红外热成像与射频介电谱联用技术无创监测黄金莓冷冻过程的相变行为及水分迁移机制

为解决高水分水果冷冻过程中结构损伤和生物活性成分降解的问题，研究人员结合红外热成像(IR)和射频介电谱(RF-DS)技术，开发了非侵入式监测系统，成功捕捉黄金莓(Physalis peruviana)在-40°C冷冻过程中的表面温度、介电响应和发射率变化。研究揭示了冰晶成核、玻璃化转变(Tg')等关键相变特征，发现发射率从初始脱水的0.837升至玻璃转变(-35.8°C)时的0.951，同时α/β-色散频率随冷冻进程递减。该技术为优化工业冷冻工艺提供了实时评估手段，对保留高价值水果品质具有重要意义。

　　

在食品工业中，黄金莓(Physalis peruviana)因其丰富的类胡萝卜素、多酚和维生素C等生物活性成分备受青睐，但其高水分含量(4.10±0.04 kg_w/kg_T)和快速代谢特性导致冷冻过程中易发生细胞结构损伤和营养流失。传统热电偶监测方法需要穿刺样品，不仅破坏组织结构，还会引发胞内外液体泄漏。针对这一技术瓶颈，西班牙 Universitat Politècnica de València 的研究团队创新性地将红外热成像与射频介电谱技术联用，首次实现了对黄金莓冷冻全过程的无创监测，相关成果发表在《Innovative Food Science》上。

研究人员采用Optris PI? 160热像仪(7.5-13.0μm光谱范围)追踪表面温度，结合Agilent 4294A阻抗分析仪(40Hz-1MHz)测量介电特性，通过定制3D打印样品架同步采集数据。实验选用厄瓜多尔进口黄金莓(直径3.8±0.21cm)，在-40°C强制通风冷冻柜中处理45分钟，并利用DSC(差示扫描量热仪)测定玻璃化转变温度作为参照。

3.1 冷冻动力学
通过K型热电偶记录显示，冷冻过程呈现典型三阶段特征：表面在3.3分钟达到-2.28°C的过冷状态，7分钟后中心温度降至-1.93°C；相变阶段伴随冰晶成核和生长；最终样品与冷冻环境达到热平衡。这种温度梯度差异源于对流/传导双重传热机制及溶质浓缩效应。

3.2 差示扫描量热法
DSC热谱图揭示黄金莓的玻璃转变中点温度(T_g')为-35.8±0.2°C，与所含蔗糖(-41°C)、果糖(-53°C)等低分子量糖类的T_g特性相符。比热容(c_p)测定显示，温度高于0°C时为3.975 kJ/kg·K，而在玻璃态(≤-37.7°C)降至1.988 kJ/kg·K，这种差异主要源于水分迁移限制。

3.3 红外热成像表面分析
发射率(ε)动态变化成为关键指标：初始冷却阶段(0-5分钟)因表面脱水从0.959骤降至0.837；冰晶形成期稳定在0.845±0.007；接近T_g时回升至0.951。这种"V型"曲线与马铃薯(ε:0.97→0.87)和猪肉(ε:0.90→0.96)的冷冻研究形成对比，反映了黄金莓特有的水分重组特性。

3.4 射频介电谱特性
介电谱显示β-色散(5.5-7.5 log(rad/s))源于大分子界面极化效应，而α-色散反映离子迁移能力。随着冷冻进行，ε'值持续下降，18分钟后趋于稳定，表明冰晶形成限制了电荷存储能力。特别值得注意的是，β-色散区ε'峰值对应冰晶成核起始点，而α-色散区-5.27°C的拐点标记着结晶完成。

3.5-3.6 水分迁移机制
研究证实冰I_h晶体的高表面张力(71.99 mN/m)是驱动水分定向迁移的关键因素。当细胞外冰核形成时，水分通过质膜向胞外迁移，这种有序迁移相比细胞内结晶能显著降低细胞损伤。介电α-色散监测到的离子迁移变化，为评估膜完整性提供了新思路。

这项研究建立了红外热成像发射率与介电参数的多模态关联模型，首次实现从分子运动(α-色散)、界面效应(β-色散)到宏观热力学(T_g')的全尺度冷冻监测。相较于传统方法，该技术能精准识别过冷点、结晶终点等关键工艺参数，为开发"细胞友好型"冷冻工艺提供了理论依据。在食品工业应用中，可通过调节冷冻速率使T_m?(最大冷冻浓缩温度)接近T_g?，从而最大限度保留黄金莓的抗氧化成分和感官品质。未来研究可拓展至其他浆果类水果，并探索介电参数与冰晶形貌的定量关系。