黑水虻幼虫在2.45 GHz下的介电特性及其对含水率、温度和堆积密度的依赖性研究

《Food and Bioproducts Processing》：Dielectric Properties of Black Soldier Fly larvae at 2.45 GHz, and their dependence with Moisture Content, Temperature, or Bulk Density

本研究针对传统蛋白质来源日益稀缺的问题，聚焦于黑水虻（BSF）幼虫作为可持续高蛋白替代来源的工业化微波干燥加工效率提升。研究人员系统表征了BSF幼虫在2.45 GHz下的介电常数（ε'）和损耗因子（ε"），并揭示了其随温度（20-90 °C）、含水率（MC, 5.9%-73.2%）和堆积密度（BD, 168-780 kg/m3）的变化规律。结果表明，介电特性对BD和MC变化极为敏感，而温度主要影响ε"。该研究为优化工业级微波干燥系统设计、提升能效和产品质量控制提供了关键理论基础和数据支撑，对推动昆虫蛋白规模化生产具有重要意义。

　　

随着全球人口的持续增长，对传统食物来源，尤其是动物蛋白的需求日益加剧，导致了资源的日益稀缺。这种压力促使科研人员寻找替代蛋白质来源，其中，昆虫幼虫，如黑水虻（Black Soldier Fly, Hermetia illucens）幼虫，因其高达44%的蛋白质含量和环境可持续的养殖方式，而展现出巨大的潜力。然而，将昆虫幼虫转化为稳定的饲料或食品成分面临一个关键挑战：活体幼虫含有极高的水分（约70%-80%），必须通过干燥工艺大幅降低其含水率（Moisture Content, MC），以停止其进一步发育并确保长期储存的稳定性。

传统的干燥技术，如流化床、冷冻、真空和架式烤箱干燥，虽然可行，但往往存在能耗高、处理时间长、可能影响营养成分（如蛋白质溶解性和脂肪氧化）等问题。相比之下，微波辅助干燥技术以其快速脱水、营养保留性好、能效高且具有微生物灭活潜力等优势，成为一种极具吸引力的替代方案。微波能穿透物料内部，实现整体体积加热，显著缩短 processing 时间。然而，要实现高效、可控的微波干燥，核心在于深刻理解被加工物料（即载荷）与微波辐射源之间的动态相互作用，而这很大程度上取决于物料的介电特性（Dielectric Properties）。

介电特性，通常由复相对介电常数（ε）描述，包括介电常数（ε‘）和损耗因子（ε"）。介电常数反映了材料储存电能的能力，而损耗因子则表征材料将吸收的电磁能转化为热能（即自身加热）的能力。这些性质并非固定不变，它们随频率、温度、含水率以及物料的物理状态（如堆积密度，Bulk Density, BD）显著变化。尽管已有研究报道了某些害虫幼虫的介电特性，但其出发点多为害虫防控，而非作为营养资源。对于黑水虻幼虫这一重要物种，在工业微波加工关键频率2.45 GHz下，其介电特性如何随温度、MC和BD变化，以及在实际干燥过程中（MC和BD耦合变化时）的动态行为，此前尚属空白。

为了解决这一知识缺口，并为工业规模高效微波干燥黑水虻幼虫的系统设计和工艺优化提供精确的工程学依据，由J. Fayos-Fernández领衔的研究团队在《Food and Bioproducts Processing》上发表了他们的最新研究成果。本研究首次系统地表征了黑水虻幼虫在2.45 GHz下的介电特性，并详细分析了其对温度、MC和BD的依赖性，特别模拟了实际干燥过程中MC与BD耦合变化对介电参数的影响。

为了精确测量介电特性，研究人员采用了基于谐振腔技术的商用介电特性测量套件（Dielectric Kit for Vials, DKV），该技术特别适合处理像幼虫这样具有异质性和内部空气间隙的物料。研究使用了来自波兰养殖场的黑水虻幼虫，并将其制备成多个批次，通过实验室规模的对流-微波组合干燥机（ZLP-2000）处理至不同的MC水平。样本被小心地装入聚丙烯试管中，以保持幼虫完整性并控制BD。温度依赖性的测量通过将样本预热后置于DKV中自然冷却，并同步记录温度和介电参数实现。BD依赖性的研究则通过使用特制体积计改变样本体积（即压缩程度）而保持质量不变来实现。为了模拟真实的干燥过程，研究人员还设计了阶梯式干燥实验，在马弗炉中分阶段干燥样本，并在每个阶段冷却后测量其质量、MC、BD和介电特性，从而获得MC和BD耦合变化下的介电参数动态数据。

3.1. 尺寸和密度

对幼虫的几何尺寸（假定为圆柱形）和重量进行测量后，计算出单个幼虫的平均密度约为962.2 kg/m3。然而，在实际加工中，幼虫群体是以具有一定空气间隙的颗粒形式存在，因此其堆积密度（BD）远低于此值，并成为影响有效介电特性的关键参数。

3.2. 含水率依赖的复介电常数

研究结果表明，在固定BD（285 kg/m3）和温度（24 °C）下，BSF幼虫的ε‘和ε"均随MC的增加而线性增加。当MC低于10%时，介电参数值很低，表明水分与幼虫组织紧密结合，流动性差；而在高MC下，自由水分子和离子的贡献使得介电特性显著增强。这与其他高水分含量食品物料的观察结果一致。

3.3. 介电特性对温度的依赖性

对于高MC（73.2%）的幼虫样本，在27 °C至近90 °C的温度范围内，介电常数（ε’）随温度升高仅有轻微的下降趋势，表现出准静态行为。相比之下，损耗因子（ε"）则随温度升高呈现明显的线性增长。这是因为温度升高降低了物料的粘度，从而增加了离子电导率和分子偶极的迁移率，导致更多的微波能量被转化为热能。这种特性意味着在干燥初期，升温会加速加热过程，但也可能因穿透深度减小而导致加热不均匀。

3.4. 介电特性作为堆积密度的函数

研究发现，在固定MC（73.2%）和温度（24 °C）下，介电常数和损耗因子均随BD的增加而显著线性增加。当BD从约300 kg/m3增加至780 kg/m3时，ε‘增加了约340%，ε"增加了约五倍。这表明减少幼虫颗粒间的空气间隙（即增加BD）会极大地提升物料整体的介电响应，使其更接近于幼虫实体材料的性质，而远离空气的介电性质。因此，BD是设计微波腔体和评估能量耦合效率的一个至关重要的参数。

3.5. 干燥过程中的介电特性行为

模拟实际干燥过程的实验揭示了介电参数随MC降低和BD减小（因水分蒸发和体积收缩）而单调递减的非线性关系。在干燥初期（MC > 50%，对应BD > 300 kg/m3），介电参数值较高且变化显著；随着干燥进行（MC < 50%），介电参数值迅速下降并趋于平缓。这表明在干燥后期，微波能量吸收效率会大幅降低。MC和BD的耦合变化关系中，BD的干基参考值（MC=0时）约为167.6 kg/m3。

3.6. 对所研究变量的介电特性依赖性分析

综合分析表明，在所研究的参数中，介电特性对BD和MC的变化最为敏感，其影响远大于温度。特别是在实际干燥过程中，MC是主导因素。介电常数对温度不敏感的特性，对于微波干燥系统的阻抗匹配设计是一个优势，因为在预热阶段，即使温度升高，材料的电磁屏蔽特性也保持相对稳定，避免了因介电常数剧变导致的微波反射和能量效率下降问题。然而，温度引起的损耗因子增加会加速加热，但也要求采取混合等措施来应对可能加剧的加热不均匀性。

本研究通过对黑水虻幼虫介电特性的系统表征，得出了一系列重要结论。首先，堆积密度（BD）是影响介电常数和损耗因子的一个极其关键的因素。在微波干燥系统设计中必须充分考虑这一参数，因为随着干燥过程的进行，payload（加工物料）的BD会降低，这将导致微波穿透深度增加，但同时也可能使加热过程减慢。其次，在模拟MC和BD耦合变化的干燥过程中，介电参数在含水率高于50%时敏感性最高，这可能与幼虫体内自由水的存在有关；当含水率低于50%时，介电特性急剧下降，表明剩余水分多为结合水，微波加热效率将显著降低。

重要的是，研究证实了黑水虻幼虫在整个微波加工过程中，其有效的介电特性动态变化范围内，不会出现热失控（thermal runaway）的风险。这一行为特性是设计合适的微波炉和操作规程的基础知识，旨在实现均匀且高效的加工，包括微波腔体尺寸、辐射源（数量、位置和功率曲线）、payload体积、机械混合器和电磁模式搅拌器的设计。

该研究的发现对昆虫饲料的工业化规模生产具有实际意义。通过研究介电特性，特别是在不同干燥条件下的变化，可以为在不同干燥阶段采用不同的微波应用器设计提供依据，以在MC和BD耦合呈指数变化的情况下，保持高功率效率和/或温度均匀性分布。此外，虽然使用秤重是估算批次加工过程中payload含水率的一种有效策略，但对于工业连续加工可能并非最佳方案。本研究提出了一个有趣的替代方案：考虑通过监测payload的介电特性来确定其MC，作为控制系统的反馈，从而优化工艺过程。

总之，这项研究为优化工业级黑水虻幼虫微波干燥系统提供了宝贵的工程学数据和理论见解，标志着在实现高效、可控、可持续的昆虫蛋白生产道路上迈出了关键一步。