基于溫度和功率控制的微波干燥研究

羅歸一宋春芳徐晚秀李臻峰

(1. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

微波及其耦合干燥在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的應(yīng)用日益增長，它具有特殊的加熱機(jī)理和高效的加熱效率。但不均勻加熱和品質(zhì)不穩(wěn)定的缺點成了其運用到工業(yè)生產(chǎn)中的主要障礙[1-3]。在微波干燥過程中，物料的干燥溫度和微波加載功率是微波干燥農(nóng)產(chǎn)品的2個重要因素[4-5]。這2個因素對干燥時間、速率、效率、能耗和最終產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。傳統(tǒng)的微波干燥技術(shù)大多是保持初始微波功率水平進(jìn)行干燥[6-8]，然而物料在干燥過程中自身水分的減少會使得在干燥后期微波功率密度增大，如果不對諧振腔的微波輸出功率進(jìn)行調(diào)整，極易導(dǎo)致樣品內(nèi)部溫度飆升，出現(xiàn)焦糊、褐變等現(xiàn)象[9-10]。

為此，國內(nèi)外學(xué)者針對微波干燥過程中溫度和功率的控制方法展開了大量的研究：Cuecurullo等[11]運用紅外成像儀監(jiān)測了干燥過程中蘋果片的瞬時溫度，通過微波爐通斷間歇干燥將蘋果片的溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)溫度附近，但溫度的偏差值較大，控制效果不盡如人意。陳霖等[12]采用類似方法比較了微波干燥花生有無溫度控制的產(chǎn)品品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)間歇控溫干燥后的花生表皮更加光滑平整，并且沒有焦糊現(xiàn)象發(fā)生。Kisselmina等[13]采用實時固定微波功率密度的干燥方式加熱西紅柿，并在干燥過程中檢測西紅柿的溫度，但是在干燥中、后期由于水分損失過多，系統(tǒng)實時輸出功率會相應(yīng)減少，導(dǎo)致干燥時間顯著延長。而且由于稱重過程存在波動，微波功率密度控制曲線始終存在較大的誤差，溫度控制效果也不如預(yù)期。

事實上，國內(nèi)外現(xiàn)有溫度控制方法的合理性大多都缺少理論支撐，物料的溫度變化實際上與其微波吸收能力密切相關(guān)，在微波干燥過程中物料由于介電特性的變化會導(dǎo)致其吸收微波能力的改變。為了探索物料微波可吸收功率與溫度變化的關(guān)系，本研究開發(fā)了一個新型微波干燥系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動連續(xù)調(diào)節(jié)微波功率水平、控制物料內(nèi)部溫度、在線測量樣品質(zhì)量?；诖宋⒉ǜ稍锵到y(tǒng)建立多種不同功率溫度控制組合模型，并且優(yōu)化反饋控制回路中的溫度和功率控制方案，綜合產(chǎn)品質(zhì)量和干燥速率和效率得到適合土豆片微波干燥的工藝方法。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

新鮮土豆：購于無錫江南大學(xué)天惠超市，形狀較規(guī)則、無損傷、無腐爛，土豆經(jīng)清洗去皮后切成若干個長10 mm，寬10 mm，厚度7 mm，質(zhì)量約40 g的正方形薄片，切好并瀝干表面水分后即可進(jìn)行干燥。

1.2 試驗設(shè)備

微波干燥系統(tǒng)(圖1)：實驗室自制。微波爐(廣東佛山美的微波爐制造有限公司，型號：MM720NG1-PW)采用700 W 磁控管，其陰極和陽極板有單獨的電源獨立供電。用計算機(jī)LabVlEW程序控制晶閘管的輸入電壓，實現(xiàn)將0～5 V 電壓信號轉(zhuǎn)變成0～4 000 V的陽極電壓。通過控制微波爐的通斷來使樣品干燥溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度(在一定范圍波動)，溫度由插在樣品內(nèi)部的光纖探頭檢測，電子秤置于微波爐的底部，上方放置聚四氟乙烯盤用于承載樣品，測量的溫度、質(zhì)量和電壓數(shù)據(jù)被傳輸?shù)诫娔X的DAQ模塊(美國國家儀器公司，型號：USB/PCI 6014)上進(jìn)行在線記錄。所有數(shù)據(jù)的記錄時間間隔為1 s，微波爐的腔體頂部安裝了一個可旋轉(zhuǎn)的微波攪拌器，使微波功率均勻分布。一個恒定轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇安裝在微波爐背面用來去除水分。

1. 電腦 2. 晶闡管控制系統(tǒng) 3. 電子秤 4. 聚四氟乙烯盤 5. 樣品 6. 風(fēng)扇 7. 家用微波爐 8. 光纖測溫儀

圖1 微波干燥系統(tǒng)

Figure 1 Microwave drying system

電子秤：KS201型，永康市艾瑞貿(mào)易有限公司；

色差計：CR-300型，日本柯尼卡美能達(dá)公司；

恒溫水浴鍋：HH-601型，榮華儀器制造有限公司。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 不控溫干燥(方案一) 采用固定微波功率水平(320，240，160 W)對土豆片進(jìn)行微波干燥，對應(yīng)的初始功率密度分別為8，6，4 W/g。干燥過程中溫度只進(jìn)行檢測不進(jìn)行控制。樣品的溫度每1 s記錄1次。當(dāng)土豆片濕基含水率下降到8.3% 時停止干燥。

1.3.2 固定微波功率控溫干燥(方案二) 采用固定微波功率水平(320，240，160 W)對土豆片進(jìn)行微波干燥，初始功率密度分別對應(yīng)為8，6，4 W/g。物料內(nèi)部溫度設(shè)定值分別取75，65，55 ℃。系統(tǒng)控制過程：當(dāng)實時物料內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)定值時，程序控制微波爐停止工作，等到物料內(nèi)部溫度低于設(shè)定值時，程序控制微波爐重新工作，土豆片濕基含水率下降到設(shè)定值(8.3%)時停止干燥。干燥完成后，取適當(dāng)時間段的功率輸出計算其平均值，即得出每個時間段微波輸出的平均功率。3個不同溫度的干燥模型分別得到3個不同的實時功率分布曲線。利用Origin 8.0中的指數(shù)函數(shù)模型擬合建立干燥過程中功率分布與干燥時間的方程。

1.3.3 可變微波功率控溫干燥(方案三) 采用與1.3.2相同的間歇干燥方法，在相同的3個溫度(55，65，75 ℃)下對土豆片進(jìn)行微波干燥，但在干燥過程中連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)微波輸出功率。微波功率的調(diào)整取決于干燥模型中的功率-時間以及功率-干基含水率之間的關(guān)系。土豆片濕基含水率下降到設(shè)定值(8.3%)時停止干燥。

1.4 質(zhì)量指標(biāo)

1.4.1 含水率的測定 采用直接干燥法[14]。經(jīng)測定土豆片的初始含水率約為75.5%，任一時刻土豆片含水率按式(1)、(2)計算：

(1)

(2)

式中：

d.b.——干基含水率，%；

w.b.——濕基含水率，%；

mt——物料干燥過程中的質(zhì)量，g；

ms——物料中干物質(zhì)質(zhì)量，g。

1.4.2 收縮率的測定 土豆片體積測定采用置換法，選用小米為置換介質(zhì)，小米的粒度控制在0.9～1.1 mm。測定土豆片微波干燥前后的體積，按式(3)計算土豆片收縮率。

(3)

式中：

P——收縮率，%；

V1——收縮后的體積，g/cm3；

V2——收縮前的體積，g/cm3。

1.4.3 色差的測定 用精密色差儀測量干燥前后樣品的L*、a*、b*值，L*、a*、b*值分別表示亮度、紅綠、黃白的程度。土豆片干燥后以黃色偏白為佳，即L*和b*值越大越好。用△E表示干燥前后的色差值，按式(4)計算：

(4)

式中：

△E——色差值；

1.4.4 復(fù)水比的測定 將干燥后的土豆片稱重后放入80 ℃的水浴鍋中復(fù)水30 min， 濾干表面水分， 再用濾紙吸去多余水分后進(jìn)行稱重，按式(5)計算復(fù)水比。

(5)

式中：

R——復(fù)水比；

mf——復(fù)水后土豆片的質(zhì)量，g；

md——干燥后土豆片的質(zhì)量，g。

1.4.5 干燥能耗計算 本次研究只考慮微波爐自身的實際輸出功率能耗，忽略了微波干燥系統(tǒng)中其他設(shè)備以及物料自身的熱損失，因此系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗按式(6)計算：

(6)

式中：

t——干燥所需時間，s；

P——微波爐的輸入功率，W；

E——干燥總能耗，J。

1.4.6 感官評價 由7名未經(jīng)培訓(xùn)的人(4名男性和3名女性，年齡20～30歲)組成評價小組對產(chǎn)品進(jìn)行感官評價。評價因素主要包括氣味、外觀、味道和總體接受程度，所有評分標(biāo)準(zhǔn)都采用10分制，其中9～10分為滿意，7～8分為較滿意，5～6分為中等，3～4分為偏差，1～2分為不滿意。最終取所有人員的平均值作為產(chǎn)品的感官評價得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不控溫干燥

圖2顯示了土豆片在固定微波功率下干燥時的內(nèi)部溫度情況。干燥過程可分為預(yù)熱升溫、恒溫和快速升溫3個階段。該方案存在的缺陷是第三階段(快速升溫段)的溫度迅速上升。干燥后期物料溫度的快速上升結(jié)果與冉旭等[15]的研究相類似，土豆片干燥時，溫度超過80 ℃會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的品質(zhì)，最終質(zhì)量指標(biāo)無法接受。在這種模式下，3種功率水平的樣品后期溫度都達(dá)到了80 ℃以上。320 W的物料在臨近干燥結(jié)束時溫度甚至上升到了140 ℃，這必定會對土豆片的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷。

類似的食品物料在微波干燥中溫度的變化情況可以在其他的研究[16-17]中發(fā)現(xiàn)，雖然這些研究并沒有實時監(jiān)測物料溫度，但高功率的微波水平運行時多數(shù)產(chǎn)品品質(zhì)的下降是由物料內(nèi)部熱量聚集，組織受損導(dǎo)致的。因此，從目前的研究來看，控制微波干燥過程中的物料溫度變化對改善微波干燥產(chǎn)品品質(zhì)具有一定的現(xiàn)實意義。

圖2 不同微波功率下物料溫度隨時間變化曲線

Figure 2 Temperature variation curves of samples with different microwave power levels (n=8)

2.2 固定微波功率控溫干燥

為了克服方案一在干燥后期發(fā)生的高溫問題，采用了溫度反饋控制方法對物料內(nèi)部的溫度進(jìn)行調(diào)控，干燥系統(tǒng)仍然輸出固定的功率水平，但加上溫度反饋程序控制微波爐磁控閥電源的開/關(guān)，使物料內(nèi)部溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。干燥過程中物料內(nèi)部溫度曲線和干基含水率變化曲線見圖3、4。預(yù)置溫度分別為75，65，55 ℃，對應(yīng)的初始功率水平分別為8，6，4 W/g。用這種方式消除了在干燥末期發(fā)生的物料溫度突升現(xiàn)象。然而在干燥末期，溫度波動較大，控制效果不盡如人意。詳細(xì)的溫度控制偏差見表1。在75 ℃預(yù)置溫度下干燥的后期，物料的最高溫度甚至達(dá)到了85 ℃，這可能導(dǎo)致產(chǎn)品焦糊，因此該溫度控制方案仍然存在缺陷。

分析原因，溫度波動大主要是后期高功率密度導(dǎo)致的，隨著干燥的進(jìn)行，土豆片樣品的質(zhì)量、水分含量和性狀都在不斷變化，但功率水平保持不變。例如，起初，75 ℃干燥的物料功率密度為8 W/g，但在最后階段，當(dāng)質(zhì)量達(dá)到10 g時，物料功率密度為32 W/g。干燥后期物料的高功率密度引起了方案二的大溫度波動和方案一的溫度突升。因此，在微波干燥過程中，特別是在干燥的后期，需要調(diào)整微波功率來降低物料的高功率密度。

圖3 固定功率下溫度反饋控制物料內(nèi)部溫度變化曲線

Figure 3 Sample’s internal temperature change under fixed power with temperature feedback control (n=8)

Figure 4 Sample’s moisture content (d.b.) change under fixed power with different preset temperature (n=8)

此外，物料在干燥過程中由于水分的大量損失會造成其介電損耗因子的下降，因此物料的微波吸收能力會逐漸降低[18]。如果在干燥過程中始終采用恒定的功率水平，會出現(xiàn)許多不良結(jié)果。一方面，吸收功率與輸入微波功率的不匹配會造成不必要的微波能量消耗；另一方面，加熱腔內(nèi)未被吸收的電磁波反復(fù)振蕩很容易形成強(qiáng)駐波，并可能沿波導(dǎo)返回磁控管，造成磁控管損壞[19]。

為了研究微波干燥過程中控制物料溫度的詳細(xì)功率要求，可以對程序開/關(guān)的頻率進(jìn)行分析。例如，在干燥初期程序可能是15/5的開/關(guān)比，干燥中期是10/10的開關(guān)比，干燥后期是5/15的開關(guān)比。然而，很難理解這些功率變化的開/關(guān)記錄的頻率。為了說明這一點，可以采用遞延平均法，對75，65，55 ℃的功率記錄分別取每150，240，480 s的平均值用來表示干燥過程中的功率變化，例如，320 W功率水平的系統(tǒng)在150 s內(nèi)的開關(guān)比為120/30，這段時間的實際功率應(yīng)當(dāng)為256 W，而非320 W。最終得到的實際功率見圖5。由于開/關(guān)的平均效應(yīng)，實際功率低于預(yù)設(shè)功率水平是可以理解的。

從實際功率水平可以看出，物料微波干燥中溫度控制的功率需求可分為2個階段：功率迅速下降階段和功率平衡階段。溫度越高，功率下降階段時間越短，功率下降的速率越快。并且溫度越高最后功率平衡階段的功率需求也越高。為了在實際微波干燥中應(yīng)用這些數(shù)據(jù)點，采用Origin 8.0中的指數(shù)模型對其進(jìn)行了曲線擬合(R2>0.90)，建立了不同干燥溫度下功率與時間的關(guān)系：

55 ℃：P=106.133×exp-t/22.007+41.116，

(7)

65 ℃：P=141.802×exp-t/16.671+56.673，

(8)

75 ℃：P=197.550×exp-t/11.178+78.157。

(9)

不同干燥溫度下功率與物料含水率之間的關(guān)系：

55 ℃：P=0.057×expd.b./0.41+42.23，

(10)

65 ℃：P=4.453×expd.b./0.19+58.05，

(11)

75 ℃：P=1.233×expd.b./0.17+70.86。

(12)

需要注意的是，不同溫度的功率選擇是基于試驗和誤差的。例如，75 ℃干燥試驗時選擇了8 W/g(320 W)的微波功率。如果選擇更高的功率，物料溫度在干燥后期波動會更大。如果選擇過低的功率，在一定的干燥階段溫度不能達(dá)到設(shè)定的溫度，程序會使電源長期處于開啟狀態(tài)，從而提高干燥速度，產(chǎn)品會立即被烤焦產(chǎn)生焦糊味。

2.3 可變微波功率控溫干燥

根據(jù)方案二得到的功率—時間擬合曲線(圖6)，結(jié)合溫度反饋控制，將土豆片分別放在相同設(shè)定溫度(75，65，55 ℃)下微波干燥。由圖5可知，最大功率要求分別為284，215，156 W，而最低功率水平分別為68，52，39 W，功率的最大值和最小值是通過多次試驗和誤差測試得到的。干燥過程中物料內(nèi)部記錄的溫度見圖7。由圖7可知，在干燥后期物料內(nèi)部溫度波動較小，溫度控制的情況優(yōu)于固定功率反饋溫度控制的方案。

雖然上述方法對物料內(nèi)部溫度控制有所改善，但不同樣品在干燥過程中由于性能的差異可能會加大功率分布曲線的繪制誤差，主要是由不同物料初始含水率以及介電特性不同所決定的。功率與時間的關(guān)系并不能最好地反映物料微波干燥過程中的功率要求，因為功率需求主要與樣品本身的質(zhì)量以及水分含量有關(guān)，而不是干燥時間。為了進(jìn)一步提高溫度控制的效果，根據(jù)物料干燥特性曲線將時間換算成物料的含水率，得到了不同溫度下功率與含水率的變化曲線(圖8)以及式(10)～(12)，即功率與物料含水率的擬合方程。

圖6 溫度反饋可變功率模型中功率—時間擬合曲線

Figure 6 Power time fitting curve in variable power model with temperature feedback (n=8)

圖7 可變功率下物料內(nèi)部溫度隨時間的變化

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干燥過程溫度記錄類似于圖7并且波動更小，溫度偏差見表1。由表1可知，基于功率與含水率方程反饋控制的比基于功率與時間方程控制的更小。因此，通過基于功率—含水率方程的反饋溫度控制方法可以實現(xiàn)土豆片微波干燥的最佳溫度控制。

圖8 可變功率下不同溫度功率—含水率擬合曲線

Figure 8 Fitting curve of power-moisture content(d.b.)under variable power with different temperature (n=8)

表1 不同干燥方案的溫度控制偏差?

? a. 基于功率—時間方程的可變功率溫度反饋控制方案；b. 基于功率—含水率方程的可變功率溫度反饋控制方案。

2.4 品質(zhì)分析及能耗計算

不同干燥方案所得到的產(chǎn)品色差指標(biāo)見表2。

由表2可知，方案一中的高功率水平(320 W)不控溫干燥后的產(chǎn)品顏色更黑(L*值更低)，產(chǎn)品也有較高的a*值和b*值，表明此方案易使產(chǎn)品炭化，加深物料的紅黃度。相比之下，方案一中的低功率水平(160 W)不控溫干燥和方案二、三的溫度反饋控制干燥后的產(chǎn)品顯示出更加良好的顏色質(zhì)量。此外，方案二和方案三2種控溫方式得到的產(chǎn)品品質(zhì)也不盡相同。在相同溫度下，方案三由于溫度偏差較小，干燥過程較為平穩(wěn)，最后得到的色差值也較小，顏色較優(yōu)。隨著物料內(nèi)部溫度升高，干燥后的產(chǎn)品色差值也逐漸減小，這是因為高溫下物料的干燥速度較快，長時間的干燥會使物料產(chǎn)生美拉德反應(yīng)[20]，導(dǎo)致物料顏色變深，影響物料感官評價。

不同干燥方案產(chǎn)品的復(fù)水比、收縮率以及系統(tǒng)能耗指標(biāo)見表3。由表3可知，方案三的產(chǎn)品復(fù)水率比方案二小，主要是物料內(nèi)部溫度控制相同時，方案二的耗時明顯小于方案三，長時間的干燥使得物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加緊密，所以物料的吸水性會變差，導(dǎo)致復(fù)水率減小[21]。方案一比方案二、三的收縮率大，原因是在沒有溫度控制的情況下物料水分散失更快，更易發(fā)生較大程度的變形。方案三與方案二相比雖然干燥時間略微延長，但是由于干燥過程中功率的降低使得干燥能耗遠(yuǎn)小于方案二。綜合比較并結(jié)合感官評分，方案三的溫度功率控制方案最適合土豆片的微波干燥。

表2 不同干燥方案產(chǎn)品的顏色指標(biāo)?

? a. 基于功率—時間方程的可變功率溫度反饋控制方案；b. 基于功率—含水率方程的可變功率溫度反饋控制方案。

表3 不同干燥方案產(chǎn)品的質(zhì)量及能耗指標(biāo)?

Table 3 Quality assessment and energy consumption index of different drying scheme products (n=3)

干燥方案復(fù)水比R收縮率P/%能耗E/kJ感官評價160 W2.0526.5541.445.91±0.55方案1240 W1.6828.7560.165.66±0.88320 W1.5431.2285.874.58±1.0655 ℃1.8714.51 104.387.33±0.74方案265 ℃2.5216.91 297.168.11±0.5175 ℃2.7118.61 032.277.85±0.4655 ℃1.7816.4745.688.21±0.66方案3a65 ℃2.0416.8833.548.52±0.5975 ℃2.1019.6646.878.56±0.6255 ℃1.8314.2712.548.69±0.68方案3b65 ℃1.9516.5798.528.95±0.5775 ℃2.1321.2668.198.41±0.45

? a. 基于功率—時間方程的可變功率溫度反饋控制方案；b. 基于功率—含水率方程的可變功率溫度反饋控制方案。

3 結(jié)論

(1) 固定功率無溫度控制的土豆片微波干燥會在干燥后期使物料內(nèi)部溫度急速升高，導(dǎo)致產(chǎn)品炭化和產(chǎn)品質(zhì)量損傷。隨著物料含水率的降低，微波干燥過程中功率水平過高容易使熱量在物料內(nèi)部聚集，對產(chǎn)品的復(fù)水率、色差產(chǎn)生較大的影響。

(2) 運用遞延平均法對微波干燥過程中微波系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行調(diào)整有助于物料溫度的穩(wěn)定和控制。基于預(yù)定含水率—功率曲線分布的可變微波功率與反饋溫度控制相結(jié)合的干燥方案可以得到最佳的溫度控制效果和產(chǎn)品品質(zhì)質(zhì)量。溫度與預(yù)設(shè)溫度的偏差為±3 ℃，感官評價的綜合得分也最高，達(dá)到了8.95。

(3) 物料微波干燥的過程中功率的調(diào)整有利于節(jié)約微波系統(tǒng)的能耗。與傳統(tǒng)的固定功率水平相比，基于預(yù)定含水率—功率曲線分布的可變微波功率與反饋溫度控制相結(jié)合的干燥方案雖然在微波干燥過程中延長了干燥時間，但由于功率水平的降低依舊可以使整個干燥過程節(jié)約35%的能耗，這對現(xiàn)代大型農(nóng)產(chǎn)品微波加工生產(chǎn)提供了良好的參考。

(4) 光纖采集溫度只適用于中小型微波爐操作，對于大型的微波加工設(shè)備，由于微波加熱的不均勻性和裝置結(jié)構(gòu)的特殊性仍然難以在干燥過程中解決溫度實時檢測的問題。并且溫度控制方案缺少嚴(yán)格的理論依據(jù)，微波功率的加載應(yīng)該根據(jù)物料的某些特性(如介電特性)的變化進(jìn)行調(diào)整，制定更加合理的微波功率加載方案仍需要進(jìn)一步的研究。