馬鈴薯片間歇微波真空干燥工藝優(yōu)化

溫家豪，董繼先, ，王棟, *，袁越錦，劉瑞，王怡

1. 陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（西安 710021）；2. 輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計研究院有限公司（西安 710086）

2015年起，我國啟動馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，并把馬鈴薯作為中國第四大主糧[1]。馬鈴薯全粉有助于改善和豐富中國居民膳食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)[2]。對新鮮馬鈴薯片進(jìn)行干燥脫水處理，使其可以作為日常生活中需要的面條和饅頭等主食產(chǎn)品的原料[3-4]。此外，可制成各種各樣馬鈴薯全粉食品，提升馬鈴薯全粉食品附加值[5]。

微波真空干燥技術(shù)具有能效高和品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)[6]，干燥后可以很好保留食品、藥品的色澤[7]。姜凌燕[8]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯全粉采用微波真空干燥技術(shù)，在色澤、香氣和感官品質(zhì)等方面，優(yōu)于微波干燥和熱風(fēng)干燥，但沒有對其最佳工藝做深入研究。近幾年，微波真空干燥技術(shù)得到迅速發(fā)展[9]，但是微波干燥的不均勻和焦糊問題影響該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[10-11]。

機(jī)器視覺在食品方面的應(yīng)用有很多，Wu等[12]研究發(fā)現(xiàn)計算機(jī)視覺是用于食品色澤測量的技術(shù)中最有前途的一種；Nadian等[13]提出的計算機(jī)視覺系統(tǒng)，可用于干燥中色澤和水分變化的在線評估和控制；Fathi等[14]利用圖像分析的方法對滲透脫水獼猴桃切片的傳質(zhì)動力學(xué)和色澤變化進(jìn)行預(yù)測，但運(yùn)用機(jī)器視覺檢測微波干燥中焦糊的方法未見報道。

因此，通過試驗(yàn)對比馬鈴薯片在連續(xù)干燥和不同間歇干燥方式后的焦糊情況，采用圖像處理中RGB模型表示干制品色澤的變化，在優(yōu)化間歇方式后，選取微波功率、切片厚度和真空度3個影響馬鈴薯片微波真空干燥特性的主要因素，對其進(jìn)行試驗(yàn)研究和參數(shù)優(yōu)化，獲得最佳干燥工藝參數(shù)，為馬鈴薯片的工業(yè)化微波真空干燥和在線監(jiān)測提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮馬鈴薯購于西安市百姓家園超市，要求鮮嫩、沒有損傷和病蟲害，形狀及成熟度基本一致。馬鈴薯的初始濕基含水率86.14%±0.5%（直接干燥法測定[15]），放入4 ℃冰箱中保存。

1.2 儀器與設(shè)備

微波真空干燥設(shè)備（ORW1.0S-8Z，與南京澳潤微波科技有限公司聯(lián)合研制，如圖1所示）；索尼DSC-WX500（1 820萬有效像素，索尼數(shù)字產(chǎn)品無錫有限公司）；拍攝遮光燈箱（Deep 40 cm LED，尺寸40 cm×40 cm×40 cm，照明光源為2支30 W日光燈管，60顆LED燈珠均勻分布，浙江美諾攝影器材有限公司）；電子天平（FA2204C，精度0.1 mg，上海佑科儀器儀表有限公司）；切片機(jī)（C100，永康市鉑歐五金制品有限公司）。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)圖

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

馬鈴薯原材料→清洗→去皮→切片（17±0.1 g）→拍照→稱重→間歇微波真空干燥→馬鈴薯片干制品→拍照→圖像處理→真空包裝→冷藏

1.3.2 干燥參數(shù)的計算

干基含水率按式（1）計算。

式中：Mt為t時刻干基含水率，g/g；Wt為t時刻總質(zhì)量，g；G為干物質(zhì)質(zhì)量，g。

干燥過程中不同時刻t下馬鈴薯片中的水分用水分比（wMR）表示。

式中：M0，Me和Mt分別為馬鈴薯片初始、平衡時和任意t時刻的干基含水率，g/g。由于Me遠(yuǎn)小于M0和Mt，所以式（2）可簡化為式（3）。

1.3.3 試驗(yàn)設(shè)計

通過預(yù)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1所示，其中微波加熱為“on”、停止加熱間歇為“off”，對比物料在連續(xù)加熱和間歇加熱后的焦糊狀況，優(yōu)化微波真空間歇干燥的工藝。每次微波加熱結(jié)束后記錄物料質(zhì)量和溫度，直至物料達(dá)到安全含水率（10%）。

1.4 圖像處理

通過人工進(jìn)行物料焦糊檢測，工作強(qiáng)度大，無法滿足工業(yè)化干燥要求。運(yùn)用圖像處理技術(shù)對物料焦糊現(xiàn)象進(jìn)行在線檢測，具有快速準(zhǔn)確等優(yōu)勢，有助于改善干燥品質(zhì)，提升自動化水平。

表1 試驗(yàn)方案表

1.4.1 圖像采集

第一次拍攝時，調(diào)整物料和鏡頭之間的距離，使拍攝到的物料圖像效果達(dá)到最佳，固定位置等參數(shù)便于后續(xù)的圖像拍攝。具體流程：

讀入馬鈴薯圖像→圖像預(yù)處理→圖像分割→掩碼與操作提取圖像→提取圖像顏色分量值

1.4.2 圖像預(yù)處理

在圖像采集和傳輸?shù)冗^程中，會因?yàn)楦鞣N原因產(chǎn)生噪聲使圖像的質(zhì)量下降，這些噪聲可能會對后續(xù)圖像處理和分割等操作產(chǎn)生一些干擾，甚至?xí)绊懺囼?yàn)的結(jié)果。采用高斯濾波器減弱噪聲的影響，為圖像特征值的提取做準(zhǔn)備[16]。

1.4.3 分水嶺分割

采用的分水嶺算法是Vincent提出的一種形態(tài)學(xué)的分割方法[17]，主要是基于拓?fù)淅碚搧泶_定具體分水嶺位置的分割方法。分水嶺分割流程主要是排序過程和淹沒過程，首先將圖像灰度化和二值化，通過改變距離來尋找種子，通過生成標(biāo)記來進(jìn)行分水嶺變換。處理的示例結(jié)果如圖2所示。

圖2 馬鈴薯片圖像的分割過程

1.4.4 掩碼與操作提取馬鈴薯片圖像

圖像掩碼操作的目的是用來重新計算圖像中每個點(diǎn)的像素值，主要通過構(gòu)建掩碼矩陣與原圖像進(jìn)行與運(yùn)算后得到新的結(jié)果圖。如果掩碼矩陣的像素值是0，則運(yùn)算后不保留原圖像像素點(diǎn)，否則就留下這個像素點(diǎn)，以此來對原圖像中的像素進(jìn)行提取[18-19]。其中，掩碼矩陣表示對原圖像像素值的影響程度，也可對原像素進(jìn)行加權(quán)平均。

1.4.5 圖像顏色特征提取

常見的顏色模型有RGB、CIE和HSV等，其中RGB模型圖像中每個像素點(diǎn)的顏色值均可以由不同R、G、B顏色分量值（0～255）表示，RGB顏色模型也是現(xiàn)在監(jiān)控器等設(shè)施中最常用的模型之一。杜騰飛等[20]研究真空遠(yuǎn)紅外干燥檸檬片時發(fā)現(xiàn)，RGB強(qiáng)度越大，檸檬片產(chǎn)品成色越好，與新鮮檸檬片色澤差距越小。依據(jù)其對RGB強(qiáng)度的計算方法，運(yùn)用Anaconda3編程將RGB模型分離并計算出圖像紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3個顏色通道的平均值，對干燥后焦糊狀況進(jìn)行評價。

1.5 數(shù)據(jù)分析研究

所得圖像全部通過Anaconda 3軟件，運(yùn)用OpenCV庫和Python語言進(jìn)行編程分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 2016軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 間歇方式對馬鈴薯片干燥特性和品質(zhì)的影響

由圖3（c）可知，采用微波真空連續(xù)干燥，馬鈴薯片干制品易出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，局部出現(xiàn)燒焦碳化現(xiàn)象，整體干燥不均勻，色澤呈深黃色，產(chǎn)品質(zhì)量不佳。如圖3（a）和（b）所示，采用間歇微波加熱工藝焦糊現(xiàn)象明顯少于圖3（c），間歇微波加熱均為60 s：圖3（a）是間歇30 s后干制品局部區(qū)域產(chǎn)生一些焦糊；圖3（b）是間歇60 s后干制品呈乳白色無焦糊品質(zhì)好。由圖5可知，采用加熱60 s、間歇60 s干燥方式后的干制品，其RGB強(qiáng)度值比新鮮樣品RGB強(qiáng)度值變化最小，高于加熱60 s、間歇30 s干燥后部分焦糊的情況，也高于連續(xù)干燥后嚴(yán)重焦糊的情況。在間歇干燥中間歇時間的長短會嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，間歇時間短，物料中的水分緩蘇效果不佳，因此間歇60 s最佳。

由圖4可知，間歇干燥后圖4（b）品質(zhì)優(yōu)于圖4（a）和（c）。在相同間歇時間60 s時，微波加熱30 s后干制品（圖4（a））色澤暗淡；加熱60 s后干制品（圖4（b））無焦糊品質(zhì)好；加熱90 s后干制品（圖4（c））色澤焦黃部分焦糊。不同間歇式微波真空干燥可以改善馬鈴薯片受熱不均和局部焦糊的現(xiàn)象，得到高品質(zhì)干燥產(chǎn)品，這與魏來等[9]通過研究不同間歇方式真空微波干燥生姜結(jié)論相似。由圖5可知，采用加熱60 s間歇60 s干燥方式后干制品的RGB強(qiáng)度值，高于加熱30 s、間歇60 s干燥后干制品色澤暗淡的情況，也高于加熱90 s、間歇60 s干燥后干制品色澤焦黃的情況。

如圖3所示，相同加熱時間不同間歇時間（30 s和60 s）下，有效加熱時間（不包括間歇時間，下同）相同。如圖4所示，在相同間歇時長下，隨著微波加熱時間延長（30，60和90 s），馬鈴薯片有效加熱時間縮短，分別是900，840和810 s，設(shè)備需要啟停31，15和10次。兼顧設(shè)備頻繁啟停的耐用性，微波加熱時長取60 s最佳。綜合考慮有效加熱時間、效率和設(shè)備等因素，采用微波加熱60 s、間歇60 s的間歇方式。

圖3 馬鈴薯片相同加熱時間不同間歇時間下干燥結(jié)果

圖4 馬鈴薯片相同間歇時間不同加熱時長下干燥結(jié)果

由圖5可知，采用不同方式的間歇干燥后，干制品色澤更接近新鮮的樣品，品質(zhì)均優(yōu)于連續(xù)的微波加熱。干燥初始切片色澤接近白色，干燥結(jié)束后，切片變?yōu)榘迭S色，局部區(qū)域變?yōu)樯铧S色和褐色。干制品圖像3個顏色強(qiáng)度值依次為藍(lán)＞綠＞紅，且紅、綠分量的變化要大于藍(lán)分量，主要是由于理論上純黃色可以由純紅色和純綠色加色合成。綜上分析，可以將馬鈴薯片圖像的RGB強(qiáng)度值作為焦糊程度的評價指標(biāo)。

圖5 馬鈴薯不同間歇方式下RGB強(qiáng)度值

2.2 微波功率對馬鈴薯片干燥特性和品質(zhì)的影響

由圖6可知，馬鈴薯片有效加熱時間隨著微波功率增加而縮短，分別用時960，840，720和600 s，設(shè)備需要啟停17，15，13和11次。由圖7可知，RGB強(qiáng)度隨功率升高先增加后減小，功率300 W時干制品色澤最好，最接近新鮮樣品，功率500 W時干制品色澤不佳。在干燥初期（水分比大于0.4）不易產(chǎn)生焦糊；干燥后期（水分比小于0.1）功率為400和500 W時，切片表面部分區(qū)域已經(jīng)干涸，干燥時易產(chǎn)生焦糊現(xiàn)象?？赡茉蚴请S著功率的升高功率密度增加，同時水分比降低，溫度升高，易產(chǎn)生糊化[10]，通過紅外溫度傳感器探測到馬鈴薯片上表面溫度，計算干燥過程的平均溫度，隨著功率的增加，平均溫度分別為55.1，59.4，65.1和73.3 ℃。

圖6 馬鈴薯片不同功率下的干燥曲線

圖7 馬鈴薯片不同功率下的RGB強(qiáng)度值

2.3 厚度對馬鈴薯片干燥特性和品質(zhì)的影響

由圖8可知，相同質(zhì)量馬鈴薯片有效加熱時間隨切片厚度減小而縮短，分別用時1 080，840和660 s。由圖9可知，RGB強(qiáng)度隨著厚度增加而降低，同時出現(xiàn)切片上表面焦糊區(qū)域少，但切片下表面焦糊嚴(yán)重的現(xiàn)象?？赡茉蚴窃O(shè)備的微波發(fā)生器位于微波腔室的底部，微波能從下表面開始射入，射入面的微波能量高。

圖8 馬鈴薯片不同厚度下的干燥曲線

圖9 馬鈴薯片不同厚度下的RGB強(qiáng)度值

2.4 真空度對馬鈴薯片干燥特性和品質(zhì)的影響

由圖10可知，馬鈴薯片有效加熱時間隨真空度的提高而縮短，分別用時960，84和780 s。由圖11可知，RGB強(qiáng)度隨著真空度升高而增加，真空度0.09和0.08 MPa時的干制品，表面色澤相差不大，焦糊較少，優(yōu)于0.07 MPa下的產(chǎn)品?？赡茉蚴禽^高真空度下水的沸點(diǎn)降低，水分蒸發(fā)較快，在微波特有的加熱方式下減少水分集中[11]，但高真空度會增加設(shè)備耗能。

圖10 馬鈴薯片不同真空度下的干燥曲線

圖11 馬鈴薯片不同真空度下的RGB強(qiáng)度值

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果討論

根據(jù)表2正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果可得，馬鈴薯片間歇微波真空干燥各試驗(yàn)因素影響主次順序是切片厚度＞微波功率＞真空度；分析優(yōu)選工藝參數(shù)為切片厚度3 mm、微波功率300 W和真空度0.08 MPa。

表2 馬鈴薯片間歇微波真空干燥正交試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

馬鈴薯片微波真空連續(xù)加熱干燥后易焦糊，間歇干燥可有效降低焦糊程度，不同間歇方式干燥后干制品焦糊均減少。

運(yùn)用圖像處理中的RGB模型分析干制品焦糊程度，相比于微波連續(xù)加熱，間歇干燥后干制品RGB值更接近新鮮馬鈴薯片。不同方式干燥后干制品圖像RGB值相比于新鮮馬鈴薯片圖像RGB值，紅、綠分量的變化要大于藍(lán)分量，且RGB強(qiáng)度越大，焦糊程度越小，色澤越好，為干燥過程的焦糊現(xiàn)象在線監(jiān)測提供技術(shù)借鑒。

通過正交試驗(yàn)優(yōu)化馬鈴薯片間歇微波真空干燥工藝，試驗(yàn)因素影響的主次順序是切片厚度＞微波功率＞真空度；優(yōu)選工藝參數(shù)微波加熱和間歇時間分別采用60 s和60 s，微波功率300 W，厚度3 mm，真空度0.08 MPa。該參數(shù)對生產(chǎn)實(shí)際中馬鈴薯片工業(yè)化間歇微波真空干燥具有指導(dǎo)意義。