高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)果蔬介電特性影響的試驗(yàn)研究

馬飛宇，郭玉明

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西 太谷030801）

采用高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理對(duì)提高果蔬干燥速率效果明顯，作為預(yù)處理工藝應(yīng)用于加工時(shí)間長(zhǎng)、能耗大的真空冷凍干燥有很好的應(yīng)用前景［1～4］。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行了一系列在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究［5～7］。劉振宇等［8］研究了高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)果蔬類胡蘿卜素含量、維生素C含量、多酚氧化酶活性和維生素C氧化酶活性的影響。李婷婷［9］研究高壓脈沖電場(chǎng)處理對(duì)大蒜、洋蔥和生姜采后抗氧化物質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場(chǎng)不同強(qiáng)度處理大蒜、洋蔥和生姜產(chǎn)生的影響效果不同。T R Bajgai和F Hashinaga［10］通過高壓電場(chǎng)對(duì)菠菜葉干燥的研究發(fā)現(xiàn)高壓電場(chǎng)干燥時(shí)物料不升溫，干燥速度快，能很好的保存物料的營(yíng)養(yǎng)元素。針對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)電參數(shù)對(duì)果蔬介電特性的影響方面的研究較少，本文研究了蘋果在高壓脈沖電場(chǎng)作用下表現(xiàn)出的介電特性變化，建立了高壓脈沖電場(chǎng)參數(shù)與蘋果介電特性的關(guān)系模型，并通過干燥實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得了高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理工藝的最優(yōu)參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)材料與方法

1．1 材料

選取太谷本地產(chǎn)紅富士蘋果作為試材，新鮮成熟、無機(jī)械損傷、大小相近。

1．2 儀器設(shè)備

3532－50型LCR測(cè)試儀；ECM830高壓脈沖電場(chǎng)發(fā)生器，美國(guó)BTX公司，其脈沖電壓幅值、脈沖寬度和重復(fù)頻率均可調(diào)節(jié)，脈沖波形為矩形，處理室形狀為方形，電極為20mm×20mm的方形不銹鋼平板，電板間距可調(diào)；電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱（設(shè)定溫度80℃）；精度為0．01g的電子天平。

1．3 試驗(yàn)方法

1．3．1 樣品制作

取新鮮的蘋果，洗凈去皮，切成20mm×20 mm×3mm的片狀樣本，用聚乙烯薄膜密封保存待測(cè)。

1．3．2 高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理

應(yīng)用ECM830型高壓矩形脈沖電場(chǎng)發(fā)生器對(duì)蘋果樣本分別進(jìn)行處理，將樣本置于電極為20 mm×20mm的方形不銹鋼平板間受脈沖電場(chǎng)作用。高壓脈沖波形為單極矩形波，各工作參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍為：脈沖電壓5～3000V，脈沖寬度10μs～10s，脈沖間隔100ms～10s，脈沖個(gè)數(shù)1～99個(gè)。

1．3．3 介電特性的測(cè)定

采用3532－50型LCR測(cè)試儀測(cè)量高壓脈沖電場(chǎng)處理后果蔬的介電特性時(shí)，應(yīng)用電學(xué)模型，在已設(shè)定的頻率下將待測(cè)樣本等價(jià)為等效電阻與等效電容的并聯(lián)或串聯(lián)電學(xué)系統(tǒng)，只需測(cè)量出蘋果片狀樣本的等效電容和等效電阻，經(jīng)過電學(xué)模型的換算，即可得到相應(yīng)果蔬物料的介電參數(shù)。

1．3．4 干燥速率的測(cè)定

采用DHG－9023A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱對(duì)蘋果樣本進(jìn)行干燥脫水，鼓風(fēng)干燥溫度設(shè)定為80℃。每隔20min稱一次重量，稱重采用精度為0．01g的電子天平，計(jì)算其干燥水率。

式中：φ為干燥速率／g·min－1；

mt1為蘋果在干燥前t1時(shí)刻的質(zhì)量／g；

mt2為蘋果在干燥前t2時(shí)刻的質(zhì)量／g；

Δt為干燥時(shí)間／min。

蘋果在不同脈沖電壓、脈沖頻率的高壓脈沖單極矩形波處理后，經(jīng)LCR測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)試電壓為1V，測(cè)試頻率范圍從102～106Hz，選擇1000Hz為頻率測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量蘋果的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行觀察及分析。

1．4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用SAS統(tǒng)計(jì)分析軟件的glm模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，結(jié)果如表1～表4所示。

2 結(jié)果與分析

2．1 電容與脈沖電壓、脈沖頻率關(guān)系模型

對(duì)不同脈沖電壓、脈沖頻率下蘋果的等效電容進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1、表2所示。

表1 完全線性回歸方差分析表Table 1 Complete linear regression analysis of variance

表2 完全線性回歸的參數(shù)估計(jì)及其t檢驗(yàn)Table 2 Parameters estimation of linear feedback and t test

回歸分析表明，最優(yōu)回歸模型的顯著性檢驗(yàn)概率＜0．0001，決定系數(shù)0．9314，說明最優(yōu)回歸模型極顯著并有較高的擬合精度。回歸截距和回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)概率均為＜0．0001，說明回歸模型中各個(gè)參數(shù)的檢驗(yàn)顯著。由表2得蘋果等效電容與脈沖電壓、脈沖頻率的數(shù)學(xué)模型：

式中：y－蘋果的等效電容；

x1－脈沖電場(chǎng)的脈沖電壓；

x2－脈沖電場(chǎng)的脈沖頻率。

2．2 電容與脈沖電壓、脈沖頻率的關(guān)系曲線

根據(jù)回歸方程對(duì)等效電容與脈沖電壓、脈沖頻率進(jìn)行三維坐標(biāo)圖繪制，如圖1所示。

由圖1可見，蘋果等效電容隨脈沖電壓、脈沖頻率的增大均呈減小趨勢(shì)。

圖1 等效電容與脈沖電壓、脈沖頻率的三維關(guān)系圖Fig．1 The three－dimensional diagram of equivalent capacitance and pulse voltage，pulse frequency

2．3 阻抗與脈沖電壓、脈沖頻率關(guān)系模型

對(duì)不同脈沖電壓、脈沖頻率下蘋果的等效阻抗進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3、表4所示。

回歸分析表明，最優(yōu)回歸模型的顯著性檢驗(yàn)概率＜0．0001，決定系數(shù)0．9917，說明最優(yōu)回歸模型極顯著并有較高的擬合精度?；貧w截距和回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)概率均為＜0．0001，說明回歸模型中各個(gè)參數(shù)的檢驗(yàn)顯著，建立脈沖電壓、脈沖頻率與蘋果等效阻抗的二元一次回歸模型：

式中：y－蘋果樣本的等效阻抗；

x1－脈沖電場(chǎng)的脈沖電壓；

x2－脈沖電場(chǎng)的脈沖頻率。

表3 完全線性回歸方差分析表Table 3 Complete linear regression analysis of variance

表4 完全線性回歸的參數(shù)估計(jì)及其t檢驗(yàn)Table 4 Parameters estimation of linear regression and t test

2．4 阻抗與脈沖電壓、頻率的關(guān)系曲線

根據(jù)回歸方程對(duì)等效阻抗與脈沖電壓、脈沖頻率進(jìn)行三維關(guān)系圖繪制，如圖2所示。

由圖2可見，蘋果等效阻抗隨脈沖電壓、脈沖頻率的增大均呈減小趨勢(shì)。

圖2 等效阻抗與脈沖電壓、脈沖頻率的三維關(guān)系圖Fig．2 Three－dimensional diagram of equivalent impedance and pulse voltage，pulse frequency

2．5 工藝參數(shù)的優(yōu)化

對(duì)蘋果施加高壓脈沖電場(chǎng)脈沖電壓為1000～1500V，脈沖頻率為30～90Hz，脈沖個(gè)數(shù)為15～45個(gè)的高壓矩形脈沖波，采用Box－Behnken方法［11，12］，以x1、x2、x3 3個(gè)自變量分別表示脈沖電壓，脈沖頻率，脈沖個(gè)數(shù)，對(duì)各蘋果采取脫水處理，每隔20min稱一次重量，計(jì)算其干燥水率。試驗(yàn)自變量因素編碼及水平如表5所示。按式（1）計(jì)算其干燥速率，并將其作為響應(yīng)值，試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表6所示。

表5 試驗(yàn)因素水平表Table 5 Experiment factors level

表6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 6 Experiment design and result

由表6可見，經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理后蘋果的干燥速率在開始的20min比較明顯，因此選擇此時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［13］。經(jīng)嶺脊分析表明，蘋果干燥速率的最大響應(yīng)值是0．050 532，其所對(duì)應(yīng)的搜索半徑為1．0，嶺脊點(diǎn)坐標(biāo)為1474．698 934（x1）、87．806 409（x2）、46．165 912（x3）。該試驗(yàn)?zāi)康淖非笞畲蟮母稍锼俾?，故選擇最大響應(yīng)嶺脊點(diǎn)作為最佳處理，則高壓脈沖電場(chǎng)的最佳工藝參數(shù)組合為脈沖電壓為1480V，脈沖頻率為88Hz，脈沖個(gè)數(shù)為46個(gè)。

當(dāng)脈沖頻率為88Hz時(shí)，脈沖電壓、脈沖個(gè)數(shù)與干燥速率的響應(yīng)面圖如圖3所示。由圖3可以看出，脈沖電壓（x1）與脈沖個(gè)數(shù)（x2）的組合有較大的干燥速率（z），最大干燥速率預(yù)測(cè)值達(dá)0．0400 g·min－1。

圖3 脈沖頻率為88Hz時(shí)干燥速率與脈沖電壓、脈沖個(gè)數(shù)的響應(yīng)面Fig．3 Response surface of the drying rate and pulse voltage，pulse number when pulse frequency is 88Hz

3 討論與結(jié)論

（1）在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了介電特性與高壓脈沖電場(chǎng)中脈沖電壓、脈沖頻率的預(yù)測(cè)模型。

（2）繪制了蘋果等效電容及等效阻抗與脈沖電壓、脈沖頻率的三維關(guān)系圖，由圖明顯看出等效電容及等效阻抗均隨脈沖電壓、脈沖頻率的增大而減小。

（3）通過對(duì)蘋果進(jìn)行脫水干燥試驗(yàn)驗(yàn)證，高壓脈沖電場(chǎng)的最優(yōu)參數(shù)組合是脈沖電壓為1480V，脈沖頻率為88Hz，脈沖個(gè)數(shù)為46個(gè)。研究高壓脈沖電場(chǎng)參數(shù)對(duì)果蔬介電特性的影響，對(duì)于認(rèn)識(shí)電磁場(chǎng)作用對(duì)果蔬細(xì)胞的作用機(jī)理，了解電磁場(chǎng)對(duì)果蔬的影響，以及真空冷凍干燥預(yù)處理果蔬加工工藝參數(shù)優(yōu)化等方面均有指導(dǎo)意義。

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