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1、淀粉含量和糊化对淀粉浆料介电性质的影响在温度从 40C 到 90C 下和频率从 15MHZ 到 3GHZ 下，对浓度为 10%-50% 的玉米淀粉浆的介电性质进行测量。随着淀粉浓度的增加，介电常数降低而损耗 因子增加。淀粉浆料介电损耗因数在 15MHZ-450MHZ 下降低，在 450MHZ-3GHZ 下 增加。频率对介电常数的显著影响仅仅在更高的淀粉含量的条件下才得到证明 (40%)。在全部的频率范围之内,随着温度的升高淀粉浆料的介电常数下降，但 是介电损耗在 15-450MHZ 下随温度的升高而升高,然后在 450MHZ-3GHZ 的频率范 围内随温度的升高而降低。在糊化过程中，浓度为20
2、%的淀粉浆的介电常数以线 性方式下降。温度在60 C到72 C范围下，观测到浓度为20%的淀粉浆的介电 常数和糊化百分率之间的有显著的联系。 2006 艾斯维尔有限公司保留所有权利。关键词：介电常数 介电损耗因数 频率 糊化1 引言介电材料的特点是他们支持电场同时不传导电流(shilova,1999)。这些材 料储存和分散电能的性质可以用它们的介电性质来说明。这些特性是我们理解介 质材料与微波或无线频率场相互作用的关键因素。食品材料的介电性质用介电常 数和介电损耗因子来表达，这两者分别是复介电常数的实部和虚部，复介电常数 表示为e*二e -ie。介电常数是材料在电场中储存电能和偏振能力的一个重
3、要 指标，但介电损耗因子与材料电能转化为热能而损失相关联。在食物体系中，水是主要的极性材料，因此水量以及水的流动性影响体系的 介电性质。体系中含水量的变化改变了与电磁波作用的偶极材料的数量，从而影 响介电性质。更进一步说，水的存在引起体系中特定的物理化学变化，像粘度的 变化，淀粉的糊化。这些变化包括水的流动性的变化，因此影响整个体系的介电 性质(Miller, Gordon, & Davis, 1991; Tsoubelli, Davis, &Gordon, 1995)。(Decareau,1985;Nelson,1973)因为淀粉处于或者高于糊化温度时的膨胀和溶 解特性，使的淀粉作为增稠剂而
4、广泛应用食品中(Self, W订kin, Morley, & Bailey, 1990)。淀粉糊化的特点是其原生颗粒性结构的破坏并伴有颗粒的膨胀、 直链淀粉的浸出、晶体结构的损失、双折射特性的损失、黏度的增加以及淀粉聚 合物的溶解(At well, Hood, Lineback, Varriano-Mar tson, & Zobel, 1988)。 在糊化过程中颗粒的膨胀导致其粘度的增加并相应的导致水分流动性的下降。平 均流动性取决于结合水分子对整个系统总的含湿量的比率以及淀粉分子的流动 性。水分流动性的降低会对整个淀粉水系统的介电性质产生影响(Jaska, 1971; Ryyna nen,
5、Risman, &0 hlsson, 1996)。一些科学家已经使用各种不同的测量技术对水含量、淀粉糊化以及温度对 不同淀粉的介电性质的影响进行了研究 (Bircan & Barringer， 1998； Ndife, S umnu&Bayindirli, 1998a, 1998b; Piyasena, Ramaswamy, Awuah, &Defelice, 2003; Ryyna nen et al., 1996)。淀粉的介电常数和损耗因子取决于含水量 温度以及淀粉的种类。当用电解质探针测量时发现干淀粉颗粒对不同水活性的介 电性质的平衡远远低于那些有30-50%淀粉浓度的淀粉水系统的介电性
6、质的平衡。 一般情况下，随着含水量的增加，已被证明，介电常数和损耗因子都会相应的增 加(Ndife et al., 1998a; Tsoubelli et al., 1995)。然而，Bircan and Barringer (1998)声称在保持25 C恒温的条件下，随着系统中含水量从75%增加 到100%，介电损耗因子保持不变，但介电常数增加了。在2450MHZ的条件下测量时， 淀粉水系统的介电性质随着加热而下降。在过量水系统(5-30%淀粉)中，当在2750MHZ频率下用谐振腔微扰法测试 技术对玉米、小麦、马铃薯和蜡质玉米淀粉进行测试，发现尽管介电性质随着温 度和淀粉浓度的变化而下降(R
7、yyna nen et al., 1996)，但介电性质的不同取 决于淀粉的种类而淀粉糊化的影响并不显著。尽管据报道的以各种不同方法研究 的介电性质不同，但大体上可以得出结论：介电性质首先取决于自由水的含量。 糊化对淀粉介电性质的影响还没有得到充足的解释以及在糊化过程对介电性质 的影响还没有得到详细的说明。淀粉的糊化过程是通过对水系统中淀粉颗粒在加热时发生的各种物理化学 变化的观察来研究的。一些最常用的技术方法包括观察颗粒的膨胀和通过光学显 微镜观察双折射的损失(At welle t al., 1988)，用X射线衍射的方法观察结晶度 的下降(Zobel, Young, & Rocca, 19
8、88)，用扫描量热法研究热能的变化 (Bil iaderis,Maurice, & Vose, 1980)以及电阻率的变化(Leszczynski, 1987)。 在接近糊化温度时观察到静止的马铃薯淀粉的介电性质发生突变，这证明介电性 质可以用来观察淀粉的糊化(Sipahioglu, Bircan, & Barringer, 2004)。介电 损耗指数的变化也被用来决定糊化的开始和结束点以及能量的转化。当淀粉开始 吸水时，损耗变化趋势与温度的曲线呈现一个最高点(Morales-Sa nchezet al., 1997)。同样，不同的损耗因数被用来测算淀粉衍生食物在加工过程中的结构的 变化。在1
9、-25MHZ频率范围内，不同介电损耗因数有一个最大值，而最大值取决 于临界温度；也就是说，在高于或者低于临界温度时可以观察到各种性能的不同 行为类型。这个最高点与结合水的变化相关，它对结构的变化以及对淀粉样品的 糊化都很敏感(Ar ambula et al., 1998)。本研究的目的是确定温度、测量频率以及淀粉糊化对不同浓度的淀粉-水 系统的介电性质的影响以及发展一种通过测量介电性质来确定糊化度的技术方 法。2材料与方法2.1淀粉浆料的准备在室温下通过加入去离子的水来制备浓度分别为10%、20%、30%、40%、50% 的玉米淀粉浆料(阿尔戈玉米淀粉，孟菲斯淀粉)。浆液在电磁搅拌器下搅拌30
10、 分钟。通过吸气15分钟，使样品中的各种空气泡沫得以去除。试验样品被加热到 六个不同的终点温度，这六个不同的终点温度以淀粉浓度不同在40 C到90 C 之间以每10 C划分，对于浓度在20%和50%的淀粉浆液，附加的测量方法是在60 C到75 C之间以每3 C间隔进行测量。浆液在对流恒温烤箱(Fisher Scienti c, Iso temp Oven Model 630F)中加热。随着加热到特定的终点温度，浆液的介电性 质得以测量。每个实验采用一式三份进行测量以及每个样品仅仅使用一个终点温 度。2.2 介电性质测量在为500-3000MHZ频率范围下，使用带有开放式同轴线与介电探针(HP
11、85070B, Hewle tt Packard Co., San taRosa, CA)相连接的网络分析仪(HP 8527 C, Hewlett Packard Co., SantaRosa, CA)来测量介电性质。网络分析仪在25 C 下用空气、短金属、水来进行校准，然后在测量之前在各自的测量温度下用水再 次校准以确保测量的准确性。同时，这也可以阻止样品在于介电探针接触的时候 冷却到一个很低的温度。样品放在一个周围包有泡沫的玻璃烧杯中以减少温度向 周围扩散。反射测量技术因其在较高的温度下也比较容易使用而被应用。介电性 质通过使用离散参数S的HP软件HP85070进行测量。2.3. 糊化程度
12、的测量浓度为20%和50%的淀粉浆料的热学性能使用差式扫描量热仪测量，DSC-7 配备了微软包的Pyris的软件，版本俄日2.03,1997 （Perkin-Elmer Corp., Norwalk, CT, USA）。浆液在不锈钢锅中进行密封称重。在DSC中，使用一个空 的不锈钢锅，作为实验参考。样品在20 C中保持5分钟，然后以1.5 C/min加热 速率下从20 C加热到140 C。这个被选择的加热速率用来模拟对介电性质进行 测量的对流恒温烤箱中的样品的加热速率。糊化开始和结束温度以及糊化焓使用 DSC软件从吸热峰中计算出来。完全糊化淀粉焓称为完全糊化焓（H ）。在一系C列的DSC实验中
13、，样品保持在60、63、64、66、68、70和72 C下5分钟来获得糊 化焓。这些焓值叫做部分糊化焓（AH ）。糊化度通过下面的等式得到（Ndife, SCumnu, & Bayindirli, 1998b） ；糊化百分比二（1-AH/AH）* 100%PC2.4. 统计分析所有的测量至少测三次。通过使用mini tab软件的一般线性分析（mini tab 公司，宾夕法尼亚州立大学，版本14.0）,把淀粉浓度（10%， 15%， 20%， 30%， 40%和50%）和温度（40, 50,60,70,80和90 C）作为固定因素，把四种频率 （915,1800,2450和3000MHZ）作为随
14、机因素的交叉设计作为在0.05%下的水平 方差分析。3. 结果与讨论经测量, 玉米淀粉浆的介电性质是淀粉浓度，频率和温度的函数。 3.1温度和测量频率的影响淀粉浆料的介电性质随着温度的升高而急剧下降（p :比 7 6 5 4 3 2 .JOIPR 山 u_l.g_2一口*40亡 5OC十了。亡 aoc 葩亡Log1DFrequsncy Hz在所有的浓度下，介电常数以及损耗因子在更低的频率范围(15-450MHZ) 之内会下降，而在更高的频率范围(450MHZ-3GHZ)之内会升高。随着频率的增 加，极性分子跟不上所施加的电磁场的变化，从而导致落后。这导致由介电常数 下降以及介电损耗因数增加所表示的能量耗散。在测量频率范围内，低浓度下的 介电常数没有或有很小的变化表明离散的不存在。淀粉浆料的这种行为与在相同 频率范围之内的纯净水的行为时一致的。这个实验结果与报道了在无线电频率下 相对介电常数的相似趋势的
