李春花，張建新

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

油脂安全

基于介電特性的食用植物油品質(zhì)檢測(cè)研究進(jìn)展

李春花，張建新

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

闡述了基于介電特性的食用植物油品質(zhì)檢測(cè)原理及平行板電容法、同軸探頭法與諧振腔體法介電特性測(cè)試方法的特點(diǎn),并進(jìn)行了比較。綜述了介電特性在食用植物油品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用,以期為食用植物油品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)構(gòu)建提供參考。

介電特性；食用植物油；品質(zhì)檢測(cè)

油脂在加熱過程中會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)變化，高溫或反復(fù)煎炸會(huì)發(fā)生氧化、聚合和水解等反應(yīng)從而使食品發(fā)生品質(zhì)劣變和感官品質(zhì)下降。食用植物油主要成分為三酰甘油酯，經(jīng)歷這些反應(yīng)后產(chǎn)生的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性組分、水解產(chǎn)物、 氧化三酰甘油酯單體、環(huán)化物、反式結(jié)構(gòu)化合物、聚合物等[1-2]。食用植物油的品質(zhì)檢測(cè)傳統(tǒng)方法主要為國標(biāo)法，而傳統(tǒng)方法耗時(shí)耗力、需要使用化學(xué)試劑、操作煩瑣，不利于環(huán)境保護(hù)且難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。近年來，氣質(zhì)聯(lián)用、色譜技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)、近紅外光譜分析技術(shù)、核磁共振技術(shù)和電子鼻等已被廣泛應(yīng)用于食用植物油的品質(zhì)檢測(cè)中，但這些方法儀器昂貴，檢測(cè)成本高，樣品前處理嚴(yán)格，不利于推廣應(yīng)用。本文介紹基于介電特性的食用植物油品質(zhì)無損快速檢測(cè)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)食用植物油品質(zhì)無損、快速檢測(cè)提供參考。

1 食用植物油介電特性快速檢測(cè)原理

介電特性是指介電體物質(zhì)中的束縛電荷對(duì)外加電場(chǎng)與磁場(chǎng)應(yīng)激的響應(yīng)特性。描述介電特性的參數(shù)主要有介電常數(shù)和介電損耗因子，此外還有損耗角正切、電阻電導(dǎo)和電容[3]。一般來說，電介質(zhì)中的電子受到束縛力的作用不能自由移動(dòng)也不導(dǎo)電，食用植物油中的極性組分在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生分子重排，從而引起介電常數(shù)的改變。電介質(zhì)中極性化合物的含量直接影響介電常數(shù)的變化，新鮮的食用植物油中極性化合物較少，介電常數(shù)較小。當(dāng)食用植物油在高溫加熱和不同貯藏條件下發(fā)生劣變時(shí)，食用植物油中的極性化合物增多，在電磁場(chǎng)的作用下發(fā)生改變，引起介電特性的改變。食用植物油的介電參數(shù)常隨頻率、溫度、極化特性、組分、分子結(jié)構(gòu)等因素的影響而變化[4]。

食用植物油屬于電介質(zhì)，電介質(zhì)中電子受原子核強(qiáng)烈束縛， 不能自由移動(dòng)， 電介質(zhì)的特征是以正、負(fù)電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲(chǔ)或記錄電的作用和影響，其中起主要作用的是束縛電荷[5]。食用植物油具有不同的脂肪酸組成，經(jīng)高溫煎炸，其酸值、過氧化值、羰基值、極性組分含量等理化指標(biāo)發(fā)生變化[6-7]，并產(chǎn)生游離脂肪酸、聚合物、醛類、酮類等極性化合物，所帶電荷數(shù)目和電荷空間分布改變，其電場(chǎng)分布和強(qiáng)度隨之變化。根據(jù)這一原理，利用食用植物油品質(zhì)指標(biāo)與介電參數(shù)建立相關(guān)性可判斷和評(píng)價(jià)其品質(zhì)變化。

2 食用植物油介電特性測(cè)試方法

測(cè)試食用植物油介電特性常用的方法有平行板電容法、同軸探頭法和諧振腔體法。

2.1 平行板電容法

平行板電容法是測(cè)定介電常數(shù)的一種最簡(jiǎn)單的方法，該法的測(cè)量系統(tǒng)主要包括電容器和電容測(cè)量?jī)x(LCR)。其中，電容器是由兩個(gè)平行矩形極板電容器或同心圓式電容器的極板固定而構(gòu)成，測(cè)定時(shí)將食用植物油放置于電容器中，設(shè)定好頻率、電壓、電流就可以獲得食用植物油的電容、阻抗與電感值等介電參數(shù)。秦文等[8]利用平行板電容法對(duì)菜籽油的品質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)菜籽油的介電特性參數(shù)電容、阻抗和電感值與其品質(zhì)指標(biāo)過氧化值、酸值及羰基值具有較好的線性相關(guān)性，其實(shí)際測(cè)量值與計(jì)算值的誤差在允許范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)菜籽油品質(zhì)的快速檢測(cè)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、成本低、精度較高，缺點(diǎn)是測(cè)量的頻率范圍有限。

2.2 同軸探頭法

同軸探頭法是研究食用植物油介電特性最常用的一種方法，該法測(cè)量系統(tǒng)主要由同軸探頭、網(wǎng)絡(luò)分析儀或阻抗分析儀、計(jì)算機(jī)和測(cè)試軟件等組成。測(cè)量前，首先開機(jī)預(yù)熱30 min以上，先經(jīng)過開路、短路、負(fù)載，其后經(jīng)金屬性短路、空氣、25℃水校正，測(cè)量時(shí)將探頭與被測(cè)油樣充分接觸，并保證探頭端面無氣泡時(shí)采集數(shù)據(jù)[4]。應(yīng)用同軸探頭法對(duì)食用植物油(包括菜籽油、調(diào)和油、葵花籽油、橄欖油、玉米油、芝麻油、大豆油及花生油等)的介電特性進(jìn)行研究取得了良好進(jìn)展，相對(duì)比較成熟[9-10]。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便、快速、無損、精度較高及頻率范圍寬(500 MHz～110 GHz)，缺點(diǎn)是校準(zhǔn)比較麻煩、要求樣品結(jié)構(gòu)均勻、樣品截面比較大、損耗分辨率低。

2.3 諧振腔體法

諧振腔體法測(cè)量系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)分析儀、諧振腔、計(jì)算機(jī)和軟件。將待測(cè)樣品制成片狀或棒狀插入微波諧振腔內(nèi)，引起諧振腔的等效體積的改變，諧振頻率隨之變化。諧振腔的品質(zhì)因子數(shù)會(huì)因?yàn)榧尤霕悠返慕橘|(zhì)損耗而下降，根據(jù)加入樣品前后諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因子數(shù)的變化，就可計(jì)算出待測(cè)樣品的介電特性參數(shù)。該法被成功應(yīng)用于植物油制備生物柴油中，用于監(jiān)測(cè)酯交換反應(yīng)[11]。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高、樣品前處理簡(jiǎn)單和測(cè)量溫度范圍寬。缺點(diǎn)是樣品要求低損耗和小體積、頻率范圍有限及分析復(fù)雜。

3 介電特性在食用植物油品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

食用植物油介電特性的研究主要集中在溫度[12]、頻率[13]、水分含量[9]和脂肪酸組成[10]對(duì)食用植物油介電特性的影響。

3.1 介電特性在檢測(cè)食用植物油品質(zhì)劣變中的應(yīng)用

利用介電特性檢測(cè)食用植物油的品質(zhì)劣變主要是通過建立食用植物油的理化指標(biāo)及組分與介電特性的相關(guān)性，以確定通過測(cè)定食用植物油的介電特性來評(píng)價(jià)食用植物油品質(zhì)。陸青青等[10]采用同軸探頭法，探究了 25 ℃下8種常見食用植物油的介電常數(shù)。結(jié)果表明：隨著油炸時(shí)間的延長(zhǎng)，大豆油的酸值逐漸增加，過氧化值先增加后減小，大豆油的介電常數(shù)逐漸增加；在同一頻率下，大豆油的介電常數(shù)變化與上述品質(zhì)變化呈正相關(guān)；并發(fā)現(xiàn)在頻率為700 MHz 時(shí)，大豆油品質(zhì)指標(biāo)與介電特性指標(biāo)之間相關(guān)性較好，并以此建立了模擬數(shù)學(xué)模型。利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)大豆油品質(zhì)指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)油炸過程中食用植物油品質(zhì)的快速檢測(cè)[14]。曹瑋珈等[15]研究大豆油在油炸過程中其介電常數(shù)變化與酸值、過氧化值、碘值和極性成分等指標(biāo)之間的關(guān)系，結(jié)果顯示通過介電常數(shù)變化可以評(píng)價(jià)氧化酸敗程度。Yang等[9]對(duì)大豆油進(jìn)行空炸以及加入面團(tuán)進(jìn)行油炸測(cè)定介電參數(shù)的變化，研究發(fā)現(xiàn)大豆油的介電常數(shù)、介電損耗與油炸時(shí)間和面團(tuán)的水分含量呈正相關(guān)，根據(jù)大豆油的導(dǎo)電性的不同可利用介電譜法來評(píng)價(jià)煎炸油品質(zhì)。

在測(cè)定煎炸油時(shí)，常把介電常數(shù)當(dāng)作測(cè)定極性組分含量的指標(biāo)[16]，利用介電常數(shù)法測(cè)定油中的極性組分含量是一種簡(jiǎn)單方便且又可靠的方法，并已有人設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)單便攜式的測(cè)定極性組分的檢測(cè)儀[17]。食用植物油的介電特性與食用植物油脂肪酸組成有關(guān)，在較低頻段(100～180 MHz)時(shí)，除花生油外，同頻率下食用植物油介電常數(shù)大小與油中不飽和脂肪酸含量呈正相關(guān)；在較高頻段(300～10 000 MHz)內(nèi)，食用植物油的介電常數(shù)隨亞油酸含量的增加而增加[10]。郭文川等[12]采用同軸探頭技術(shù)，研究溫度在20～90 ℃、頻率在200～4 500 MHz范圍內(nèi)菜籽油、大豆油、花生油、玉米油及調(diào)和油的介電特性。研究發(fā)現(xiàn)：在500～4 000 MHz頻率范圍內(nèi)，介電特性與食用植物油的飽和及不飽和脂肪酸含量存在明顯的線性相關(guān)性。介電特性可對(duì)食品加工、貯藏和運(yùn)輸過程進(jìn)行監(jiān)控。Hu等[18]研究10種食用植物油和6種脂肪酸在不同頻率、不同溫度和不同水分含量條件下介電參數(shù)的變化，并確定介電參數(shù)可以用來評(píng)價(jià)食用植物油的品質(zhì)。Corach等[19]研究8種食用植物油的介電特性，結(jié)果表明：利用介電特性測(cè)定食用植物油運(yùn)輸和貯藏過程中品質(zhì)變化是可行的。楊琴[20]研究油炸食品在貯藏過程中的品質(zhì)劣變，對(duì)4種油炸食品的介電常數(shù)和相應(yīng)的理化指標(biāo)(酸值、過氧化值、茴香胺值)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明：這4種油炸食品的介電常數(shù)與相應(yīng)的理化指標(biāo)均具有顯著的相關(guān)性，因此可以將介電常數(shù)作為評(píng)價(jià)油炸食品品質(zhì)劣變程度的指標(biāo)之一。

3.2 介電特性在檢測(cè)食用植物油摻假中的應(yīng)用

章穎強(qiáng)[21]利用介電譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法(PLS)對(duì)山茶油中摻入花生油和葵花籽油的摻偽量進(jìn)行定量分析，為食用植物油的摻偽分析和成分預(yù)測(cè)提供了快速、簡(jiǎn)便、精確的檢測(cè)方法。Lizhi等[13]測(cè)量初榨橄欖油、大豆油、玉米油、菜籽油、芝麻油、紫蘇籽油、紅花籽油以及在初榨橄欖油中分別摻入不同體積的大豆油和紫蘇籽油的混合油101 Hz～1 MHz 頻段的介電譜，并對(duì)不同食用植物油的介電特性進(jìn)行分析；同時(shí)分別采用主成分分析(PCA)和PLS對(duì)摻偽初榨橄欖油進(jìn)行定性和定量分析，其均方根誤差為0.053，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差為0.017，R2為0.967。張冰等[22]為檢測(cè)油茶籽油的摻偽程度，對(duì)5種食用植物油及兩組油茶籽油摻雜混合油進(jìn)行了介電譜測(cè)量，對(duì)兩組油茶籽油摻雜混合油的介電譜數(shù)據(jù)建立定量分析模型，經(jīng)外部驗(yàn)證集驗(yàn)證，混合油的預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)小于2.1%，決定系數(shù)(R2)大于0.998 9。試驗(yàn)結(jié)果表明，介電譜法為食用植物油的摻偽鑒別和純度檢測(cè)提供了一種快捷、準(zhǔn)確的方法。

3.3 介電特性在食用植物油檢測(cè)其他方面的應(yīng)用

Mancebo-Campos等[23]研究5類植物油的介電特性并進(jìn)行歸類，指出植物油可以作為介電冷卻劑用于變壓器，為尋找合適的工業(yè)應(yīng)用絕緣體提供依據(jù)。Kang 等[24]基于介電特性應(yīng)用同軸探頭技術(shù)研究油條中明礬的加入量，用介電譜和石墨爐原子化吸收光譜測(cè)得商業(yè)油條中明礬的檢出量分別是0.994 2 g/L和0.972 2 g/L，相對(duì)誤差為2.2%，結(jié)果說明介電譜法是一種檢測(cè)油條中明礬含量的合適且有效的方法。Song等[25]基于介電特性檢測(cè)炸油條過程中產(chǎn)生的丙烯酰胺，在頻率2.0 GHz條件下，丙烯酰胺含量與介電損耗的相關(guān)系數(shù)為0.99，基于介電特性法檢測(cè)丙烯酰胺含量與高效液相色譜法相比較，丙烯酰胺的最低檢出質(zhì)量濃度分別是0.3、0.9 μg/mL，丙烯酰胺含量與水分(或油脂)含量相關(guān)系數(shù)為0.93。結(jié)果表明：基于介電特性測(cè)量油炸食品中丙烯酰胺含量是一種合適且高效的方法。Corach等[26]研究發(fā)現(xiàn)測(cè)定介電常數(shù)可以用于檢測(cè)污染物，比如甲醇?xì)堄嗷蚍酋ソ粨Q植物油的存在。結(jié)果表明：介電特性的測(cè)定可成功地應(yīng)用于描述不同油樣中提取的脂肪酸甲酯的特性，這對(duì)實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)產(chǎn)品描述及應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)體系的在線檢測(cè)有著非常重要的意義。

4 結(jié)束語

在國外，食用植物油介電特性的研究較多，相比之下，國內(nèi)對(duì)這方面的研究還不夠深入。筆者認(rèn)為可從以下幾個(gè)方面深入研究：

(1)食用植物油介電特性的研究范圍需要進(jìn)一步拓展。根據(jù)不同食用植物油在不同加熱條件下的介電特性對(duì)食用植物油進(jìn)行測(cè)定，與食用植物油的理化指標(biāo)建立相關(guān)模型，根據(jù)模型推導(dǎo)出食用植物油的品質(zhì)指標(biāo)，可以為食用植物油的快速檢測(cè)提供有效的測(cè)量手段。對(duì)商業(yè)煎炸油、地溝油、摻假油、廢棄油重復(fù)利用過程中油脂介電特性的研究還有待進(jìn)行，對(duì)食用植物油中有害物質(zhì)與介電特性相關(guān)性的研究也需進(jìn)一步加強(qiáng)。

(2)利用食用植物油的介電特性應(yīng)用設(shè)計(jì)出快速有效的檢測(cè)儀。根據(jù)不同的原理結(jié)合食用植物油的特性設(shè)計(jì)出合適的快速檢測(cè)儀器是迫切需要的。同時(shí)，可以將食用植物油介電特性與其他測(cè)定方法聯(lián)用，以尋找準(zhǔn)確、可靠、簡(jiǎn)單、便捷的檢測(cè)方法，提高檢測(cè)靈敏度。

(3)建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，方便查詢。利用不同的數(shù)據(jù)處理軟件(如Matlab，SPSS等)或方法(如PLS，PCA等)建立不同種類、不同條件下影響食用植物油品質(zhì)的不同理化指標(biāo)與食用植物油介電特性的相關(guān)性數(shù)據(jù)庫，或?qū)y(cè)試儀器與數(shù)據(jù)處理軟件相關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理為一體的測(cè)定儀器，為快速檢測(cè)食用植物油品質(zhì)提供測(cè)量依據(jù)。

(4)加大成果轉(zhuǎn)化力度。目前對(duì)食用植物油介電特性的研究大都處于實(shí)驗(yàn)室階段，從實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的過程還需努力。

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Advance in quality detection of edible vegetable oil based on dielectric properties

LI Chunhua, ZHANG Jianxin

(College of Food Science and Engineering, Northwest A & F University,Yangling 712100, Shaanxi, China)

The principle of quality detection of edible vegetable oil based on dielectric properties was illustrated, and several test methods including parallel plate, coaxial probe, and resonant cavity were explained and compared. The applications of dielectric properties in quality detection of edible vegetable oil were overviewed so as to provide references for constructing quality detection technology of edible vegetable oil.

dielectric property; edible vegetable oil; quality detection

2016-09-14；

2017-01-15

李春花(1992),女,在讀碩士,研究方向?yàn)槭称窢I(yíng)養(yǎng)與安全 (E-mail)1058164936@qq.com。

張建新,教授(E-mail) zhangjx59@foxmail.com。

TQ646；TS07

A

1003-7969(2017)05-0096-04