随着生活水平的提高，人们对海产品的消费需求迅速增长，三文鱼(Salmo salar)以其鲜嫩的口感和丰富的营养，受到越来越多人的喜爱[1]。三文鱼通常的吃法是生食，既不符合国人的饮食习惯又存在较大的安全隐患[2]。为了获得常温下可以长期保存的三文鱼，通常采用高温杀菌方式将三文鱼制成罐头食品，但是长时间高温处理导致三文鱼的营养和感官品质下降严重。随着冷链的发展，在0～4 ℃具有较长保质期的高品质巴氏杀菌产品逐渐被消费者认可。但是传统巴氏杀菌传热速率慢、加热时间长，在品质提升方面潜力有限。而微波巴氏杀菌在降低杀菌时间、提高三文鱼产品品质方面具有较大潜力，是食品加工领域的研究热点。微波巴氏杀菌工艺的研究需遵循与传统工艺相同的安全标准，即保证冷点位置的热处理程度满足安全标准。但是微波加热的冷点位置与传统加热方式不同，因此温度分布及冷热点位置的确定是微波巴氏杀菌工艺研发的基础[3-6]。基于美拉德反应的化学标记法被广泛用以分析微波加热食品的温度分布，其原理是还原糖和氨基酸反应生成棕色物质，温度越高，加热时间越长，反应生成物越多，颜色越深[7]。该反应为不可逆反应，能够记录食品不同位置的热处理程度，在加热完成后对样品进行切片处理，可以通过颜色的深浅程度获得微波杀菌食品内部的热形及冷热点位置[8-9]。
普通食品美拉德反应变色不明显，所以在化学标记法的应用中，一般用D-核糖和L-赖氨酸作为美拉德反应的底物，与目标食品性质匹配的模拟食品作为反应的载体。食品的介电特性是影响微波加热温度分布的主要因素，它描述了食品与电磁能相互作用的能力，主要包括介电常数和介电损耗2个参数，介电常数反映食品储存电场能量的能力，介电损耗反映食品将电场能转换为热能的能力[10-11]。在微波加热研究中，结冷胶[12]、土豆泥[13-14]和蛋白粉[15-16]已被用于制作模拟食品用以获得微波加热的温度分布。结冷胶用于模拟高水分含量的食品，土豆泥用于模拟高淀粉含量的食品，蛋白粉用于模拟高蛋白含量的食品。由于三文鱼鱼肉中含量最高的是水和蛋白质，本文以乳清蛋白粉为主要原料，研发介电特性和三文鱼匹配，适用于微波巴氏杀菌的模拟食品。首先测量了20～110 ℃、频率300～2 500 MHz时三文鱼的介电特性，然后通过改变乳清蛋白粉含量使模拟食品与三文鱼的介电特性一致，制得的模拟食品可以用于温度分布和冷热点位置的确定，为三文鱼微波巴氏杀菌工艺开发提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
整条三文鱼(Salmo salar)，美威水产(上海)有限公司，储存于-18 ℃备用；浓缩乳清蛋白粉，南京高溯生物科技有限公司；结冷胶，美国唐瑞斯食品物料公司；D-核糖、L-赖氨酸，北京百灵威科技有限公司；CaCl2，上海麦克林生化科技有限公司。
1.2 仪器与设备
电子天平，盛博电子衡器有限公司；2X15-3恒温磁力搅拌器，上海弘懿仪器设备有限公司；E5071C矢量网络分析仪，是德科技(中国)有限公司；Testo 106高精度食品温度计，德图仪器国际贸易有限公司；25UG26威力微波炉，中山东菱威力电器有限公司；FLIR T420红外热像仪，美国菲力尔公司；PICOVACQ/1TC型无线温度传感器，安联国际有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 乳清蛋白凝胶模拟食品的制作
参照ZHANG等[12]和WANG等[16]的方法并进行优化，将1%(质量分数)的结冷胶粉溶于水中，放到恒温磁力搅拌器中加热至90 ℃左右，加入无水CaCl2，待CaCl2完全溶解，60 s后停止加热。溶液温度降低至60 ℃左右，加入一定量的D-核糖、L-赖氨酸和乳清蛋白粉，搅拌均匀，倒入事先准备好的模具中，冷却形成乳清蛋白凝胶模拟食品。
1.3.2 介电特性的测量
矢量网络分析仪在测量前先开机预热半小时，依次用空气、金属短柱、去离子水校准，在特制的可调温度测试腔内测定三文鱼的介电特性。扫描频率范围设置为300～2 500 MHz，频率间隔2.5 MHz；温度为20～110 ℃，温度间隔10 ℃。将三文鱼从-18 ℃置于4 ℃解冻，按图1所划分的部位取待测三文鱼样品，均匀塞入套筒内，放入热电偶进行跟踪测量实时温度，介电常数和介电损耗均平行测量3次，取其平均值。
图1 三文鱼不同部位划分示意图
Fig.1 Schematic diagram of different parts of salmon
1.3.3 穿透深度的计算
穿透深度是指微波能量减少为原来的1/e(e=2.718 3)或36.8%时距离表面的深度，可用于表征食品物料对微波能衰减能力的大小，也是衡量微波加热食品内部温度分布的重要参数[3]。穿透深度通常用于选择加热食品的合适厚度，使加热过程更加均匀，如计算公式(1)所示：
(1)
式中：dp为穿透深度，m；c为光在真空中的传播速度，c=3×108 m/s，f为对应的测定频率，Hz；ε′和ε″分别为介电常数和介电损耗。
1.4 数据分析
采用Origin 8.5软件对数据进行分析制图；Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行统计分析并拟合方程。
2 结果与分析
2.1 三文鱼的介电特性
图2-A、2-B为20～110 ℃、频率300～2 500 MHz内三文鱼腹部鱼肉介电特性随频率、温度的变化规律。温度一定时，三文鱼腹部鱼肉的介电常数和介电损耗均随频率的升高而减小；频率一定时，腹部鱼肉介电常数随温度的升高而减小，介电损耗随温度的升高而增大，这与张文杰等[17]研究的扇贝，贾敏等[18]研究的鲍鱼介电特性随温度、频率变化规律相似。图2-C、2-D为三文鱼背部鱼肉介电特性随频率、温度的变化规律，图2-E～图2-F为三文鱼尾部鱼肉介电特性随频率、温度的变化规律，背部、尾部鱼肉介电特性随频率、温度的变化规律与腹部鱼肉相同。由图2可知，在300～2 500 MHz，三文鱼鱼肉介电常数和介电损耗均与频率呈负相关。
图3为433、915、2 450 MHz频率下，三文鱼不同部位鱼肉随温度的变化情况。由于433、915、2 450 MHz是食品工业中常用的频率[15]，因此研究三文鱼介电特性随温度变化时，选取这3个频率。由图3可知，三文鱼介电常数与温度呈负相关，介电损耗与温度呈正相关。由图3-A、图3-B可以看出，在相同温度、相同频率下，尾部和背部鱼肉的介电常数、介电损耗均大于腹部鱼肉，这可能是由于三文鱼腹部的脂肪含量高于三文鱼背部和尾部[19-20]。由图3可知，三文鱼各部位介电特性差异较小，用模拟食品匹配三文鱼介电特性时，可以用各部位的平均值。
2.2 乳清蛋白凝胶模拟食品的介电特性
图4为433、915、2 450 MHz频率下不同蛋白粉含量的模拟食品(2%、6%、10%)介电常数、介电损耗随温度的变化情况。由图4可知，频率一定时，在20～110 ℃下乳清蛋白凝胶模拟食品的介电常数随着温度的升高而降低，介电损耗随着温度的升高而升高，这与三文鱼的介电特性变化规律一致。增加蛋白粉含量，相同频率相同温度下模拟食品的介电常数和介电损耗均降低，这是因为水分含量降低，水分子与物料分子的结合力越来越大，极化效果减小[21-22]。由图4可以看出，2%、6%乳清蛋白含量的模拟食品介电常数和介电损耗均高于三文鱼，10%乳清蛋白含量的模拟食品介电特性和三文鱼最为接近。
A、C、E-三文鱼腹部、背部、尾部鱼肉介电常数；B、D、F-三文鱼腹部、背部、尾部鱼肉介电损耗
图2 三文鱼不同部位介电特性随频率、温度的变化规律
Fig.2 Dielectric properties of different parts of salmon with frequency and temperature
A-三文鱼介电常数；B-三文鱼介电损耗
图3 433、915、2 450 MHz频率下不同部位三文鱼的介电特性
Fig.3 Dielectric properties of salmon in different parts at 433,915 and 2 450 MHz
在433、915、2 450 MHz频率下，以模拟食品的介电常数为因变量，加热温度T和乳清蛋白粉含量x为自变量，构建回归方程[23-25]。如表1所示，拟合度R2分别为0.980、0.994 9、0.996 4。表2为模拟食品介电损耗因数与蛋白粉含量和温度的回归方程，其R2分别为0.987 9、0.983 1、0.994 3。拟合度R2均大于0.98，可以用这些方程预测不同温度下不同蛋白粉含量模拟食品的介电常数和介电损耗，为开发其他水产品的模拟食品提供参考。
A、C、E-433、915、2 450 MHz频率下三文鱼和模拟食品的介电常数；B、D、F-433、915、2 450 MHz频率下三文鱼和模拟食品的介电损耗
图4 不同蛋白粉含量的模拟食品(2%、6%、10%)介电常数、介电损耗随温度的变化规律
Fig.4 Variation of dielectric constant and dielectricloss factor with temperature of model foods (2%, 6%, 10%)with different protein powder contents
表1 模拟食品介电常数与蛋白粉含量和温度的回归方程
Table 1 Regression equation of dielectric constant ofmodel food with protein content and temperature
频率回归方程R2433 MHzy =78.546-0.227T+0.862x+0.010 5Tx +0.000 15T2-0.276 2x20.982 0915 MHzy=72.553-0.240 3T+3.244 5x+0.008 5Tx+0.000 11T2-0.499 4x20.994 92 450 MHzy=67.26-0.234 6T+5.243 1x+0.011 7Tx+2.653 1T2-0.757 4x20.996 4
表2 模拟食品介电损耗因数与蛋白粉含量和温度的回归方程
Table 2 Regression equation of loss factor of model foodwith protein content and temperature
频率回归方程R2433 MHzy=32.043+0.790 7T-7.137 8x-0.017 7 Tx+0.000 47T2+0.618 3x20.987 9915 MHzy=23.137+0.319 1T-5.732 1x-0.011 8 Tx+0.000 7T2+0.538 7x20.983 12 450 MHzy=21.726+0.021 7T-3.603 7x-0.004 9 Tx+0.000 6T2+0.292 8x20.994 3
2.3 三文鱼介电特性与模拟食品的拟合
为了匹配三文鱼的介电特性，将10%乳清蛋白含量的模拟食品介电特性与三文鱼不同部位的平均值相比较。图5为433、915和2 450 MHz下，三文鱼与乳清蛋白凝胶模拟食品的介电特性曲线，其中模拟食品的组成(质量分数)为10%乳清蛋白粉、1%结冷胶、1%D-核糖、1%L-赖氨酸、0.3% CaCl2、86.7%蒸馏水。表3为三文鱼和模拟食品介电常数、介电损耗随温度变化的回归方程，R2>0.98，可以用于预测不同温度下三文鱼的介电特性，为计算机数值模拟提供支持。由图5可以看出，模拟食品介电常数随温度变化和三文鱼较为接近，介电常数随温度变化和三文鱼基本一致，本文研发的模拟食品在20～110℃下介电特性随温度变化和三文鱼一致，可以用于三文鱼微波巴氏杀菌过程。
A-三文鱼和模拟食品的介电常数；B-三文鱼和模拟食品的介电损耗
图5 三文鱼与模拟食品(10%蛋白粉)介电特性拟合
Fig.5 Comparison of dielectric properties of model food(10% protein powder) and salmon
表3 三文鱼和模拟食品介电特性的回归方程
Table 3 Regression equations for the dielectric propertiesof salmon and model food
项目频率回归方程R2介电常数433 MHzy = 0.026 1T2-0.901 4T + 60.4420.988 9(三文鱼)915 MHzy = 0.017 8T2-1.240 1T + 56.8850.996 92 450 MHzy = -0.023 1T2-0.659 8T+ 50.6180.995 9介电常数433 MHzy = 0.044 5T2-1.288T + 58.8330.985 0(模拟食品)915 MHzy = 0.0162T2-1.262 7T+ 54.2430.995 12 450 MHzy = 0.009 7T2-1.046 7T + 48.8180.993 5介电损耗433 MHzy = 0.128T2 + 4.387 4T + 32.450.999 0(三文鱼)915 MHzy = 0.038 6T2 + 2.731 4T + 20.310.997 62 450 MHzy = 0.061 4T2 + 0.171 1T + 16.9770.988 5介电损耗433 MHzy = 0.145 7T2 + 5.354 7T + 29.6910.999 5(模拟食品)915 MHzy = 0.072 2T2 + 2.345 1T + 20.9110.999 42 450 MHzy = 0.049 8T2-0.004 1T+ 14.3450.998 3
2.4 穿透深度
图6为20～110 ℃条件下，三文鱼与模拟食品(10%乳清蛋白)穿透深度随温度的变化规律。随着温度的增加，三文鱼和模拟食品的穿透深度不断减小，这与WANG等[20]研究的三文鱼穿透深度随温度变化一致。433 MHz频率下20 ℃时三文鱼和模拟食品的穿透深度分别为23.92、23.33 mm，110 ℃时穿透深度分别为10.50、10.03 mm；915 MHz频率下20 ℃时三文鱼和模拟食品的穿透深度分别为16.59、16.08 mm，110 ℃时穿透深度分别为7.76、7.33 mm；2 450 MHz下20 ℃时三文鱼和模拟食品的穿透深度分别为8.07、8.74 mm，110 ℃时穿透深度分别为5.03、5.95 mm。从20℃上升到110℃，穿透深度减小为原来的一半，贾敏等[18]研究的鲍鱼其穿透深度也具有相似的规律。此外，微波频率从433 MHz升到915 MHz再升到2 450 MHz，三文鱼和模拟食品的穿透深度在不断减小。表4为三文鱼和模拟食品穿透深度随温度变化的回归方程，拟合度R2>0.99，可以用于预测不同温度下三文鱼的穿透深度，为计算机模拟提供理论依据。由图5可知，在433、915、2 450 MHz频率下，模拟食品的穿透深度与三文鱼匹配的较好，因此可使用该配方的乳清蛋白凝胶模拟食品代替三文鱼应用到微波热处理系统中。
图6 三文鱼和模拟食品(10%蛋白粉)的穿透深度
Fig.6 Penetration depth between salmon and model food (10% protein powder)
表4 三文鱼和模拟食品穿透深度随温度变化的拟合方程
Table 4 Regression equation for the penetration depthof salmon and model food with temperature
项目回归方程R2433 MHz三文鱼y = 0.001T2-0.281 9T+29.1350.996 9915 MHz三文鱼y=0.000 4T2-0.151 3T+19.530.998 42 450 MHz三文鱼y=-0.000 2T2-0.009T +8.284 10.996 5433 MHz模拟食品y=0.001 2T2-0.309 7T +29.2080.998 6915 MHz模拟食品y=0.000 6T2-0.182 4T+19.5890.999 12 450 MHz模拟食品y=0.000 1T2-0.015 5T+9.1620.996 7
2.5 模拟食品微波热处理实验验证
图7-A、图7-B为相同尺寸(10 cm × 6 cm × 1.6 cm)的乳清蛋白凝胶模拟食品和三文鱼块置于700 W微波炉中加热60 s的上表面红外热形图。图7-C为模拟食品内部化学标记法热形图，图7-D为经过MATLAB软件处理的化学标记法热形图。图7-E为无线温度传感器记录的模拟食品和三文鱼的冷热点升温曲线。本文研发的模拟食品经过微波热处理，其温度分布和冷热点位置与三文鱼一致。因此该配方的模拟食品可以代替三文鱼，用于微波巴氏杀菌温度分布和冷热点位置的确定，为三文鱼微波巴氏杀菌工艺的开发提供了载体。
A-三文鱼上表面红外热形图；B-模拟食品上表面红外热形图；C-模拟食品中部切面化学标记法热形图；D-模拟食品化学标记法热形伪彩图；E-冷热点升温曲线
图7 微波热处理后温度分布和冷热点升温曲线
Fig.7 Temperature distribution after microwaveheat treatment and heating curves of cold and hot spots
3 结论
本研究对20～110 ℃、频率300～2 500 MHz三文鱼不同部位(腹部、背部、尾部)的介电特性进行测量，同时考察了乳清蛋白粉含量对模拟食品介电特性的影响。温度一定时，不同部位三文鱼介电常数和介电损耗随着频率的升高而降低；频率一定时，介电常数随着温度的升高而减小，介电损耗随温度的升高而增大，且在相同温度、相同频率下尾部和背部鱼肉的介电常数、介电损耗大于腹部鱼肉，这可能是因为腹部鱼肉的脂肪含量高于背部和尾部。433、915、2 450 MHz频率下，三文鱼介电特性及穿透深度随温度变化的回归方程，拟合度R2>0.98，可以用于预测不同温度下三文鱼的介电特性及穿透深度。乳清蛋白粉含量增加，模拟食品的介电常数和介电损耗均减小。当模拟食品组成(质量分数)为乳清蛋白粉10%，结冷胶1%，D-核糖1%，L-赖氨酸1%，CaCl20.3%，蒸馏水86.7%时，模拟食品的介电特性与三文鱼一致，可以用于三文鱼微波巴氏杀菌温度分布和冷热点位置的确定，为三文鱼微波巴氏杀菌工艺开发提供理论基础。
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