通電加熱過(guò)程中鰤?mèng)~的介電損失率變化

陳超，邱偉強(qiáng)，福岡美香，酒井升，程裕東，金銀哲*

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，食品熱加工工程中心，上海，201306) 2(東京海洋大學(xué) 食品生產(chǎn)科，日本 東京，108-8477)

通電加熱過(guò)程中鰤?mèng)~的介電損失率變化

陳超1，邱偉強(qiáng)1，福岡美香2，酒井升2，程裕東1，金銀哲1*

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，食品熱加工工程中心，上海，201306) 2(東京海洋大學(xué) 食品生產(chǎn)科，日本 東京，108-8477)

為了測(cè)定鰤?mèng)~魚(yú)片的介電損失率，通過(guò)LCR(heinrich lenz-capacitor-resistance)測(cè)試儀直接測(cè)定了通電加熱過(guò)程中鰤?mèng)~魚(yú)片的電導(dǎo)率，并利用電導(dǎo)率計(jì)算得到了用于加熱(如通電、微波、射頻加熱等)模擬所需的重要參數(shù)-介電損失率，考察了頻率(50～20 000 Hz)、溫度(15～80 ℃)、水分及脂肪含量(白色與紅色魚(yú)塊)、電流方向與魚(yú)塊的擺放方式(并聯(lián)和串聯(lián))對(duì)魚(yú)片介電損失率的影響。結(jié)果表明：介電損失率隨頻率和溫度的增加而增加；脂肪含量少的白色魚(yú)塊的介電損失率較脂肪含量多的紅色魚(yú)塊更高；并聯(lián)模式的介電損失率較串聯(lián)模式更高，膜的存在會(huì)影響電子的移動(dòng)，降低電導(dǎo)率，使介電損失率降低。樣品結(jié)構(gòu)變化、加熱過(guò)程中蛋白質(zhì)變性和汁液損失也是介電損失率變化的影響因素。蛋白質(zhì)變性導(dǎo)致汁液流失，汁液損失率隨著溫度的升高而增加，80 ℃時(shí)可達(dá)14%左右。魚(yú)片中膜的存在是影響其介電損失率的主要原因之一，也會(huì)影響通電加熱時(shí)的加熱速率。

鰤?mèng)~；介電損失率；通電加熱；鰤?mèng)~魚(yú)肉的膜

通電加熱技術(shù)作為食品工程中的一門(mén)新興技術(shù)，因其加熱迅速而廣泛使用在食品工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域[1-5]。通電加熱也叫焦耳加熱，是在電路中把物料作為一段導(dǎo)體，利用它本身在導(dǎo)電時(shí)所產(chǎn)生的熱量達(dá)到加熱的目的[6-9]。在通電加熱過(guò)程中，食物成分作為交變電流中的電阻的一部分，因其內(nèi)在屬性自發(fā)將電能轉(zhuǎn)換成熱能[11-13]。介電特性，是指生物分子中的束縛電荷對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性。評(píng)價(jià)介電特性的主要參數(shù)是介電常數(shù)和介電損失率等，介電常數(shù)是電介質(zhì)固有的一種物理屬性，電介質(zhì)一般具有固定的介電常數(shù)，表示該物質(zhì)存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的能力，反映該電介質(zhì)提高電容器電容量的能力，介電損失率反映電介質(zhì)在電場(chǎng)中損耗的能量。電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中，由于消耗部分電能而使電介質(zhì)本身發(fā)熱[14-15]。因介電損失率表示的是物質(zhì)產(chǎn)生熱能的能力，所以在描述和模擬通電加熱過(guò)程中的溫度分布研究中是必不可少的一個(gè)物理參數(shù)[16]。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)食品的介電特性進(jìn)行了廣泛而深入的研究，發(fā)現(xiàn)頻率、溫度和水分含量是影響食品介電特性的主要因素。KUMAR等[17]研究了工業(yè)生產(chǎn)中蔬菜泥的介電特性，結(jié)果表明隨著溫度升高，介電常數(shù)降低，介電損失率升高。SHARMA等[18]研究了2 450 MHz下大蒜的介電特性與溫度和水分含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著水分含量的降低，介電常數(shù)和介電損失率急劇降低，而穿透深度卻急劇升高。GUO等[19]研究了水分含量(17.4%～42.6%)、溫度(20～80 ℃)、頻率(10～4 500 MHz)對(duì)蜂蜜介電特性的影響，介電常數(shù)和介電損失率均隨著水分含量和溫度升高而升高，高水分含量和溫度對(duì)介電特性值的影響較大，而較低的水分含量和溫度對(duì)介電特性值影響較小。AL-MUHTASEBA等[20]對(duì)不同水分含量、溫度、頻率下的面粉糊介電特性進(jìn)行了考察。何天寶[15]等研究了溫度和頻率對(duì)羅非魚(yú)魚(yú)糜介電特性的影響，研究表明頻率一定時(shí)，魚(yú)糜的介電常數(shù)隨著溫度升高而降低；溫度相同時(shí)，頻率增加，魚(yú)糜的介電常數(shù)反而減?。欢鴾囟扰c介電損失率的相關(guān)性則與頻率有關(guān)。張保艷[16]等研究了溫度、頻率和水分含量對(duì)羅非魚(yú)介電特性影響。上述研究中，所涉及到的介電特性值都在高頻(高于1 MHz)中，并沒(méi)有涉及到低頻(20 kHz以下)。通電加熱所采用的頻率通常在數(shù)十至數(shù)千Hz范圍。因此，有必要研究在低頻下的介電特性值[21-22]，尤其是介電損失率值。

鰤?mèng)~屬鱸形目，鲹科[23]，是一類快速游泳、溫水的肉食性魚(yú)類。它生長(zhǎng)速度快，肉質(zhì)鮮美，富含蛋白質(zhì)、脂肪、VA、VB、和VB2等[24]。在日本，已經(jīng)有了數(shù)十年的養(yǎng)殖歷史，已成為日本海水網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)產(chǎn)量居第一位的重要養(yǎng)殖對(duì)象，目前已在我國(guó)南方開(kāi)始試養(yǎng)[25]。鰤?mèng)~的養(yǎng)殖量巨大，每年的養(yǎng)殖量可達(dá)到約100 000 t，是日本最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖海洋魚(yú)類。另外，鰤?mèng)~的質(zhì)量較大，一般能達(dá)到7～8 kg以上，有利于應(yīng)用在商業(yè)滅菌、巴氏殺菌和各種熱處理方法中。因此，本研究以鰤?mèng)~為對(duì)象，考察了頻率、溫度、組成成分及膜的存在對(duì)鰤?mèng)~魚(yú)片在通電加熱過(guò)程中介電損失率的影響，其目的在于提出一種可直接測(cè)定魚(yú)片介電損失率的方法，為預(yù)測(cè)和分析固體食品在連續(xù)通電加熱過(guò)程中的加工特性提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)采用的鰤?mèng)~(7～8 kg)，購(gòu)于東京中央批發(fā)市場(chǎng)；乙醚，日本和光純化學(xué)工業(yè)；鈦電極板(20 mm×100 mm，厚度為0.5 mm)，日本東京HANDS；聚丙烯容器(厚度為5mm)，實(shí)驗(yàn)室制備。

通電加熱設(shè)備(HJU3000-HF-30)，日本HANO有限公司；LCR測(cè)量?jī)x(HiTESTER3532-50), 日本日置公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

將鰤?mèng)~去頭，去除魚(yú)皮和骨頭，分成白色魚(yú)塊和紅色魚(yú)塊，并切成長(zhǎng)寬高分別為2 cm的魚(yú)片(質(zhì)量為8 g)，并按照電流方向又分為并聯(lián)和串聯(lián)2種(如圖1所示)。

圖1 電流與樣品的并聯(lián)(a)和串聯(lián)(b)關(guān)系Fig.1 Parallel (a) and series (b) types in this study

并聯(lián)模式時(shí)，電流方向與魚(yú)塊中的膜魚(yú)身呈平行狀態(tài)；串聯(lián)模式時(shí)，電流方向與魚(yú)塊中的膜呈垂直狀態(tài)。分別將白色魚(yú)塊和紅色魚(yú)塊用較快的速度用刀切碎5 min左右，制成魚(yú)糜。在盡量不改變魚(yú)片纖維方向的情況下，用戴膠皮手套的手將魚(yú)片中的膜取下，制成去膜之后的樣品。每種樣品都稱取8 g，裝在聚丙烯容器并儲(chǔ)存在-60 ℃冰箱中。使用前，在5 ℃的冰箱里放置30 min以上。

1.2.2 電阻的測(cè)定

將樣品放在聚丙烯容器中，兩端為鈦電極板，電極板的長(zhǎng)寬分別為100 mm和20 mm，電極之間的距離為20 mm。通電加熱設(shè)備輸送的交流頻率為20 kHz，輸出電壓為20 V。將K型熱電偶探針(φ= 0.5 mm)用聚四氟乙烯膜覆蓋之后插入到樣品的幾何中心，測(cè)定其溫度變化，樣品的初始溫度為15 ℃。所有樣品是從初始溫度用通電加熱設(shè)備分別加熱到30，40，50，60，70，和80 ℃，到達(dá)指定溫度后停止加熱，斷開(kāi)通電設(shè)備與兩電極之間的連接，并用LCR測(cè)量?jī)x連接樣品容器兩邊的電極，測(cè)定其電阻。

1.2.3 電導(dǎo)率與介電損失率的計(jì)算

電導(dǎo)率的計(jì)算公式如下：

(1)

式中:σ，電導(dǎo)率(S/m)；L為樣品長(zhǎng)度，m；A為樣品的橫截面積，m2；R為樣品的電阻，Ω。電導(dǎo)率和介電損失率的相關(guān)關(guān)系如下：

σ=ωε0ε″

(2)

式中:ε″為介電損失率；ω為角頻率(rad/s)；ε0為真空絕對(duì)介電常數(shù)，其值為8.854 × 10-12(F/m)。

1.2.4 水分和脂肪含量

鰤?mèng)~魚(yú)片的水分和脂肪含量分別用干燥法和索氏提取方法測(cè)定[26]。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

用軟件Origin 8.0進(jìn)行數(shù)值分析。通過(guò)計(jì)算后的擬合系數(shù)用來(lái)衡量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型的擬合程度。樣品去膜之后的差異性采用t檢驗(yàn)方式衡量，且用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 頻率的影響

在交流電路中，不同的頻段會(huì)對(duì)電阻產(chǎn)生不同的影響。因此，不同頻段時(shí)并聯(lián)電路和串聯(lián)電路中的電阻和阻抗都會(huì)出現(xiàn)不同值。當(dāng)一個(gè)電路連接食品時(shí)，它會(huì)感應(yīng)電阻使當(dāng)前的電流受到干擾而變化。隨著頻率的增加，食品物料的電阻表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)；即，低于一定頻率(5 000 Hz)時(shí)，鰤?mèng)~魚(yú)片的介電損失率隨頻率的增加而增加，但大于5 000 Hz之后，其介電損失率趨于穩(wěn)定(如圖2所示)?？紤]到通電加熱設(shè)備的輸出頻率為20 kHz，且不管是并聯(lián)還是串聯(lián)方式其電阻值都和直流時(shí)的電阻值相一致，因此本研究的頻率固定為20 kHz。

圖2 鰤?mèng)~白色魚(yú)片在不同頻率下的介電損失率(80 ℃)。Fig.2 Dielectric loss factor of white parts of yellowtail fillets atdifferent frequencies (80 ℃)

2.2 溫度的影響

在20 kHz頻率下，隨著溫度的升高，鰤?mèng)~魚(yú)片的介電損失率也線性增加(P<0.01)(如圖3所示)。

圖3 鰤?mèng)~的白色(a)和紅色(b)魚(yú)片在并聯(lián)和串聯(lián)方式中的介電損失率Fig.3 Dielectric loss factor of white (a) and red (b) muscles of yellowtail fillets for parallel and series types

隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)變性加劇，汁液損失率增加，阻礙離子移動(dòng)的作用越來(lái)越小，離子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使其電導(dǎo)率和介電損失率增加。加熱過(guò)程中，汁液損失率隨著溫度的增加而增加(如圖4所示)，且水分流失是烹飪損失中的主要部分[27]。

圖4 鰤?mèng)~魚(yú)片在通電加熱過(guò)程中的汁液損失率Fig.4 Loss rate of yellowtail fillets during ohmic heating

樣品從初始溫度上升到40 ℃時(shí)，白色魚(yú)塊的汁液損失率大于紅色魚(yú)塊；但當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃以上之后，紅色魚(yú)塊的汁液損失率反而大于白色魚(yú)塊。這與不同樣品(白色與紅色魚(yú)塊)所含有的水分和脂肪含量的不同有關(guān)，也和樣品在加熱過(guò)程中的蛋白質(zhì)變性有關(guān)。當(dāng)2種樣品溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，其汁液損失率都達(dá)到14%左右。熱處理過(guò)程中，蛋白質(zhì)變性是水分流失和魚(yú)片結(jié)構(gòu)變化的主要原因[28]。在加熱過(guò)程中，鰤?mèng)~魚(yú)片肌球蛋白的變性溫度為40～50 ℃，且在70 ℃左右時(shí)，絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)會(huì)變性。由于加熱引起的肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白的變性，肌原纖維收縮，使魚(yú)片失去水分[29]。

2.3 脂肪的影響

無(wú)論是并聯(lián)還是串聯(lián)模式，白色魚(yú)片的介電損失率都大于紅色魚(yú)片(圖3)。魚(yú)片的水分和脂肪含量會(huì)影響其介電特性[30]。白色鰤?mèng)~魚(yú)片(63.5±1.0)%的水分含量大于紅色魚(yú)片(60.4±1.6)%，但脂肪含量(7.3±0.9)%小于紅色魚(yú)片(18.7±2.1)%。這些水分和脂肪含量的結(jié)果與一些日本研究人員先前報(bào)道的結(jié)果相似，但不同于韓國(guó)研究人員所報(bào)道的結(jié)果[31]。這些差異可能是因?yàn)椴煌纳L(zhǎng)環(huán)境，生長(zhǎng)年齡，捕撈季節(jié)，肥瘦程度等原因所造成的。樣品中水分含量的增加會(huì)增加電導(dǎo)率和介電損失率，但脂肪含量的增加會(huì)減少其電導(dǎo)率和介電損失率。鰤?mèng)~魚(yú)片中提取的魚(yú)油的介電損失率明顯小于同等溫度下蒸餾水的介電損失率(如圖5所示)，間接說(shuō)明脂肪含量的增加會(huì)減少樣品的介電損失率。不同樣品中水分子流動(dòng)性的差異也會(huì)導(dǎo)致介電損失率的不同。鰤?mèng)~白色魚(yú)片的水分?jǐn)U散系數(shù)大于紅色魚(yú)片，表明白色魚(yú)片中水分子的流動(dòng)性大于紅色魚(yú)片[32]。水分子流動(dòng)速度的增加，加速了水分子中含有的各種離子的移動(dòng)，使其介電損失率增加，也會(huì)使其加熱速率增加。

圖5 鰤?mèng)~魚(yú)片中提取的油和水的介電損失率Fig.5 Dielectric loss factor of oil from yellowtail fillets and water

圖6 鰤?mèng)~魚(yú)糜的介電損失率Fig.6 Dielectric loss factor of minced yellowtail

鰤?mèng)~魚(yú)糜的介電損失率也隨著溫度的增加而線性增加(P<0.01)(如圖6所示)。魚(yú)糜的制作過(guò)程會(huì)破壞魚(yú)片本身的結(jié)構(gòu)，減少了結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的誤差，所以其介電損失率的誤差很小。在魚(yú)糜的制備和加熱過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化也會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率[33]和介電損失率的變化。如圖6所示，除去結(jié)構(gòu)變化引起的變化之外，只能看到紅肉和白肉因水分和脂肪含量不同而引起的介電損失率的不同。

2.4 膜的影響

無(wú)論是白色還是紅色魚(yú)片，并聯(lián)模式魚(yú)片的介電損失率大于串聯(lián)模式。這是因?yàn)轸~(yú)片中膜的存在所導(dǎo)致的。為了證明這一點(diǎn)，測(cè)定了白色魚(yú)片去膜之后的介電損失率(如圖7所示)。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，去膜之后的并聯(lián)和串聯(lián)模式魚(yú)片的介電損失率沒(méi)有顯著性差異。如果不考慮膜的影響，不同樣品的介電損失率將呈現(xiàn)很大的差異，且在通電加熱過(guò)程中魚(yú)片的升溫速率也將會(huì)呈現(xiàn)很大的不同，會(huì)導(dǎo)致不同魚(yú)片的最終溫度也呈現(xiàn)很大的不同。綜上所述，樣品中膜的存在，也是影響樣品介電損失率的重要因素之一。

圖7 鰤?mèng)~白色魚(yú)片去膜之后的介電損失率Fig.7 Dielectric loss factor of white muscle of yellowtail fillets after remove membrane

3 結(jié)論

利用LCR測(cè)定儀測(cè)定了鰤?mèng)~魚(yú)片的電導(dǎo)率，并利用公式計(jì)算得到了其介電損失率。頻率、溫度、魚(yú)片的組成成分，包括水分和脂肪含量，以及膜的存在都影響著介電損失率，也影響著加熱過(guò)程中的升溫速率和溫度分布。鰤?mèng)~魚(yú)片的介電損失率隨著頻率的增加而增加，且隨著溫度增加而線性增加。相同條件下，并聯(lián)模式時(shí)的介電損失率要大于串聯(lián)模式，且白色魚(yú)塊的介電損失率要大于紅色魚(yú)塊。說(shuō)明魚(yú)片中膜的存在和脂肪含量的不同會(huì)影響魚(yú)片的介電損失率。并聯(lián)模式的魚(yú)片去膜之后的介電損失率與串聯(lián)模式?jīng)]有顯著性差異，進(jìn)一步說(shuō)明魚(yú)片中膜的存在對(duì)介電損失率的影響較大。除此之外，樣品結(jié)構(gòu)的變化，通電加熱過(guò)程中蛋白質(zhì)變性和汁液流失也是介電損失率變化的影響因素。隨著通電加熱時(shí)間的增加，汁液損失率也增加。當(dāng)樣品溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，其汁液損失率都達(dá)到14%左右。其中，脂肪含量的不同和膜的存在對(duì)于魚(yú)片的電導(dǎo)率和介電損失率起著至關(guān)重要的作用。作為一個(gè)高頻加熱技術(shù)的重要參數(shù)，介電損失率將被用來(lái)計(jì)算和模擬魚(yú)片在各種射頻、微波、通電等加熱過(guò)程中的溫度分布和加熱特性。上述結(jié)果為魚(yú)片的連續(xù)通電加熱和其他食品加工提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

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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(金銀哲副教授為通訊作者，E-mail：yzjin@shou.edu.cn)。

上海市科委部分院校能力建設(shè)項(xiàng)目(12290502200)；上海高校知識(shí)服務(wù)平臺(tái)-上海海洋大學(xué)水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種中心(ZF1206)；上海海洋大學(xué)科技發(fā)展專項(xiàng)(A2-0203-00-1000208)；上海海洋大學(xué)博士啟動(dòng)基金(A2-0203-00-100340)

2016-05-18，改回日期：2016-07-07