為!1=C1/C0，然后再浸入待測的油樣中，測得的電容為 C2，則此油樣的介電常數為!2=C2/C0，!2－!1為此油樣使用后介電常數的變化，這個變化與油樣中極化分子含量的變化成正比。陳慰宗（2000）使用平行板空氣隙電容器，根據介質在平行板電容器極板間的極化原理，真空的相對介電常數為1，空氣為1.00059，近似地把介質相對于空氣的介電常數作為相對介電常數的值，測量一個空氣隙平行板電容器在空氣和完全浸沒在油中的電容，就可以確定此種油的相對介電常數。通過測定精煉植物油花生油、大豆油和調和油經長時間高溫加熱和常溫下長期存放后介電常數的變化，分析了油中的極化成分總含量與油的介電常數的關系，結果表明：提高油溫、延長加熱時間或長期存放都會使油的介電常數增加，從而導致油質量的惡化，為測定食用油在使用及存放過程中質量變化提供了測定方法。秦文（2006）采用自制平行平板電極連接電容儀對馬鈴薯油炸過程中大豆油的介電特性進行測定，研究了介電特性與酸價、過氧化值、色度的關系，結果表明：介電常數與食用油的三項指標之間都存在著一定的線性相關性。

2.3 同軸探頭技術

終端開路的同軸探頭是一個同軸傳輸線的斷面。當探頭浸入液體樣品中或探頭與固體樣品表面相接觸時，根據測試件反射給分析儀的信號幅值和相位而計算材料的介電參數和頻率的關系［9］。其測量系統主要由網絡分析儀或材料/阻抗分析儀、測試探頭、測試軟件和計算機等組成，同軸探頭技術是目前國外最流行的介電特性測試技術。郭文川等（2009）采用同軸探頭技術研究了20～90℃、200～4500MHz內菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、調和油的介電特性，分析了介電參數值隨頻率和溫度變化的原因。結果表明：同頻率下，菜籽油具有最大的相對介電常數和最小的介質損耗因數，而玉米油則相反。在500～4000MHz間，介電參數與食用油中的飽和與不飽和脂肪酸含量間具有較好的線性相關性。相對介電常數隨溫度升高線性減小，但介質損耗因數則線性增大。菜籽油的介電參數受溫度影響變化最明顯，而玉米油最不明顯。隨著頻率或溫度的增加，電磁能在食用油中的穿透深度減小。同軸探頭技術由于具有簡單、方便、無損、精確度較高的特點，被廣泛應用于液體或濕含量比較高的半固態材料的介電特性研究中，是研究液體食品微波介電特性的主要方式。W.Guo（2007）利用同軸探頭技術研究了雞蛋在貯藏期間蛋清和蛋黃介電常數的變化規律［11］。結果表明蛋清的介電常數和介質損耗因子皆比蛋黃的高，而且雞蛋的新鮮度影響介電參數值，但雞蛋的介電特性與新鮮品質（哈夫單位和蛋黃指數）沒有明顯關系。P.Kumar（2007）應用開放式同軸探頭技術對抽送物料在靜態和連續流條件下進行介電特性研究，便于開發設計連續流微波加熱系統。對

下6種顆粒狀淀粉和其溶液在30～95℃下介電特性的研究說明介電特性依賴于含濕量和溫度，而且淀粉的類型對介電特性有明顯的影響［14］。乳清蛋白凝膠混合物的介電特性也依賴于溫度和頻率，且27MHz和40MHz下的穿透深度是915MHz和2450MHz下穿透深度的4倍，射頻加熱可用于加熱包裝的食品［15］。

3 介電特性在植物油類和其他食品中的應用情況

C.Inoue（2002）在研究頻率和煎炸溫度對豆油介電特性的影響時發現，介電常數可以用來即時或連續測定熱油，在頻率1～100kHz范圍，通過幾個特定溫度（180、200、220、240℃）連續對豆油加熱幾天，結果發現，豆油的介電常數隨著加熱時間的延長而升高，并且和酸價、密度和相對粘度相關，通過這種方法可 以 實 現 即 時 或 連 續 評 價 油 品 品 質［16］。Yaghmaee.P（2002）在21℃，2450MHz頻率下用開放式同軸探測法測定不同濃度和比例的NaCl、山梨醇和蔗糖混合溶液介電特性的變化，并能夠用若干個方程明確評價糜狀食品混合溶液和純溶液的介電特性，通過實驗得到的方程適用于純溶液以及NaCl（0～6%）、山梨醇（0～18%）和蔗糖（0～60%）混合溶液，但對于魚肉糜只有損耗因子能夠用方程進行很好地評價［17］。Miura.N（2003）提出時域反射計量法（TDR，time－domain reflectometry）應用于微波介電舒張的測定，這種方法可應用于固體液體食品，頻率范圍在100kHz～10GHz之間，Miura認為舒張過程主要是由自由水和結合水的重排、表面極化以及鏈聚合等反應引起的，他用同樣的方法檢測威士忌酒、啤酒、白酒，結果觀測到了這種舒張過程是由于水和酒精分子偶極的重排造成的［18］。電磁波的頻率、醬油溫度以及醬油濃度影響醬油的介電特性。1～20GHz下，全脂、低脂和脫脂新鮮牛奶以及室溫下存放2周的變質牛奶的介電特性隨頻率而變，介電參數與牛奶中的脂肪含量及與稀釋度的關系可用于粗略估計牛奶中各主要成分的含量［19］。Jasim（2007）在200～2500MHz內，采用開放式同軸探針法研究了濃度、溫度和pH與大豆分離蛋白乳液的介電特性關系，有利于介電特性在微波和射頻加熱方面的應用，更有助于新產品的研發。

4 展望

近年來，由于食品物料的介電特性在食品檢測領域有著廣泛的用途，食品介電特性的研究越來越廣泛。如基于介電特性對食品品質進行無損檢測，利用介電特性對番茄和蘋果品質識別、分級及介電特性在線監測食用菌干燥的過程。介電特性的研究對微波加熱設備的研發很重要，對食品介電特性的研究，能使人們了解食品的射頻或微波特性，研發出最具節能效果的介電加熱設備。有關食品介電加熱的研究也有很多，如魚糜的微波加熱特性、乳制品微波介電性能的測量和微波食品的開發。介電特性廣泛應用于食品品質的無損檢測中，對研發新的測量方法和測量設備具有非常重要的意義。但是現有的研究成果只體現在測試方面，在應用結果開發設備方面成果很少。采用介電特性檢測食用油品質簡便、易行，能夠快速、準確地掌握食用油的質量。

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Research progress in the dielectric properties of edible vegetable oil

ZHANG Chun－e，XUE Wen－tong*，ZHANG Ze－jun，TAO Sha
（College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

In recent years，with the production and consumption of edible vegetable oil growing，the quality of edible vegetable oil detection is attracting increasing attention.The test principle of dielectric properties on edible plants oil and the dielectric properties of edible plants oil were analyzed in this paper.The present situation of several related to edible vegetable oil dielectric properties of test methods and test systems as well as with the dielectric properties of oil－related，such as frequency，temperature and other factors，were overviewed.The dielectric properties of oil based research methods on the dielectric properties of other food research were described.

edible vegetable oil；dielectric properties；measurement techniques

TS221

A

1002－0306（2011）01－0349－04

2009－12－01 *通訊聯系人

張春娥（1987－），女，在讀碩士，研究方向：農產品加工與貯藏。

公益性行業科研專項（200910034）。