苹果介电特性对其射频加热均匀性的影响

周敏姑，欧业宝，张 丽，高　彤，王云阳

苹果介电特性对其射频加热均匀性的影响

周敏姑1，欧业宝2，张 丽2，高彤2，王云阳2※

（1. 西北农林科技大学旱区节水农业研究院，杨凌 712100； 2.西北农林科技大学食品科学与工程学院，杨凌 712100）

射频加热作为一种新型的热加工技术，在果蔬烫漂工艺中应用潜力巨大。介电特性是影响果蔬射频加热的主要因素，其大小受到电磁场频率、温度以及水等因素的影响，依据介电特性变化可以对果蔬烫漂工艺进行优化改进。该文选用富士和秦冠2个苹果品种，采用末端开路同轴探头技术测定了不同温度（25、40、60、80、95 ℃），不同频率（12～3 000 MHz）下，苹果的介电特性的变化规律。采用6 kW、27.12 MHz的射频加热系统在不同极板间距（110、120、130 mm）下，对苹果块进行加热处理，通过荧光光纤测温探头监测样品的中心温度，得到3种不同极板间距下苹果块中心温度从25升至95 ℃的升温曲线和升温速率。用红外热像仪测定加热前后苹果块表面的温度分布，研究了苹果块射频加热均匀性。结果表明：苹果果肉的介电常数和损耗因子在12～3 000 MHz之间随着频率的增大先降低，后增大，再降低；温度对苹果果肉的介电常数和损耗因子的影响没有特定的规律；射频加热苹果块时，极板间距110 mm时升温最快，130 mm时升温最慢，各需要120和150 s。且苹果块中心温度随时间近似线性增长，射频加热过程中，苹果块表面温度分布表现出中心加热现象，即中心温度高，边缘温度低。

水果；射频；加热；苹果；介电特性；均匀性

0 引 言

中国作为世界上苹果主产国之一[1-2]，拥有的面积和产量分别占世界的40%和33%，均居世界首位[3]。近几年，中国苹果产量仍保持逐年增加，无论是烹食、酿造、罐藏还是鲜切、榨汁都受到人们的喜爱[4]。

烫漂技术作为苹果乃至果蔬加工过程最重要的前处理之一[5-7]，不仅有效的抑制了果蔬在运输、储藏加工过程中由氧化酶引起的营养物质的氧化损失、褐变等不良反应[8-9]，而且还能杀虫杀菌，达到提质保鲜的效果[10-11]。传统的果蔬烫漂技术多采用热水烫漂和蒸汽烫漂[12-13]，但高温处理不仅会造成果蔬品质以及贮藏性能的下降，还会产生异味[14]。除此之外，这2种技术都存在传热速度慢、色泽变化严重、营养物质损失大、水资源损耗大等缺点[15-16]。近年来人们在传统烫漂方法的基础上研究了一些新型的干法烫漂技术[17]，其中射频加热技术成为研究的新课题。

射频（radio frequency，RF）属于一种高频交流电磁波，频率范围在1～300 MHz[18-20]。射频加热系统可被看成一个由上下2个极板组成的电容器[21]，被加热物体放置在2个极板之间，极板之间会形成频率为10～40 MHz、电压为5 kV以上的交流电磁场[22]，高频交流电磁波能穿透到物料内部，使物料中的极性分子被极化后往复旋转[23]，带电离子还会随着电磁波正负性的改变不断往复运动，导致物体中的分子或原子相互之间剧烈碰撞和摩擦，这些相互作用导致电磁波损耗，不断地产生热量而使物料升温[24]。因此射频加热技术的本质是把电磁波的电能转变成物体的热能，从而达到对物体进行加热升温的目的[25-26]。

目前已有研究将射频加热作为一种新型烫漂技术用于果蔬的加工工艺中，张永迪等[27]采用射频加热烫漂测定苹果片颜色和质构的变化，结果表明，随着烫漂温度的升高苹果片护色效果变好，硬度减小，细胞破坏程度增大，升温速度越快对苹果片细胞破坏越小；Zhang等[28]研究了射频辅助烫漂对马铃薯多酚氧化酶、颜色和微观结构的影响，结果表明：射频处理对马铃薯灭酶效果较好，储藏性能稳定，温度过高会导致马铃薯色泽及质构发生显著变化；刘家璇等[29]对不同时间（20、30、40、50 min）射频预处理后的杏果进行热风干燥, 测定在干燥过程中杏果水分含量、营养成分变化和最终干制品的营养成分含量，结果表明：射频预处理可提高杏果热风干燥速率，有利于营养成分溶出或提取。因此，射频加热在果蔬的灭酶护色、营养成分保持和升温速度等方面明显优于传统加热方式。然而，在射频加热过程中，由于食品物料的复杂特性而影响加热过程中温度的分布均匀性。如物料的介电特性、热特性、形状、组分等。其中最主要的影响因素是物料的介电特性，受电磁场参数、频率、温度、外形参数以及水分等因素的影响，其分布会随着温度发生变化，其大小影响射频波穿透物料的深度，从而影响加热均匀性。因此，射频加热是一个非常复杂的过程，射频加热技术应用于果蔬烫漂工艺中尚需一定研究[30]。

本试验以新鲜苹果为材料，测定苹果介电常数和介电损耗因子随频率和温度变化规律及苹果块射频加热均匀性进行研究，以期为射频加热技术在苹果乃至果蔬漂烫工艺方面的应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验选取“富士”和“秦冠”2个苹果品种，均从陕西省咸阳市礼泉县某小商户的冷库中筛选出成熟度一致、无物理破损和生物伤害的苹果样品。自封袋封存，放入4 ℃的冷藏柜中，试验前18 h取出，放入25 ℃的恒温箱中。

1.2 仪器与设备

E4991B射频阻抗材料分析仪（是德科技中国有限公司）、SST-20制冷加热循环器（无锡冠亚恒温制冷技术有限公司）、GF-6A-27-JY射频加热器（河北华氏纪元有限公司）、HQ-FTS-D1F00荧光光纤测温仪（西安和其光电有限公司）、FLIR-A300红外热像仪（美国菲力尔公司）。

介电特性测试系统由3部分组成：1）E4991B射频阻抗材料分析仪，测定样品的介电性能，频率范围为1～3 000 MHz，采用开放末端同轴探头技术进行测定；2）放置样品的套筒；3）SST-20型制冷加热循环器，对样品进行升温、降温。见图1。

图1 介电特性测试系统

射频加热系统采用GF-6A-27-JY型射频加热器，包括射频加热系统和热风辅助加热系统2部分组成。本次试验中未开启热风加热系统。射频加热额定功率6 kW，频率27.12 MHz。射频加热腔由上下2个极板组成，加热面积为650 mm×450 mm，2个极板间距调整范围60～215 mm，系统通过调整极板间距来改变射频加热器的输出功率，使物料获得不同的加热升温速率。样品内部温度通过荧光光纤测温系统进行实时测量，将光纤探头插入样品采集温度数据，检测温度范围为−30～200 ℃，温度变化曲线通过软件由电脑输出。见图2。

图2 射频加热系统示意图

1.3 试验方法

1.3.1 介电特性测定

食品物料的介电特性使得物料可以像电容器一样在电磁场中存贮电能，将电能转化为热能使物料升温。包括两部分：介电常数和介电损耗因子。介电常数反映物料存储电场能量的能力，介电损耗因子决定物料损耗电场的能力。因此，介电特性决定了电场能量和物料的相互作用。在射频加热中，食品物料的复介电常数由公式（1）表示[31]。

介电特性是影响射频加热均匀性的主要参数之一。当电磁波到达物料表面时，部分电磁波被反射回来，剩下的电磁波会穿入物料，而强度随着穿透深度d的增加而减小。d为电磁波到达食品物料后，能量衰减至表面强度的1/(=2.71828)的位置到表面的距离，是衡量电磁波在物料内部渗透时电磁能衰减的指标，是物料内部温度分布形成的重要因素。电磁波穿透深度越浅，表面加热效果越好，但温度分布不均匀性越显著。反之，加热均匀性越好。物料穿透深度d如公式（2）所示[32]。

式中是真空条件下的光速(3×108m)，是电磁波频率，Hz。

从公式（2）看出，电磁波频率是影响穿透深度d继而影响射频加热均匀性的另一关键参数，当介电常数和损耗因子一定时，频率越低，穿透深度d越深，电磁场强度变化较小，物料的加热均匀性也会提高。频率一定时，损耗因子太高，会导致d减小，引起表面加热。相反，会使物料对电磁波变成透明体。然而，食品物料的介电特性会随着电磁场的频率、物料的温度、水分等因素而发生变化，因此射频加热是一个非常复杂的过程。

样品预处理：苹果介电特性测试前18 h，将冷藏柜中的苹果样品取出，置于恒温箱中（25 ℃）回升至室温后去皮。用打孔器在平行于苹果中心线方向切出一个直径21 mm、高40 mm的圆柱形果肉样品，见图3。

图3 圆柱形苹果果肉样品示意图

图1所示测定苹果的介电特性系统，设定温度范围20 ℃～100 ℃，频率范围1～3 000 MHz。试验设计的测定温度为25、40、60、80、95 ℃，测试频率为13.56、27.12、40.68、915、2 450 MHz，先测定苹果介电特性，然后分析苹果的介电特性随温度和频率的变化规律。

测试前，需要对系统进行以下校正，将阻抗分析仪预热2 h，以消除设备元件在温度平衡前的误差，采用开路、短路、50 Ω校准件校准。末端开路同轴探头与仪器连接，采用空气、短路件和25 ℃去离子水校准。为了提高测量精度，在校准和测量时，阻抗分析仪、延长电缆和探头需固定，防止位移引起的反射参数测量误差。校正程序完成后，将处理好的果肉样品分别放入自行设计订制的加热套筒中，分别测量25、40、60、80、和95 ℃下物料的介电常数和介电损耗因子。

试验时，将圆柱形果肉样品放入密闭的圆柱形加热套筒中，将T型热电偶传感器从套筒底部的微孔中插入样品内部监测中心温度。样品的温度由制冷加热循环器来控制，样品从一个测量温度上升到下一个测量温度并保持稳定需15 min。每个样品在同一温度下重复测量3次，计算每个温度下的均值和标准差（SD）。

1.3.2 苹果块射频加热升温速率测定

样品预处理：介电特性测定试验前18 h，将冷藏柜中的2种苹果样品取出，放置恒温箱中（25 ℃）回升至室温后去皮。在平行于苹果中心线方向切出一个尺寸为20 mm×20 mm×50 mm的苹果样品，将样品竖直放置于泡沫盒中，为减少散热，两边各放一块泡沫夹紧，放置于射频腔的下极板中央，将荧光光纤测温探头透过泡沫盒插入苹果块的中间位置，见图4。启动射频加热，实时记录苹果块的中心温度。

注：A、B、C、D为4层苹果，所有尺寸均以毫米为单位。

在频率27.12 MHz，输出功率为6 kW条件下，设置不同的极板间距（110、120、130 mm），对苹果块进行射频加热处理，当苹果块中心温度达到95 ℃时停止加热。使用荧光光纤测温系统分别记录不同极板间距下，将苹果块从室温加热至95 ℃的升温曲线。试验独立重复3次。

1.3.3 苹果块射频加热均匀性

对20 mm×20 mm×50 mm的苹果块进行射频加热均匀性测定，极板间距分别选取110、120、130 mm。（1）距离苹果块最底部10、25、40 mm处分别切开，将样品分为A、B、C和D共4块，测定每块样品上表面的温度分布，见图4a。将苹果样品沿竖直轴切成大小和形状相同的2个长方体来测定竖直方向上的温度分布。2）再将苹果块整体装入自制的泡沫盒，放置在下极板的中央位置。在样品中心位置插入1根荧光光纤测温探头，当温度升至85 ℃时关闭射频加热系统，快速取出样品，10 s内完成红外热像仪照相，从关闭加热系统到照相用时不超过30 s。

2 结果与分析

2.1 苹果的介电特性

2.1.1 苹果介电常数与频率和温度的关系

富士和秦冠苹果果肉的介电常数随频率和温度变化规律见图5。

从图5a可以看出，当温度相同时，随着频率的增大，富士苹果的介电常数开始不断降低，当频率超过1 300 MHz时，苹果的介电常数反而随着频率的增大而升高，频率达到2 500 MHz后，介电常数又随着频率的增大而呈现降低趋势。

从图5b可以看出，当温度相同时，随着频率的增大，秦冠苹果的介电常数开始不断的降低，当频率超过1 500 MHz时，苹果的介电常数反而随着频率的增大而升高，在2 300 MHz之后，介电常数又随着频率的增大而呈现降低趋势。

图5 苹果介电常数随频率和温度的变化

从图5c可以看出，在相同频率下，随着温度的不断升高，富士苹果的介电常数呈现先增大后降低趋势。

图5d中秦冠苹果的介电常数除了频率13.56 MHz时呈现先升高后降低现象，其他频率下，介电常数均随着温度的升高而不断降低。并且随着温度的升高，介电常数下降的速率越来越快。

2.1.2 苹果介电损耗因子与频率和温度的关系

富士和秦冠苹果果肉的介电损耗因子随频率和温度的变化规律见图6。

图6 苹果介电损耗因子随频率和温度的变化

从图6a看出，在同一温度下，随着频率的不断增大，富士苹果的介电损耗因子最初不断降低，当频率达到1 200 MHz时，介电损耗因子开始呈现升高现象，当频率超过2 800 MHz时，介电损耗因子随着频率的增大反而降低。

从图6b中看出，在同一温度下，秦冠苹果的介电损耗因子随着频率的持续增大，最初不断降低，当频率达到1 300 MHz时，介电损耗因子开始升高，频率超过2 800 MHz时，介电损耗因子随着频率的增大反而降低。

从图6c中看出，当频率低于1 000 MHz时，富士苹果的介电损耗因子随着温度的不断升高呈现升高趋势，而当频率高于1 000 MHz时，富士苹果的介电损耗因子随着温度的升高，反而不断地降低。

从图6d中看出，当频率低于915 MHz，温度小于80 ℃时，秦冠苹果的介电损耗因子随着温度的升高而升高，当温度超过80 ℃时，损耗因子开始下降。在高频率下，随着温度的升高，秦冠苹果的损耗因子则不断降低。

2.2 极板间距对苹果块升温速率的影响

采用6 kW、27.12 MHz的射频加热系统对形状为20 mm×20 mm×50 mm的苹果块进行射频加热，使苹果块中心温度从25 升到95 ℃，得到中心温度变化曲线见图7。

图7 射频加热苹果的升温曲线

从图7看出，苹果块在射频加热的情况下，随着时间的变化，温度不断上升，近似呈线性增长。这是因为随着温度升高，苹果块散热速度加快，即苹果块的介电损耗因子″升高，射频加热速度增大，苹果块的介电常数′先升高后降低。当″的增长和′的增长二者几乎相互抵消，或者″的增长小于′的增长时，即苹果块对电能的损耗能力小于对电能的存贮能力时，苹果块表现升温速度最快；反之，会降低苹果块升温速率。

当极板间距为110 mm时，升温最快，苹果块中心温度升到95 ℃需要120 s；极板间距为130 mm时升温最慢，苹果块中心温度升到95 ℃需要150 s，这说明极板间距越小，射频加热设备输出的电流越高，升温速率越快。

2.3 射频加热均匀性

射频加热苹果块的中心温度升至85 ℃时，图4中切成4块苹果样品的上表面、D块下表面和整个苹果块纵截面的温度分布见图8。

图8 苹果块不同截面温度分布图

图8可见，苹果块在射频加热的情况下呈现中心温度高、边缘温度低的现象。这表明苹果块的电介质分布均匀，在均匀磁场中极化损耗相同。因此，对物料水平方向上射频加热均匀性的研究可以简化为对称的任意一边加热均匀性的研究。物料最高温度出现在中心点的位置，距离中心位置等距离的下截面的最高温度大于上截面。物料边缘的温度较低，这是由于物料边界热量损失较快，导致温度降低，故冷点出现在边缘的位置。这个结果与刘嫣红等[33]研究面包和Tiwari等[34]研究小麦粉的射频加热处理得到的结果相反，这说明物料进行射频加热时，温度的不同分布与物料本身的介电特性和密度有很大的关系，苹果的介电损耗因子远大于面包和小麦粉，介电加热速度更快[35]。

3 结 论

本文研究了富士和秦冠苹果果肉的介电特性、损耗因子随温度和频率的变化规律以及不同极板间距下，苹果块射频加热升温速率和加热均匀性。

1）苹果的介电常数和损耗因子随着温度和频率的变化发生明显的变化，同一温度下，随着频率（12～3 000 MHz）的不断变大，介电常数先不断降低而后增大再降低；损耗因子则是先降低再升高而后降低；在同一频率下，温度对苹果的介电常数和损耗因子没有特定的规律。

2）采用6 kW、27.12 MHz的射频加热系统在不同极板间距（110、120、130 mm）下，对苹果果肉进行加热处理，中心温度从25升到95 ℃过程中，升温曲线随时间增长近似呈线性关系且升温较快，极板间距为110 mm时升温最快，需要120 s，130 mm时升温最慢需要150 s。可见，极板间距对苹果加热速率的影响很大，随着极板间距的增大，苹果样品升温速度减慢，是因为极板间距增大，极板间的电容减小，射频加热系统输出的电流也随之减小，射频腔中的电场强度变弱，苹果块吸收的功率变小，升温越慢。

3）苹果块在射频加热的过程中，温度分布呈中心加热现象，即中心温度高，边缘温度低。最高温度出现在中心点的位置，距离中心位置等距离的下截面的最高温度大于上截面。物料边缘的温度较低，这是由于物料边界热量损失较快，导致温度降低，故冷点出现在边缘的位置。这说明物料进行射频加热时，温度的不同分布与物料本身的密度和介电特性有很大的关系。

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Effect of dielectric properties on radio frequency heating uniformity of apple

Zhou Mingu1, Ou Yebao2, Zhang Li2, Gao Tong2, Wang Yunyang2※

(1.(),,712100,; 2.,,712100,)

As a new processing technology, RF heating has great potential in blanching of fruits and vegetables. Dielectric property is the main factor affecting the RF heating of fruits and vegetables. It is affected by frequency, temperature, water and other factors. According to the change of dielectric property, the blanching process of fruits and vegetables can be optimized and improved. In this paper, the dielectric properties of Fushi and Qinguan apple pulp at different temperatures (25, 40, 60, 80, 95 ℃)and different frequencies (13.56, 27.12, 40.68, 915, 2 450 MHz) are determined by using the open-ended coaxial probe technique. A RF heating system with the power of 6 kW and the frequency of 27.12 MHz is used to study the heating speed and uniformity of apple sample. Different electrode gaps (110, 120 and 130 mm) are set to heat the apple slice (20 mm × 20 mm × 50 mm). When the center temperature of the apple sample reaches 95 ℃, the heating is stopped. The temperature rise curve of apple sample from room temperature to 95 ℃ is recorded with fluorescent fiber temperature measuring system under different electrode gaps. The temperature distribution of the surface of the heated apple sample is measured by infrared thermal imager. The results show that the dielectric constant and loss factor of apple slice change significantly with temperature and frequency. At the same temperature, as the frequency (12-3 000 MHz) increases, the dielectric constant decreases first and then increases and then decreases. The loss factor reduces first increases then and decreases then; at the same frequency, there is no specific law for the dielectric constant and loss factor of apple. The temperature of the apple sample rises from 25 ℃ to 95℃, and the temperature rise curve approximates linear growth. When the electrode gap is 110mm, the temperature rise is the fastest. When the electrode gap is 130 mm, the temperature rise is the slowest, 120 and 150 s, respectively. The heating speed increases with the decrease electrode gap. During the process of RF heating, the temperature distribution of the apple sample is centered, that is, the center temperature is high and the edge temperature is low. The maximum temperature occurs at the center point, and the maximum temperature of the lower segment equidistant from the center is greater than that of the upper segment. The present study shows the great potential of RF heating for the blanching of fruit and vegetable. Future studies should aim to determine changes in the texture and nutrient contents of fruit and vegetable during RF heating.

fruit; radio frequency; heating; apple; dielectric properties; uniformity

周敏姑，欧业宝，张 丽，高彤，王云阳. 苹果介电特性对其射频加热均匀性的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(20)：273－279.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.033 http://www.tcsae.org

Zhou Mingu, Ou Yebao, Zhang Li, Gao Tong, Wang Yunyang. Effect of dielectric properties on radio frequency heating uniformity of apple[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(20): 273－279. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.033 http://www.tcsae.org

2019-06-28

2019-09-29

“十三五”国家重点研发计划项目子课题（2018YFD0400804）；国家自然科学基金（31871819）；西北农林科技大学基本科研业务费专项资金项目（2452015067）

周敏姑，实验师，主要从事材料分析与检测研究。Email：zmingu@163.com

王云阳，教授，主要从事食品工程新技术、食品安全控制技术研究。Email：wyy@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.033

TS255.36

A

1002-6819(2019)-20-0273-07