米饭热物性和介电特性研究

李春香，范大明，陈 卫,*，庞 珂，李 广，赵建新，张 灏

米饭热物性和介电特性研究

李春香1，范大明1，陈 卫1,*，庞 珂2，李 广2，赵建新1，张 灏1

(1.江南大学食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122；2.无锡华顺民生食品有限公司，江苏 无锡 214151)

设计一种含加热丝的稳压电路，并结合在线测温的方法测定样品的导热系数。采用程序控温的方法，研究温度对米饭热物性和介电特性的影响，并进行相关性分析。结果表明：温度对米饭的比热和介电损耗影响显著，而对导热系数和介电常数影响较小；米饭比热随温度升高呈指数上升，当温度到达15℃以后，比热不再随温度变化(cp=2.930kJ/(kg·℃))；用温度的二次多项式可以很好的反映米饭介电损耗的变化规律(R2=0.998)。穿透深度是介电性质的函数，与温度呈正相关。

米饭；热物性；介电性

微波加热效果包括食品微波加热后的温度分布、质构变化等，直接影响食品的品质。研究食品的热物性和介电性参数是研究微波加热效果的关键所在。食品的热物性，如比热、导热系数，影响食品中的热扩散速度，进而影响加热效果。介电性质是与微波和射频加工技术相关联的食品的电特性，它反应了食品与电磁场的相互作用程度，决定了微波和射频在食品中的穿透深度，确定食品的加热特性[1]。目前，对食品热物性和介电性的研究报道主要集中在果蔬、谷物、面粉和蛋类等初级加工原料上，如陈艳捷等[2]对多种果蔬的热物性进行了研究，得到果蔬热物性测定较为准确的方法。龚红菊[3]用非稳态热线法研究了大麦的导热率。Xue等[4]用差示扫描量热法(DSC)研究发现大米、小麦和玉米的比热随温度上升都是先增大后减小。Ahmed等[5]分析水分、频率和温度对印度香米米粉浆介电特性的影响，发现在频率为2450MHz条件下，米粉浆(30g米粉/100g水)的介电常数和介电损耗随温度影响显著。Dev等[6]研究蛋清和蛋黄的介电特性，发现蛋清和蛋黄的介电常数随温度的升高而减小，介电损耗受温度影响可忽略。而对已熟化的适用于二次加热、复热湿物料米饭的物性研究尚没有相关的报道。随着方便米饭的快速发展，对米饭进行解冻、回温、复热和干燥等传热计算方面的需求日益增多[7-8]。因此，有必要对米饭的热物性和介电性进行研究。本实验分析了温度对米饭比热、导热系数、介电常数和介电损失的影响，其结果可作为米饭二次加热理论研究的基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米 中粮集团东海粮油工业有限公司。

耐酸淀粉酶(酶活力3×104U/g) 无锡杰仁生物科技有限公司；氯化钾为化学纯；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FD53型热风循环烘箱 德国Binder公司；pyris 1差示扫描量热仪(DSC) 美国PerkinElmer公司；DM6801A热电偶温度计(配备k分度镍铬-镍硅热电偶) 深圳市金达通仪器仪表公司；PS-305DM数字直流恒流恒压电源香港龙威仪器仪表有限公司；Agilent E5062A矢量网络分析仪(配备电缆和末端开口的细长探针) 美国Agilent公司；FSP-18粉碎机 无锡中亚粮机厂；MB-YJ50CJ自动电饭煲 广东美的生活电器制造有限公司；BCD-254三星电冰箱 博西华家用电器有限公司；DK-8型恒温水浴锅 上海森信实验仪器有限公司；GHP-9160隔水式恒温箱 上海一恒科技有限公司；722S分光光度计上海精密科学仪器有限公司。

1.3 米饭样品准备方法

将大米粉碎至30～50目，置于4℃冰箱过夜，平衡水分。称取200g碎米淘洗2次沥干，按照米:水质量比为1:1.4加水，于常温下浸泡30min后置入电饭煲中程序升温15min，离散冷却，装入玻璃容器中，用保鲜膜密封，置于4℃冰箱储藏，隔夜备用。

1.4 米饭化学成分测定方法

水分含量的测定按照GB/T 5497—1985《粮食、油料检验水分测定法》[9]测定；脂肪含量按照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》[10]测定；粗蛋白质按照GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白质的测定》[11]测定；灰分按照GB/T 5009.4—2003《食品中灰分的测定》[12]测定。

1.5 米饭理化指标的测定

1.5.1 米饭吸水率的测定

称取质量m0的原料米，在一定条件下蒸煮，称量米饭的质量为m1，则：

1.5.2 米饭膨胀率的测定

将预设质量的原料米做成米饭(总质量m)，从中取50g装入100mL量筒内，注入50mL水后立即测定体积V1，则50g米饭体积V2=V1-50，米饭总体积V3=V2× m/50；按同样方法测定原料米的总体积V0，则

1.5.3 米饭提取液透光率和碘蓝值的测定

准确称取米饭样品5.0g装入50mL比色管中，加水25mL于40℃振动浸提lh，然后定容至50mL，3000r/min离心分离15min。取上清液于波长620nm处比色测定吸光度A。

再取上清液5mL，加入0.5mL KI-I2溶液、0.5mL 0.1mol/L HCl，加水并定容至50mL，静置15min后于波长620nm处比色测定，以吸光度表示碘蓝值。以0.50mL碘液和0.50mL 0.10mol/L HCl溶液加蒸馏水定容至50.00mL做空白。

1.5.4 米饭酶解率的测定

取米饭0.5g于50mL的比色管中，加约10mL蒸馏水，5%的淀粉酶2mL，定容到25mL，39℃水浴90min，不断振荡。用滤纸过滤。取1.00mL滤液，稀释10倍，再取1.00mL稀释液，加入1.00mL DNS试剂，沸水浴5min，冷却后加蒸馏水10mL，于波长540nm处比色，以吸光度表示酶解率。

1.6 米饭热物性的测定方法

1.6.1 比热容的测定方法

采用DSC测定样品的比热[13]。铝皿用液固通用压机压制密封，以防测定过程中物料的水分损失。实验采用三线法测量，针对每个样品的测定，准备好3个质量相等的铝皿，分别用于待测样品、标准物质以及基线空白。样品质量一般为5.0～10.0mg，标准物质为氯化钾(化学纯)。本实验的测量温度范围为4～90℃，设定的程序为：10℃/min降温至4℃，保温15min，再以10℃/min升温至90℃。每一个样品均按照相同升温程序对样品、标准物质和空白进行扫描。样品平行测定3次。

1.6.2 导热装置的设计及导热系数的测定

食品材料的导热系数不仅与其组分、密度有关，还与其温度、均匀性等因素有关。目前用于食品材料导热系数的测定方法主要有稳态法和非稳态法。平板法、同心球法等稳态方法因需要很长的平衡时间，在此期间，食品材料会产生水分变化而引起导热系数改变，使结果误差很大，不适用于水分含量很大的物料[14]。因此，本实验采用非稳态测量方法热线法来测定米饭的导热系数。

根据热线法有关原理，参考有关文献设计了如图1所示的导热仪实验装置[15]。图中热丝采用直径为0.3mm的镍铬合金丝，经测试，其温度变化甚微，故视其电阻不变；将热电偶的的工作端焊接在镍铬合金丝的中间位置，测温范围-50～200℃；实验中用直流恒流恒压电源提供和读取电流，电压范围0～10V，电流范围0～5A，电源稳定度≤0.01%+2mV；采用恒温培养箱作为控温装置，温度波动度为≤±1℃；装米饭样品的容器为圆柱型金属筒，有效容积为30mm×72mm(半径×长度)，在其两侧面分别开一个小孔用以引出导线和热电偶的自由端。有报道证明如果热线的长径比大于100，则因长度带来的影响可忽略[16]。本实验中采用的热丝直径0.3mm，长度72mm，其长径比为240，因此长度对结果的影响忽略。

图1 导热装置示意Fig.1 Schematic diagram of heat conduction device

实验采用交叉热线法测定米饭的导热系数，将米饭填充试样筒中，设定恒温箱温度，待试样筒内热电偶采集温度与恒温箱温度一致时，接通电源加热，设定电压为0.8V，从20s开始，记录温度数据，记录时间间隔为10s，采集10个数据进行回归分析。为保证数据的有效性，每次升温时间不超过5min，升温不超过15℃。将得到的一系列温度-时间数据，利用下面的公式求出试样的导热系数。

或

式中：λ为被测样品的导热系数/(W/(m·℃))；q为热线单位长度加热功率/(W/m)；T1、T2为样品加热的温度/℃；t1、t2为从加热开始到温度达到T1、T2的耗时/s；L为热线有效长度/m；p为热线有效长度加热功率，p=qL；K为时间对数-温度曲线中直线段的斜率，

1.7 介电特性的测定方法

实验采用矢量网络分析仪进行测定[17]。测试前，探针经过空气、金属短路和常温水三步校正以减少系统误差。研究选择频率2450MHz，温度范围为4～90℃。将样品放入恒温水浴锅中，样品的温度用热电耦实时检测。待样品温度与恒温水浴锅设定的温度一致时插入细长探针，保证探针距离米饭底部和边缘至少5mm。由计算机软件读取介电常数和损耗因数值。每个温度点平行测定3次，取3次测量数据的平均值，数值重复性在±5%。每次调整测试温度后，都要对系统重新进行校正。用Excel软件对数据进行多元线性回归分析,方程的拟合度用回归系数R2来表示。用方差分析(ANOVA)检验温度对介电特性影响的显著性水平(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 原料主要成分和理化指标分析

通过对大米和米饭中水分、粗蛋白、粗脂肪和灰分含量的测定，可计算出实验所用大米和米饭的总淀粉含量分别为质量分数80.01%和25.58%。测定结果见表1。

表1 原料中的化学成分含量Table 1 Compositions of raw materials in cooked rice%

表2 米饭的理化指标Table 2 Physico-chemical properties of cooked rice

由表2可知，在4℃存放24h后，米饭的透光率变大，碘蓝值下降，酶解率上升。这是因为直链淀粉分子在存放过程中刚性增强，分子难以与碘分子形成结合物，使碘蓝值减小[18]。同时淀粉颗粒冷藏收缩，抗性淀粉含量上升，但由于米饭在冷藏时水分蒸发损失，导致米饭中的总淀粉含量上升，还原糖含量相对上升，酶解率变大。

2.2 米饭热物性参数分析

2.2.1 米饭比热分析

比热(cp)是单位质量的物质温度升高或降低1℃所需的热量。它反映物质被加热的快慢，是传热的重要参数。图2所示为米饭比热测定结果。从比热-温度曲线上可以看到，温度范围为4～15℃时，比热呈指数上升。当温度继续升高时，比热随温度不再变化，为定值2.930kJ/(kg·℃)。用Origin数据处理软件对比热-温度数据进行非线性拟合，得到拟合方程为cp=2.930-1.469e-T/3.1，拟合方程与实验值的相关系数为R2=0.990，效果理想。因此，可认为该拟合方程能有效的反映米饭比热与温度的关系。

图2 米饭比热曲线Fig.2 Specific heat curve of cooked rice

2.2.2 导热系数分析

图3 绿豆粉导热系数测量值与文献参考值比较Fig.3 Comparison of thermal conductivity constants between measured values and reference values from literature

为了验证导热测定装置的可靠性，在正式测定米饭糊样品的导热系数前先测定了绿豆在温度为20～50℃的导热系数，其结果如图3所示。用实验测定导热系数与文献值[19]用YQF-1型圆球导热系数测定仪所测定的绿豆粉的导热系数比较，可看出，两条曲线随着温度的升高都减小。从导热系数的实验数据和文献值来看，导热系数差值最大点的测量值比文献参考值大1.95%，它们的误差在5%之内。因此，可以认为本实验所测得的数据和使用的测量方法是正确的。

图4为用自制导热系数装置所测定米饭的导热系数曲线。米饭的导热系数受温度影响不大，因此可将米饭导热系数值视为常数。在温度4～80℃，导热系数的值取为平均值0.694W/(m·℃)。Mohsenin[20]在1980年通过稳态热流法测得米饭在67℃时的导热系数为0.421 W/(m·℃)，这与本实验所测米饭的导热系数有差异，主要是因为所用米饭的导热系数不仅与温度有关，而且受密度影响很大。本实验米饭颗粒小、密度大，孔隙紧密，故导热系数变大。

图4 相同密度下温度对米饭导热系数的影响Fig.4 Effect of temperature on thermal conductivity of cooked rice with identical density

2.3 米饭介电特性分析

表3 米饭的介电特性数据Table 3 Dielectric properties of cooked rice

从表3可看出，米饭在不同温度下的介电常数值有一定的差异，但都在47～56的范围之内。对ε′-温度关系用Origin方差分析知，温度对介电常数ε′的影响不显著(P＞0.05)，ε′可取为常数。对ε′数据取平均值为51.4，标准偏差为2.6。

图5 温度对米饭介电损失率的影响Fig.5 Effect of temperature on dielectric loss rate of cooked rice

从图5可直观的看出，随温度的升高，米饭的介电损耗率呈下降趋势。用Excel软件中的二次多项式对数据进行回归拟合，得到拟合方程为ε′′=17.133- 0.224T＋0.001T2，相关系数为R2=0.998，拟合效果非常理想。

频率、温度与食品中的水分决定了湿物料的介电性质，而引起介电损失的主要机理是离子导电和偶极子旋转。Liu等[21]用修正后的德拜公式分析面包中结合水、自由水和频率对介电损失的影响时指出：在低频范围内，离子传导是引起介电损失的主要原因，介电损失与温度成正相关；在高频范围内，起主导作用的是水分的极化损失，介电损失率则与温度成负相关性。本实验使用的微波频率2450MHz属于高频测定，所以水分子极化引起介电损失，即当温度升高时，米饭中水分的蒸发导致介电损失率减小。

由上述可知，米饭介电常数和介电损失率的预测值和实验值具有较好的一致性，运用Excel软件回归分析得到的预测方程能够有效地对米饭的介电特性进行预测。

穿透深度指微波照射食品后，其能量衰减至表面能量的1/e时的位置距表面的距离，是衡量微波在食品内部渗透时电磁能衰减的指标，是食品内部温度分布形成的重要因素。食品的穿透深度越小，其表面加热性越强，表面升温显著。反之则食品的表面加热性越弱。表3中米饭的穿透深度(Dp)数据由下列方程计算得出：

式中：f为所测定的频率；ε′和ε′′分别是测得的介电常数和介电损失率；c0=3.0×108m/s。

图6 温度对穿透深度的影响Fig.6 Effect of temperature on penetration depth

从图6可看出，随温度的升高，微波在米饭中的穿透深度变大。分析原因，一方面因穿透深度是介电常数和介电损耗的函数，随温度升高，介电常数不变，介电损失变小，导致穿透深度增大；另一方面可能是温度变大，米饭变得疏松，因空气的介电损耗远小于米饭的介电损耗，导致穿透深度随温度升高。运用Excel软件对穿透深度数据进行回归分析，得到预测方程为：Dp=0.0001T2＋0.0114T＋0.8387，回归系数为R2=0.989，较好的反映了穿透深度与温度的关系。

3 结 论

3.1 通过对米饭比热和导热系数进行实验测定，得到米饭的热物性值。米饭的比热在15℃以下时呈指数上升。随温度持续升高，最后趋于定值，不再随温度变化。米饭的导热系数不仅受温度的影响，而且与米饭的密度有很大关系。当米饭密度不变时，温度对导热系数的影响可忽略。

3.2 米饭的介电常数随温度变化不大，介电损耗与温度呈负相关性。运用Excel软件回归分析得到的预测方程能对米饭的介电损失和穿透深度进行有效预测。

3.3 本研究可作为对熟化米进一步研究的理论基础，也为微波加热米饭的传热建模提供参数。随着微波干燥、回温和加热等在方便米饭中的应用发展，研究米饭的热物性和介电特性将是一件重要而有意义的工作。

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Thermal and Dielectric Properties of Cooked Rice

LI Chun-xiang1，FANG Da-ming1，CHEN Wei1,*，PANG Ke2，LI Guang2，ZHAO Jian-xin1，ZHANG Hao1
(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China；2. Wuxi Huashun Minsheng Food Co. Ltd.,Wuxi 214151, China)

Thermal and dielectric properties related to temperature of cooked rice were measured between 5 ℃ and 90 ℃ using a programmed temperature control. Thermal conductivity of cooked rice was measured by using a regular circuit with heating wire coupled with a line temperature probe. Meanwhile, nonlinear relationship was estimated by regression. Results indicated that temperature had a significant effect on specific heat and dielectric loss of cooked rice while the thermal conductivity and dielectric constants were unaffected. The specific heat of cooked rice exhibited an exponential increase as the increase of temperature till 15 ℃, and then remained a stable stage (cp = 2.930 kJ/(kg·℃)). Quadratic polynomial of temperature demonstrated the change in dielectric loss of cooked rice (R2= 0.998). Penetration depth was a function of dielectric property positively correlated with temperature.

rice；thermal property；dielectric property

TS201.7

A

1002-6630(2011)03-0103-05

2010-05-11

国家科技支撑计划项目(2008BAD91B03)

李春香(1984—)，女，硕士研究生，主要从事食品科学研究。E-mail：sprli2119@163.com

*通信作者：陈卫(1966—)，男，教授，博士，主要从事食品科学与生物技术研究。E-mail：weichen@jiangnan.edu.cn