全脂乳粉和脱脂乳粉在1KHZ～10MHZ下的介电特征研究

金亚美，王 宁，孟 彤，崔文华，郭光辉，杨 哪，金征宇，徐学明

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏无锡214122)

全脂乳粉和脱脂乳粉在1KHZ～10MHZ下的介电特征研究

金亚美，王 宁，孟 彤，崔文华，郭光辉，杨 哪，金征宇，徐学明*

(江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江南大学食品学院，江苏无锡214122)

分别研究了各4种不同品种的全脂乳粉和脱脂乳粉在1kHz～10MHz波段的介电特性。结果发现:随着频率的增加，全脂乳粉和脱脂乳粉的ξ'和ξ″值呈单调递减趋势;全脂乳粉的ξ'和ξ″值都高于脱脂乳粉，相同类型乳粉各品种间的ξ'和ξ″差异不大;全脂乳粉的ξ″值在103～105Hz频率段减小趋势明显，且ξ″值的对数与频率的对数成线性反比关系，而脱脂乳粉无此规律;全脂乳粉和脱脂乳粉的穿透深度Dp随频率的提高而减小，两类乳粉的介电特性差异可能与它们各自的脂肪和乳糖含量有关。

全脂乳粉，脱脂乳粉，介电特性

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

全脂乳粉 随机选择超市4个不同品牌的全脂乳粉，按全脂品种1、全脂品种2、全脂品种3、全脂品种4编号;脱脂乳粉 随机选择超市4个不同品牌的脱脂乳粉，按脱脂品种1、脱脂品种2、脱脂品种3、脱脂品种4编号，以保证不同种类的全脂乳粉和脱脂乳粉在蛋白质、脂肪、乳糖、水分含量上存在差异。

65120B型精密阻抗分析仪 英国Wayne Kerr。

1.2 实验方法

1.2.1 全脂乳粉和脱脂乳粉的主要理化特性测定水分:《AOAC Official Method 927.05》奶粉中的水分真空干燥法测定;蛋白质:《AOAC Official Method 930.29》奶粉中蛋白质的测定;脂肪:《AOAC Official Method 932.06》奶粉中脂肪的测定;乳糖:《AOAC Official Method 980.13》牛奶巧克力中乳糖的色谱法测定。

1.2.2 全脂乳粉和脱脂乳粉的介电特性测定 采用精密阻抗分析仪和平行板(圆形)介电治具1J1011测量粉末物料介电特性。分别称取4个不同种类的全脂乳粉和脱脂乳粉各1g，置于平行板介电治具中，其中粉末物料测试直径18mm、厚度1mm。由精密阻抗分析仪计算出物料的相对介电常数ξ'和介质损耗因数ξ″。本阻抗分析仪可提供从超低频到射频范围(1kHz～10MHz)间50个频率点下的介电特性值。测试前分别用空气、标准电容和电阻对介电治具在所测频率区间进行开路和短路校准，然后运行并记录数据。

2 结果与讨论

2.1 全脂乳粉和脱脂乳粉介电参数的频率特性

相对介电常数ξ'表示电介质在交变电场下对电场能量的储存能力大小，而介电损耗因数ξ″表示电介质中的偶极子在交变电场下克服随机碰触的干扰，沿着不同方向来回取向时的能量损耗［10］。图1和图2分别为全脂乳粉和脱脂乳粉各自的ξ'数和ξ″平均值的频率依赖性。说明随频率的增加，全脂乳粉和脱脂乳粉的ξ'和ξ″值呈单调递减趋势。全脂乳粉的ξ'和ξ″值都高于脱脂乳粉，全脂和脱脂的各品种间乳粉ξ'和ξ″差异不大，都是随频率的提高而减小，其中全脂乳粉的ξ″值在103～105Hz频率段减小趋势明显，而在105～107Hz频率段减小趋势缓慢。从表1得出，全脂乳粉和脱脂乳粉成分差异较大的是乳糖和脂肪含量，这可能是由于脂肪和乳糖分子的正负电子云中心不重合形成偶极子的偶极距不一，在交变电场下发生取向极化存在差异，材料的取向极化又与交变电场频率、分子热运动阻碍及分子间作用有关［11］，故造成它们介电特性的不同。

图1 常温下4种全脂乳粉和脱脂乳粉的相对介电常数的频率依存性Fig.1 Frequency dependence of relative dielectric constant of powder of four whole milk and skimmed milk at room temperature

图2 常温下4种全脂乳粉和脱脂乳粉的介电损耗因数的频率依存性Fig.2 Frequency dependence of loss factor of powder of four whole milk and skimmed milk at room temperature

表1 不同种类全脂和脱脂乳粉的蛋白质、脂肪、乳糖和水分含量(%)Table 1 The content of water，lactose，fat and protein in different kinds of powder on whole milk and skimmed milk(%)

表2是1kHz和10MHz时各类全脂乳粉和脱脂乳粉常温下的介电参数。由图1、图2可知，当频率小于105Hz时，全脂乳粉的介电损耗因数的对数几乎与频率的对数成线性反比关系，类似规律在其他食品物料中也存在［12］，但此现象在脱脂乳粉中没有发现，这可能与脂肪和乳糖在交变电场下分子形成的偶极子取向极化有关。图3反映的是在对数坐标下各类全脂乳粉的介电损耗因数在103～105Hz的频率依存性的线性关系，可用下式描述:

式中:a－直线斜率;b－直线在Log ξ″轴上的截距。表3表示其拟合公式的a和b值及决定系数R。

图3 常温下全脂乳粉的介电损耗因数在103～105Hz频率依赖性的对数图Fig.3 Log－log plot of frequency dependence of loss factor of whole milk powder from 103Hz to105Hz at room temperature

表2 1kHz和10MHz下各类全脂乳粉和脱脂乳粉常温下的介电参数Table 2 Dielectric permittivities of powder of four whole milk and skimmed milk under 1kHz and 10MHz at room temperature

表3 各种全脂乳粉的a和b拟合值以及决定系数RTable 3 Values of regression constants a and b and coefficients of determination for whole milk powder

2.2 全脂乳粉和脱脂乳粉的穿透深度

穿透深度(depth of penetration)是指某频率的电磁波进入某种介质的深度。在交流电法勘探中，习惯上把振幅值衰减到它在表层值的1/e(约37%)时的距离称作穿透深度，常用符号d表示［11］。公式如下:

式中:c－光速(3×108m/s)，f－电磁波频率，Dp－穿透深度。图4是常温下，不同种类全脂乳粉和脱脂乳粉在不同频率下的穿透深度。由图4可以看出，全脂乳粉和脱脂乳粉的穿透深度都随频率的提高而减小，该现象与不同储藏期鸡蛋在不同频率的穿透深度变化规律一致［8］。

图4 常温下4种全脂乳粉和脱脂乳粉的穿透深度Fig.4 Penetration depths for milk powder at room temperature

不同的食品原料和生物组织因自身的介电特性差异，使得不同频率电磁波进入材料内部的深浅不一，造成其对不同频率电磁波吸收后转化为热能的效率不同。有的食物原料对相对高频率的电磁波有高效吸收，而有的食物对相对较低频的电磁波有高效吸收，由于食品原料体系的复杂性，若只对其中某些成分进行处理，而不影响其他成分或者说对其他成分影响较小时，则需比较成分间的介电特性后进行合适处理波段的选择。微观上是因为不同成分分子正负电荷中心不重合，存在偶极距，造成的偶极子弛豫效应不同。故商业电磁波频率选择2.5GHz作用于食品时，此刻水分子因反复取向极化摩擦剧烈，将电磁波能量转化成热能的效率最高，穿透深度为4.8cm，可起到均匀加热食品的作用［13］。

3 结论

研究表明，全脂乳粉和脱脂乳粉的ξ'值和ξ″值随频率呈单调递减趋势，且全脂乳粉的ξ'和ξ″值都高于脱脂乳粉;全脂乳粉的ξ″值在103～105Hz频率段减小趋势明显，并且ξ″值的对数与频率的对数成线性反比关系，但脱脂乳粉无此规律现象;全脂乳粉和脱脂乳粉的穿透深度Dp随频率的提高而减小，两类乳粉的介电特性差异可能与它们各自的脂肪和乳糖含量有关，需进一步探讨交变电磁场中脂肪和乳糖分子水平上的各种极化机制及偶极子的弛豫过程，为其他食品物料介电特性的研究和应用提供参考。

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Dielectric properties of whole milk powder and skimmed milk powder from 1kHz to 10MHz

JIN Ya－mei，WANG Ning，MENG Tong，CUI Wen－hua，GUO Guang－hui，YANG Na，JIN Zheng－yu，XU Xue－ming*
(State Key Laboratory of Food Science＆Technology，School of Food Science＆Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

The dielectric constant and loss factor of powder of four whole milk and skimmed milk over the frequency range from 1kHz to 10MHz were measured at room temperature.The results indicated that the dielectric constant，loss factor and depth of penetration of powder of whole milk and skimmed milk decreased monotonically as frequency increased，and there were no obvious difference between the cultivars of powder on whole milk and skimmed milk.The dielectric constant and loss factor of whole milk powder were higher than those of skimmed milk.The whole milk powder exhibited significant drop in loss factor and inverse proportion linear relationships were evident between the log of frequency and loss factor below 105Hz，but this was not found in the skimmed milk powder.The contents of fat and lactose were related with dielectric properties.

whole milk powder;skimmed milk powder;dielectric properties

TS252.51

A

1002－0306(2012)08－0152－04

材料的介电特性可以用来衡量食品的物性特征。电导性、偶极子、电子、离子以及 Maxwell－Wagner机制都与材料的介电特性有关，且直接被电磁波的频率所影响［1］。食品物料的电学特性介于导体和绝缘体之间。介电特性的研究主要集中在音频、射频和微波范围内，如食品的射频和微波杀菌、加热、解冻都与物料的介电特性有关［2－4］。针对不同测试方法、不同测试条件下物料介电参数的统计，获得被测样品的某些品质变化规律，例如含水率［5］、容积密度［6］、成分含量［7］、新鲜度［8］等，确定最佳测试条件，探索物料品质与介电性质的关系，这些研究均有很大实际意义。就营养成分而言，全脂乳粉和脱脂乳粉主要在脂肪、蛋白质、乳糖、水分等含量上有较大差异。2006年 A C Nunes等人研究了高频1～20GHz下不同液态乳的介电特性，发现其浓缩程度、脂肪含量、碳水化合物等与其介电特性有一定相关性［9］。本文研究在音频和射频波段1kHz～10MHz区间这两类乳粉的介电特性，旨在发现它们之间介电特性差异，为乳粉种类快速定性检测提供新的依据。

2011－07－28 *通讯联系人

金亚美(1990－)，女，本科，研究方向:动物科学。

国家自然科学基金(31071490)。