流动依赖性介电行为：介电光谱技术提升乳品在线质量检测的创新研究

《International Dairy Journal》：Flow-Dependent Dielectric Behavior of Raw Milk: Innovative Online Analysis for the Dairy Quality Using Dielectric Spectroscopy

本研究通过自主研发的流动牛奶在线检测系统，首次揭示了流速（0–3 m s-1）对生鲜乳介电特性（DP）的影响机制。研究发现流速提升至0.1 m s-1时可显著改善介电谱测量重复性，增强自由水分子偶极极化（dipole polarization），有效克服乳品多相不均匀性（inhomogeneity）带来的技术瓶颈，为乳业在线质量监控与射频/微波（RF/microwave）加工提供了突破性解决方案。

　　

Highlight

生乳在静态下的介电谱测量重复性

由于牛奶的不均匀性（inhomogeneity），静态生乳样本的介电谱（ε′ 和 ε″）在五次连续测量中表现出较差的重复性，在整个频率范围内呈现稳定下降趋势。生乳是一种不稳定的多相分散系统，其中某些颗粒（特别是脂肪球）容易发生动态上浮和聚集效应，导致测量过程中成分分布持续变化，从而直接影响介电特性（DP）。

Measurement repeatability of the dielectric spectra of raw milk in the stationary state

图3展示了静态生乳样本五次连续测量所获得的介电谱（ε′ 和 ε″）。值得注意的是，在其他牛奶样本的介电谱中也观察到类似现象。在这种情况下，ε′ 和 ε″ 在五次测量中表现出较差的重复性，在整个频率范围内呈现稳定下降。生乳是一种不稳定的多相分散系统，其中某些颗粒（特别是脂肪球）容易发生动态上浮和聚集效应（Fredrick et al., 2010; Jukkola and Rojas, 2017; Zhang et al., 2020），这直接影响其介电特性。

Conclusion

由于牛奶的不均匀性，静态下的介电谱表现出最差的测量重复性。当流速达到0.1 m s^-1时，介电谱的重复性显著提高，进一步提高流速并不会带来重复性的显著改善。牛奶的 ε′ 和 ε″ 随流速逐渐增加。基于介电弛豫分析模型的结果表明，随着流速增加，自由水分子的偶极极化（dipole polarization）增强，而离子电导（ion conduction）变化不显著。流动条件通过促进偶极极化有效减轻了牛奶不均匀性的不利影响，显著提高了介电谱的测量重复性。更重要的是，本研究提出0.1 m s^-1为最佳流速，可提升在线牛奶质量检测性能。该研究开创性地探索了流动对牛奶介电特性的影响，推动了介电光谱技术在乳业中的应用。