通電加熱過程中鰤魚的介電損失率變化

陳超，邱偉強，福岡美香，酒井升，程裕東，金銀哲*

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

通電加熱過程中鰤魚的介電損失率變化

陳超1，邱偉強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 食品學院，食品熱加工工程中心，上海，201306) 2(東京海洋大學 食品生產科，日本 東京，108-8477)

為了測定鰤魚魚片的介電損失率，通過LCR(heinrich lenz-capacitor-resistance)測試儀直接測定了通電加熱過程中鰤魚魚片的電導率，并利用電導率計算得到了用于加熱(如通電、微波、射頻加熱等)模擬所需的重要參數-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(白色與紅色魚塊)、電流方向與魚塊的擺放方式(并聯和串聯)對魚片介電損失率的影響。結果表明：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塊的介電損失率較脂肪含量多的紅色魚塊更高；并聯模式的介電損失率較串聯模式更高，膜的存在會影響電子的移動，降低電導率，使介電損失率降低。樣品結構變化、加熱過程中蛋白質變性和汁液損失也是介電損失率變化的影響因素。蛋白質變性導致汁液流失，汁液損失率隨著溫度的升高而增加，80 ℃時可達14%左右。魚片中膜的存在是影響其介電損失率的主要原因之一，也會影響通電加熱時的加熱速率。

鰤魚；介電損失率；通電加熱；鰤魚魚肉的膜

通電加熱技術作為食品工程中的一門新興技術，因其加熱迅速而廣泛使用在食品工業及相關領域[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體，利用它本身在導電時所產生的熱量達到加熱的目的[6-9]。在通電加熱過程中，食物成分作為交變電流中的電阻的一部分，因其內在屬性自發將電能轉換成熱能[11-13]。介電特性，是指生物分子中的束縛電荷對外加電場的響應特性。評價介電特性的主要參數是介電常數和介電損失率等，介電常數是電介質固有的一種物理屬性，電介質一般具有固定的介電常數，表示該物質存儲電場能量的能力，反映該電介質提高電容器電容量的能力，介電損失率反映電介質在電場中損耗的能量。電介質在交變電場中，由于消耗部分電能而使電介質本身發熱[14-15]。因介電損失率表示的是物質產生熱能的能力，所以在描述和模擬通電加熱過程中的溫度分布研究中是必不可少的一個物理參數[16]。

國內外研究者對食品的介電特性進行了廣泛而深入的研究，發現頻率、溫度和水分含量是影響食品介電特性的主要因素。KUMAR等[17]研究了工業生產中蔬菜泥的介電特性，結果表明隨著溫度升高，介電常數降低，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系，發現隨著水分含量的降低，介電常數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)對蜂蜜介電特性的影響，介電常數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介電特性值的影響較大，而較低的水分含量和溫度對介電特性值影響較小。AL-MUHTASEBA等[20]對不同水分含量、溫度、頻率下的面粉糊介電特性進行了考察。何天寶[15]等研究了溫度和頻率對羅非魚魚糜介電特性的影響，研究表明頻率一定時，魚糜的介電常數隨著溫度升高而降低；溫度相同時，頻率增加，魚糜的介電常數反而減小；而溫度與介電損失率的相關性則與頻率有關。張保艷[16]等研究了溫度、頻率和水分含量對羅非魚介電特性影響。上述研究中，所涉及到的介電特性值都在高頻(高于1 MHz)中，并沒有涉及到低頻(20 kHz以下)。通電加熱所采用的頻率通常在數十至數千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。

鰤魚屬鱸形目，鲹科[23]，是一類快速游泳、溫水的肉食性魚類。它生長速度快，肉質鮮美，富含蛋白質、脂肪、VA、VB、和VB2等[24]。在日本，已經有了數十年的養殖歷史，已成為日本海水網箱養魚產量居第一位的重要養殖對象，目前已在我國南方開始試養[25]。鰤魚的養殖量巨大，每年的養殖量可達到約100 000 t，是日本最大的水產養殖海洋魚類。另外，鰤魚的質量較大，一般能達到7～8 kg以上，有利于應用在商業滅菌、巴氏殺菌和各種熱處理方法中。因此，本研究以鰤魚為對象，考察了頻率、溫度、組成成分及膜的存在對鰤魚魚片在通電加熱過程中介電損失率的影響，其目的在于提出一種可直接測定魚片介電損失率的方法，為預測和分析固體食品在連續通電加熱過程中的加工特性提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗采用的鰤魚(7～8 kg)，購于東京中央批發市場；乙醚，日本和光純化學工業；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)，實驗室制備。

通電加熱設備(HJU3000-HF-30)，日本HANO有限公司；LCR測量儀(HiTESTER3532-50), 日本日置公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

將鰤魚去頭，去除魚皮和骨頭，分成白色魚塊和紅色魚塊，并切成長寬高分別為2 cm的魚片(質量為8 g)，并按照電流方向又分為并聯和串聯2種(如圖1所示)。

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

并聯模式時，電流方向與魚塊中的膜魚身呈平行狀態；串聯模式時，電流方向與魚塊中的膜呈垂直狀態。分別將白色魚塊和紅色魚塊用較快的速度用刀切碎5 min左右，制成魚糜。在盡量不改變魚片纖維方向的情況下，用戴膠皮手套的手將魚片中的膜取下，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 電阻的測定

將樣品放在聚丙烯容器中，兩端為鈦電極板，電極板的長寬分別為100 mm和20 mm，電極之間的距離為20 mm。通電加熱設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備分別加熱到30，40，50，60，70，和80 ℃，到達指定溫度后停止加熱，斷開通電設備與兩電極之間的連接，并用LCR測量儀連接樣品容器兩邊的電極，測定其電阻。

1.2.3 電導率與介電損失率的計算

電導率的計算公式如下：

(1)

式中:σ，電導率(S/m)；L為樣品長度，m；A為樣品的橫截面積，m2；R為樣品的電阻，Ω。電導率和介電損失率的相關關系如下：

σ=ωε0ε″

(2)

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

1.2.4 水分和脂肪含量

鰤魚魚片的水分和脂肪含量分別用干燥法和索氏提取方法測定[26]。

1.2.5 數據分析

用軟件Origin 8.0進行數值分析。通過計算后的擬合系數用來衡量實驗數據與數學模型的擬合程度。樣品去膜之后的差異性采用t檢驗方式衡量，且用Microsoft Excel 2007軟件進行計算。

2 結果與討論

2.1 頻率的影響

在交流電路中，不同的頻段會對電阻產生不同的影響。因此，不同頻段時并聯電路和串聯電路中的電阻和阻抗都會出現不同值。當一個電路連接食品時，它會感應電阻使當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出相同的趨勢；即，低于一定頻率(5 000 Hz)時，鰤魚魚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定(如圖2所示)。考慮到通電加熱設備的輸出頻率為20 kHz，且不管是并聯還是串聯方式其電阻值都和直流時的電阻值相一致，因此本研究的頻率固定為20 kHz。

圖2 鰤魚白色魚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，鰤魚魚片的介電損失率也線性增加(P<0.01)(如圖3所示)。

圖3 鰤魚的白色(a)和紅色(b)魚片在并聯和串聯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，蛋白質變性加劇，汁液損失率增加，阻礙離子移動的作用越來越小，離子運動增強，使其電導率和介電損失率增加。加熱過程中，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 鰤魚魚片在通電加熱過程中的汁液損失率Fig.4 Loss rate of yellowtail fillets during ohmic heating

樣品從初始溫度上升到40 ℃時，白色魚塊的汁液損失率大于紅色魚塊；但當溫度達到50 ℃以上之后，紅色魚塊的汁液損失率反而大于白色魚塊。這與不同樣品(白色與紅色魚塊)所含有的水分和脂肪含量的不同有關，也和樣品在加熱過程中的蛋白質變性有關。當2種樣品溫度達到80 ℃時，其汁液損失率都達到14%左右。熱處理過程中，蛋白質變性是水分流失和魚片結構變化的主要原因[28]。在加熱過程中，鰤魚魚片肌球蛋白的變性溫度為40～50 ℃，且在70 ℃左右時，絕大多數的蛋白質會變性。由于加熱引起的肌球蛋白和肌動蛋白的變性，肌原纖維收縮，使魚片失去水分[29]。

2.3 脂肪的影響

無論是并聯還是串聯模式，白色魚片的介電損失率都大于紅色魚片(圖3)。魚片的水分和脂肪含量會影響其介電特性[30]。白色鰤魚魚片(63.5±1.0)%的水分含量大于紅色魚片(60.4±1.6)%，但脂肪含量(7.3±0.9)%小于紅色魚片(18.7±2.1)%。這些水分和脂肪含量的結果與一些日本研究人員先前報道的結果相似，但不同于韓國研究人員所報道的結果[31]。這些差異可能是因為不同的生長環境，生長年齡，捕撈季節，肥瘦程度等原因所造成的。樣品中水分含量的增加會增加電導率和介電損失率，但脂肪含量的增加會減少其電導率和介電損失率。鰤魚魚片中提取的魚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)，間接說明脂肪含量的增加會減少樣品的介電損失率。不同樣品中水分子流動性的差異也會導致介電損失率的不同。鰤魚白色魚片的水分擴散系數大于紅色魚片，表明白色魚片中水分子的流動性大于紅色魚片[32]。水分子流動速度的增加，加速了水分子中含有的各種離子的移動，使其介電損失率增加，也會使其加熱速率增加。

圖5 鰤魚魚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 鰤魚魚糜的介電損失率Fig.6 Dielectric loss factor of minced yellowtail

鰤魚魚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)。魚糜的制作過程會破壞魚片本身的結構，減少了結構所帶來的誤差，所以其介電損失率的誤差很小。在魚糜的制備和加熱過程中的結構變化也會導致電導率[33]和介電損失率的變化。如圖6所示，除去結構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

無論是白色還是紅色魚片，并聯模式魚片的介電損失率大于串聯模式。這是因為魚片中膜的存在所導致的。為了證明這一點，測定了白色魚片去膜之后的介電損失率(如圖7所示)。t檢驗結果顯示，去膜之后的并聯和串聯模式魚片的介電損失率沒有顯著性差異。如果不考慮膜的影響，不同樣品的介電損失率將呈現很大的差異，且在通電加熱過程中魚片的升溫速率也將會呈現很大的不同，會導致不同魚片的最終溫度也呈現很大的不同。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 鰤魚白色魚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 結論

利用LCR測定儀測定了鰤魚魚片的電導率，并利用公式計算得到了其介電損失率。頻率、溫度、魚片的組成成分，包括水分和脂肪含量，以及膜的存在都影響著介電損失率，也影響著加熱過程中的升溫速率和溫度分布。鰤魚魚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，并聯模式時的介電損失率要大于串聯模式，且白色魚塊的介電損失率要大于紅色魚塊。說明魚片中膜的存在和脂肪含量的不同會影響魚片的介電損失率。并聯模式的魚片去膜之后的介電損失率與串聯模式沒有顯著性差異，進一步說明魚片中膜的存在對介電損失率的影響較大。除此之外，樣品結構的變化，通電加熱過程中蛋白質變性和汁液流失也是介電損失率變化的影響因素。隨著通電加熱時間的增加，汁液損失率也增加。當樣品溫度達到80 ℃時，其汁液損失率都達到14%左右。其中，脂肪含量的不同和膜的存在對于魚片的電導率和介電損失率起著至關重要的作用。作為一個高頻加熱技術的重要參數，介電損失率將被用來計算和模擬魚片在各種射頻、微波、通電等加熱過程中的溫度分布和加熱特性。上述結果為魚片的連續通電加熱和其他食品加工提供了基礎數據和理論依據。

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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項目(12290502200)；上海高校知識服務平臺-上海海洋大學水產動物遺傳育種中心(ZF1206)；上海海洋大學科技發展專項(A2-0203-00-1000208)；上海海洋大學博士啟動基金(A2-0203-00-100340)

2016-05-18，改回日期：2016-07-07