食用植物介电特性的研究进展

张春娥，薛文通，张泽俊，陶 莎

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083）

食用植物介电特性的研究进展

张春娥，薛文通*，张泽俊，陶 莎

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083）

近年来，我国食用植物油生产和消费量明显增长，对油的品质检测也越来越受关注。目前，介电特性用于食用植物油品质检测越来越受人们的重视。本文分析了食用植物油介电特性机制和介电特性测试原理，综述了目前出现的几种有关食用植物油介电特性的测试方法和测试系统以及与食用油介电特性相关的如频率、温度等因素，介绍了基于食用油介电特性研究方法上的其它食品的介电特性研究。

食用植物油，介电特性，测试方法

食用植物油是人民生活的必需品，是人体必需脂肪酸的主要来源。但是，植物油的质量安全却存在着严重问题。例如，近年来不断爆出的一系列有关植物油质量安全的事件，如“酸价超标”、“过氧化值超标”、“溶剂残留超标”、“植物油掺假”、“泔水油”等事件［1］。植物油安全快速、准确检测技术的研究成为解决植物油质量安全的关键环节，植物油的分析检测技术也有了更多的进展，先后出现了化学检测法、试纸检测法、比色法、高效液相色谱法、电分析方法、近红外光谱技术和核磁共振法鉴别食用植物油掺伪餐饮业废油脂。本文主要介绍了使用介电特性的方法检测植物油品质的检测原理和测试装置。

1 植物油介电特性的测定原理

介电特性（dielectric properties）是指生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。评价介电特性的主要参数是介电常数（dielectric constant）和介电损耗因数［2］。食用植物油的主要组成成分是三酰基甘油类，三酰基甘油由羟基（－OH）和羧基（－COOH）两部分组成，由于－OH极性基团的存在，使得油脂成为较大偶极矩的极性分子，具有电介质特性。一般情况下，电介质中的电子受到束缚力的作用不能自由移动而不导电。若将电介质置于接有电源的极板之间，在电场的作用下，其内部将发生极化，原来杂乱无章排列的有极分子，变为沿电场方向定向排列，形成定向极化，产生相反电场（见图1），其特征为电介质贴近极板的两个表面上出现与极板上电荷相反的束缚电荷，这标志着电介质的极化（见图2）。此时，平板电容器的电容比真空时的电容增大!倍，!就是该介质的电容率（相对介电常数）。电介质的极化成分越多，电容率就越大。电容率表示该物质可能贮存的电场能量和提高电容器容量的能力［3］。因此，通过极板间电容率的变化，来反映植物油介电特性的变化。

根据电介质理论，电介质相对介电常数为：!r=C/C0

其中：!r－电介质的相对介电常数；C－充满介质的平板电容器的电容；C0－同样尺寸真空电容器电容。

即通过测试平行平板电容器两种状态下的电容量，可得到电介质的介电参数。

图1 有极分子的排布

图2 电介质的极化

2 目前国内出现的几种介电常数测定法与测试系统

2.1 谐振电路法

张俐等（2008）通过自制平行平板三电极结构的谐振替代测试装置，在一定的频率和温度范围内，以市售大豆油为例，探讨了食用植物油介电特性和温度的关系，研究表明：温度和频率与食用植物油介电特性参数有相关性。该测试系统主要由仪器仪表、谐振电路、电极系统和抗干扰措施4部分组成。信号发生器提供输出频率范围为0～55×105Hz、输出电压范围为1～5V的可调激励信号；测量仪表包括高频毫伏表、数字频率计、数字电压表等，主要用于信号监控和实验测试；谐振电路由标准电感和调谐电容组成，通过调节调谐元件使电路产生谐振状态，电极测试系统主要用于盛放实验样品，构成平板电容器；抗干扰措施主要用于降低干扰、减小误差。电极系统采用平行平板接触式三电极带屏蔽、接地的电极系统（见图3）［4］。基于谐振电路的测试方法上，其他液体的介电特性研究表明：915MHz和2450MHz下酒精的介电特性依赖于酒精的温度、类型和测量频率［5］。

图3 测试系统

2.2 平行极板电容法

食用油在煎炸食品时，往往是长时间反复加热使用的。在此过程中，产生对人体有害的物质。陈慰宗（1999）用测定油脂介电常数的方法确定食用油在使用过程中质量的恶化。其测试方法是制作一个合适大小的平行板电容器，使其能够完全浸入到油样品中，然后用万用电桥或电容测量仪测出它在空气及不同油样品中的电容。根据介电特性测试原理，假定一个电容器在空气中的电容是C0，把它浸入未使用过的新鲜的油中，其电容为C1，那么新鲜油的介电常数为!1=C1/C0，然后再浸入待测的油样中，测得的电容为 C2，则此油样的介电常数为!2=C2/C0，!2－!1为此油样使用后介电常数的变化，这个变化与油样中极化分子含量的变化成正比。陈慰宗（2000）使用平行板空气隙电容器，根据介质在平行板电容器极板间的极化原理，真空的相对介电常数为1，空气为1.00059，近似地把介质相对于空气的介电常数作为相对介电常数的值，测量一个空气隙平行板电容器在空气和完全浸没在油中的电容，就可以确定此种油的相对介电常数。通过测定精炼植物油花生油、大豆油和调和油经长时间高温加热和常温下长期存放后介电常数的变化，分析了油中的极化成分总含量与油的介电常数的关系，结果表明：提高油温、延长加热时间或长期存放都会使油的介电常数增加，从而导致油质量的恶化，为测定食用油在使用及存放过程中质量变化提供了测定方法。秦文（2006）采用自制平行平板电极连接电容仪对马铃薯油炸过程中大豆油的介电特性进行测定，研究了介电特性与酸价、过氧化值、色度的关系，结果表明：介电常数与食用油的三项指标之间都存在着一定的线性相关性。

2.3 同轴探头技术

终端开路的同轴探头是一个同轴传输线的断面。当探头浸入液体样品中或探头与固体样品表面相接触时，根据测试件反射给分析仪的信号幅值和相位而计算材料的介电参数和频率的关系［9］。其测量系统主要由网络分析仪或材料/阻抗分析仪、测试探头、测试软件和计算机等组成，同轴探头技术是目前国外最流行的介电特性测试技术。郭文川等（2009）采用同轴探头技术研究了20～90℃、200～4500MHz内菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、调和油的介电特性，分析了介电参数值随频率和温度变化的原因。结果表明：同频率下，菜籽油具有最大的相对介电常数和最小的介质损耗因数，而玉米油则相反。在500～4000MHz间，介电参数与食用油中的饱和与不饱和脂肪酸含量间具有较好的线性相关性。相对介电常数随温度升高线性减小，但介质损耗因数则线性增大。菜籽油的介电参数受温度影响变化最明显，而玉米油最不明显。随着频率或温度的增加，电磁能在食用油中的穿透深度减小。同轴探头技术由于具有简单、方便、无损、精确度较高的特点，被广泛应用于液体或湿含量比较高的半固态材料的介电特性研究中，是研究液体食品微波介电特性的主要方式。W.Guo（2007）利用同轴探头技术研究了鸡蛋在贮藏期间蛋清和蛋黄介电常数的变化规律［11］。结果表明蛋清的介电常数和介质损耗因子皆比蛋黄的高，而且鸡蛋的新鲜度影响介电参数值，但鸡蛋的介电特性与新鲜品质（哈夫单位和蛋黄指数）没有明显关系。P.Kumar（2007）应用开放式同轴探头技术对抽送物料在静态和连续流条件下进行介电特性研究，便于开发设计连续流微波加热系统。对

下6种颗粒状淀粉和其溶液在30～95℃下介电特性的研究说明介电特性依赖于含湿量和温度，而且淀粉的类型对介电特性有明显的影响［14］。乳清蛋白凝胶混合物的介电特性也依赖于温度和频率，且27MHz和40MHz下的穿透深度是915MHz和2450MHz下穿透深度的4倍，射频加热可用于加热包装的食品［15］。

3 介电特性在植物油类和其他食品中的应用情况

C.Inoue（2002）在研究频率和煎炸温度对豆油介电特性的影响时发现，介电常数可以用来即时或连续测定热油，在频率1～100kHz范围，通过几个特定温度（180、200、220、240℃）连续对豆油加热几天，结果发现，豆油的介电常数随着加热时间的延长而升高，并且和酸价、密度和相对粘度相关，通过这种方法可 以 实 现 即 时 或 连 续 评 价 油 品 品 质［16］。Yaghmaee.P（2002）在21℃，2450MHz频率下用开放式同轴探测法测定不同浓度和比例的NaCl、山梨醇和蔗糖混合溶液介电特性的变化，并能够用若干个方程明确评价糜状食品混合溶液和纯溶液的介电特性，通过实验得到的方程适用于纯溶液以及NaCl（0～6%）、山梨醇（0～18%）和蔗糖（0～60%）混合溶液，但对于鱼肉糜只有损耗因子能够用方程进行很好地评价［17］。Miura.N（2003）提出时域反射计量法（TDR，time－domain reflectometry）应用于微波介电舒张的测定，这种方法可应用于固体液体食品，频率范围在100kHz～10GHz之间，Miura认为舒张过程主要是由自由水和结合水的重排、表面极化以及链聚合等反应引起的，他用同样的方法检测威士忌酒、啤酒、白酒，结果观测到了这种舒张过程是由于水和酒精分子偶极的重排造成的［18］。电磁波的频率、酱油温度以及酱油浓度影响酱油的介电特性。1～20GHz下，全脂、低脂和脱脂新鲜牛奶以及室温下存放2周的变质牛奶的介电特性随频率而变，介电参数与牛奶中的脂肪含量及与稀释度的关系可用于粗略估计牛奶中各主要成分的含量［19］。Jasim（2007）在200～2500MHz内，采用开放式同轴探针法研究了浓度、温度和pH与大豆分离蛋白乳液的介电特性关系，有利于介电特性在微波和射频加热方面的应用，更有助于新产品的研发。

4 展望

近年来，由于食品物料的介电特性在食品检测领域有着广泛的用途，食品介电特性的研究越来越广泛。如基于介电特性对食品品质进行无损检测，利用介电特性对番茄和苹果品质识别、分级及介电特性在线监测食用菌干燥的过程。介电特性的研究对微波加热设备的研发很重要，对食品介电特性的研究，能使人们了解食品的射频或微波特性，研发出最具节能效果的介电加热设备。有关食品介电加热的研究也有很多，如鱼糜的微波加热特性、乳制品微波介电性能的测量和微波食品的开发。介电特性广泛应用于食品品质的无损检测中，对研发新的测量方法和测量设备具有非常重要的意义。但是现有的研究成果只体现在测试方面，在应用结果开发设备方面成果很少。采用介电特性检测食用油品质简便、易行，能够快速、准确地掌握食用油的质量。

［1］李书国，李雪梅，陈辉.我国食用油质量安全现状、存在问题与对策研究［J］.粮食与油脂，2005（12）：3－6.

［2］坎杂，等.介电特性的研究与应用［J］.中国农机化，2004（4）：39－41.

［3］殷之文.电介质物理学［M］.第2版.北京：科学出版社，2003.

［4］张俐，马晓愚，雷得无，等.基于食用植物油介电特性的实验研究［J］.东北农业大学学报，2008，39（10）：108－111.

［5］Liao X，Raghavan G S V，Yaylayan V A.Dielectric properties of alcohols（C1－C5）at 2450MHz and 915MHz［J］.Journal of Molecular Liquids，2001，94：51－60.

［6］陈慰宗.用介电常数法检测食用油在使用过程中质量的变化［J］.食品工业科技，1999，20（3）：62－63.

［7］陈慰宗，宋应谦，忽满利，等.食用油介电常数随加热时间和温度变化的实验［J］.西北大学学报，2000，30（4）：300－302.

［8］秦文.蔬菜物料的介电特性及其应用研究［D］.重庆：西南大学博士学位论文，2006.

［9］Hewlett－Packard.HP Dielectric materials measurements，solutions catalog of fixtures and software：complete solutions for dielectric materials measurements［Z］.Application Note，1992.

［10］郭文川，吕俊峰，谷洪超.微波频率和温度对食用植物油介电特性的影响［J］.农业机械学报，2009，40（8）：124－129.

［11］W Guo，S Trabelsi，S O Nelson，et al.Storage effects on dielectric properties of eggs from 10 to 1800 MHz［J］.Journal of Food Science，2007，72（5）：335－340.

［12］辛松林，秦文，江凌燕，等.介电特性在食品物料检测中的应用与进展［J］.现代食品科技，2007，23（1）：100－103.

［13］Ndife M K，Sumnu G，Bayindirli L.Dielectric properties of six different species of starch at 2450 MHz［J］.Food Research International，1998，31（1）：43－52.

［14］P Kumar， P Coronel， J Simunovic， et al.Sandeep.Measurement of dielectric properties of pumpable food materials under static and continuous flow conditions［J］.E：Food Engineering and Physical Properties，2007，72：177－183.

［15］Wang Y，Wig T D，Tang J，et al.Dielectric properties of foods relevant to RF and microwave pasteurization and sterilization［J］.Journal of Food Engineering，2003，57：57－268.

［16］C Inoue，Y Hagura，et al.The Dielectric Property of Soybean Oil in Deep－Fat Frying and the Effect of Frequency［J］.J Food Sci，2002，67（3）：1126－1129.

［17］Yaghmaee P，Durance TD.Predictive Equations for Solutions and Surimi at 2450 MHz［J］.J Food Sci，2002，67（6）：2207－2211.

［18］Miura N，Yagihara S，et al.Microwave dielectric properties of solid and liquid foods investigated by Time－domain Reflectometry［J］.J Food Sci，2003，68（4）：1396－1403.

［19］Nunes A C，Bohigas X，Tejada J.Dielectric study of milk for frequencies between 1 and 20 GHz［J］.JournalofFood Engineering，2006，76：250－255.

［20］Jasim Ahmed，H S Ramaswamy，G SV Raghavan.Dielectric properties of soybean protein isolate dispersions as a function of concentraion，temperature，and pH［J］.LWT，2008，41：71－81.

［21］郭文川，朱新华.国外农产品及食品介电性测量技术及应用［J］.农业工程学报，2009，25（2）：308－312.

［22］师萱，张伟敏，钟耕.介电特性在农产品品质检测分析中的应用［J］.中国食品添加剂，2006（5）：136－138，143.

［23］冯宝萍.介电常数与食用油质量［J］.新乡教育学院学报，2003，16（1）：52，63.

［24］Hu Lizhi，Toyoda K，Ihara I.Dielectric properties of edible oils and fatty acids as a function of frequency，temperature，moisture and composition［J］.Journal of Food Engineering，2008，88（2）：151－158.

［25］朱哲燕.大豆含水率电特性实验研究［J］.浙江大学学报：农业与生命科学版，2005，31（2）：220－224.

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 *通讯联系人

张春娥（1987－），女，在读硕士，研究方向：农产品加工与贮藏。

公益性行业科研专项（200910034）。