宋春芳，孟麗媛，桑 田，李臻峰，李 靜

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122）

白果的物理特性研究

宋春芳，孟麗媛，桑 田，李臻峰，李 靜

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122）

我國(guó)白果產(chǎn)量豐富，白果的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，同時(shí)藥用價(jià)值明顯。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和熱特性分析儀對(duì)白果的物理特性進(jìn)行研究。在1~3 000 MHz頻率段內(nèi)，當(dāng)線路熱源導(dǎo)熱率探針測(cè)量的溫度從30℃增加到80℃時(shí)，在一定的含水率下，白果的介電常數(shù)ε'從7.24增加到10.89，介電損耗因子ε''從1.77上升到7.8；當(dāng)溫度一定時(shí)，介電常數(shù)ε'和介電損耗因子ε''都隨含水率的增大而增加。由此可見，白果的比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)隨密度、含水率的增加而增大。關(guān)鍵詞：白果；介電特性；熱物理特性

白果，又名銀杏，葉片呈楓葉狀，常見于我國(guó)大部分地區(qū)。白果富含各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、氨基酸、VC、核黃素、黃酮、內(nèi)酯等[1]，有較高的藥用價(jià)值。近年來的一些研究表明，白果對(duì)于促進(jìn)和維持神經(jīng)警覺性有極大的作用，對(duì)阿茲海默癥有一定的預(yù)防作用[2-3]。我國(guó)白果樹栽植規(guī)模逐年增長(zhǎng)，白果產(chǎn)量可觀。但是，白果在常溫條件下貯藏，易發(fā)生霉?fàn)€、硬化、生蟲等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了白果的日常銷售。目前，我國(guó)經(jīng)過長(zhǎng)期貯運(yùn)的白果種核只有10%符合出口標(biāo)準(zhǔn)，因而白果采后貯藏成為白果生產(chǎn)中亟待解決的問題。

試驗(yàn)利用網(wǎng)絡(luò)分析儀和熱特性分析儀對(duì)白果的物理特性進(jìn)行了研究，并利用射頻-微波干燥方法，研究頻率（1~3 000 MHz）、樣品含水率（11.6%~ 31.6%）、溫度（30~80℃） 條件下對(duì)白果介電性能的影響規(guī)律，同時(shí)在油浴鍋加熱下研究白果的熱特性參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)食品的研究主要在食品介電特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行快速檢測(cè)、物料殺菌和殺蟲[4-6]，對(duì)白果的物理特性研究較少。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮白果，購(gòu)于當(dāng)?shù)爻?。為了得到新鮮白果的含水率，利用液體排積法對(duì)白果進(jìn)行測(cè)量，得到白果初始含水率為80%。待剝?nèi)グ坠鈿ぜ肮释獗∧ず螅暨x形狀大小基本相同的標(biāo)準(zhǔn)白果用于試驗(yàn)。

1.2 儀器設(shè)備

101-0B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海葉拓儀器儀表有限公司產(chǎn)品；JM-B10002型電子天平，余姚市紀(jì)銘重校驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；HH-1型數(shù)顯恒溫油浴鍋，江蘇正基儀器有限公司產(chǎn)品；JR900A型溫度記錄儀，廣東美德時(shí)儀器儀表有限公司產(chǎn)品；FY-24型手動(dòng)型粉末壓片機(jī)，天津市科器高新技術(shù)有限公司產(chǎn)品；E5061B型網(wǎng)絡(luò)分析儀、85070E末端開路的同軸探頭、85071E型測(cè)試軟件，美國(guó)安捷倫公司產(chǎn)品；KD2 Pro型熱特性分析儀，美國(guó)Pullman公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)樣品的制備

將1 kg新鮮的去殼白果仁放置在恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱中，設(shè)定熱風(fēng)溫度為80℃。白果仁在熱風(fēng)作用下進(jìn)行絕干，每隔一段時(shí)間稱取白果質(zhì)量，直到白果質(zhì)量不變，稱此為絕干狀態(tài)。然后，利用藥用粉碎機(jī)把絕干狀態(tài)的白果果仁研磨成粉。

稱取5份約200 g的絕干白果果粉樣品，放置在蒸發(fā)皿中，用細(xì)孔噴壺向200 g絕干粉末樣品噴水，分別調(diào)制成不同含水率白果粉末，分別為11.6%，16.6%，21.6%，26.6%，31.6%，然后將樣品放置于密封性良好的密封袋中，在4℃冰箱中密封放置24 h，使樣品水分充分分布均勻。

試驗(yàn)時(shí)，不同含水率的白果粉末樣品被壓實(shí)于圓柱形的測(cè)量單元中（內(nèi)徑30 mm，高度10 mm）。將50 g不同含水率的白果粉末樣品壓實(shí)于測(cè)量單元中，得到密度相同、含水率不同的5份試驗(yàn)樣品。

1.3.2 介電參數(shù)測(cè)定方法

由于白果仁形狀不規(guī)則、尺寸相對(duì)較小，因此使用開放末端同軸探頭法難以直接測(cè)量單顆白果仁的介電性能。因此，利用藥用粉碎機(jī)把絕干狀態(tài)的白果果仁研磨成粉，制備成不同含水率的粉末樣品，并采用液壓裝置將粉末樣品壓縮。被壓縮的白果樣品具有平坦表面。

介電特性測(cè)定系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、安捷倫E5061B型網(wǎng)絡(luò)分析儀、3.5 mm校準(zhǔn)套件、開放式同軸探頭和溫度控制單元組成。將被壓縮在不銹鋼圓柱器皿中的白果粉放入恒溫油浴鍋中加熱，利用熱電偶測(cè)量樣品溫度。將已壓縮好的樣品放置在圓柱形測(cè)量單元中，測(cè)量介電特性時(shí)探頭底面緊貼樣品，確保在測(cè)量過程中探頭不與外部空氣接觸。試驗(yàn)進(jìn)行3次，所測(cè)數(shù)據(jù)取平均值。

1.3.3 熱物理特性參數(shù)測(cè)定方法

為了與白果介電特性的測(cè)量保持一致性，并減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，用于白果熱物理特性參數(shù)測(cè)量的樣品同樣為采用液壓裝置壓制的白果樣品。

使用KD2 Pro型熱特性分析儀對(duì)白果的熱物理特性進(jìn)行測(cè)量，熱物理特性測(cè)量參數(shù)包括比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)。將樣品放入恒溫油浴鍋中，樣品的溫度由恒溫油浴鍋控制，測(cè)量溫度依次為30，40，50，60，70，80℃。傳感器（SH-1型雙針傳感器）垂直插入測(cè)量樣品的中心位置，用于測(cè)量樣品中心溫度。每組數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 白果介電特性分析

2.1.1 溫度和含水率對(duì)介電性能的影響

27 MHz頻率下溫度和含水率對(duì)白果介電常數(shù)ε'（a）和介電損耗因子ε''（b）的影響見圖1，41 MHz頻率下溫度和含水率對(duì)白果介電常數(shù)ε'（a）和介電損耗因子ε''（b）的影響見圖2。

圖1 27 MHz頻率下溫度和含水率對(duì)白果介電常數(shù)ε'（a）和介電損耗因子ε''（b）的影響

圖2 41 MHz頻率下溫度和含水率對(duì)白果介電常數(shù)ε'（a）和介電損耗因子ε''（b）的影響

由圖1~圖2可知，溫度一定時(shí)，介電常數(shù)ε'和介電損耗因子ε''均隨含水率的增加而增加。以30℃為例，當(dāng)含水率從11.6%增加至31.6%時(shí)，在頻率為27 MHz下，白果的介電常數(shù)ε'從3.46增加到7.04，介電損耗因子ε''從0.084增加到2.986；而頻率為41 MHz時(shí)，介電常數(shù)ε'從2.56增加到6.11，介電損耗因子ε''從0.179增加到3.088。在含水率增加的情況下，白果整體代謝加速并且內(nèi)部離子的活動(dòng)性增強(qiáng)，此時(shí)樣品的介電常數(shù)ε'和介電損耗因子ε''會(huì)隨著含水率增加而增加[7]。

由圖1~圖2可知，在含水率相同的情況下，白果果粉的介電常數(shù)ε'和介電損耗因子ε''均隨著溫度的升高而增加。以含水率31.6%為例，當(dāng)溫度從30℃升至90℃時(shí)，在27 MHz頻率作用下，白果果粉的介電常數(shù)ε'從7.24增加到10.89，介電損耗因子ε''從1.77上升到7.80；而在41 MHz頻率作用下，介電常數(shù)ε'從6.97增加到10.11，介電損耗因子ε''從1.350上升到7.213。溫度升高導(dǎo)致布朗運(yùn)動(dòng)加劇，增加靜態(tài)介電常數(shù)，因此介電常數(shù)ε'隨溫度的升高而增加；而介電損耗因子ε''與樣品中的溶解離子有關(guān)，在27~41 MHz頻率范圍內(nèi)，離子極化下的損耗因子隨溫度的升高而增加。

2.2 白果熱物理特性分析

2.2.1 密度、含水率和溫度對(duì)白果比熱容的影響

通過調(diào)整被壓入圓柱形測(cè)量單元中白果果粉的質(zhì)量，得到相同含水率、不同密度的白果果粉樣品，用于測(cè)量密度對(duì)白果比熱容的影響。

比熱容為單位質(zhì)量的物料溫度升高1℃所需要的熱量，是反映物料吸收一定熱量后溫度變化的物理量。食品的比熱容主要與溫度和其組成成分有關(guān)[8]。

密度（a）和含水率（b）對(duì)白果比熱容的影響見圖3。

圖3 密度（a）和含水率（b）對(duì)白果比熱容的影響

由圖3（a）可知，在30~80℃整體溫度范圍內(nèi)，白果比熱容隨密度的增加而增大。例如，在30℃時(shí)，白果比熱容從12.03 J/（kg·℃）（4.246 g/cm3）增大到27.81 J/（kg·℃）（7.077 g/cm3）。試驗(yàn)過程中白果密度的改變通過調(diào)整樣品的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)，故而隨單位體積內(nèi)質(zhì)量的增加，白果比熱容隨之增大。

由圖3（b）可知，在任何溫度下，白果比熱容隨含水率的增大而增大。例如，在40℃時(shí)，比熱容從7.76 J/（kg·℃）（11.6%）增大至11.02 J/（kg·℃）（31.6%）。Sweat等人提出含水率較高的食品物料，物料的含水率對(duì)比熱容的影響顯著。由于食品物料的比熱容主要取決于組成成分，白果中的水分含量最大，故白果比熱容隨含水率的增加而增大。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過SAS 9.0軟件進(jìn)行非線性回歸分析，得出溫度T對(duì)白果的比熱容Cp影響的預(yù)測(cè)方程為Cp=0.001 4T2-0.505 8T+23.293，相關(guān)系數(shù)R2=0.982 2，表明自變量T（溫度）的98.22%可由模型確定，F(xiàn)值=1 137.43遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過F檢測(cè)的臨界值，p值<0.001遠(yuǎn)小于α，因而上述模型從整體來看是可用的。

2.2.2 密度、含水率和溫度對(duì)白果熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響

密度（a）和含水率（b）對(duì)白果熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響見圖4。

圖4 密度（a）和含水率（b）對(duì)白果熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響

由圖4（a）可知，在30~80℃整體溫度范圍內(nèi)，白果熱傳導(dǎo)系數(shù)隨密度的增加而增大。例如，在30℃時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)從1.23 W/（m·℃）（4.246 g/cm3）增大到2.03 W/（m·℃）（7.077 g/cm3）。由圖4（b）可知，在任何溫度下，白果熱傳導(dǎo)系數(shù)隨含水率的增大而增大。例如，在40℃時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)從0.88 W/（m·℃）（11.6%）增大至1.51 J/（kg·℃）（16.6%）。隨著密度的增大，空隙越來越少，單位體積內(nèi)的高分子越來越多，空隙中水分增加，而水的熱傳導(dǎo)系數(shù)大于空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)，所以熱傳導(dǎo)系數(shù)隨密度和含水率的增加而增大。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過SAS 9.0軟件進(jìn)行非線性回歸分析，得出溫度T對(duì)白果的熱傳導(dǎo)系數(shù)k影響的預(yù)測(cè)方程為k=0.000 2T2-0.038 6T+1.939，相關(guān)系數(shù)R2= 0.936 2，表明自變量T（溫度）的93.62%可由模型確定，F(xiàn)值=625.33遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過F檢測(cè)的臨界值，p值<0.001遠(yuǎn)小于α，因而上述模型從整體來看是可用的。

3 結(jié)論

白果含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有益于身體健康，但是白果含水率大、易發(fā)霉。試驗(yàn)主要研究了白果的物理特性參數(shù)，對(duì)白果的干燥儲(chǔ)存提供了科學(xué)依據(jù)。

通過使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量白果的介電特性，在頻率為1~3 000 MHz、含水率為11.6%~31.6%，溫度為30~80℃的條件下，當(dāng)某一參數(shù)一定時(shí)，白果的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子隨著頻率的增大而減小，介電常數(shù)ε'隨含水率的增大而增加，隨溫度的增大而增加；介電損耗因子ε''隨著頻率的增加呈現(xiàn)出先減小后緩慢增大的趨勢(shì)，中間出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨含水率的增大而下降，但隨溫度的增大而增加。

通過使用熱特性分析儀對(duì)白果的熱物理特性進(jìn)行測(cè)量，可得白果的比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)隨密度、含水率的增加而增大。溫度對(duì)白果的熱物理特性影響預(yù)測(cè)方程如下：R2=0.982 2；R2=0.936 2。

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Study on Physical Characteristics of Ginkgo

SONG Chunfang，MENG Liyuan，SANG Tian，LI Zhenfeng，LI Jing
（Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China）

China is rich in resources of ginkgo，which is high in nutritious value and has medicinal value significantly.The physical properties of ginkgo are studied by using network analyzer and thermal property analyzer.The results show that between 1~3 000 MHz the dielectric constant decreased with increasing temperature from 30℃ to 80℃ but increase with increasing moisture content，however，dielectric constant（ε'） increase from 7.24 to 10.89，while the dissipation loss factor（ε''） increase from 1.77 to 7.8 with increasing temperature.Dielectric constant decrease，while loss factor decreased with increasing frequency.The specific heat capacity and thermal conductivity of ginkgo increased with the increase of density and water content.

ginkgo；dielectric properties；thermal physical properties

S792

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.02.029

1671-9646（2017）02b-0006-04

2017-02-15

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2016022-10）；國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51401086）。

宋春芳（1974— ），女，博士，副教授，研究方向?yàn)槭称饭に嚺c機(jī)械。