无麸质面包面团的微波介电谱学研究：成分影响与模型构建

《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》：A Microwave Spectroscopy Study for Gluten-Free Bread Doughs

本刊推荐：为解决无麸质面团介电特性未知的问题，研究人员开展微波（MW）光谱研究，通过开端同轴探头（OCP）在0.2–4 GHz频段测量54种面团样本，发现三阶Cole-Cole模型预测误差最低（实部0.84%，虚部0.65%），证实水含量主导介电响应，盐增加损耗，酵母影响储能。该研究首次建立无麸质面团MW光谱框架，为食品工业质量控制提供新工具。

　　

随着全球乳糜泻发病率的上升和无麸质饮食的普及，无麸质产品市场呈现显著增长态势。然而，无麸质面包作为最具挑战性的替代食品，因其面粉微观结构复杂、加工难度大，往往在流变特性上逊于含麸质产品。麸质蛋白是决定面团弹性和凝聚力的关键成分，其缺失导致无麸质面团在工业处理中更难以掌控，亟需深入的表征研究以优化配方。微波介电光谱技术作为一种非侵入性分析工具，能够通过材料复杂介电常数ε(f)=ε′?jε′′的频率响应揭示其分子相互作用和水分分布，为食品组成与结构提供重要见解。尽管此前对含麸质面团（如Carasau面包面团）的微波介电特性已有研究，但无麸质面团的介电谱却从未被系统探索。

为解决这一空白，由Luigi Di Michele、Matteo B. Lodi、Giacomo Muntoni等人组成的研究团队在《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》上发表了题为“A Microwave Spectroscopy Study for Gluten-Free Bread Doughs”的论文。该研究首次系统调查了无麸质面团的介电特性，旨在通过微波光谱框架定义这类食品材料的介电行为。研究人员假设，尽管含麸质面团中三阶Cole-Cole模型表现优异，但无麸质面团的最佳介电模型仍需验证。为此，他们分析了原料的介电响应，评估了混合公式预测面团光谱的可行性，并测试了多极Debye、Cole-Cole和Havriliak-Negami模型的适用性。

研究采用开端同轴探头（OCP）在0.2–4 GHz频段测量介电特性，覆盖工业、科学和医疗波段（0.915 GHz和2.45 GHz）。样本制备基于两种商业无麸质面粉（Schar和Il Molino），通过固定面粉（120 g）和油（12 g）含量，调控水（65–70 g）、盐（0–2.5 g）和酵母（0–6 g）比例，制备54种面团。测量系统经标准校准（开路、短路、负载），温度控制在26°C，每个样本重复测量10次以确保可靠性。

关键技术方法包括：1）使用OCP探头连接矢量网络分析仪（VNA）进行微波介电测量；2）应用Maxwell-Garnett、Bruggeman、Lichtenecker和幂律混合公式预测面团介电特性；3）采用遗传算法拟合多极Debye、Cole-Cole和Havriliak-Negami模型，以相对百分比误差δε%=|ε_m?ε_t|/ε_m×100评估模型精度。

原料特性与混合公式

研究首先表征了各原料的介电谱（图1），发现酵母和水具有高介电常数和损耗，而橄榄油和无麸质面粉介电特性相似。然而，混合公式（如Maxwell-Garnett公式ε_d=ε_b+3ε_b∑f_k(ε_k?ε_b)/(ε_k+2ε_b)/[1?∑f_k(ε_k?ε_b)/(ε_k+2ε_b)]）无法准确预测面团介电响应（图2）。幂律模型虽在f>1 GHz部分匹配虚部趋势，但整体误差显著，表明无麸质面团的异质性需更精细模型。

最佳介电模型

通过比较不同模型（图3），三阶Cole-Cole模型ε_th(ω)=ε_∞+∑Δε_q/[1+(jωτ_q)^1?γ_q]+σ_dc/(jωε₀)的平均误差最低（实部0.84%，虚部0.65%），显著优于单极Debye模型（误差约65%）和Havriliak-Negami模型。因此，该模型被选为后续分析的基础。

成分对介电特性的影响

三阶Cole-Cole参数分析（表IV–VI）显示，水含量对ε′和ε′′影响最大，因其作为主要极性成分主导极化行为；盐增加离子电导率，提升低频损耗；酵母通过影响气体分布略微降低ε′。无盐无酵母面团（图4a、5a）的ε′为20–30，ε′′为8–25，表现出强介电特性。盐的引入改变ε′′斜率，而酵母调控极化强度。两种面粉因脂肪、纤维和盐含量差异，导致介电响应略有不同，但整体趋势一致。

介电常数差异趋势分析

以参考面团（W=68 g, Y=4 g, S=1.5 g）为基准，f=2.45 GHz时ε′随成分变化呈非线性趋势（图6a），水含量增加导致ε′下降；而ε′′无一致规律（图6b），反映电导与松弛过程的复杂相互作用。

与含麸质面团的比较分析

与含麸质面团（图7）相比，无麸质面团介电常数低7–18%，损耗在平均酵母量时低20%，但干、湿及极端盐含量下损耗更高。斜率相似性归因于面粉中乳化剂束缚水分和电荷，油进一步强化该效应，抑制偶极松弛贡献。

结论与意义

本研究首次系统建立了无麸质面团的微波介电光谱框架，证实三阶Cole-Cole模型为最佳预测工具，误差低于1%。成分分析表明水是主导因素，盐调控损耗，酵母影响储能。与含麸质面团的差异凸显了乳化剂和油的微结构作用。该成果为无麸质食品加工提供了实时、非侵入性质量控制新途径，有望推动工业传感器设计与产品优化。微波介电光谱技术的快速、无损特性使其在农业食品领域具有广阔应用前景，可实现对全线产品的全面监控，突破传统方法的局限性。