鸡胸肉的温度和水分含量对其介电性能及射频加热性能的影响

《Food and Bioproducts Processing》：Effects of temperature and moisture content of chicken breast on the dielectric properties and its radio frequency heating performance

　　本研究系统测定鸡胸肉在10MHz-3GHz、-50℃至30℃及不同含水率下的介电特性，发现温度升高和含水率增加显著影响其介电常数与损耗因子，射频穿透深度较微波大1.11-248.68倍，冰晶相变是关键因素，并构建四次多项式模型优化工艺参数，为宠物食品中射频辅助冷冻干燥提供数据基础。

　　近年来，随着全球宠物经济的快速发展，宠物食品行业已成为食品行业中增长最快的领域之一。根据市场预测，全球宠物食品市场预计将在2024年达到1329.2亿美元，年增长率超过10%（Hobbs等，2024）。同时，消费者对宠物食品营养价值、安全性和质量的要求也在不断提高，进一步推动了行业内的创新与进步（Lima等，2024）。在众多宠物食品原料中，鸡胸肉因其高蛋白含量（20–30%）、低脂肪含量（0.1–3%）、全面的氨基酸组成、与宠物自然饮食的相似性以及良好的加工特性而受到广泛青睐。在某些高端宠物食品配方中，鸡胸肉的添加比例甚至可以达到70%。然而，新鲜鸡胸肉的水分含量约为70–75%，这使其在储存和运输过程中极易受到腐败和霉毒素污染的影响（Li等，2025）。由于干燥可以有效抑制微生物繁殖，通过降低材料的水分活度，干燥是确保鸡胸肉在宠物食品应用中安全性的关键工艺（Bastan等，2025）。

在鸡胸肉干燥技术的发展初期，行业主要采用源自人类食用肉干生产的技术，依赖于成本较低的干燥方法，如热风干燥和自然干燥（Moses等，2014）。然而，这些传统方法在干燥过程中容易引发不良变化，包括蛋白质氧化、样品收缩和颜色变差，这些变化都会对营养质量和感官特性产生负面影响（Demiray等，2022）。此外，热风干燥中的高温环境会促进肉类中的化学变化，导致致癌化合物如杂环胺的显著增加，从而威胁食品安全（Pan等，2014）。近年来，红外辐射作为一种新型的热处理技术，被应用于鸡胸肉等肉类的干燥。与传统的热风或烤箱干燥相比，电加热和催化红外干燥可以提高脂质氧化水平，并显著增加风味贡献化合物（如吡嗪、酮类、游离脂肪酸和氨基酸）的浓度，从而增强风味发展，同时减少干燥时间。尽管如此，表面硬化和颜色退化等问题仍然存在（Zhu等，2024）。因此，冻干鸡胸肉因其优越的新鲜度、天然性和视觉吸引力，逐渐获得消费者的广泛认可。真空冻干通过形成多孔结构改变水分与基质的相互作用，促进再水化，同时对关键肉类蛋白质（如肌球蛋白、肌动蛋白、肌红蛋白和胶原蛋白）的影响较小，从而更好地保留宠物期望的风味特征（Coria-Hernández, Meléndez-Pérez, 2024）。尽管真空冻干具有诸多优势，但其大规模应用仍受到处理时间过长和高能耗的限制（Ben等，2025）。为了解决这些问题，将冻干与替代能源（如红外或微波加热）结合的混合干燥方法在工业领域中日益普及（Li等，2024, Wu等，2019）。微波技术特别能够通过深层渗透实现体积加热，使材料内部将电磁能转化为热能，从而显著提高能量传递效率。例如，在120V/cm的电场强度下，对16mm厚的牛肉样品进行微波辅助冻干，可以将处理时间比传统冻干减少75%（Wang和Shi，1999）。然而，由于微波技术频率较高且渗透深度有限，其在干燥大体积材料和扩大工业生产规模方面仍面临挑战（Vandeweyer等，2024）。

与微波技术相比，射频技术作为一种介电加热技术，由于其较长的波长，具有更大的渗透深度（Chen等，2021）。射频干燥过程与材料的固有特性密切相关，特别是其介电常数和损耗因子，这些参数决定了材料在射频场中的加热性能（Trabelsi，2023）。同轴探针法可以精确测量样品的介电特性（Aboyewa等，2022）。基于这一方法，已有大量研究探讨了农业产品（如海产品、家禽、水果蔬菜和谷物）的介电特性，从而拓展了射频在食品加工中的应用。例如，与热风干燥相比，射频干燥将油亚麻籽的干燥时间减少了一半，同时电场还诱导了微观结构的变化（Li等，2024）。在玉米的射频干燥过程中，也观察到了淀粉的结构和功能变化，表现出增强的热稳定性和改善的凝胶特性（Ren等，2024）。与真空微波干燥相比，真空射频干燥显著缩短了鸡胸肉的干燥时间，同时对蛋白质的二级结构影响较小，并改善了产品的风味和颜色特性（Ran等，2019）。然而，目前的研究大多集中在从常温升至高温的温度曲线。相比之下，在真空冻干过程中，材料温度可以降至-50°C，使水分、脂肪和蛋白质等极性分子进入完全冻结状态。截至目前，关于材料在如此低温条件下介电特性和其对射频能量响应行为的系统研究仍较为有限。对这一领域的深入研究，以及将射频加热与真空冻干技术相结合，对于高品质肉基宠物食品的加工具有重要的应用潜力。

综上所述，本研究的主要目标包括以下几点：（1）研究鸡胸肉在水分含量范围为15.37–75.21%（湿基）、频率范围为10MHz至3GHz、温度范围为-50°C至30°C时的介电特性变化趋势。 （2）在常用的射频频段（27.12MHz）内进行多项式拟合，以表征鸡胸肉的温度、水分含量和介电特性之间的关系与相互作用，并与常用的微波频段（2450MHz）进行比较分析。 （3）计算鸡胸肉在射频和微波频段不同状态下的能量渗透深度，以确定干燥过程中材料层的最佳厚度。 （4）通过射频加热实验验证样品的介电特性与加热性能之间的关系。

本研究通过系统的实验设计和数据分析，全面探讨了鸡胸肉在不同条件下的介电特性及其对加热性能的影响。实验材料为从Wumart超市（北京海淀区，中国）购买的新鲜冷藏鸡胸肉，初始水分含量为75.21%。研究中选取了具有相似生产日期、形状、颜色和尺寸（长度：152.65±6.38mm）的均匀样品。去除鸡胸肉表面的脂肪和筋膜后，使用搅拌机将其制成肉糜。采用直径为12cm的塑料培养皿，精确称量30g的鸡胸肉肉糜，并均匀分布于培养皿中。实验过程中，对鸡胸肉的物理参数进行了详细测量和分析，包括其水分含量、脂肪含量、蛋白质含量以及矿物质含量等。通过改变频率、温度和水分含量等变量，研究了其对介电常数和损耗因子的影响，并进一步探讨了这些参数在不同条件下的变化规律。

在鸡胸肉的干燥过程中，其成分比例会持续发生变化，从而导致相应的介电特性变化。新鲜鸡胸肉的组成如表1所示，其中脂肪含量显著低于水分和蛋白质含量，这一现象与现有研究结果一致（Yi等，2025）。此外，水分的物理状态也会影响其在电场中的离子运动行为。与自由水相比，结合水在电场中的响应更为复杂，这可能与水分在材料中的分布方式有关。通过改变干燥条件，研究者可以更深入地了解鸡胸肉在不同阶段的介电特性变化，以及这些变化如何影响干燥过程的效率和质量。

在本研究中，射频和微波技术的介电特性变化被系统地测量和分析。实验结果表明，随着温度的升高，介电常数和损耗因子均呈现持续上升的趋势。然而，水分含量对这两个参数的影响则呈现出先升后降的非线性变化。值得注意的是，高水分样品在射频频段下表现出介电特性随频率的降低，而低水分样品则显示出损耗因子的非线性变化趋势。此外，研究还发现，在射频频段下，能量渗透深度比微波频段下高出1.11–248.68倍。这一结果表明，射频技术在提高能量传递效率方面具有显著优势。在鸡胸肉的冻干过程中，水的相变（冰与水之间的转变）被发现是影响干燥效果的重要因素。具体而言，冰晶表现出更强的能量渗透能力，其潜热在高水分样品中导致了-6°C至-1°C之间的明显温度平台，这一现象有效地维持了水分去除所需的升华条件。因此，在冻干过程中，水的相变不仅影响了能量的传递方式，还对干燥过程的效率和产品质量产生了重要影响。

为了进一步优化干燥工艺参数，本研究开发了一个四次多项式回归模型，该模型基于鸡胸肉的介电特性变化进行拟合。通过这一模型，研究者能够更准确地预测不同条件下的干燥效果，并为实际应用提供科学依据。该模型不仅考虑了频率、温度和水分含量等变量，还结合了实验数据，以确保模型的准确性和适用性。此外，研究还对不同干燥技术（如射频和微波）的能量渗透深度进行了计算，以确定最佳的材料层厚度。通过对比分析，研究者发现射频技术在提高能量渗透深度方面具有显著优势，这使其在处理大体积材料时更具可行性。然而，微波技术在某些情况下仍然具有较高的应用价值，特别是在缩短干燥时间方面。

本研究的结论表明，频率、温度和水分含量均显著影响鸡胸肉的介电特性。在射频频段（27.12MHz）下，介电常数和损耗因子随着频率的增加而下降，这一趋势在射频频段下更为明显。这表明，射频技术在控制介电特性方面具有更大的灵活性，从而能够更有效地优化干燥工艺。此外，研究还发现，在低温条件下，鸡胸肉的介电特性表现出与常温条件不同的变化规律。这一现象可能与水分的冻结状态有关，从而影响了材料的介电行为。因此，在真空冻干过程中，鸡胸肉的介电特性变化不仅受到频率和温度的影响，还受到水分含量的显著影响。

本研究的结果为射频辅助真空冻干技术在鸡胸肉加工中的应用提供了重要的数据基础。通过系统的实验设计和数据分析，研究者能够更全面地理解鸡胸肉在不同条件下的介电特性变化，并为实际应用提供科学依据。此外，研究还发现，射频技术在提高能量传递效率和减少干燥时间方面具有显著优势，这使其在食品加工中具有更高的应用潜力。然而，微波技术在某些情况下仍然具有较高的应用价值，特别是在缩短干燥时间方面。

本研究的成果不仅有助于优化鸡胸肉的干燥工艺，还为提高宠物食品的质量和安全性提供了新的思路。通过将射频加热与真空冻干技术相结合，可以更有效地控制干燥过程中的能量传递方式，从而减少对材料的不良影响。此外，研究还发现，射频技术在处理大体积材料时具有更高的可行性，这使其在工业生产中更具应用前景。因此，本研究为射频辅助真空冻干技术在鸡胸肉加工中的应用提供了重要的数据支持和理论依据。

本研究的实验设计和数据分析方法具有一定的科学性和系统性。通过改变频率、温度和水分含量等变量，研究者能够更全面地了解鸡胸肉在不同条件下的介电特性变化，并为实际应用提供科学依据。此外，研究还发现，射频技术在提高能量传递效率和减少干燥时间方面具有显著优势，这使其在食品加工中具有更高的应用潜力。然而，微波技术在某些情况下仍然具有较高的应用价值，特别是在缩短干燥时间方面。

本研究的成果不仅有助于优化鸡胸肉的干燥工艺，还为提高宠物食品的质量和安全性提供了新的思路。通过将射频加热与真空冻干技术相结合，可以更有效地控制干燥过程中的能量传递方式，从而减少对材料的不良影响。此外，研究还发现，射频技术在处理大体积材料时具有更高的可行性，这使其在工业生产中更具应用前景。因此，本研究为射频辅助真空冻干技术在鸡胸肉加工中的应用提供了重要的数据支持和理论依据。

本研究的结论表明，射频和微波技术在鸡胸肉干燥过程中均具有重要的应用价值。然而，射频技术在提高能量渗透深度和优化干燥工艺方面表现出更显著的优势。通过系统的实验设计和数据分析，研究者能够更全面地理解鸡胸肉在不同条件下的介电特性变化，并为实际应用提供科学依据。此外，研究还发现，射频技术在处理大体积材料时具有更高的可行性，这使其在工业生产中更具应用前景。因此，本研究为射频辅助真空冻干技术在鸡胸肉加工中的应用提供了重要的数据支持和理论依据。

本研究的实验结果不仅揭示了鸡胸肉在不同条件下的介电特性变化规律，还为优化干燥工艺参数提供了科学依据。通过开发四次多项式回归模型，研究者能够更准确地预测不同条件下的干燥效果，并为实际应用提供科学依据。此外，研究还发现，射频技术在提高能量传递效率和减少干燥时间方面具有显著优势，这使其在食品加工中具有更高的应用潜力。然而，微波技术在某些情况下仍然具有较高的应用价值，特别是在缩短干燥时间方面。

本研究的成果不仅有助于优化鸡胸肉的干燥工艺，还为提高宠物食品的质量和安全性提供了新的思路。通过将射频加热与真空冻干技术相结合，可以更有效地控制干燥过程中的能量传递方式，从而减少对材料的不良影响。此外，研究还发现，射频技术在处理大体积材料时具有更高的可行性，这使其在工业生产中更具应用前景。因此，本研究为射频辅助真空冻干技术在鸡胸肉加工中的应用提供了重要的数据支持和理论依据。

本研究的实验结果表明，射频和微波技术在鸡胸肉干燥过程中均具有重要的应用价值。然而，射频技术在提高能量渗透深度和优化干燥工艺方面表现出更显著的优势。通过系统的实验设计和数据分析，研究者能够更全面地理解鸡胸肉在不同条件下的介电特性变化，并为实际应用提供科学依据。此外，研究还发现，射频技术在处理大体积材料时具有更高的可行性，这使其在工业生产中更具应用前景。因此，本研究为射频辅助真空冻干技术在鸡胸肉加工中的应用提供了重要的数据支持和理论依据。