通电加热过程中鰤鱼的介电损失率变化

陈超，邱伟强，福冈美香，酒井升，程裕东，金银哲*

1(上海海洋大学 食品学院，食品热加工工程中心，上海，201306) 2(东京海洋大学 食品生产科，日本 东京，108-8477)

通电加热过程中鰤鱼的介电损失率变化

陈超1，邱伟强1，福冈美香2，酒井升2，程裕东1，金银哲1*

1(上海海洋大学 食品学院，食品热加工工程中心，上海，201306) 2(东京海洋大学 食品生产科，日本 东京，108-8477)

为了测定鰤鱼鱼片的介电损失率，通过LCR(heinrich lenz-capacitor-resistance)测试仪直接测定了通电加热过程中鰤鱼鱼片的电导率，并利用电导率计算得到了用于加热(如通电、微波、射频加热等)模拟所需的重要参数-介电损失率，考察了频率(50～20 000 Hz)、温度(15～80 ℃)、水分及脂肪含量(白色与红色鱼块)、电流方向与鱼块的摆放方式(并联和串联)对鱼片介电损失率的影响。结果表明：介电损失率随频率和温度的增加而增加；脂肪含量少的白色鱼块的介电损失率较脂肪含量多的红色鱼块更高；并联模式的介电损失率较串联模式更高，膜的存在会影响电子的移动，降低电导率，使介电损失率降低。样品结构变化、加热过程中蛋白质变性和汁液损失也是介电损失率变化的影响因素。蛋白质变性导致汁液流失，汁液损失率随着温度的升高而增加，80 ℃时可达14%左右。鱼片中膜的存在是影响其介电损失率的主要原因之一，也会影响通电加热时的加热速率。

鰤鱼；介电损失率；通电加热；鰤鱼鱼肉的膜

通电加热技术作为食品工程中的一门新兴技术，因其加热迅速而广泛使用在食品工业及相关领域[1-5]。通电加热也叫焦耳加热，是在电路中把物料作为一段导体，利用它本身在导电时所产生的热量达到加热的目的[6-9]。在通电加热过程中，食物成分作为交变电流中的电阻的一部分，因其内在属性自发将电能转换成热能[11-13]。介电特性，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和介电损失率等，介电常数是电介质固有的一种物理属性，电介质一般具有固定的介电常数，表示该物质存储电场能量的能力，反映该电介质提高电容器电容量的能力，介电损失率反映电介质在电场中损耗的能量。电介质在交变电场中，由于消耗部分电能而使电介质本身发热[14-15]。因介电损失率表示的是物质产生热能的能力，所以在描述和模拟通电加热过程中的温度分布研究中是必不可少的一个物理参数[16]。

国内外研究者对食品的介电特性进行了广泛而深入的研究，发现频率、温度和水分含量是影响食品介电特性的主要因素。KUMAR等[17]研究了工业生产中蔬菜泥的介电特性，结果表明随着温度升高，介电常数降低，介电损失率升高。SHARMA等[18]研究了2 450 MHz下大蒜的介电特性与温度和水分含量的关系，发现随着水分含量的降低，介电常数和介电损失率急剧降低，而穿透深度却急剧升高。GUO等[19]研究了水分含量(17.4%～42.6%)、温度(20～80 ℃)、频率(10～4 500 MHz)对蜂蜜介电特性的影响，介电常数和介电损失率均随着水分含量和温度升高而升高，高水分含量和温度对介电特性值的影响较大，而较低的水分含量和温度对介电特性值影响较小。AL-MUHTASEBA等[20]对不同水分含量、温度、频率下的面粉糊介电特性进行了考察。何天宝[15]等研究了温度和频率对罗非鱼鱼糜介电特性的影响，研究表明频率一定时，鱼糜的介电常数随着温度升高而降低；温度相同时，频率增加，鱼糜的介电常数反而减小；而温度与介电损失率的相关性则与频率有关。张保艳[16]等研究了温度、频率和水分含量对罗非鱼介电特性影响。上述研究中，所涉及到的介电特性值都在高频(高于1 MHz)中，并没有涉及到低频(20 kHz以下)。通电加热所采用的频率通常在数十至数千Hz范围。因此，有必要研究在低频下的介电特性值[21-22]，尤其是介电损失率值。

鰤鱼属鲈形目，鲹科[23]，是一类快速游泳、温水的肉食性鱼类。它生长速度快，肉质鲜美，富含蛋白质、脂肪、VA、VB、和VB2等[24]。在日本，已经有了数十年的养殖历史，已成为日本海水网箱养鱼产量居第一位的重要养殖对象，目前已在我国南方开始试养[25]。鰤鱼的养殖量巨大，每年的养殖量可达到约100 000 t，是日本最大的水产养殖海洋鱼类。另外，鰤鱼的质量较大，一般能达到7～8 kg以上，有利于应用在商业灭菌、巴氏杀菌和各种热处理方法中。因此，本研究以鰤鱼为对象，考察了频率、温度、组成成分及膜的存在对鰤鱼鱼片在通电加热过程中介电损失率的影响，其目的在于提出一种可直接测定鱼片介电损失率的方法，为预测和分析固体食品在连续通电加热过程中的加工特性提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

试验采用的鰤鱼(7～8 kg)，购于东京中央批发市场；乙醚，日本和光纯化学工业；钛电极板(20 mm×100 mm，厚度为0.5 mm)，日本东京HANDS；聚丙烯容器(厚度为5mm)，实验室制备。

通电加热设备(HJU3000-HF-30)，日本HANO有限公司；LCR测量仪(HiTESTER3532-50), 日本日置公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

将鰤鱼去头，去除鱼皮和骨头，分成白色鱼块和红色鱼块，并切成长宽高分别为2 cm的鱼片(质量为8 g)，并按照电流方向又分为并联和串联2种(如图1所示)。

图1 电流与样品的并联(a)和串联(b)关系Fig.1 Parallel (a) and series (b) types in this study

并联模式时，电流方向与鱼块中的膜鱼身呈平行状态；串联模式时，电流方向与鱼块中的膜呈垂直状态。分别将白色鱼块和红色鱼块用较快的速度用刀切碎5 min左右，制成鱼糜。在尽量不改变鱼片纤维方向的情况下，用戴胶皮手套的手将鱼片中的膜取下，制成去膜之后的样品。每种样品都称取8 g，装在聚丙烯容器并储存在-60 ℃冰箱中。使用前，在5 ℃的冰箱里放置30 min以上。

1.2.2 电阻的测定

将样品放在聚丙烯容器中，两端为钛电极板，电极板的长宽分别为100 mm和20 mm，电极之间的距离为20 mm。通电加热设备输送的交流频率为20 kHz，输出电压为20 V。将K型热电偶探针(φ= 0.5 mm)用聚四氟乙烯膜覆盖之后插入到样品的几何中心，测定其温度变化，样品的初始温度为15 ℃。所有样品是从初始温度用通电加热设备分别加热到30，40，50，60，70，和80 ℃，到达指定温度后停止加热，断开通电设备与两电极之间的连接，并用LCR测量仪连接样品容器两边的电极，测定其电阻。

1.2.3 电导率与介电损失率的计算

电导率的计算公式如下：

(1)

式中:σ，电导率(S/m)；L为样品长度，m；A为样品的横截面积，m2；R为样品的电阻，Ω。电导率和介电损失率的相关关系如下：

σ=ωε0ε″

(2)

式中:ε″为介电损失率；ω为角频率(rad/s)；ε0为真空绝对介电常数，其值为8.854 × 10-12(F/m)。

1.2.4 水分和脂肪含量

鰤鱼鱼片的水分和脂肪含量分别用干燥法和索氏提取方法测定[26]。

1.2.5 数据分析

用软件Origin 8.0进行数值分析。通过计算后的拟合系数用来衡量实验数据与数学模型的拟合程度。样品去膜之后的差异性采用t检验方式衡量，且用Microsoft Excel 2007软件进行计算。

2 结果与讨论

2.1 频率的影响

在交流电路中，不同的频段会对电阻产生不同的影响。因此，不同频段时并联电路和串联电路中的电阻和阻抗都会出现不同值。当一个电路连接食品时，它会感应电阻使当前的电流受到干扰而变化。随着频率的增加，食品物料的电阻表现出相同的趋势；即，低于一定频率(5 000 Hz)时，鰤鱼鱼片的介电损失率随频率的增加而增加，但大于5 000 Hz之后，其介电损失率趋于稳定(如图2所示)。考虑到通电加热设备的输出频率为20 kHz，且不管是并联还是串联方式其电阻值都和直流时的电阻值相一致，因此本研究的频率固定为20 kHz。

图2 鰤鱼白色鱼片在不同频率下的介电损失率(80 ℃)。Fig.2 Dielectric loss factor of white parts of yellowtail fillets atdifferent frequencies (80 ℃)

2.2 温度的影响

在20 kHz频率下，随着温度的升高，鰤鱼鱼片的介电损失率也线性增加(P<0.01)(如图3所示)。

图3 鰤鱼的白色(a)和红色(b)鱼片在并联和串联方式中的介电损失率Fig.3 Dielectric loss factor of white (a) and red (b) muscles of yellowtail fillets for parallel and series types

随着温度的升高，蛋白质变性加剧，汁液损失率增加，阻碍离子移动的作用越来越小，离子运动增强，使其电导率和介电损失率增加。加热过程中，汁液损失率随着温度的增加而增加(如图4所示)，且水分流失是烹饪损失中的主要部分[27]。

图4 鰤鱼鱼片在通电加热过程中的汁液损失率Fig.4 Loss rate of yellowtail fillets during ohmic heating

样品从初始温度上升到40 ℃时，白色鱼块的汁液损失率大于红色鱼块；但当温度达到50 ℃以上之后，红色鱼块的汁液损失率反而大于白色鱼块。这与不同样品(白色与红色鱼块)所含有的水分和脂肪含量的不同有关，也和样品在加热过程中的蛋白质变性有关。当2种样品温度达到80 ℃时，其汁液损失率都达到14%左右。热处理过程中，蛋白质变性是水分流失和鱼片结构变化的主要原因[28]。在加热过程中，鰤鱼鱼片肌球蛋白的变性温度为40～50 ℃，且在70 ℃左右时，绝大多数的蛋白质会变性。由于加热引起的肌球蛋白和肌动蛋白的变性，肌原纤维收缩，使鱼片失去水分[29]。

2.3 脂肪的影响

无论是并联还是串联模式，白色鱼片的介电损失率都大于红色鱼片(图3)。鱼片的水分和脂肪含量会影响其介电特性[30]。白色鰤鱼鱼片(63.5±1.0)%的水分含量大于红色鱼片(60.4±1.6)%，但脂肪含量(7.3±0.9)%小于红色鱼片(18.7±2.1)%。这些水分和脂肪含量的结果与一些日本研究人员先前报道的结果相似，但不同于韩国研究人员所报道的结果[31]。这些差异可能是因为不同的生长环境，生长年龄，捕捞季节，肥瘦程度等原因所造成的。样品中水分含量的增加会增加电导率和介电损失率，但脂肪含量的增加会减少其电导率和介电损失率。鰤鱼鱼片中提取的鱼油的介电损失率明显小于同等温度下蒸馏水的介电损失率(如图5所示)，间接说明脂肪含量的增加会减少样品的介电损失率。不同样品中水分子流动性的差异也会导致介电损失率的不同。鰤鱼白色鱼片的水分扩散系数大于红色鱼片，表明白色鱼片中水分子的流动性大于红色鱼片[32]。水分子流动速度的增加，加速了水分子中含有的各种离子的移动，使其介电损失率增加，也会使其加热速率增加。

图5 鰤鱼鱼片中提取的油和水的介电损失率Fig.5 Dielectric loss factor of oil from yellowtail fillets and water

图6 鰤鱼鱼糜的介电损失率Fig.6 Dielectric loss factor of minced yellowtail

鰤鱼鱼糜的介电损失率也随着温度的增加而线性增加(P<0.01)(如图6所示)。鱼糜的制作过程会破坏鱼片本身的结构，减少了结构所带来的误差，所以其介电损失率的误差很小。在鱼糜的制备和加热过程中的结构变化也会导致电导率[33]和介电损失率的变化。如图6所示，除去结构变化引起的变化之外，只能看到红肉和白肉因水分和脂肪含量不同而引起的介电损失率的不同。

2.4 膜的影响

无论是白色还是红色鱼片，并联模式鱼片的介电损失率大于串联模式。这是因为鱼片中膜的存在所导致的。为了证明这一点，测定了白色鱼片去膜之后的介电损失率(如图7所示)。t检验结果显示，去膜之后的并联和串联模式鱼片的介电损失率没有显著性差异。如果不考虑膜的影响，不同样品的介电损失率将呈现很大的差异，且在通电加热过程中鱼片的升温速率也将会呈现很大的不同，会导致不同鱼片的最终温度也呈现很大的不同。综上所述，样品中膜的存在，也是影响样品介电损失率的重要因素之一。

图7 鰤鱼白色鱼片去膜之后的介电损失率Fig.7 Dielectric loss factor of white muscle of yellowtail fillets after remove membrane

3 结论

利用LCR测定仪测定了鰤鱼鱼片的电导率，并利用公式计算得到了其介电损失率。频率、温度、鱼片的组成成分，包括水分和脂肪含量，以及膜的存在都影响着介电损失率，也影响着加热过程中的升温速率和温度分布。鰤鱼鱼片的介电损失率随着频率的增加而增加，且随着温度增加而线性增加。相同条件下，并联模式时的介电损失率要大于串联模式，且白色鱼块的介电损失率要大于红色鱼块。说明鱼片中膜的存在和脂肪含量的不同会影响鱼片的介电损失率。并联模式的鱼片去膜之后的介电损失率与串联模式没有显著性差异，进一步说明鱼片中膜的存在对介电损失率的影响较大。除此之外，样品结构的变化，通电加热过程中蛋白质变性和汁液流失也是介电损失率变化的影响因素。随着通电加热时间的增加，汁液损失率也增加。当样品温度达到80 ℃时，其汁液损失率都达到14%左右。其中，脂肪含量的不同和膜的存在对于鱼片的电导率和介电损失率起着至关重要的作用。作为一个高频加热技术的重要参数，介电损失率将被用来计算和模拟鱼片在各种射频、微波、通电等加热过程中的温度分布和加热特性。上述结果为鱼片的连续通电加热和其他食品加工提供了基础数据和理论依据。

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Dielectric loss rate of yellowtail fillets during ohmic heating

CHEN Chao1, QIU Wei-qiang1, FUKUOKA Mika2, SAKAI Noboru2, CHENG Yu-dong1, JIN Yin-zhe1*

1(Engineering Research Center of Food Thermal-processing Technology, College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China) 2(Department of Food Science and Technology, Tokyo University of Marine Science and Technology, Tokyo 108-8477, Japan)

Dielectric loss rate of white and red muscles of yellowtail fillets were calculated from measured electrical conductivity at frequencies between 50 and 20 000 Hz from 15 to 80 ℃ to provide insights on improving the modeling of continuous ohmic heating (OH) in fish products by LCR (Heinrich Lenz-Capacitor-Resistance). The effects of frequency, temperature, muscle composition (moisture and fat content), muscle and current direction (parallel and series), and muscle membrane on dielectric loss rate were investigated during OH. At 20 kHz, the dielectric loss rate of yellowtail fillets increased with the increase of frequency and temperature. Compared with red muscle, white muscle has a higher dielectric loss rate. The parallel type of yellowtail fillets has a higher dielectric loss rate than the series type. Temperature, fat, moisture contents, and current direction all influenced the dielectric loss rate, especially the muscle membrane which connected fiber has a major influence to both types of muscles. The structure change, protein denaturation and drip loss were also the influence factors during heat processing. Protein denaturation lead to the drip loss, and drip loss rate increased with the increase of temperature. The maximum drip loss was about 14% when temperature increased to 80 ℃. The membrane is one of the main factors affecting the dielectric loss rate and heating rate during ohmic heating.

yellowtail fillets; dielectric loss factor; ohmic heating; muscle membrane

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201704014

本科生(金银哲副教授为通讯作者，E-mail：yzjin@shou.edu.cn)。

上海市科委部分院校能力建设项目(12290502200)；上海高校知识服务平台-上海海洋大学水产动物遗传育种中心(ZF1206)；上海海洋大学科技发展专项(A2-0203-00-1000208)；上海海洋大学博士启动基金(A2-0203-00-100340)

2016-05-18，改回日期：2016-07-07