漿果微波干燥品質控制系統(tǒng)研究

鄭先哲，封少軒，高瑞麗，馬文玉，高 峰，薛亮亮

（東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

漿果皮薄多汁、味道鮮美、質地柔軟，富含花青素、氨基酸、維生素和抗氧化物等活性物質，具有預防癌癥、延緩衰老、增強免疫力等功效。在采摘、運輸、加工保鮮過程中，漿果易腐爛變質。對新鮮漿果干燥處理可延長漿果保質期，降低運輸與保鮮成本，但其中營養(yǎng)和保健價值極高的天然可食用色素花青素為熱敏性物質[1]。微波加熱對物料品質影響顯著[2]，在溫度60℃以下環(huán)境中處于穩(wěn)定狀態(tài)，70℃以上出現(xiàn)大量降解，且隨溫度升高，花青素穩(wěn)定性降低，降解速率加快[3]，干燥處理問題亟待解決。微波干燥技術具有選擇性干燥、干燥過程易控、干燥速度快等優(yōu)點[4]，利用微波干燥漿果果漿可縮短干燥時間，提高干燥效率和能量利用率，但干燥過程中物料溫度持續(xù)升高[5-6]，造成花青素大量降解，影響干后品質[7]。低溫環(huán)境下微波干燥漿果減少花青素降解[8]，但降低干燥速率，增加能耗。因此，為解決干燥速率和花青素保留率之間矛盾，需確定微波干燥過程中保持花青素穩(wěn)定性臨界溫度。

通過建立模型可描述干燥過程參數(shù)對花青素含量的影響，如將一級反應動力學方程和改進后阿倫尼烏斯方程合并后得到花青素降解模型[9]，描述和預測營養(yǎng)成分在干燥過程中不同條件下降解規(guī)律及分布；采用響應面分析法得到二次回歸模型[10]，預測花青素降解率，具有較高準確性；以樹莓漿果為研究對象，通過探究微波泡沫干燥條件對果漿溫度、含水率、花青素含量的影響[6]，建立含水率和溫度對花青素含量影響模型。以上模型描述花青素降解規(guī)律，但就提高花青素保留率而言，將花青素含量模型或降解模型與干燥參數(shù)控制系統(tǒng)結合方面需進一步研究。潘霞基于改進粒子群算法，設計一種烘干設備溫度控制器，提高食品干后品質[11]。倪乘陽等設計一種適用于果蔬等農產品恒溫干燥反饋控制系統(tǒng)[12]。通過反饋控制達到提高產品干后品質目的，但仍需依據(jù)產品干燥特性設計控制策略，兼顧品質與干燥效率。

為解決漿果連續(xù)式微波干燥過程中溫度不易控制、干燥速率與活性物質降解同步性差等問題，本研究以黑加侖果漿為研究對象，微波強度為試驗因素，干燥過程中溫度、含水率和花青素保留率為評價指標，建立溫度、含水率與花青素保留率間回歸模型，設計一種連續(xù)式微波干燥機參數(shù)控制系統(tǒng)，以期提高干后花青素保留率同時保證干燥速率，研究可為高水分、高粘度、高熱敏性漿果物料微波干燥加工品質控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黑加侖購于哈爾濱欣躍三莓果業(yè)專業(yè)合作社，烘箱法測定其初始濕基含水率為（85±0.3）%。選擇顆粒飽滿、大小和成熟度一致黑加侖，清洗后裝袋保存于-15℃冰柜中待用。香草醛、無水乙醇、甲醇和濃鹽酸等化學試劑均為分析純（天津市富宇精細化工有限公司）。

1.2 試驗方法

試驗前，將黑加侖置于室溫（25±0.2）℃解凍3 h，然后使用破壁機（JYL-Y5型，濟南九陽有限公司）制備成均勻細膩的黑加侖果漿（以下簡稱為果漿）。用電子分析天平（AB204-S型，梅特勒-托利多儀器，上海有限公司）分別稱取400、200、133.33、100、80 g黑加侖果漿均勻鋪放于玻璃碗中，放入微波爐（WD700型，樂金電子，天津電器有限公司）中，以800 W微波功率進行烘干試驗，對應微波強度分別為2、4、6、8、10 W·g-1，每間隔1 min將微波爐內樣品取出，用手持式紅外測溫儀（FLUKE 563型，美國福祿克公司）測量溫度，并測定樣品含水率、花青素含量。直至達到安全含水率（濕基含水率10%～15%）停止烘干。通過預試驗，在2、4、6、8、10 W·g-1微波強度下將果漿干至安全含水率所需干燥時間分別為36、18、14、12、9 min，每次試驗重復3次，取平均值。

1.3 指標測定

采用國標GB/T5009.3-2016直接干燥法，利用電熱鼓風干燥箱（DHG-9053A型，上海一恒科學儀器有限公司）測定含水率；通過紅外熱像儀與料層保持合適高度拍攝紅外熱圖像，獲取物料表面溫度分布；花青素含量測定采用低濃度香草醛-鹽酸法[13]。

濕基含水率計算公式：

式中，m0-鋁盒質量（g）；m1-鋁盒及干燥前試樣質量（g）；m2-鋁盒及恒重時試樣質量（g）。

干品中花青素含量計算公式：

式中，D-干品中花青素含量（mg·100 g-1）；V-定容體積（mL）；C-花青素濃度（mg·mL-1）；n-稀釋倍數(shù)；W-黑加侖果漿干后樣品質量（g）。

花青素保留率公式：

式中，R-花青素保留率（%）；D0-花青素初始含量（mg·100 g-1）；D1-t時刻花青素含量（mg·100 g-1）。

微波能吸收計算公式：

式中，Q-微波能吸收值（W·m-3）；f-微波頻率（2.45 GHz）；ε0-泡沫果漿介電損耗因子；ε′′-真空中介電常數(shù)，8.85×10-12F·m-1；E-料層上電場強度（V·m-1）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 22.0軟件處理數(shù)據(jù)及統(tǒng)計性分析；采用Origin 2018軟件繪圖及模型擬合。為減少試驗誤差，每組重復測定3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同微波強度對果漿干燥特性的影響

在微波強度2～10 W·g-1條件下，果漿溫度、含水率、花青素保留率變化規(guī)律如圖1所示。由圖1a可知，隨著微波強度提高，果漿溫度升高速率呈逐漸上升趨勢，其原因為微波強度越大，料層表面電場強度越大，由式（4）可知，料層吸收微波能與電場強度呈正比，物料吸收微波能越多，用于料層溫升能量越多，溫升越快[14]。由圖1b可知，隨微波強度增加，料層水分蒸發(fā)速率呈逐漸增加趨勢。因為在微波干燥過程中，物料干燥初期水分含量較高，吸收微波能越多，水分蒸發(fā)越迅速，故微波強度越大，干燥時間越短[15]。由圖1c可知，干燥后，微波強度在6 W·g-1時花青素保留率最高，達40.27%，而2 W·g-1時花青素保留率最低，降到17.55%。因為在干燥過程中花青素降解同時受溫度和加熱時間影響，溫度越高、加熱時間越長花青素降解量越大[16]，微波強度越大，干燥過程中溫度相對較高，加快花青素降解，但由于干燥時間較短，可減緩花青素降解程度。故適合果漿花青素保留的微波強度為6 W·g-1。

圖1 不同微波強度下果漿含水率、溫度、花青素保留率變化規(guī)律Fig.1 Changes of moisture content,temperature,and anthocyanin retention of berry pulp under different microwave intensities

隨微波強度增加，物料最終達到平均溫度升高，干燥后期，料盤邊緣出現(xiàn)明顯過熱現(xiàn)象，溫差值顯著，見表1。因為在干燥過程中，果漿內部水分蒸發(fā)起泡，改變料層原本均勻狀態(tài)，使料層表面電場分布不均勻[17]，導致邊緣過熱，引起加熱不均勻。

表1 不同微波強度下果漿干燥完成后溫度分布Table 1 Temperature distribution of berry pulp after drying under different microwave intensities

2.2 溫度對果漿含水率和花青素保留率的影響

不同微波強度下果漿含水率和花青素保留率隨溫度變化規(guī)律見圖3，干燥前期，果漿溫度在20～70℃，微波能主要用于果漿內部溫度積累，由于該階段溫度較低，果漿中水分蒸發(fā)緩慢，含水率在80%～85%花青素保留率未發(fā)生明顯變化。干燥中期，果漿溫度在70～90℃緩慢上升，含水率在50%～80%快速下降，因為果漿中水分蒸發(fā)及熱對流所消耗能量與其吸收微波能量達到動態(tài)平衡，僅少部分能量用于溫度積累。在中期階段，花青素降解速率加快，因果漿溫度達到70℃后，花青素穩(wěn)定性減弱。干燥后期，溫度在90～140℃之間迅速升高，含水率由50%快速降至安全含水率（12%～15%），該階段水分蒸發(fā)量相對較少，吸收微波能產生的體積熱在果漿內部積累，后期階段花青素降解速率最快，果漿溫度持續(xù)升高與果漿中干物質濃度提高共同作用導致pH降低、花青素穩(wěn)定性降低，花青素降解速率進一步加快[18]。分別對溫度、含水率與花青素保留率作相關性分析，花青素保留率與溫度相關性系數(shù)為-0.930（P＜0.01）呈負相關，花青素保留率與含水率為0.821（P＜0.01）呈正相關。干燥過程中果漿含水率下降，不易控制，因此采用控制溫度的方法提高花青素保留率。

圖3 不同微波強度下果漿含水率和花青素保留率隨溫度變化規(guī)律Fig.3 Moisture content and anthocyanin retention of berry pulp varied with temperature under different microwave intensities

2.3 花青素保留率動力學模型建立及解析

微波干燥過程中，果漿溫度不斷升高，含水率不斷下降，在一定溫度條件下，果漿中花青素降解隨溫度變化符合一級反應動力學模型[19]。由于溫度與花青素保留率呈負相關，含水率與花青素保留率呈正相關，因此可將含水率與花青素比值作為影響花青素保留率因素。以微波強度6 W·g-1為例，溫度為23.5～117.5℃，含水率為85.73%～13.60%，所以含水率與花青素比值為0.27～3.65。常用微分方程表達一種物質對另一種物質的影響規(guī)律，含水率與花青素比值影響花青素保留率微分方程式為[20]：

式中，M-t時刻含水率；T-t時刻溫度（℃）；R0-初始時花青素保留率（干基，%）；R1-t時刻花青素保留率（干基，%）；k-活性成分降解系數(shù)。

由公式（6）得到：

式中，a—系數(shù)；b—常數(shù)項。

整理試驗數(shù)據(jù)，代入公式（7）中，確定模型中常數(shù)項和系數(shù)，作回歸擬合分析，可得In(MT)和花青素保留率之間呈現(xiàn)三段線性關系，如圖4所示，擬合方程如式（8）～（10）所示。

圖4 在微波強度6 W·g-1下果漿花青素保留率變化曲線Fig.4 Change curve of anthocyanin retention berry pulp under microwave intensity of 6 W·g-1

在干燥初期，含水率與溫度比值為3.65～1.1，該階段花青素保留率高于90%，初期微波能量主要用于升溫，水分去除緩慢，果漿含水率較高，溫度升高但不超過70℃，因此花青素降解速率較低。在干燥中期，含水率與溫度比值為1.1～0.6，果漿含水率從80%降至60%，溫度在70～90℃，花青素降解明顯加快。原因為花青素為熱敏性物質，＞70℃時開始大量降解。在干燥后期，含水率與溫度比值為0.6～0.27，溫度升至120～140℃，含水率快速下降至安全含水率（12%～15%），此時降解速率達到最高值，干后花青素保留率低至20%。這是由于隨含水率下降，果漿中有機酸等物質濃度提高，加快花青素降解，溫度每升高10℃，花青素降解速率升高1倍。在高溫和較低含水率共同作用下，干燥后期花青素降解速率高于干燥中期。

3 控制策略提出及參數(shù)控制系統(tǒng)搭建

3.1 連續(xù)式微波干燥機結構及其工作原理

連續(xù)式微波干燥機由電器控制組件、微波干燥組件和風機組件構成，總體結構見圖5。電器控制組件由控制柜、觸摸屏、PLC、中間繼電器、變頻器、紅外溫度傳感器等組成。可實現(xiàn)溫度實時監(jiān)測，磁控管開啟控制、傳送帶帶速調節(jié)控制。

圖5 連續(xù)式微波干燥機結構Fig.5 Structure of a continuous microwave dryer

微波干燥組件由5個微波干燥腔、21個磁控管、進料腔和出料腔組成，21個磁控管按照6、6、3、3、3數(shù)量分配在5個干燥腔頂端，傳送帶將物料從進料口送入，進入干燥腔后由磁控管激發(fā)產生微波，物料吸收微波能量后水分快速蒸發(fā)，最后從出料口送出。

3.2 控制策略

果漿連續(xù)式微波干燥過程中，隨干燥時間增加，果漿溫度持續(xù)升高，含水率不斷降低?；ㄇ嗨貙贌崦舫煞?，高溫加速花青素降解。由于花青素屬于水溶性色素，且部分花色苷中存在結合水。因此，高含水率對果漿中花青素有較好保護作用。果漿含水率不斷下降，其中有機酸等影響花青素穩(wěn)定性物質濃度也隨之增加，加速花青素降解。干燥過程中含水率不斷下降，可通過控制溫度方法提高花青素保留率，控制策略見圖6。

圖6 控制策略流程Fig.6 Flowchart of control strategy

通過前期研究，得到花青素保留率隨溫度和含水率變化模型，在花青素保留率干燥前期高于90%，干燥中期高于80%，干燥后期高于60%基礎上，通過預測含水率可得到保證花青素保留率溫度范圍，從而對干燥過程控溫?？紤]到連續(xù)式微波干燥機有5個腔體，每個腔體上安裝紅外溫度傳感器，按照干燥過程分成3個階段，利用各階段所對應花青素保留率和含水率，確定每個階段對應溫度值進行控溫。

在微波強度6 W·g-1、風速1 m·s-1、干燥時間8 min條件下，出料口處果漿可達到安全含水率，快速關閉磁控管和風機，將干燥腔內物料快速放出，通過紅外熱像儀記錄溫度，取樣測量含水率。得到5個腔體對應含水率分別為85.28%～77.45%（腔1）、77.45%～70.45%（腔2）、70.45%～62.24%（腔3）、62.24%～19.98%（腔4）、19.98%～12.84%（腔5）。將期望花青素保留率與各腔含水率代入模型，得到每個腔體中對應的保證果漿品質的溫度范圍分別為70℃以下（腔1）、91～72℃（腔2）、80.03～65.05℃（腔3）、87.09～55.65℃（腔4）、87.09～55.65℃（腔5），作為干燥過程中5個干燥腔控制目標溫度。

3.3 參數(shù)控制系統(tǒng)搭建

基于果漿微波干燥過程中提高花青素保留率，保證干燥速率的溫度范圍，設計用于連續(xù)式微波干燥機的控制系統(tǒng)，通過控制溫度保證微波干燥后漿果花青素保留率，并實現(xiàn)果漿干燥過程中手動、自動等多模式控制?？刂葡到y(tǒng)總體結構見圖7。

圖7 控制系統(tǒng)總體Fig.7 Structural of control system

控制系統(tǒng)可分為4大模塊：主控模塊完成信號采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)監(jiān)控等任務；A/D轉換模塊可實現(xiàn)干燥過程中溫度模擬量信號輸入及信號A/D轉換；輸出控制模塊通過PLC輸出端口對中間繼電器施加有效控制信號，進而通過強電控制器控制磁控管、傳送帶電機和風機；人機交互與顯示模塊用于設置干燥時間、風速、微波功率、設定溫度等參數(shù)，可顯示溫度和設備運行狀態(tài)等實時信息。

系統(tǒng)主控制器為PLC，控制連續(xù)式微波干燥機的磁控管、傳送帶電機、風機、散熱風機、采集溫度傳感器與觸摸屏實現(xiàn)人機交互等功能。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，控制系統(tǒng)的輸出數(shù)字量22個、輸入數(shù)字量1個、輸出模擬量2個、輸入模擬量5個。綜合考慮到經濟因素與精準度，系統(tǒng)選用具有10數(shù)字量輸出和14數(shù)字量輸入的西門子S7-200CPU224CN，搭配2個8輸出數(shù)字量擴展模塊EM222CN和2個4模擬量輸入、1模擬量輸出的模擬量擴展模塊EM235[21]。干燥過程中需實時采集物料溫度信號，結合微波干燥工作環(huán)境特點，選用測溫范圍為0～350℃的CⅠ3A型紅外溫度傳感器，結合模擬量拓展模塊采集溫度。

紅外溫度傳感器輸出電壓信號，由模擬量輸入模塊進行數(shù)字量轉換，可得到實際溫度值，數(shù)字量換算公式為[22]：

式中，O v-溫度數(shù)字值輸出結果；I v-溫度電壓值（V）；O sh-數(shù)字值輸出上限；O sl-數(shù)字值輸出下限；I sh-電壓信號值上限（V）；I sl-電壓信號值下限（V）。

溫度傳感器輸出滿足：

式中，T v-溫度實際值（℃）；T sh-溫度量程上限（℃）；T sl-溫度量程下限（℃）。

根據(jù)公式（11）、（12）計算可得溫度實際值（Tv）與溫度數(shù)字值（Qv）輸出對應關系為：

系統(tǒng)的人機交互界面選用昆侖通態(tài)科技有限責任公司生產的TPC7062Ti型觸摸屏，與PLC建立通訊后實現(xiàn)信號傳遞、報警提示、自動與手動切換等功能。系統(tǒng)采用McgsSetE組態(tài)軟件進行觸摸屏程序設計，設計界面見圖8。

圖8 控制系統(tǒng)控制界面Fig.8 Control interface of control system

3.4 模型驗證試驗

取350 g新鮮黑加侖果漿置于400 mm×400 mm×40 mm PVC料盤，設置連續(xù)式微波干燥機參數(shù)為微波功率21 kW、風速1 m·s-1。取10盤果漿依次放入連續(xù)式微波干燥機中干燥，直至安全含水率。試驗分為兩組，一組試驗按照控制策略中得出的溫度范圍控溫，另一組試驗在無控制條件下進行，每組試驗重復3次。干燥完成過后取樣測定花青素保留率并記錄干燥時間。干后效果如圖9所示，由圖9a可知，在控制系統(tǒng)下干燥完成后果漿顏色呈酒紅色、質地均勻、無焦糊，紅外熱像圖顯示干后溫度在所選控制區(qū)間內。圖9b中果漿干燥后呈現(xiàn)出酒紅色和黑色、表面出現(xiàn)不規(guī)則氣泡形狀、左側存在焦糊區(qū)域，紅外熱像圖顯示出果漿干后溫度高于95℃，此時花青素保留率較低，品質較差。圖9a、b兩組試驗干燥時間分別為15、8 min，經測定后花青素保留率分別為68.21%、32.48%。說明通過溫度、含水率對花青素保留率模型得出溫度范圍，并通過參數(shù)控制系統(tǒng)控制微波干燥過程中黑加侖果漿表面溫度，干后花青素保留率高于目標值（60%），且優(yōu)于無控制系統(tǒng)組。因此，通過模型得出臨界溫度范圍，利用控制系統(tǒng)控制相應溫度參數(shù)，可提高果漿干后花青素保留率，改善果漿干后質地均勻性和顏色外觀，提高干燥效率。

圖9 果漿驗證試驗驗干后對比效果Fig.9 Comparison effects of berry pulp before and after verification tests

4 討論

根據(jù)微波干燥過程中果漿溫度、含水率與其花青素保留率分段模型，確定漿果臨界干燥溫度；基于后反饋原理，應用所建立漿果果漿微波干燥分段模型，研制連續(xù)式微波干燥機參數(shù)控制系統(tǒng)，可顯著提高微波干燥后漿果中花青素保留率。鄭先哲[9]和孫宇[14]等在微波干燥對花青素降解研究中，僅以溫度作為主要影響因素，未考慮干燥時水分下降阻礙花青素降解的效應，而本文引入水分與溫度比值的指數(shù)函數(shù)，同時考慮溫度和水分對漿果中花青素保留率的影響，提高微波干燥漿果含量預測模型的準確度。在設計微波干燥機參數(shù)控制系統(tǒng)時，根據(jù)微波干燥過程果漿內水分下降時所對應的保護花青素臨界溫度，自動控制微波強度和風速等參數(shù)，實現(xiàn)微波干燥工藝參數(shù)按需供給，相對于目前常用的微波干燥參數(shù)開環(huán)控制模式，本文研制微波干燥機參數(shù)控制系統(tǒng)具有一定的先進性和適用性[17-18]。通過閉環(huán)反饋控制方法控制微波干燥過程溫度，研究結果更具有一般性和推廣應用意義，為高水分、高粘度、高熱敏性漿果物料連續(xù)式微波干燥的品質控制提供參考，可提高漿果干后花青素保留率和干燥效率，進一步應用模糊控制算法可提升微波干燥過程中溫度的控制精度，有助于解決微波干燥均勻性問題。