武新慧，郭玉明，孫靜鑫，王 璨

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

0 引言

微波干燥采用內(nèi)部加熱方法，其熱傳導(dǎo)方向與水分?jǐn)U散方向相同。傳統(tǒng)干燥方式均為外部加熱干燥，如熱風(fēng)、太陽能、火焰及電加熱等。與傳統(tǒng)干燥方式相比，微波干燥具有干燥速率大、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、干燥均勻及清潔生產(chǎn)等優(yōu)點，且物料的營養(yǎng)成分也不易被分解、破壞，因而在干燥的各個領(lǐng)域越來越受到重視。早在20世紀(jì)60年代，國外就對微波干燥技術(shù)的應(yīng)用和理論進(jìn)行了大量研究，在近幾十年又得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

微波干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥過程需實時在線檢測產(chǎn)品的含水率，以監(jiān)控產(chǎn)品的干燥時間和品質(zhì)。水分含量是影響果蔬介電特性的主要因素之一，建立含水率與介電特性相關(guān)關(guān)系有助于對果蔬物料微波干燥過程進(jìn)行監(jiān)控[1-3]。同軸探頭技術(shù)是一種使用較為廣泛的介電特性測量技術(shù)，克服了傳輸線測量技術(shù)的許多缺點，通過終端開路同軸測試探針插入液體試樣或與固體試樣平整表面接觸得到反射信號的相位和幅值以計算樣本的介電參數(shù)[3]。該技術(shù)由于具有測量簡便、精確度較高、測試范圍寬的優(yōu)點，成為了國內(nèi)外最流行的介電特性測試技術(shù)。Nelson等人[4]研究了硬紅小麥粉的介電常數(shù)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在任何給定的含濕量下，10MHz～1.8GHz頻率范圍內(nèi)，小麥粉的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗隨頻率的增加而減小。郭文川等人[5-7]利用末端開路的同軸探頭技術(shù)和阻抗分析儀測量了蜜瓜汁、西瓜汁、蘋果及梨等水果的介電特性，分析了3種密瓜汁和4種西瓜汁介電特性與糖度之間的關(guān)系，以及蘋果、梨同軸介電特性、生理特性和內(nèi)部品質(zhì)的關(guān)系。國內(nèi)外很多學(xué)者通過測試介電特性檢測谷物、藥材等含水率，如三七粉、薏米、大豆、小麥等[8-13]。基于同軸探頭技術(shù)的優(yōu)點，可將同軸探頭技術(shù)運用到探求介電特性與含水率的相關(guān)性的研究當(dāng)中。

本研究針對果蔬微波干燥的應(yīng)用實際，研究探索利用果蔬同軸介電特性參數(shù)來表達(dá)蘋果在微波干燥過程的動態(tài)水分變化情況，實現(xiàn)應(yīng)用果蔬介電參數(shù)的測取在線測控果蔬微波干燥過程。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及試樣制備

本文以蘋果(紅富士)為試驗材料，所有蘋果均購買自山西太谷本地市場，挑選新鮮成熟、無機械損傷、大小相近的樣本。將試樣用保鮮袋保存，置于4℃冷藏室中儲存保鮮，備用。試驗時，將蘋果試樣從低溫保存箱中取出，待其溫度恢復(fù)到室溫(20℃±2℃)后去皮洗凈，切成10mm×10mm×15mm的矩形試樣，分為9組，每組10個。已切好的試樣及待切試樣均用聚乙烯薄膜密封保存，備用。

1.2 試驗儀器及試驗方法

本文選取ORW08S-3H型微波干燥箱(南京澳潤微波科技有限公司)對切好的試樣進(jìn)行干燥，設(shè)定微波功率800W；選取MP2002電子天平(上海精密儀器儀表有限公司)對試樣稱重，量程0～1 510g，可讀性0.01g。用電子天平稱量每組試樣烘干前的質(zhì)量mw，隨后放入微波干燥箱內(nèi)，每隔20min取出1組試樣；待試樣溫度降到室溫，用電子天平稱其重量md，根據(jù)含水率計算公式計算樣本的含水率w，則有

(1)

式中w——試樣含水率(%)；

mw——試樣總質(zhì)量(g)；

md——試樣中所含干物質(zhì)的質(zhì)量(g)。

試驗選用同軸介電特性測試系統(tǒng)(見圖1)測試蘋果試樣介電特性。測試系統(tǒng)包括E50701網(wǎng)絡(luò)分析儀(美國安捷倫公司)，頻率范圍為9KHz～8.5GHz。 85070E介電探頭套件中030細(xì)長探頭套件(美國安捷倫公司)，可測頻率范圍為500M～50GHz，并使用85070E分析軟件(美國安捷倫公司)。將細(xì)長探頭連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上，通過測量空氣、短路、25℃的蒸餾水的介電特性對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。測試時，將細(xì)長探針插入到蘋果試樣內(nèi)部，盡量避免探針與試樣間有空氣存在，且保證探針頂端被果蔬包裹至少3mm。設(shè)定頻率范圍為500M～8.5GHz，其中915、2 450MHz是美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)制定的用于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療微波加熱的頻率值。

圖1 同軸介電特性測試系統(tǒng)

1.3 介電特性物理意義及分析原理

介電特性是指物質(zhì)分子中的束縛電荷(只能在分子線度范圍內(nèi)運動的電荷)對外加電場的響應(yīng)特性，主要用相對介電常數(shù)ε′、相對介質(zhì)損耗因數(shù)ε＂、介質(zhì)損耗角正切tanδ等參數(shù)來表征。

平均介電常數(shù)(k)相當(dāng)于復(fù)介電常數(shù)(εr)，或絕對介電常數(shù)(ε)相對于自由空間(ε0)的介電常數(shù)。

(2)

式中k——平均介電常數(shù)；

ε——絕對介電常數(shù)；

ε0——自由空間介電常數(shù)；

εr——復(fù)介電常數(shù)；

j——介電系數(shù)。

復(fù)介電常數(shù)可以用一個簡單的向量圖表示(見圖2)，復(fù)介電常數(shù)的實部和虛部成90°的相位差。介電常數(shù)與復(fù)介電常數(shù)之間的夾角δ為損耗正切角，材料的損耗正切(tanδ)是材料能量輸出與存儲能量的比值，即介電常數(shù)的實部與虛部之比，如式(3)所示。D為介質(zhì)損耗系數(shù)；Q為質(zhì)量因子，用于表征微波材料特性，是損耗系數(shù)的倒數(shù)。

圖2 損耗角矢量圖

(3)

式中δ——損耗正切角；

D——損耗系數(shù)；

Q——質(zhì)量因子。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 介電特性與頻率關(guān)系

圖3、圖4分別為蘋果試樣介電常數(shù)、介電損耗因子隨頻率變化曲線圖。隨著頻率的增大，蘋果試樣的相對介電常數(shù)呈減小趨勢。介質(zhì)損耗因子的頻率依賴性表現(xiàn)為：低頻范圍內(nèi)隨著頻率的增大而減小，高頻范圍內(nèi)隨頻率增大緩慢增大。

圖3、圖4中不同的曲線代表不同干燥時間試樣介電特性隨頻率的變化情況。由于蘋果試樣在干燥過程中含水率逐漸下降，隨著干燥的進(jìn)行，試樣的相對介電常數(shù)與介電損耗因子均呈現(xiàn)下降趨勢，且越接近干燥終點下降越快，為運用果蔬介電特性測量干燥含水率的提供了可能性。

圖3 不同微波干燥時間蘋果介電常數(shù)-頻率曲線圖

圖4 不同微波干燥時間蘋果介電損耗因子-頻率曲線圖

2.2 介電特性與含水量關(guān)系

表1為不同干燥時間蘋果試樣的含水率值和915、2450MHz頻率下的介電特性參數(shù)值。隨著干燥時間的延長，蘋果試樣含水率逐漸下降，在微波干燥160min時，蘋果試樣的含水率降低到19.337%。915、2 450MHz頻率下，含水率對蘋果試樣的介電常數(shù)、介電損耗因子影響顯著(P<0.000 1)。干燥時間小于60min時，蘋果的介電常數(shù)值變化不明顯；隨著干燥時間的繼續(xù)延長，蘋果試樣的介電常數(shù)迅速減小。圖5～圖8為915、2450MHz頻率下蘋果試樣介電特性箱線圖。

表1 蘋果介電特性鄧肯均值多重比較

表中DC表示介電常數(shù)，DLF表示介電損耗因子，下同；表中數(shù)值為10次測試平均值，同一列中不同字母表示不同干燥時間試樣間存在顯著差異(P<0.000 1)。

圖5 915MHz頻率下不同微波干燥時間蘋果介電常數(shù)

drying time at 915MHz

圖6 915MHz頻率下不同微波干燥時間蘋果介電損耗因子

圖7 2 145MHz頻率下不同微波干燥時間蘋果介電常數(shù)

圖8 2 145MHz頻率下不同微波干燥時間蘋果介電損耗因子Fig.8 DLF of apples with different microwave drying time at 2 14Jh5MHz

為了尋找介電特性與蘋果干燥含水率的關(guān)系，分別對915、2 450MHz頻率下相對介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子與干燥含水率進(jìn)行了擬合，表2為蘋果的介電特性回歸模型及模型的決定系數(shù)與顯著性P值。由模型的顯著性P值與決定系數(shù)的值可看出：915MHz頻率下，含水率與介電常數(shù)、含水率與介電損耗因子擬合模型及2 450MHz頻率下含水率與介電常數(shù)模型的擬合精度較高，回歸有效，模型可用；而2 450MHz頻率下，含水率與介電損耗因子擬合模型精度較低，不可用于微波含水率預(yù)測。

表2 蘋果介電特性回歸模型

3 結(jié)論

1)在500MHz～8.5GHz頻率范圍內(nèi)，蘋果試樣介電常數(shù)隨著頻率的增大而下降，介電損耗因子先減小后增大。

2)微波干燥過程中蘋果試樣的含水率與915、2 450MHz同軸介電特性參數(shù)顯著相關(guān)。915MHz頻率下含水率與介電常數(shù)擬合模型、含水率與介電損耗因子擬合模型及2 450MHz頻率下含水率與介電常數(shù)的擬合模型的擬合精度較高，可用于預(yù)測微波干燥含水率。