張春娥，薛文通，張澤俊，陶 莎

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

食用植物介電特性的研究進(jìn)展

張春娥，薛文通*，張澤俊，陶 莎

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

近年來，我國(guó)食用植物油生產(chǎn)和消費(fèi)量明顯增長(zhǎng)，對(duì)油的品質(zhì)檢測(cè)也越來越受關(guān)注。目前，介電特性用于食用植物油品質(zhì)檢測(cè)越來越受人們的重視。本文分析了食用植物油介電特性機(jī)制和介電特性測(cè)試原理，綜述了目前出現(xiàn)的幾種有關(guān)食用植物油介電特性的測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)以及與食用油介電特性相關(guān)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(cè)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(zhì)量安全卻存在著嚴(yán)重問題。例如，近年來不斷爆出的一系列有關(guān)植物油質(zhì)量安全的事件，如“酸價(jià)超標(biāo)”、“過氧化值超標(biāo)”、“溶劑殘留超標(biāo)”、“植物油摻假”、“泔水油”等事件［1］。植物油安全快速、準(zhǔn)確檢測(cè)技術(shù)的研究成為解決植物油質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，植物油的分析檢測(cè)技術(shù)也有了更多的進(jìn)展，先后出現(xiàn)了化學(xué)檢測(cè)法、試紙檢測(cè)法、比色法、高效液相色譜法、電分析方法、近紅外光譜技術(shù)和核磁共振法鑒別食用植物油摻偽餐飲業(yè)廢油脂。本文主要介紹了使用介電特性的方法檢測(cè)植物油品質(zhì)的檢測(cè)原理和測(cè)試裝置。

1 植物油介電特性的測(cè)定原理

介電特性（dielectric properties）是指生物分子中的束縛電荷對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性。評(píng)價(jià)介電特性的主要參數(shù)是介電常數(shù)（dielectric constant）和介電損耗因數(shù)［2］。食用植物油的主要組成成分是三?；视皖悾；视陀闪u基（－OH）和羧基（－COOH）兩部分組成，由于－OH極性基團(tuán)的存在，使得油脂成為較大偶極矩的極性分子，具有電介質(zhì)特性。一般情況下，電介質(zhì)中的電子受到束縛力的作用不能自由移動(dòng)而不導(dǎo)電。若將電介質(zhì)置于接有電源的極板之間，在電場(chǎng)的作用下，其內(nèi)部將發(fā)生極化，原來雜亂無章排列的有極分子，變?yōu)檠仉妶?chǎng)方向定向排列，形成定向極化，產(chǎn)生相反電場(chǎng)（見圖1），其特征為電介質(zhì)貼近極板的兩個(gè)表面上出現(xiàn)與極板上電荷相反的束縛電荷，這標(biāo)志著電介質(zhì)的極化（見圖2）。此時(shí)，平板電容器的電容比真空時(shí)的電容增大!倍，!就是該介質(zhì)的電容率（相對(duì)介電常數(shù)）。電介質(zhì)的極化成分越多，電容率就越大。電容率表示該物質(zhì)可能貯存的電場(chǎng)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(jù)電介質(zhì)理論，電介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為：!r=C/C0

其中：!r－電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；C－充滿介質(zhì)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(cè)試平行平板電容器兩種狀態(tài)下的電容量，可得到電介質(zhì)的介電參數(shù)。

圖1 有極分子的排布

圖2 電介質(zhì)的極化

2 目前國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的幾種介電常數(shù)測(cè)定法與測(cè)試系統(tǒng)

2.1 諧振電路法

張俐等（2008）通過自制平行平板三電極結(jié)構(gòu)的諧振替代測(cè)試裝置，在一定的頻率和溫度范圍內(nèi)，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(guān)系，研究表明：溫度和頻率與食用植物油介電特性參數(shù)有相關(guān)性。該測(cè)試系統(tǒng)主要由儀器儀表、諧振電路、電極系統(tǒng)和抗干擾措施4部分組成。信號(hào)發(fā)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(diào)激勵(lì)信號(hào)；測(cè)量?jī)x表包括高頻毫伏表、數(shù)字頻率計(jì)、數(shù)字電壓表等，主要用于信號(hào)監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)測(cè)試；諧振電路由標(biāo)準(zhǔn)電感和調(diào)諧電容組成，通過調(diào)節(jié)調(diào)諧元件使電路產(chǎn)生諧振狀態(tài)，電極測(cè)試系統(tǒng)主要用于盛放實(shí)驗(yàn)樣品，構(gòu)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(tǒng)采用平行平板接觸式三電極帶屏蔽、接地的電極系統(tǒng)（見圖3）［4］?；谥C振電路的測(cè)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(cè)量頻率［5］。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)

2.2 平行極板電容法

食用油在煎炸食品時(shí)，往往是長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)加熱使用的。在此過程中，產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)。陳慰宗（1999）用測(cè)定油脂介電常數(shù)的方法確定食用油在使用過程中質(zhì)量的惡化。其測(cè)試方法是制作一個(gè)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(cè)量?jī)x測(cè)出它在空氣及不同油樣品中的電容。根據(jù)介電特性測(cè)試原理，假定一個(gè)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(shù)為!1=C1/C0，然后再浸入待測(cè)的油樣中，測(cè)得的電容為 C2，則此油樣的介電常數(shù)為!2=C2/C0，!2－!1為此油樣使用后介電常數(shù)的變化，這個(gè)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(jù)介質(zhì)在平行板電容器極板間的極化原理，真空的相對(duì)介電常數(shù)為1，空氣為1.00059，近似地把介質(zhì)相對(duì)于空氣的介電常數(shù)作為相對(duì)介電常數(shù)的值，測(cè)量一個(gè)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(duì)介電常數(shù)。通過測(cè)定精煉植物油花生油、大豆油和調(diào)和油經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱和常溫下長(zhǎng)期存放后介電常數(shù)的變化，分析了油中的極化成分總含量與油的介電常數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明：提高油溫、延長(zhǎng)加熱時(shí)間或長(zhǎng)期存放都會(huì)使油的介電常數(shù)增加，從而導(dǎo)致油質(zhì)量的惡化，為測(cè)定食用油在使用及存放過程中質(zhì)量變化提供了測(cè)定方法。秦文（2006）采用自制平行平板電極連接電容儀對(duì)馬鈴薯油炸過程中大豆油的介電特性進(jìn)行測(cè)定，研究了介電特性與酸價(jià)、過氧化值、色度的關(guān)系，結(jié)果表明：介電常數(shù)與食用油的三項(xiàng)指標(biāo)之間都存在著一定的線性相關(guān)性。

2.3 同軸探頭技術(shù)

終端開路的同軸探頭是一個(gè)同軸傳輸線的斷面。當(dāng)探頭浸入液體樣品中或探頭與固體樣品表面相接觸時(shí)，根據(jù)測(cè)試件反射給分析儀的信號(hào)幅值和相位而計(jì)算材料的介電參數(shù)和頻率的關(guān)系［9］。其測(cè)量系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)分析儀或材料/阻抗分析儀、測(cè)試探頭、測(cè)試軟件和計(jì)算機(jī)等組成，同軸探頭技術(shù)是目前國(guó)外最流行的介電特性測(cè)試技術(shù)。郭文川等（2009）采用同軸探頭技術(shù)研究了20～90℃、200～4500MHz內(nèi)菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、調(diào)和油的介電特性，分析了介電參數(shù)值隨頻率和溫度變化的原因。結(jié)果表明：同頻率下，菜籽油具有最大的相對(duì)介電常數(shù)和最小的介質(zhì)損耗因數(shù)，而玉米油則相反。在500～4000MHz間，介電參數(shù)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(guān)性。相對(duì)介電常數(shù)隨溫度升高線性減小，但介質(zhì)損耗因數(shù)則線性增大。菜籽油的介電參數(shù)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(shù)由于具有簡(jiǎn)單、方便、無損、精確度較高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于液體或濕含量比較高的半固態(tài)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(shù)研究了雞蛋在貯藏期間蛋清和蛋黃介電常數(shù)的變化規(guī)律［11］。結(jié)果表明蛋清的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子皆比蛋黃的高，而且雞蛋的新鮮度影響介電參數(shù)值，但雞蛋的介電特性與新鮮品質(zhì)（哈夫單位和蛋黃指數(shù)）沒有明顯關(guān)系。P.Kumar（2007）應(yīng)用開放式同軸探頭技術(shù)對(duì)抽送物料在靜態(tài)和連續(xù)流條件下進(jìn)行介電特性研究，便于開發(fā)設(shè)計(jì)連續(xù)流微波加熱系統(tǒng)。對(duì)

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(duì)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(yīng)用情況

C.Inoue（2002）在研究頻率和煎炸溫度對(duì)豆油介電特性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，介電常數(shù)可以用來即時(shí)或連續(xù)測(cè)定熱油，在頻率1～100kHz范圍，通過幾個(gè)特定溫度（180、200、220、240℃）連續(xù)對(duì)豆油加熱幾天，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，豆油的介電常數(shù)隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，并且和酸價(jià)、密度和相對(duì)粘度相關(guān)，通過這種方法可 以 實(shí) 現(xiàn) 即 時(shí) 或 連 續(xù) 評(píng) 價(jià) 油 品 品 質(zhì)［16］。Yaghmaee.P（2002）在21℃，2450MHz頻率下用開放式同軸探測(cè)法測(cè)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(gè)方程明確評(píng)價(jià)糜狀食品混合溶液和純?nèi)芤旱慕殡娞匦?，通過實(shí)驗(yàn)得到的方程適用于純?nèi)芤阂约癗aCl（0～6%）、山梨醇（0～18%）和蔗糖（0～60%）混合溶液，但對(duì)于魚肉糜只有損耗因子能夠用方程進(jìn)行很好地評(píng)價(jià)［17］。Miura.N（2003）提出時(shí)域反射計(jì)量法（TDR，time－domain reflectometry）應(yīng)用于微波介電舒張的測(cè)定，這種方法可應(yīng)用于固體液體食品，頻率范圍在100kHz～10GHz之間，Miura認(rèn)為舒張過程主要是由自由水和結(jié)合水的重排、表面極化以及鏈聚合等反應(yīng)引起的，他用同樣的方法檢測(cè)威士忌酒、啤酒、白酒，結(jié)果觀測(cè)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(zhì)牛奶的介電特性隨頻率而變，介電參數(shù)與牛奶中的脂肪含量及與稀釋度的關(guān)系可用于粗略估計(jì)牛奶中各主要成分的含量［19］。Jasim（2007）在200～2500MHz內(nèi)，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(guān)系，有利于介電特性在微波和射頻加熱方面的應(yīng)用，更有助于新產(chǎn)品的研發(fā)。

4 展望

近年來，由于食品物料的介電特性在食品檢測(cè)領(lǐng)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(duì)食品品質(zhì)進(jìn)行無損檢測(cè)，利用介電特性對(duì)番茄和蘋果品質(zhì)識(shí)別、分級(jí)及介電特性在線監(jiān)測(cè)食用菌干燥的過程。介電特性的研究對(duì)微波加熱設(shè)備的研發(fā)很重要，對(duì)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(fā)出最具節(jié)能效果的介電加熱設(shè)備。有關(guān)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(cè)量和微波食品的開發(fā)。介電特性廣泛應(yīng)用于食品品質(zhì)的無損檢測(cè)中，對(duì)研發(fā)新的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備具有非常重要的意義。但是現(xiàn)有的研究成果只體現(xiàn)在測(cè)試方面，在應(yīng)用結(jié)果開發(fā)設(shè)備方面成果很少。采用介電特性檢測(cè)食用油品質(zhì)簡(jiǎn)便、易行，能夠快速、準(zhǔn)確地掌握食用油的質(zhì)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(lián)系人

張春娥（1987－），女，在讀碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（200910034）。