白果的物理特性研究

宋春芳，孟丽媛，桑 田，李臻峰，李 静

（江南大学机械工程学院，江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122）

白果的物理特性研究

宋春芳，孟丽媛，桑 田，李臻峰，李 静

（江南大学机械工程学院，江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122）

我国白果产量丰富，白果的营养价值很高，同时药用价值明显。利用网络分析仪和热特性分析仪对白果的物理特性进行研究。在1~3 000 MHz频率段内，当线路热源导热率探针测量的温度从30℃增加到80℃时，在一定的含水率下，白果的介电常数ε'从7.24增加到10.89，介电损耗因子ε''从1.77上升到7.8；当温度一定时，介电常数ε'和介电损耗因子ε''都随含水率的增大而增加。由此可见，白果的比热容和热传导系数随密度、含水率的增加而增大。关键词：白果；介电特性；热物理特性

白果，又名银杏，叶片呈枫叶状，常见于我国大部分地区。白果富含各种营养物质，如蛋白质、氨基酸、VC、核黄素、黄酮、内酯等[1]，有较高的药用价值。近年来的一些研究表明，白果对于促进和维持神经警觉性有极大的作用，对阿兹海默症有一定的预防作用[2-3]。我国白果树栽植规模逐年增长，白果产量可观。但是，白果在常温条件下贮藏，易发生霉烂、硬化、生虫等现象，严重影响了白果的日常销售。目前，我国经过长期贮运的白果种核只有10%符合出口标准，因而白果采后贮藏成为白果生产中亟待解决的问题。

试验利用网络分析仪和热特性分析仪对白果的物理特性进行了研究，并利用射频-微波干燥方法，研究频率（1~3 000 MHz）、样品含水率（11.6%~ 31.6%）、温度（30~80℃） 条件下对白果介电性能的影响规律，同时在油浴锅加热下研究白果的热特性参数。目前，国内外对食品的研究主要在食品介电特性的基础上进行快速检测、物料杀菌和杀虫[4-6]，对白果的物理特性研究较少。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜白果，购于当地超市。为了得到新鲜白果的含水率，利用液体排积法对白果进行测量，得到白果初始含水率为80%。待剥去白果外壳及果仁外薄膜后，挑选形状大小基本相同的标准白果用于试验。

1.2 仪器设备

101-0B型电热恒温鼓风干燥箱，上海叶拓仪器仪表有限公司产品；JM-B10002型电子天平，余姚市纪铭重校验设备有限公司产品；HH-1型数显恒温油浴锅，江苏正基仪器有限公司产品；JR900A型温度记录仪，广东美德时仪器仪表有限公司产品；FY-24型手动型粉末压片机，天津市科器高新技术有限公司产品；E5061B型网络分析仪、85070E末端开路的同轴探头、85071E型测试软件，美国安捷伦公司产品；KD2 Pro型热特性分析仪，美国Pullman公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 试验样品的制备

将1 kg新鲜的去壳白果仁放置在恒温热风干燥箱中，设定热风温度为80℃。白果仁在热风作用下进行绝干，每隔一段时间称取白果质量，直到白果质量不变，称此为绝干状态。然后，利用药用粉碎机把绝干状态的白果果仁研磨成粉。

称取5份约200 g的绝干白果果粉样品，放置在蒸发皿中，用细孔喷壶向200 g绝干粉末样品喷水，分别调制成不同含水率白果粉末，分别为11.6%，16.6%，21.6%，26.6%，31.6%，然后将样品放置于密封性良好的密封袋中，在4℃冰箱中密封放置24 h，使样品水分充分分布均匀。

试验时，不同含水率的白果粉末样品被压实于圆柱形的测量单元中（内径30 mm，高度10 mm）。将50 g不同含水率的白果粉末样品压实于测量单元中，得到密度相同、含水率不同的5份试验样品。

1.3.2 介电参数测定方法

由于白果仁形状不规则、尺寸相对较小，因此使用开放末端同轴探头法难以直接测量单颗白果仁的介电性能。因此，利用药用粉碎机把绝干状态的白果果仁研磨成粉，制备成不同含水率的粉末样品，并采用液压装置将粉末样品压缩。被压缩的白果样品具有平坦表面。

介电特性测定系统主要由计算机、安捷伦E5061B型网络分析仪、3.5 mm校准套件、开放式同轴探头和温度控制单元组成。将被压缩在不锈钢圆柱器皿中的白果粉放入恒温油浴锅中加热，利用热电偶测量样品温度。将已压缩好的样品放置在圆柱形测量单元中，测量介电特性时探头底面紧贴样品，确保在测量过程中探头不与外部空气接触。试验进行3次，所测数据取平均值。

1.3.3 热物理特性参数测定方法

为了与白果介电特性的测量保持一致性，并减小试验数据的误差，用于白果热物理特性参数测量的样品同样为采用液压装置压制的白果样品。

使用KD2 Pro型热特性分析仪对白果的热物理特性进行测量，热物理特性测量参数包括比热容和热传导系数。将样品放入恒温油浴锅中，样品的温度由恒温油浴锅控制，测量温度依次为30，40，50，60，70，80℃。传感器（SH-1型双针传感器）垂直插入测量样品的中心位置，用于测量样品中心温度。每组数据重复测量3次，取平均值。

2 结果分析

2.1 白果介电特性分析

2.1.1 温度和含水率对介电性能的影响

27 MHz频率下温度和含水率对白果介电常数ε'（a）和介电损耗因子ε''（b）的影响见图1，41 MHz频率下温度和含水率对白果介电常数ε'（a）和介电损耗因子ε''（b）的影响见图2。

图1 27 MHz频率下温度和含水率对白果介电常数ε'（a）和介电损耗因子ε''（b）的影响

图2 41 MHz频率下温度和含水率对白果介电常数ε'（a）和介电损耗因子ε''（b）的影响

由图1~图2可知，温度一定时，介电常数ε'和介电损耗因子ε''均随含水率的增加而增加。以30℃为例，当含水率从11.6%增加至31.6%时，在频率为27 MHz下，白果的介电常数ε'从3.46增加到7.04，介电损耗因子ε''从0.084增加到2.986；而频率为41 MHz时，介电常数ε'从2.56增加到6.11，介电损耗因子ε''从0.179增加到3.088。在含水率增加的情况下，白果整体代谢加速并且内部离子的活动性增强，此时样品的介电常数ε'和介电损耗因子ε''会随着含水率增加而增加[7]。

由图1~图2可知，在含水率相同的情况下，白果果粉的介电常数ε'和介电损耗因子ε''均随着温度的升高而增加。以含水率31.6%为例，当温度从30℃升至90℃时，在27 MHz频率作用下，白果果粉的介电常数ε'从7.24增加到10.89，介电损耗因子ε''从1.77上升到7.80；而在41 MHz频率作用下，介电常数ε'从6.97增加到10.11，介电损耗因子ε''从1.350上升到7.213。温度升高导致布朗运动加剧，增加静态介电常数，因此介电常数ε'随温度的升高而增加；而介电损耗因子ε''与样品中的溶解离子有关，在27~41 MHz频率范围内，离子极化下的损耗因子随温度的升高而增加。

2.2 白果热物理特性分析

2.2.1 密度、含水率和温度对白果比热容的影响

通过调整被压入圆柱形测量单元中白果果粉的质量，得到相同含水率、不同密度的白果果粉样品，用于测量密度对白果比热容的影响。

比热容为单位质量的物料温度升高1℃所需要的热量，是反映物料吸收一定热量后温度变化的物理量。食品的比热容主要与温度和其组成成分有关[8]。

密度（a）和含水率（b）对白果比热容的影响见图3。

图3 密度（a）和含水率（b）对白果比热容的影响

由图3（a）可知，在30~80℃整体温度范围内，白果比热容随密度的增加而增大。例如，在30℃时，白果比热容从12.03 J/（kg·℃）（4.246 g/cm3）增大到27.81 J/（kg·℃）（7.077 g/cm3）。试验过程中白果密度的改变通过调整样品的质量实现，故而随单位体积内质量的增加，白果比热容随之增大。

由图3（b）可知，在任何温度下，白果比热容随含水率的增大而增大。例如，在40℃时，比热容从7.76 J/（kg·℃）（11.6%）增大至11.02 J/（kg·℃）（31.6%）。Sweat等人提出含水率较高的食品物料，物料的含水率对比热容的影响显著。由于食品物料的比热容主要取决于组成成分，白果中的水分含量最大，故白果比热容随含水率的增加而增大。

试验数据通过SAS 9.0软件进行非线性回归分析，得出温度T对白果的比热容Cp影响的预测方程为Cp=0.001 4T2-0.505 8T+23.293，相关系数R2=0.982 2，表明自变量T（温度）的98.22%可由模型确定，F值=1 137.43远远超过F检测的临界值，p值<0.001远小于α，因而上述模型从整体来看是可用的。

2.2.2 密度、含水率和温度对白果热传导系数的影响

密度（a）和含水率（b）对白果热传导系数的影响见图4。

图4 密度（a）和含水率（b）对白果热传导系数的影响

由图4（a）可知，在30~80℃整体温度范围内，白果热传导系数随密度的增加而增大。例如，在30℃时，热传导系数从1.23 W/（m·℃）（4.246 g/cm3）增大到2.03 W/（m·℃）（7.077 g/cm3）。由图4（b）可知，在任何温度下，白果热传导系数随含水率的增大而增大。例如，在40℃时，热传导系数从0.88 W/（m·℃）（11.6%）增大至1.51 J/（kg·℃）（16.6%）。随着密度的增大，空隙越来越少，单位体积内的高分子越来越多，空隙中水分增加，而水的热传导系数大于空气的热传导系数，所以热传导系数随密度和含水率的增加而增大。

试验数据通过SAS 9.0软件进行非线性回归分析，得出温度T对白果的热传导系数k影响的预测方程为k=0.000 2T2-0.038 6T+1.939，相关系数R2= 0.936 2，表明自变量T（温度）的93.62%可由模型确定，F值=625.33远远超过F检测的临界值，p值<0.001远小于α，因而上述模型从整体来看是可用的。

3 结论

白果含有丰富的营养物质，有益于身体健康，但是白果含水率大、易发霉。试验主要研究了白果的物理特性参数，对白果的干燥储存提供了科学依据。

通过使用网络分析仪测量白果的介电特性，在频率为1~3 000 MHz、含水率为11.6%~31.6%，温度为30~80℃的条件下，当某一参数一定时，白果的介电常数和介质损耗因子随着频率的增大而减小，介电常数ε'随含水率的增大而增加，随温度的增大而增加；介电损耗因子ε''随着频率的增加呈现出先减小后缓慢增大的趋势，中间出现拐点，随含水率的增大而下降，但随温度的增大而增加。

通过使用热特性分析仪对白果的热物理特性进行测量，可得白果的比热容和热传导系数随密度、含水率的增加而增大。温度对白果的热物理特性影响预测方程如下：R2=0.982 2；R2=0.936 2。

[1]曹福亮.中国银杏志 [M].北京：中国林业出版社，2014：205.

[2]Boralle N.Ginkgo biloba：a review of its chemical composition[J].Ginkgo Chemistry，Biology，Pharmacology and Clinical Perspectives，1998（3）：126-138.

[3]张卫明，吴国荣，赵伯涛.银杏种仁保健功能的研究[J].南京师大学报（自然科学版），1998（3）：76-79.

[4]柯大观.基于介电特性的苹果无损检测系统研究 [D].杭州：浙江工业大学，2002.

[5]Wang Y，Wig T D，Tang J，et al.Dielectric properties of foods relevant to RF and microwave pasteurization and sterilization[J].Journal of Food Engineering，2003，57（3）：257-268.

[6]Gao M，Tang J，Johnson J A，et al.Dielectric properties of ground almond shells in the development of radio frequency and microwave pasteurization[J].Journal of Food Engineering，2012，112（4）：282-287.

[7]Wang N，Brennan J G.Thermal conductivity of potato as a function of moisture content[J].Journal of Food Engineering，1992，17（2）：153-160.

[8]顾园华.基于温度和水分的紫薯热物理特性与介电特性的分析 [J].浙江农业学报，2015，27（1）：97-103.

Study on Physical Characteristics of Ginkgo

SONG Chunfang，MENG Liyuan，SANG Tian，LI Zhenfeng，LI Jing
（Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu 214122，China）

China is rich in resources of ginkgo，which is high in nutritious value and has medicinal value significantly.The physical properties of ginkgo are studied by using network analyzer and thermal property analyzer.The results show that between 1~3 000 MHz the dielectric constant decreased with increasing temperature from 30℃ to 80℃ but increase with increasing moisture content，however，dielectric constant（ε'） increase from 7.24 to 10.89，while the dissipation loss factor（ε''） increase from 1.77 to 7.8 with increasing temperature.Dielectric constant decrease，while loss factor decreased with increasing frequency.The specific heat capacity and thermal conductivity of ginkgo increased with the increase of density and water content.

ginkgo；dielectric properties；thermal physical properties

S792

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.02.029

1671-9646（2017）02b-0006-04

2017-02-15

江苏省产学研联合创新资金前瞻性联合研究项目（BY2016022-10）；国家自然基金项目（51401086）。

宋春芳（1974— ），女，博士，副教授，研究方向为食品工艺与机械。