宋春芳 ，　袁冬明 ， 王　燕 ， 桑　田 ，　余華杰 ，　續(xù)艷峰 ，　崔政偉

（1.江南大學(xué) 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(wú)錫214122；2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122）

芋頭，俗稱(chēng)芋、芋艿等。芋頭不僅有食用價(jià)值還有藥用價(jià)值，芋頭中含有很多礦物質(zhì)，可以增強(qiáng)人體的體質(zhì)[1-2]。近年來(lái)，隨著芋頭的種植面積增加，產(chǎn)量也飛速增長(zhǎng)，每年產(chǎn)量達(dá)600萬(wàn)噸，這為芋頭的深加工打下了牢固的基礎(chǔ)。雖然芋頭產(chǎn)量大，現(xiàn)有的加工技術(shù)簡(jiǎn)單粗糙，沒(méi)有相對(duì)深入的加工技術(shù)，嚴(yán)重制約芋頭的經(jīng)濟(jì)效益和開(kāi)發(fā)程度，所以對(duì)芋頭的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)還有很大潛力[3-4]。主要因素是芋頭收獲后含水率比較高易腐爛，傳統(tǒng)方法是進(jìn)行晾曬，不僅耗時(shí)費(fèi)力而且對(duì)品質(zhì)影響比較大。因此，亟需一種新的干制方法，但關(guān)于芋頭的微波干燥特性尚未報(bào)道[5]。不同含水率的物料的介電特性是不一樣的，含水率越高，介電常數(shù)與介電損耗因子就越大。介電損耗因子越大，微波功率吸收能量越多，因此通過(guò)介電特性的變化來(lái)檢測(cè)物料干燥過(guò)程中的含水率[6-11]。還可以通過(guò)介電特性檢測(cè)食品質(zhì)量[12-13]。

目前，沒(méi)有芋頭介電特性的研究，并且缺少芋頭介電特性與溫度、頻率等因素之間關(guān)系的研究。本文作者以芋頭為研究對(duì)象，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和末端開(kāi)路的同軸探頭測(cè)量了30～3 000 MHz頻段內(nèi)含水率分別為25%、40%、55%、70%、85%的芋頭片在20、40、60℃和80℃下的介電特性，并研究芋頭介電特性與影響因素之間的關(guān)系，為基于射頻、微波介電特性的芋頭的含水率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與干燥殺菌提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

芋頭購(gòu)買(mǎi)于無(wú)錫當(dāng)?shù)氐某?，要求無(wú)損傷、霉斑，形狀均勻、大小基本一致，將其洗凈去皮切片，切片樣品封裝在塑料袋中，放于冰箱中5℃冷藏備用。

1.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

ARB120電子天平，梅特勒—托利多儀器上海有限公司產(chǎn)品；E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀，美國(guó)安捷倫公司產(chǎn)品；HH-601超級(jí)恒溫油浴鍋，榮華儀器制造有限公司產(chǎn)品；DHG-9076A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品。

1.3　介電特性的測(cè)試方法

為確保實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)前打開(kāi)E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行預(yù)熱，然后設(shè)定頻率范圍和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。對(duì)分析儀進(jìn)行精度校準(zhǔn)。測(cè)量時(shí)，測(cè)量探頭必須干凈，探頭與芋頭樣品表面充分接觸，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀采集數(shù)據(jù)，得出材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子值。

1.4　實(shí)驗(yàn)步驟

將準(zhǔn)備好的樣品稱(chēng)重，然后放入干燥箱中進(jìn)行干燥，溫度設(shè)置為60℃，干燥12 h后稱(chēng)重，計(jì)算出初始含水率[14]，取得平均值得到初始含水率。將每個(gè)樣品稱(chēng)重，放入恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥，每隔10 min進(jìn)行稱(chēng)重，分別得到 25%、40%、55%、70%、85%5種不同含水率的樣品，每種含水率的樣品做3組，將做好的樣品放入密封袋中，然后放入0℃冰箱內(nèi)24 h，以使密封袋樣品濕度均勻。

在網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)以后，將樣品放置在不銹鋼圓柱形測(cè)量單元中（內(nèi)徑=30 mm，高度=30 mm），此不銹鋼容器焊接在一個(gè)不銹鋼的支架上。將支架放在恒溫油浴鍋中。用油浴鍋對(duì)樣品加熱，將熱電偶插在樣品內(nèi)部，當(dāng)樣品到達(dá)預(yù)定溫度時(shí)，探頭底面緊貼樣品測(cè)量介電特性，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄下樣品的介電常數(shù)與損耗因子的數(shù)值。每個(gè)含水率的樣品同一個(gè)溫度下測(cè)量3次，然后再升溫到下一個(gè)溫度進(jìn)行測(cè)量。每組測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果。準(zhǔn)備多個(gè)樣品重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟3次，取3次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果。

1.5　穿透深度的計(jì)算

電磁波傳送過(guò)程遇到損耗介質(zhì)時(shí)，一部分波會(huì)被反射回來(lái)。沒(méi)有被反射的電磁波會(huì)穿過(guò)介質(zhì)表面，隨著厚度的增加而衰減。電磁波對(duì)某材料的介電穿透深度（dp）指電磁波強(qiáng)度減弱為物料表面強(qiáng)度的1/e（e=2.718 28）時(shí)，電磁波在物料內(nèi)穿過(guò)的垂直距離（m）[15]。

式中 c 是真空下的光速，3×108m/s；f是頻率，Hz。

2　結(jié)果與分析

2.1　含水率和頻率對(duì)介電特性的影響

已有大量研究表明[9-11]，含水率是影響介電特性的主要因素之一。圖1為芋頭片40℃時(shí)，頻率和不同含水率對(duì)介電特性的影響。從圖1（a）與（b）中可以看出，隨著頻率的增大，芋頭的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子呈單調(diào)遞減趨勢(shì)。但是介電常數(shù)在低頻段下降非?？?，而在高頻段下降比較平緩。由介質(zhì)極化理論可知，低頻電場(chǎng)下會(huì)發(fā)生表面極化現(xiàn)象[16]，隨著頻率的增大，偶極子的速度變化比電場(chǎng)慢，因此偶極子的取向極化就漸漸停止。同一頻率下，介電常數(shù)隨著其含水率的增大而增大。含水率比較低時(shí)，芋頭內(nèi)的水分為束縛水，離子處于不活躍狀態(tài)，對(duì)芋頭相對(duì)介電常數(shù)影響不大。隨著含水率的增加，自由水含量增大，芋頭內(nèi)部離子比較活躍，因此介電常數(shù)隨著其含水率的增大而增大。這和果蔬含水率與其介電常數(shù)的關(guān)系相似[17-19]。

圖1　頻率對(duì)不同含水率下芋頭片的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子的影響Fig.1　Effect of frequency on dielectric constant and dielectric　lossfactor　oftaro　under　different moisture content

2.2　溫度對(duì)介電特性的影響

食品加工中最常用的微波頻率有2個(gè)，工業(yè)微波頻率為915 MHz，家用微波頻率為2 450 MHz。因此在研究介電特性隨溫度的變化時(shí)，選取這2個(gè)頻率下的芋頭介電特性進(jìn)行了分析。頻率為915 MHz與2 450 MHz時(shí)，溫度對(duì)不同含水率的芋頭介電特性的影響曲線如圖2所示。芋頭片的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子都隨著溫度的升高而減小。在Zheng等[20]的研究中蝦的介電特性也出現(xiàn)下降趨勢(shì)。以含水率85%的芋頭片為例，當(dāng)頻率為915 MHz溫度從20℃升高到80℃時(shí)，介電常數(shù)從52.3降到28.4，降幅為45.7%，介質(zhì)損耗因子從16.8降到11.1降幅為33.9%。頻率為2 450 MHz時(shí)，溫度從20℃升高到80℃時(shí)，芋頭的介電常數(shù)從48.9降到24.8，降幅為49.28%，介質(zhì)損耗因子從12降到8.35降幅為30.41%。對(duì)比915 MHz與2 450 MHz下的介電損耗因子隨溫度的變化可以看出，915 MHz下的介電損耗因子變化幅度高于2 450 MHz。在微波頻率下，偶極子損失隨溫度的升高而降低，在較低頻率下，介電損失主要是離子損失，因此在低頻率下隨溫度升高，介電損失顯著增大。在用微波加熱芋頭時(shí)，高頻段相比低頻段受熱均勻。關(guān)于溫度對(duì)介電參數(shù)影響在各文獻(xiàn)中不同，楊槐蜂蜜溶液介電常數(shù)隨溫度的升高而升高[21]。總體而言，樣品的介電參數(shù)的變化規(guī)律，都是受溫度、頻率和含水率綜合影響的結(jié)果。

圖2　頻率915 MHz時(shí)，溫度對(duì)不同含水率的芋頭介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子的影響；頻率2 450 MHz時(shí)，溫度對(duì)不同含水率的芋頭介電常數(shù)與介電損耗因子的影響Fig.2　Effect of temperature on dielectric constant and dielectric loss factor of taro with various water contents at 915 MHz，Effect of temperature on dielectric constant and dielectric loss factor of taro with various water contents at 2 450 MHz

2.3　數(shù)學(xué)模型的建立

利用SAS軟件對(duì)頻率為915 MHz時(shí)，5個(gè)含水率的芋頭薄片的介電常數(shù)（ε′）與介電損（ε″）隨溫度變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，并建立數(shù)學(xué)模型，模型表達(dá)了含水率、溫度與介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子的關(guān)系。

式 （2）（3） 中，ε′為介電常數(shù)；ε″為介質(zhì)損耗因子；W為含水率，%；T為溫度，℃。

由表1顯示介電特性的數(shù)學(xué)模型的顯著水平均小于0.000 1，表明模型是極顯著。介電常數(shù)模型中除W與W3外，其余各項(xiàng)均對(duì)模型具有顯著的影響。介質(zhì)損耗因子模型中除W、T與WT2外，其余各項(xiàng)均對(duì)模型具有顯著的影響。因此也證實(shí)，芋頭片的溫度顯著影響其相對(duì)介電常數(shù)，且并非單純的線性關(guān)系。當(dāng)已知芋頭的介電常數(shù)值和溫度時(shí)，通過(guò)式（2）則可估算出芋頭的含水率，這為基于相對(duì)介電常數(shù)的芋頭含水率檢測(cè)儀的開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

2.4　穿透深度

表1　式（2）、（3）回歸模型方差分析Table 1　Regression model analysis of variance of formula（2），（3）

在食品微波加熱過(guò)程中，電磁波隨著穿透深度的增加而降低，因此，在微波處理物質(zhì)的厚度方向上，吸收的熱能是不均勻的，這是由于電磁波的穿透能力不同所致。圖3（a）為溫度20℃，不同含水率的芋頭片對(duì)穿透深度的影響。結(jié)果表明，同一含水率下，穿透深度隨頻率的增加而減小，在低頻段降幅比較大，而在高頻段降幅比較小。含水率在25%～55%時(shí)，同一頻率下穿透深度隨含水率的增加減小，含水率≥55%時(shí)，同一頻率下穿透深度隨含水率增加而增加。（b）為含水率為85%時(shí)溫度對(duì)穿透深度的影響。結(jié)果表明，同一溫度下，穿透深度隨頻率的增加而減小，低頻段降幅比較大，而高頻段降幅比較小。大多數(shù)樣品同芋頭一樣穿透深度隨頻率增加而降低[22-25]。

圖3　頻率范圍30～3 000 MHz含水率與溫度對(duì)芋頭片穿透深度的影響Fig.3　Influence of moisture content and temperature on the calculated penetration depth of taro at the frequency range from 30 to 3 000 MHz

圖4為頻率為915 MHz與2 450 MHz時(shí)，溫度對(duì)不同含水率的芋頭片穿透深度的影響。芋頭片穿透深度受頻率、溫度和含水率的變化而發(fā)生變化。頻率為915 MHz時(shí)，不同含水率的芋頭片的穿透深度隨溫度的升高而升高。溫度為20℃，含水率為55%時(shí)，穿透深度最小值為10.2mm。頻率為2450MHz時(shí)，不同含水率的芋頭片的穿透深度隨溫度的升高而升高。溫度從20℃升到80℃時(shí)，含水率為85%的芋頭片穿透深度從9.4 mm上升到18.1 mm。溫度為80℃含水率為25%時(shí)穿透深度最大為23.4 mm。溫度為20℃含水率為55%時(shí)穿透深度最小為6 mm。穿透深度數(shù)據(jù)使得開(kāi)發(fā)芋頭含水率檢測(cè)儀成為可能。用微波、射頻對(duì)物料加熱和殺菌時(shí)，物料的厚度不能超過(guò)穿透深度值的2～3倍。因此，需要考慮芋頭片穿透深度因素。

圖4　頻率為915 MHz 2 450 MHz時(shí)，溫度對(duì)不同含水率的芋頭片穿透深度的影響Fig.4　Influence　oftemperature　on　the　calculated penetration　depth　ofwith　differentmoisture content at the frequency 915 MHz and 2 450 MHz

3　結(jié)　語(yǔ)

介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子隨頻率的增加而降低，介電常數(shù)隨著含水率的隨著其含水率的增大而增大；芋頭片的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子都隨著溫度的升高而減?。?15 MHz下介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子的數(shù)學(xué)模型的顯著水平均小于0.000 1，可預(yù)測(cè)芋頭的含水率；同一含水率與溫度的芋頭片穿透深度隨頻率的增加而降低，一定頻率下的芋頭片的穿透深度隨溫度的增加而增加。

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