正文 食品的電學檢測技術(1 / 3)

食品與農產品的組織、成分、結構、狀態等和它們的電特性都有著密切的關係,食品與農產品電特性的變化主要表現在電流密度、磁導率、絕對介電常數(電容率)、電導率等的變化方麵。從廣義上可將食品與農產品的電特性分為主動電特性和被動電特性兩種類型。前者是食品與農產品物料中存在的某些能量源產生的電特性,其能量源可能產生一個電動勢或電勢差,在生物係統中表示為生物電勢,在壓電晶體中表現為應變誘導電勢;後者則反映了影響物料所占空間內電場和電流(電荷)的分布特性,它是由物料的化學成分和物理結構所決定的固有特性。不僅取決於其自身的性質,通常還受環境因素的影響。

一、電學檢測的方法

食品與農產品電特性的檢測方法主要有4種:切片法,突刺法,接觸法和非接觸法。

切片法是將被測物料加工成規則的形狀後,放入平行電極間檢測其電特性;突刺法是將針狀電極刺入被測的物料中檢測其電特性;接觸法是將被測物料直接放入平行電極且保持電極與物料的接觸檢測其電特性;非接觸法則是將被測物料放於一組平行電極間,在不與電極直接接觸或通過其他介質(如采用水槽)的情況下檢測物料的電特性。切片法主要適用於可切成片的水果、麵食製品等,突刺法和接觸法以及非接觸法則能適用幾乎所有的食品與農產品的快速檢測,並且不受其形狀的影響。

在食品與農產品的電特性的檢測中,被檢測物體可以看成是生物體。

檢測阻抗特性時,可采用伏安法、補償法、電橋法等多種方法。當檢測直流阻抗特性時,給被測物料加上直流電壓,通過歐姆定律即可求出直流阻抗;檢測交流阻抗時,給被測物料加上交變電壓,通過改變施加電壓的頻率,求出每個頻率下的阻抗值,作出阻抗與頻率(Cole-cole)關係曲線。

在檢測食品與農產品介電常數的方法中,電橋法是最常用的方法之一。其中3個阻抗臂已知,調節電橋達到平衡,根據平衡條件可求出被測物料的並聯等值電容和電阻,從而計算出物料的介電常數和耗散正切。該方法簡單易行,但影響因素較多,誤差較大,較難實現各種頻率下的介電常數檢測。

介電常數(Q表法)諧振法檢測介電常數的方法(Q表法)是通過可調頻率的振蕩器激勵RLC諧振電路加以實現的。當回路加上電壓U時,調節C使電路達到諧振(在某個頻率下電流最大)Imax=UR,記錄下此時的Q1、C1;接入被測物料平板電容,調整電路達到諧振,同時記錄此時的Q2、C2、εr,然後根據式計算出相對介電常數(ε′r)和耗散的正切值(tanδ)。

ε′r=CSd/ε0A

tanδ=C1/(C1-C2)×(1/Q2-1/Q1)

式中CS——電容器的電容值,CS=C2-C1,F

C1——加物料前的電容值,F

C2——加物料後的電容值,F

A——電容器的平板麵積,m2

d——平板電極間的距離,m

ε0——真空介電常數,8.85×10-12,F/m

Q1——加物料前電路諧振Q表指示值

Q2——加物料後電路諧振Q表指示值

諧振法檢測介電常數的方法簡單易行,但較難準確地檢測出各種諧振頻率下的介電常數。上述兩種方法都存在物料不能充滿極板,介電常數和極板間電容值不成正比關係,計算複雜等不足之處。

微波檢測介電常數的方法分為時域檢測法和頻域檢測法兩種。時域檢測法是通過檢測反射係數來推算介電常數的方法,將時域檢測得到的響應經傅裏葉變換為頻域中的響應。頻域法檢測是在頻域範圍內,用連續周期電磁波作為探測源,研究被測信號的穩態影響。其具體的方法又可分成波導法、諧振腔法和自由空間法等多種。

二、電學檢測技術的應用

利用食品與農產品的電特性進行快速檢測品質的研究,已經曆了一段較長時間的發展階段。早在20世紀40年代就在農作物的形狀、種類及生長過程的檢測中得到了應用。發展至今已擴展到水果、蔬菜的成熟度和損傷的快速檢測,飲料、啤酒、乳製品的細菌檢測和保存期、安全期的控製等方麵。隨著檢測理論的完善和方法的改進、檢測儀器的發展和計算機的應用,相信很多實驗室的研究成果會逐步走向實用化。

利用電特性快速檢測水果的成熟度和損傷度的研究已取得令人滿意的結果。在300~900kHz的頻率範圍內,人們發現蘋果的介電常數與其成熟度有著十分密切的關係,不成熟蘋果的介電常數值在全頻率範圍內幾乎不變化,大約為44,而成熟的蘋果則在該頻率範圍內隨著頻率的增加從34左右下降到20附近。對於無傷的蘋果,其阻抗隨著儲存時間的延長有較大的增加,而損傷蘋果的阻抗卻隨著儲存時間的延長有所下降。