通过2.45 GHz处的介电常数来监测特帕奇（tepache）酒的发酵过程

《Food and Bioproducts Processing》：Monitoring of tepache fermentation by means of the dielectric permittivity at 2.45 GHz

本研究采用圆柱形谐振腔法，在2.45 GHz频率下测量了Tepache发酵0-5天的介电特性，发现其实部随时间下降，而虚部及pH、糖度等指标变化不显著，为开发非破坏性发酵监测传感器提供了依据。

　　

埃德尔-塞拉芬·埃尔南德斯-戈麦斯（Edel-Serafin Hernandez-Gomez）|何塞-路易斯·奥尔韦拉-塞尔万提斯（Jose-Luis Olvera-Cervantes）|大卫-埃内斯托·特兰科索-罗梅罗（David-Ernesto Trancoso-Romero）|伊丽莎白塔·埃尔南德斯-多明格斯（Elizabeta Hernandez-Dominguez）

墨西哥国家技术学院/阿卡尤坎分校（Tecnológico Nacional de México/ITS de Acayucan），墨西哥韦拉克鲁斯州阿卡尤坎市，邮政编码：96100

摘要

特帕切（Tepache）是一种自前西班牙时代以来就广泛饮用的墨西哥发酵饮料，其饮用被认为具有多种益处，如改善肠道平衡、抵御潜在致病细菌以及减少胃肠道疾病的发生。常用的发酵监测方法（如比重计）需要大量样品，并且具有破坏性，例如液相色谱法。本文介绍了特帕切的理化特性（可滴定酸度、pH值、糖度、酒精含量、葡萄糖含量和水分含量），以及其在2.45 GHz频率下的介电性质，这些数据是通过圆柱形谐振腔方法在发酵第0、1、2、3、4和5天测得的。可滴定酸度、pH值、糖度、酒精含量和葡萄糖含量以及介电常数的虚部在每天都没有显著变化。随着发酵时间的延长，介电常数的实部从83.54降低到80.41。这些微小的变化是由于谐振腔的质量因子高达7252.9所致。穿透深度表明，用于测量介电性质的电磁波能够完全穿透特帕切样品，从而对其整体进行评估。该参数的测量范围为8.99至9.62毫米。本文提供的信息可用于设计和制造能够非破坏性地实时监测特帕切发酵过程的微波传感器，并且所需样品量比传统方法更少。

可分享的摘要

本文介绍了特帕切在2.45 GHz频率下的介电性质，这些信息可用于微波传感器的设计。

引言

自前西班牙时代以来，特帕切在墨西哥就一直是一种广为消费的发酵饮料（Corona-González等人，2013年）。其传统成分包括菠萝皮、红糖（panela或piloncillo）和水（Moreno Terrazas等人，2001年）。其感官特性源于有机酸、低乙醇含量和其他挥发性化合物（De la Fuente-Salcido等人，2015年）。饮用特帕切被认为具有改善肠道平衡、抵御潜在致病细菌以及减少胃肠道疾病发生等益处（Corona-González等人，2013年）。

为了监测特帕切的发酵过程，通常会测量其酒精含量。在特帕切的制作过程中，使用比重计是一种常见的方法（Taubman，2025年；Romero-Medina等人，2020年）。然而，这种方法至少需要150毫升的液体样品，这意味着会浪费大量样品（Gavahian和Ratchaneesiripap，2022年）。另一种测量酒精含量的方法是向样品中添加试剂并测量其紫外线辐射反射率（Gutiérrez-Sarmiento等人，2022年）。还有液相色谱法（Corona-González等人，2013年）。但这些方法都具有破坏性，会导致样品无法再次使用。

另一方面，介电常数是一个表示电场如何影响材料的物理量（Taherian和Kausar，2019年）。它是一个由实部和虚部组成的复数（见公式1）：${\epsilon }^{*}={\epsilon }^{\prime }?j{\epsilon }^{\prime }$

储存电能的能力与介电常数的实部相关（${\epsilon }^{\prime }$），而介电常数的虚部（${\epsilon }^{\prime }$）则与电能损失有关（Stuchly和Stuchly，1980年）。在微波频率范围内测量材料的介电性质可以快速、非破坏性地检测其理化性质的变化，并且可以在现场或在线进行（Chia-lun，1979年）。一种使用介电常数进行表征的墨西哥发酵饮料是普尔克（pulque，Kataria等人，2019年）。该饮料在20至70°C的温度范围内进行了介电测量，用于巴氏杀菌。龙舌兰酒（tequila）也是一种墨西哥蒸馏饮料，其介电性质也在微波范围内进行了研究（Kataria等人，2017年）。不同酒精含量的龙舌兰酒的介电常数也被测量过，且发现介电常数与酒精含量之间存在关联。

此外，用于测量介电常数的谐振腔扰动技术（Chen等人，2004年）因其能快速评估食品和生物样品以及所需样品量少而具有广泛应用。Li等人（2021a）通过添加不同比例的水（10-50% w/w）来检测蜂蜜的纯度，发现水分含量与介电常数的实部呈线性关系。所使用的空谐振腔的共振频率为2.492 GHz，质量因子为2010.4。Ma等人（2020年）研究了两种癌细胞的介电常数，所用谐振腔的共振频率和质量因子分别为30.13 GHz和2463.8。Kaur等人（2023年）提出了一种利用2.45 GHz共振频率和2550质量因子的谐振腔来检测姜黄掺假的方法。添加到姜黄中的色素量与介电常数的实部呈线性关系。Pe?aloza-Delgado等人（2021年）在28至200°C的温度范围内使用2.358 GHz共振频率和4950质量因子的谐振腔测量了橄榄、油菜、椰子和大豆的介电常数。Li等人（2021b）利用谐振腔扰动方法测定了白酒和威士忌的酒精含量，所用谐振腔的共振频率为2.492 GHz，质量因子为2004.36。由于质量因子较低，该设备无法检测到介电常数的微小变化，因此无法区分酒精含量相差2%的饮料。

据作者所知，目前文献中尚未有关于特帕切介电常数的信息，也没有基于谐振腔扰动技术且具有足够质量因子的传感器来检测酒精含量的变化。

值得注意的是，2.4–2.4835 GHz频段属于工业、科学和医疗（ISM）频段，用于通信信号和实验目的。这些频段在全球范围内属于无需许可使用的频段（Loy等人，2005年）。因此，这些频段常用于微波传感器的设计和实现。

本文的目的是利用谐振腔扰动技术，在不同发酵时间点对特帕切的介电性质进行表征。文中介绍了特帕切的理化特性及其在2.45 GHz频率下的介电性质（发酵第0、1、2、3、4和5天）。同时，还提供了样品的穿透深度数据。这些信息可用于设计和实现专注于监测特帕切发酵过程的微波传感器。

样本信息

特帕切样本和标准液体

使用了10升纯净水、1公斤红糖和1公斤菠萝皮（品种：Ananas comosus MD2）。使用的菠萝已经成熟，因为这是制作特帕切的推荐状态（Barrios-Roblero等人，2019年；Ramírez-Meyli等人，2020年；Lasso-García等人，2024年；Thondiyil等人，2025年）。将水和红糖倒入玻璃容器中，搅拌直至红糖完全溶解，然后加入菠萝皮。

样品的理化性质

表1列出了样品的理化性质。可滴定酸度范围为0.36%至1.01%，其中Gutiérrez-Sarmiento等人（2022年）报告的发酵3天的特帕切可滴定酸度为0.85%，这一数值在发酵第0天和第5天之间存在显著差异（p < 0.05），并且随着发酵时间的延长，该性质有所增加（数值范围为3.17%至5.79%）。

结论

使用圆柱形谐振腔方法在发酵第0、1、2、3、4和5天测量了特帕切在2.45 GHz频率下的介电性质。在整个发酵过程中，谐振腔的共振频率和特帕切的介电常数实部均发生了显著变化。随着发酵时间的延长，共振频率增加，介电常数的实部降低。谐振腔的质量没有显著变化。

伦理批准

不适用。

资金来源

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

声明

不适用。

利益冲突/竞争利益

作者声明与本文内容无关的任何利益冲突。

出版同意

不适用。

未引用的参考文献

(Kataria等人，2023)

CRediT作者贡献声明

伊丽莎白塔·埃尔南德斯-多明格斯（Elizabeta Hernandez-Dominguez）：软件验证。大卫-埃内斯托·特兰科索-罗梅罗（David-Ernesto Trancoso-Romero）：撰写 – 审稿与编辑。何塞-路易斯·奥尔韦拉-塞尔万提斯（Jose-Luis Olvera-Cervantes）：方法论研究。埃德尔-塞拉芬·埃尔南德斯-戈麦斯（Edel-Serafin Hernandez-Gomez）：初稿撰写 – 形式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。