果蔬干燥含水率在線測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

李國(guó)鵬， 謝煥雄， 吳惠昌， 顏建春， 魏 海

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

果蔬營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，是人體無(wú)機(jī)鹽、纖維素、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來(lái)源。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，果蔬是除谷物以外最重要的農(nóng)作物。大部分果蔬的含水率在75%～90%，也有部分果蔬如黃瓜、生菜等含水率達(dá)95%以上[1]。在微生物的作用下，容易發(fā)生各種不良的物理化學(xué)變化而導(dǎo)致霉變[2]。我國(guó)有著十分豐富的果蔬資源，2015年我國(guó)水果總產(chǎn)量達(dá)27 375萬(wàn)t，蔬菜種植總面積達(dá)2 200萬(wàn)hm2，水果種植總面積達(dá) 1 281.7 萬(wàn)hm2，并且呈逐年遞增趨勢(shì)[3](圖1)。對(duì)果蔬進(jìn)行不同程度的深加工可提高果蔬的附加值，果蔬干燥是果蔬加工的主要形式之一。對(duì)果蔬進(jìn)行干燥可以延長(zhǎng)果蔬的保存期，減輕質(zhì)量、縮小體積、便于運(yùn)輸[4-6]。近年來(lái)，我國(guó)果蔬干燥工業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為提高農(nóng)業(yè)效益、增加農(nóng)民收入的重要行業(yè)，在國(guó)際市場(chǎng)有著巨大的發(fā)展?jié)摿7-8]。

1 果蔬含水率實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

含水率是衡量干燥程度和干燥效果的重要指標(biāo)[9]。通常有2種表達(dá)方式，分為干基含水率與濕基含水率。干基含水率可以大于1，濕基含水率一定小于1。

式中：Xdry表示干基含水率，%；Xwater表示濕基含水率，%；mwater表示物料水分質(zhì)量，kg；mdry表示物料干物質(zhì)質(zhì)量，kg。

果蔬含水率可以通過(guò)直接或間接測(cè)量獲取。直接測(cè)量是通過(guò)減壓干燥或共沸蒸餾等方式獲取物料的水分質(zhì)量mwater和干物質(zhì)質(zhì)量mdry直接計(jì)算得出物質(zhì)含水率[10]。間接測(cè)量是利用物料自身的物理、化學(xué)、光學(xué)特性與含水率之間的關(guān)系來(lái)獲得含水率[11]。果蔬物料含水率在干燥過(guò)程中的實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)于干燥工藝過(guò)程的優(yōu)化控制、判別干燥的進(jìn)程以及把控干燥產(chǎn)品的品質(zhì)等具有極其重要的意義。由于果蔬品種及物理性質(zhì)的多樣性，要求其含水率的檢測(cè)方法也具有多樣性[12]。

1.1 利用果蔬介電特性的含水率測(cè)量

水果和蔬菜是介電物質(zhì)中的一種，其介電特性與果蔬的組織成分有關(guān)，可以利用介電特性測(cè)量其含水率。在實(shí)際中，常用復(fù)相對(duì)介電常數(shù)(ε)來(lái)描述：

ε=ε′-jε″。

1.1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外學(xué)者在果蔬介電特性方面的研究起步相對(duì)較早，1945年Dunlap等就開(kāi)始探索介電常數(shù)與含水率之間的關(guān)系方面，他們通過(guò)研究18 kHz～5 MHz頻率條件下胡蘿卜的介電特性，表明介電常數(shù)主要取決于含水率[16-18]。Stuchly等在9.4 GHz頻率下測(cè)定馬鈴薯粉在不同含水率和溫度下的介電常數(shù)，表明介電常數(shù)與含水率成正比[19-20]。Seaman等在研究發(fā)現(xiàn)，在150 MHz～6.4 GHz頻率條件下蘋(píng)果、香蕉、桃子和柑橘等的果皮和果肉的介電特性不同的主要是因?yàn)楹什煌琜21]。Nelson測(cè)量了3種新鮮洋蔥在 2.45、11.7、20.0 GHz頻率下的介電常數(shù)與介電損耗因子，認(rèn)為這些數(shù)據(jù)可以用于含水率的測(cè)量[22]。Tulasidas等用開(kāi)放式同軸探針技術(shù)測(cè)定了2.45 GHz頻率下含水率在 15%～80%的葡萄在溫度25～80 ℃范圍內(nèi)的介電特性，研究發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)與損耗因子隨著含水率的減小而下降，在含水率較低時(shí)介電特性主要受溫度影響[23]。Funebo等研究了15種果蔬在2.45 GHz、5～130 ℃ 范圍內(nèi)的介電特性，得出了溫度、灰分、含水率與介電常數(shù)之間的關(guān)系模型[24]。Feng等研究了225、605 ℃的溫度條件下，含水率在4.0%～87.5%范圍內(nèi)的紅富士蘋(píng)果的介電特性，結(jié)果表明，在含水率較高(>70%)時(shí)，介電行為受自由水和離子傳導(dǎo)影響。在中等含水率(23%)時(shí)，離子傳導(dǎo)起主導(dǎo)作用。在含水量較低(4%)時(shí)，分散機(jī)理主要受結(jié)合水影響，含水率降低會(huì)導(dǎo)致介電常數(shù)與損耗因子減小[25]。Sharm等研究了大蒜在頻率為 2.45 MHz、溫度為 35～37 ℃、干基含水率為6%～185%下的介電特性，并通過(guò)響應(yīng)面分析得出了含水率與介電特性、溫度之間的預(yù)測(cè)模型[26]。Nelson研究了頻率在10～1.8 GHz、溫度在5～95 ℃范圍內(nèi)蘋(píng)果、鱷梨和香蕉的復(fù)相對(duì)介電常數(shù)，結(jié)果表明，在10～100 MHz之間的某個(gè)頻率下，介電常數(shù)受溫度的影響最小，低于這個(gè)頻率時(shí)，介電行為主要受離子傳導(dǎo)影響，高于這個(gè)頻率時(shí)，介電行為由電偶極子的狀態(tài)決定[27]。

1.1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)果蔬介電特性的研究起步較晚，在國(guó)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的相關(guān)學(xué)者開(kāi)始對(duì)果蔬介電特性與含水率的關(guān)系進(jìn)行研究。秦文等選取了27種農(nóng)產(chǎn)品，其中包括8種谷物以及從水果類(lèi)、食用菌類(lèi)、根莖類(lèi)、葉類(lèi)中選取的19種果蔬產(chǎn)品，研究其介電常數(shù)與含水率的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果表明，果蔬含水率與介電常數(shù)線性相關(guān)，但不同種類(lèi)的果蔬線性相關(guān)的含水率范圍不同。其中，白菜60%～95%，菠菜40%～95%，雞腿菇55%～80%，雙孢蘑菇70%～90%，馬鈴薯58%～78%，梨60%～91%，各類(lèi)果蔬產(chǎn)品含水率與介電常數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖2至圖5[28]。王穎等利用LCR測(cè)量?jī)x測(cè)量了熱風(fēng)干燥過(guò)程中蘋(píng)果以及蘋(píng)果與空氣混合物的相對(duì)介電常數(shù)，并對(duì)蘋(píng)果相對(duì)含水率分別與相對(duì)介電常數(shù)、混合物相對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行回歸分析，得出了相對(duì)含水率

與相對(duì)介電常數(shù)之間的擬合方程。分析結(jié)果表明，蘋(píng)果含水率與相對(duì)介電常數(shù)以及混合物的相對(duì)介電常數(shù)均極顯著相關(guān)[29]。針對(duì)常規(guī)的介電特性測(cè)試裝置不能在真空冷凍干燥裝置的凍干倉(cāng)中對(duì)果蔬介電特性進(jìn)行在線測(cè)量問(wèn)題，張建華設(shè)計(jì)了2針型和4針型2種可調(diào)探針式電極，與RCL測(cè)試儀組合形成可調(diào)式電極介電特性測(cè)量系統(tǒng)[30]。張鶴嶺等針對(duì)真空冷凍干燥，利用溫度傳感器、電容傳感器測(cè)量冷凍倉(cāng)內(nèi)的溫度以及物料的介電常數(shù)，結(jié)合ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片設(shè)計(jì)了一款在線無(wú)線檢測(cè)裝置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍干過(guò)程中的含水率[31]。裝置包括電容探針、電容檢測(cè)模塊以及AD轉(zhuǎn)換器，分別在室溫下使用RCL測(cè)試儀、在70 ℃高溫下使用平板電容對(duì)電容傳感器進(jìn)行性能評(píng)估，結(jié)果表明，室溫下電容傳感器相對(duì)誤差小于3%，高溫下相對(duì)誤差小于0.5%。

目前，已有公司研制出了精度較高的通用型電容傳感器，如ADI公司的AD7746、Irvine Sensor公司的MS3110、AMG公司的CAV424等，結(jié)合單片機(jī)測(cè)量精度可達(dá)10-15F。借助電容傳感器可以方便且精確地測(cè)出果蔬物料的介電常數(shù)，使得該方法在操作上簡(jiǎn)單可行，經(jīng)濟(jì)性好。

1.2 利用核磁共振技術(shù)進(jìn)行含水率測(cè)量

核磁共振(NMR)技術(shù)主要有2個(gè)學(xué)科分支，即磁共振成像(MRI)和磁共振波譜分析(MRS)。磁共振成像是用無(wú)線電射頻脈沖作用于特殊磁場(chǎng)中的物料，使具有自旋特性的氫原子核吸收能量產(chǎn)生共振，脈沖停止后氫原子核以信號(hào)脈沖的形式釋放能量，計(jì)算機(jī)將接受到的脈沖信號(hào)處理后獲得圖像。磁共振波普分析是利用傅立葉公式將氫原子產(chǎn)生的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成波普進(jìn)行分析的方法[32]。在原子物理學(xué)中，原子從激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)所需要的時(shí)間稱(chēng)為弛豫時(shí)間。橫向弛豫時(shí)間(T2)反映測(cè)試對(duì)象中水分自由度，T2反演譜信號(hào)幅值的總值代表該狀態(tài)下物料的含水率。低場(chǎng)核磁共振(LF-NMR)是指磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.5 T下的核磁共振，利用低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)物料中氫原子的橫向弛豫時(shí)間T2可獲取水分信息，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)果蔬含水率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[33-34]。

陳森等利用LF-NMR橫向弛豫時(shí)間T2反演譜研究了常溫儲(chǔ)存下櫻桃的內(nèi)部含水率變化，結(jié)果表明，櫻桃內(nèi)部主要存在3種狀態(tài)的水，即自由水、不易流動(dòng)的水、結(jié)合水[35]。自由水的弛豫時(shí)間T2為100～1 000 ms，不易流動(dòng)水為20～100 ms，結(jié)合水為1～20 ms。張緒坤等以胡蘿卜為研究對(duì)象，采集樣品在40、50、60、70、80 ℃熱風(fēng)干燥過(guò)程中的LF-NMR橫向弛豫時(shí)間T2。分析T2反演譜，對(duì)NMR總信號(hào)幅值與相應(yīng)階段的干基含水率進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明，T2反演譜總信號(hào)幅值與干基含水率存在顯著相關(guān)性(r2=0.999 1)[36]。徐建國(guó)等利用MRI技術(shù)，分別研究了40、70 ℃恒溫?zé)犸L(fēng)干燥過(guò)程中圓柱狀胡蘿卜的水分傳遞過(guò)程。結(jié)果表明，質(zhì)子密度信號(hào)強(qiáng)度Ⅰ與物料干基含水率存在顯著的線性關(guān)系，用Henderson-Pabis模型[MR=aexp(-kt)]模擬干燥過(guò)程，在70 ℃時(shí)，MR=1.003e-0.011 14t，r2=0.999 4；40 ℃時(shí)，MR=1.005e-0.002 86t，r2=0.997 8[37]。王雪媛等利用低場(chǎng)核磁共 振-T2反演譜研究了中短波紅外干燥過(guò)程中蘋(píng)果的水分變化，經(jīng)過(guò)回歸分析表明，NMR總信號(hào)幅值與蘋(píng)果的干基含水率存在良好的線性關(guān)系(r2=0.912 3)(圖6)[38]。王淼等利用LF-NMR成像技術(shù)，研究了柑橘汁包含水率與T2反演譜峰值面積之間的關(guān)系(圖7)，并對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行了Pearson檢驗(yàn)，結(jié)果表明，結(jié)合水、自由水的含量與T2反演譜峰值面積在0.01水平下顯著相關(guān)，不易流動(dòng)水在0.05水平下顯著相關(guān)[39]。

NMR技術(shù)在獲取物料水分信息時(shí)不與物料接觸，可以減少對(duì)果蔬物料的污染，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。此外，NMR技術(shù)可以多方位、多層次成像，在原子水平上獲取物料的全面信息。

1.3 利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)含水率

1.3.1 模型種類(lèi) 在食品干燥工業(yè)中的干燥工藝主要以薄層干燥或近似薄層干燥為主，薄層干燥是指干燥層厚度小于 20 mm，且被干燥物料表層充分暴露在相同狀態(tài)干燥環(huán)境中的干燥過(guò)程[40-41]。目前，有多種模型可以用來(lái)模擬農(nóng)產(chǎn)品薄層干燥的過(guò)程，主要分為理論模型、半理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃桶虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

理論模型是在假定擴(kuò)散系數(shù)D與濃度無(wú)關(guān)的條件下，由非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中的菲克第二定律推到而來(lái)。

菲克第二定理：

推導(dǎo)得出理論模型：

式中：C表示濃度，%；t表示擴(kuò)散時(shí)間，s；x表示擴(kuò)散距離，m；MR表示水分比，%；X為物料的實(shí)時(shí)含水率，%；Xe為平衡含水率，%；X0為物料初始含水率，%。L0表示干燥物料厚度的1/2，m。理論方程形式復(fù)雜，難以實(shí)際應(yīng)用，后有學(xué)者在模型中引入經(jīng)驗(yàn)常數(shù)將上式進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到了半理論模型。Henderson等于1961年簡(jiǎn)化得到Henderson and Pabis模型：

MR=aexp(-kt)。

式中：a、k均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菍⒏稍镞^(guò)程中的物料的含水率與時(shí)間進(jìn)行回歸分析直接得出的關(guān)系式方程。Thompson等于1968年提出了Thompson模型：

t=aln(MR)+b[ln(MR)]2。

半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃贚ewis模型MR=exp(-kt)基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的干燥動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析建立起來(lái)，具有較高的精度，如Page模型[42]：

MR=exp(-ktn)。

物料種類(lèi)、干燥條件等因素的變化會(huì)直接影響到模型的精度，一個(gè)足夠精確的模型可以準(zhǔn)確地描述特定干燥條件下物料的干燥過(guò)程，預(yù)測(cè)物料的實(shí)時(shí)含水率。因此，模型選擇至關(guān)重要[43]。筆者根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[42-43]總結(jié)了18種薄層干燥的數(shù)學(xué)模型(表1)。

表1 薄層干燥數(shù)學(xué)模型

1.3.2 物料薄層干燥數(shù)學(xué)模型國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型對(duì)果蔬干燥過(guò)程進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)干燥過(guò)程中果蔬的含水率變化。張黎驊等使用Henderson and Pabis模型、Lewis模型和Page模型對(duì)花椒的微波干燥過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)合SAS軟件對(duì)模型擬合度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，采用Henderson and Pabis模型描述花椒微波干燥過(guò)程更為準(zhǔn)確(r2=0.988 1)[44]。汪政富等研究了溫室晾房和黑紗晾房中葡萄的薄層干燥特性，選用10種模型分別對(duì)2種晾房中葡萄的干燥過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，Wang-Singh模型的擬合效果最佳(r2=0.997)[45]。鄧彩玲等研究了龍眼在不同溫度和不同風(fēng)速下的熱泵干燥特性，使用Lewis模型、Henderson and Pabis模型、Page模型、Midilli模型等10種模型對(duì)龍眼的熱泵干燥過(guò)程進(jìn)行模擬，分析結(jié)果表明，各干燥條件下，Midilli模型龍眼熱泵干燥過(guò)程的擬合效果最佳(r2=0.997 0)[46]。同時(shí)采用二次多項(xiàng)式對(duì)Midilli模型種的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)a、b、k、n進(jìn)行擬合，確立了不同溫度和風(fēng)速條件下的擬合方程，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)值與各試驗(yàn)數(shù)據(jù)在0.01水平下顯著相關(guān)，說(shuō)明該模型可以對(duì)龍眼在任意溫度、任意風(fēng)速條件下的熱泵干燥過(guò)程進(jìn)行模擬。張凡選用了8種模型分別對(duì)生姜片和糖姜片的熱風(fēng)干燥、微波干燥和熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥過(guò)程進(jìn)行擬合，用r2、χ2、均方根誤差(RMSE)3個(gè)參數(shù)對(duì)模型的擬合結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，在生姜片的熱風(fēng)干燥和微波干燥過(guò)程中均為Midilli模型的擬合效果最好，在聯(lián)合干燥過(guò)程中前期Midilli模型的擬合效果最好，后期Two-term模型的擬合效果最好[47]。在糖姜片的熱風(fēng)干燥過(guò)程中Logarithmic模型擬合效果最好，在微波干燥過(guò)程中Page模型擬合效果最好，在聯(lián)合干燥過(guò)程中前期Page模型的擬合效果最好，后期Midilli模型的擬合效果最好。采用二次多項(xiàng)式對(duì)模型中的各參數(shù)進(jìn)行擬合求解，得出了最終的干燥模型，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)各模型吻合度進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與各模型的預(yù)測(cè)值均高度吻合，說(shuō)明模型可以準(zhǔn)確描述生姜片和姜糖片的各個(gè)干燥過(guò)程，預(yù)測(cè)干燥過(guò)程中的含水率。弋曉康等選用了10種數(shù)學(xué)模型對(duì)紅棗的熱風(fēng)干燥過(guò)程進(jìn)行擬合，選用決定系數(shù)r2、χ2、均方根誤差來(lái)評(píng)估擬合效果，研究發(fā)現(xiàn)10種數(shù)學(xué)模型在45～65 ℃溫度范圍內(nèi)的擬合效果從高到低依次為Weibull distribution模型、Modified Page Ⅱ模型、Logarithmic模型、Page模型、Modified Page Ⅰ模型、Two-term模型、Henderson and Pabis模型、Wang and Singh模型、Lewis模型、Thompson模型，在 0.5～1.0 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)擬合效果從高到低為Weibull distribution模型、Modified Page Ⅱ模型、Logarithmic模型、Wang and Singh模型、Page模型、Modified Page Ⅰ模型、Henderson and Pabis模型、Two-term模型、Lewis模型、Thompson模型[48]。

1.3.3 物料薄層干燥數(shù)學(xué)模型國(guó)外研究進(jìn)展 Dhanushkodi等通過(guò)試驗(yàn)研究了太陽(yáng)生物質(zhì)能混合干燥機(jī)中腰果的干燥特性，采用15種數(shù)學(xué)模型擬合干燥過(guò)程。結(jié)果表明，在混合干燥過(guò)程中，Page模型對(duì)物料薄層干燥過(guò)程擬合效果最好(r2=0.997 8，χ2=0.001 7，RMSE=0.024 7)。Two-term模型對(duì)太陽(yáng)能薄層干燥過(guò)程中模型擬合效果最好(r2=0.997，χ2=0.001 6，RMSE=0.023 1)，Page模型對(duì)生物質(zhì)能干燥過(guò)程擬合效果最好(r2=0.997，χ2=0.001 6，RMSE=0.023 4)[49]。Sharma等研究了紅外干燥過(guò)程中洋蔥的干燥特性，選用8種模型對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，Page模型對(duì)洋蔥的紅外干燥過(guò)程模擬效果最好(r2=0.999，χ2=1.33×10-4)，可對(duì)洋蔥干燥過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確描述，預(yù)測(cè)洋蔥紅外薄層干燥過(guò)程中的含水率[50]。Doymaz研究了紅外干燥過(guò)程中番茄的干燥特性，使用9種模型擬合干燥過(guò)程，發(fā)現(xiàn)Midilli模型擬合效果最好，有效擴(kuò)散系數(shù)D在2.66×10-9～5.17×10-9m2/s范圍內(nèi)受紅外線功率影響顯著[51]。

數(shù)學(xué)模型法利用物料干燥過(guò)程中含水率與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，可以預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間點(diǎn)的含水率情況。同時(shí)也可以根據(jù)物料干燥終點(diǎn)的含水率計(jì)算出所需要的干燥時(shí)間，合理安排干燥工藝。

2 其他方法在果蔬含水率測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 高光譜成像技術(shù)在果蔬含水率測(cè)量中的應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)是指在連續(xù)波長(zhǎng)下獲取樣本圖像，組成高光譜圖像。原始高光譜圖像是一個(gè)由眾多連續(xù)子圖象組成的三維數(shù)據(jù)立方，每個(gè)像素都代表了樣本特定位置的光譜信息。高光譜圖像可以反映樣本的內(nèi)外部特征以及氫鍵成分信息，利用高光譜成像技術(shù)能對(duì)樣本進(jìn)行可視化分析[52]。

Huang等應(yīng)用高光譜成像技術(shù)研究大豆干燥過(guò)程中含水率和顏色的變化規(guī)律，在波長(zhǎng)為400～1 000 nm的光譜區(qū)域獲取了270個(gè)不同干燥程度的大豆樣本高光譜反射圖像，使用最小二乘法建立回歸模型用于預(yù)測(cè)大豆的含水率和顏色。分析結(jié)果表明，應(yīng)用高光譜成像技術(shù)預(yù)測(cè)干燥過(guò)程中的大豆顏色與含水率具有可行性[53]。洪添勝等利用高光譜成像技術(shù)獲取雪花梨中的糖和水分信息，建立含糖量和含水率的預(yù)測(cè)模型。分析結(jié)果表明，含糖量模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)r2=0.996，含水率模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)r2=0.94[54]。

2.2 CT技術(shù)在果蔬含水率測(cè)量中的應(yīng)用

電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)是利用X射線(X-CT)、γ射線(γ-CT)、超聲波(UCT)等與高靈敏度的傳感器相結(jié)合，圍繞著被測(cè)物體的某個(gè)部位作連續(xù)斷面掃面，獲取內(nèi)部信息。

Tollner等利用X-CT研究了不同含水率的紅富士蘋(píng)果對(duì)X射線的吸收率，結(jié)果表明，蘋(píng)果內(nèi)部斷層面對(duì)X射線的吸收強(qiáng)度與含水率顯著相關(guān)[55]。張京平等利用X-CT技術(shù)和圖像處理技術(shù)研究了蘋(píng)果內(nèi)部含水率與對(duì)應(yīng)點(diǎn)CT值(X射線特征值)之間、圖像RGB值與CT值之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)含水率與CT值、圖像RGB值與CT值之間存在顯著線性相關(guān)性，說(shuō)明可以通過(guò)CT圖像實(shí)現(xiàn)果蔬含水率在線檢測(cè)[56]。孫騰以蘋(píng)果產(chǎn)地、貯藏時(shí)間、CT值作為參數(shù)，通過(guò)響應(yīng)面分析建立了三者與蘋(píng)果含水率之間的預(yù)測(cè)模型。對(duì)比分析表明，含水率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的相關(guān)系數(shù)r=0.902 9，RMSE=0.494 9[57]。

2.3 利用稱(chēng)質(zhì)量法測(cè)量果蔬干燥含水率

利用物料干燥過(guò)程中干物質(zhì)質(zhì)量不變的原理，在初始含水率Xwater和初始質(zhì)量m已知的前提下，實(shí)時(shí)采集物料干燥過(guò)程中的總質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)物料含水率的在線測(cè)量。

實(shí)時(shí)含水率計(jì)算公式：

m0=m-mXwater；

式中：m0為干物質(zhì)質(zhì)量，kg；mt為實(shí)時(shí)物料總質(zhì)量，kg；Xwater-t為物料實(shí)時(shí)濕基含水率，%。

崔清亮等利用上述原理針對(duì)冷凍干燥過(guò)程設(shè)計(jì)了凍干物料含水率在線測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)含水率測(cè)量值與真實(shí)值誤差小于5%[58]。

3 存在問(wèn)題與展望

3.1 各種測(cè)定方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題

大量研究結(jié)果表明，利用介電特性、核磁共振技術(shù)、數(shù)學(xué)模型、高光譜成像技術(shù)、CT技術(shù)、在線稱(chēng)質(zhì)量等方法可以實(shí)現(xiàn)果蔬干燥含水率在線檢測(cè)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的問(wèn)題。

通過(guò)測(cè)量果蔬的介電常數(shù)獲取果蔬含水率的方法在操作上簡(jiǎn)單，但果蔬物質(zhì)的介電常數(shù)受溫度影響較大，在溫度變化較大的干燥箱中須要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，易產(chǎn)生誤差[59]。CT與核磁共振設(shè)備成本高，操作相對(duì)復(fù)雜，在附加值相對(duì)較低的果蔬干燥行業(yè)中很難被廣泛使用。數(shù)學(xué)模型法主要適用于物料的薄層干燥過(guò)程，對(duì)于非薄層干燥或非近似薄層干燥的物料干燥過(guò)程適用性較差。在線稱(chēng)質(zhì)量法在計(jì)算果蔬干燥過(guò)程中的含水率時(shí)須要知道初始含水率、初始質(zhì)量，操作復(fù)雜過(guò)程繁瑣。

3.2 發(fā)展方向

關(guān)于果蔬含水率實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)有研究成果主要體現(xiàn)在理論方法上，利用研究成果開(kāi)發(fā)出的實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備還比較罕見(jiàn)。要加快科技成果轉(zhuǎn)化，將科學(xué)技術(shù)真正轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，促進(jìn)果蔬干燥行業(yè)發(fā)展。

眾多研究主要集中在單個(gè)方法上，針對(duì)上述各種含水率測(cè)量方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)，可以選擇適當(dāng)?shù)姆桨高M(jìn)行有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如將介電特性測(cè)量技術(shù)與在線稱(chēng)質(zhì)量方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)初始含水率、初始質(zhì)量以及實(shí)時(shí)含水率的一體化測(cè)量。