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微波加工浆果介电特性研究

作　者: 林甄
导　师: 郑先哲
学　校: 东北农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 浆果介电特性微波泡沫干燥微波辅助萃取花青素
分类号: TS255.3
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本论文以浆果的代表种类蓝靛果和树莓为例，研究微波加工过程中介电特性的变化规律。微波辅助泡沫干燥方法适合于黏度高、热敏性成分多的浆果脱水加工。微波辅助萃取技术适用于对浆果中花青素等有效成分进行提取，特点是萃取效率高、可用乙醇等绿色溶剂。在微波加热过程中，处于高频电磁场中物料的介电特性会发生动态变化，影响其能量吸收和转化过程。介电特性包括介电常数和介电损耗因子两个指标。本文研究微波辅助泡沫干燥条件下，蓝靛果起泡果浆的微波能量吸收特性，提出浆果果浆温度变化的指数方程。考虑到物料的物理性能，起泡果浆介电特性的变化可以用温度和含水率的函数描述。这些结果有助于揭示在微波干燥过程中物料的微波能量吸收和转换机理。本文研究微波辅助泡沫干燥过程中树莓果粉介电特性的变化规律。通过响应曲面中心组合试验方法，研究微波功率、风量、物料质量及干燥时间等影响因素对树莓果粉花青素降解比率及维生素C降解比率的影响规律，研究微波场内树莓起泡果浆的介电特性随温度和含水率的动态变化规律。研究结果表明：（1）各工艺参数对物料介电常数和介电损耗因子的影响程度从高到低依次为物料质量、干燥时间、微波功率和风量。（2）各工艺参数对物料花青素降解比率的影响程度从高到低依次为微波功率、干燥时间、风量和物料质量。微波功率和干燥时间与花青素降解比率均呈正相关趋势。（3）各工艺参数对物料维生素C降解比率的影响次序程度从高到低依次为物料质量、微波功率、风量和干燥时间。本文应用微波辅助萃取技术对树莓粉中花青素成分进行萃取，确定萃取时间、萃取温度、乙醇浓度、物液比为试验影响因素，研究萃取液中花青素萃取量和介电特性的变化规律。研究结果表明：（1）各工艺参数对萃取液花青素萃取量的影响程度从高到低依次为物液比、乙醇浓度、萃取时间和萃取温度。（2）各工艺参数对萃取液介电常数的影响程度从高到低依次为物液比、萃取温度、萃取时间和乙醇浓度。（3）各工艺参数对萃取液介电损耗因子的影响程度从高到低依次为物液比、乙醇浓度、萃取时间和萃取温度；物液比增加，萃取液的介电损耗因子减小。本文研究微波辅助泡沫干燥树莓果浆的传热和传质过程模拟，应用Matlab对物料内部厚度增加（从表层到底层）过程中温度和含水率变化过程进行仿真。根据仿真结果分析了初始物料质量400g、微波功率7kW、风量70m³·h^-1、干燥时间240s时，物料内部温度和含水率随物料厚度和干燥时间的变化规律；干燥时间一定时，随着物料内部厚度增加，物料温度呈先升高后降低趋势，含水率呈现升高趋势；物料内部相同厚度处，随着干燥时间增加，物料温度呈升高趋势，含水率呈下降趋势。模拟不同微波功率下，物料温度和含水率随厚度和干燥的时间变化；模拟微波功率与初始物料质量同时变化时，物料内部温度的变化规律；分析了初始物料质量（即初始厚度）不同时，物料含水率的变化规律。果浆初始厚度对物料内不同厚度处的含水率影响明显，物料初始厚度处于低水平时，物料表面水分蒸发速度较快，厚度从表层变化至底层，水分蒸发速度减慢，物料初始厚度处于高水平时，物料表面水分降低速度较慢，厚度从表层变化至中间位置，水分蒸发速度加快，从中间位置变化至物料底层，水分蒸发速度变化不明显。模拟结果与试验测量数据拟合程度高，微波泡沫干燥过程的模拟仿真结果可信，对试验实施和实际生产加工有一定的参考价值，为高效率应用微波辅助泡沫干燥方法，加工出高质量浆果制品提供了理论依据。

全文目录

摘要  13-15
Abstract  15-17
1 前言  17-25
  1.1 浆果及其加工现状简介  17-18
    1.1.1 浆果及其营养价值  17
    1.1.2 浆果加工的研究现状  17-18
  1.2 浆果加工工艺及应用  18-21
    1.2.1 微波辅助泡沫干燥技术  18-19
    1.2.2 微波辅助萃取技术  19
    1.2.3 微波加工工艺应用  19-21
  1.3 微波加热过程中物料性质的研究  21-23
    1.3.1 物料介电特性的变化规律研究  21-22
    1.3.2 传热和传质过程的研究  22
    1.3.3 物料品质变化影响的研究  22-23
  1.4 研究的目的和意义  23
  1.5 主要研究内容  23-24
  1.6 拟解决的问题  24-25
2 微波辅助泡沫干燥蓝靛果果浆的微波能量吸收特性  25-40
  2.1 材料与设备  25-26
    2.1.1 材料与试剂  25
    2.1.2 试验设备  25-26
  2.2 试验方法  26-29
    2.2.1 试验工艺流程  26
    2.2.2 蓝靛果起泡果浆的制备  26-27
    2.2.3 干燥过程  27
    2.2.4 微波输出功率的测定  27-28
    2.2.5 温度测量  28
    2.2.6 热物理特性测量  28
    2.2.7 密度测量  28-29
    2.2.8 含水比率的计算  29
  2.3 介电特性指标模型的建立  29-33
    2.3.1 模型的建立方法  29-32
    2.3.2 模型校正  32-33
  2.4 试验设计  33
    2.4.1 试验方案  33
    2.4.2 数据分析方法  33
  2.5 结果与分析  33-39
    2.5.1 微波干燥条件下起泡果浆温度的变化  33-34
    2.5.2 微波干燥条件下起泡果浆含水率的变化  34-35
    2.5.3 微波干燥过程中起泡果浆热物理学特性的变化  35-36
    2.5.4 含水率和温度对起泡果浆介电特性的影响  36-39
  2.6 小结  39-40
3 微波辅助泡沫干燥树莓果粉介电特性的研究  40-72
  3.1 材料与设备  40-42
    3.1.1 材料与试剂  40
    3.1.2 试验设备  40-42
  3.2 试验方法  42-44
    3.2.1 试验工艺流程  42
    3.2.2 起泡树莓果浆的制备  42
    3.2.3 微波输出功率的测定  42
    3.2.4 含水率的测定  42-43
    3.2.5 密度测定  43
    3.2.6 热特性指标测定  43
    3.2.7 介电特性计算  43
    3.2.8 花青素含量的测定  43-44
    3.2.9 维生素 C 含量的测定  44
  3.3 试验设计  44-45
  3.4 试验结果  45-46
  3.5 果粉介电特性的回归模型  46-49
    3.5.1 介电常数回归模型  46-48
    3.5.2 介电损耗因子回归模型  48-49
  3.6 工艺参数对果粉介电特性的影响  49-58
    3.6.1 微波功率与风量对介电特性的影响  49-51
    3.6.2 微波功率与物料质量对介电特性的影响  51-52
    3.6.3 微波功率与干燥时间对介电特性的影响  52-54
    3.6.4 风量与物料质量对介电特性的影响  54-55
    3.6.5 风量与干燥时间对介电特性的影响  55-57
    3.6.6 物料质量与干燥时间对介电特性的影响  57-58
  3.7 工艺参数对果粉花青素降解比率的影响  58-64
    3.7.1 微波功率与风量对花青素降解比率的影响  59-60
    3.7.2 微波功率与物料质量对花青素降解比率的影响  60-61
    3.7.3 微波功率与干燥时间对花青素降解比率的影响  61-62
    3.7.4 风量与物料质量对花青素降解比率的影响  62-63
    3.7.5 风量与干燥时间对花青素降解比率的影响  63-64
    3.7.6 物料质量与干燥时间对花青素降解比率的影响  64
  3.8 工艺参数对果粉维生素 C 降解比率的影响  64-70
    3.8.1 微波功率与风量对维生素 C 降解比率的影响  66
    3.8.2 微波功率与物料质量对维生素 C 降解比率的影响  66-67
    3.8.3 微波功率与干燥时间对维生素 C 降解比率的影响  67-68
    3.8.4 风量与物料质量对维生素 C 降解比率的影响  68-69
    3.8.5 风量与干燥时间对维生素 C 降解比率的影响  69-70
    3.8.6 物料质量与干燥时间对维生素 C 降解比率的影响  70
  3.9 小结  70-72
4 微波辅助萃取花青素过程树莓萃取液介电特性研究  72-92
  4.1 材料与设备  72-73
    4.1.1 材料与试剂  72
    4.1.2 试验设备  72-73
  4.2 试验方法  73-75
    4.2.1 试验工艺流程  73-74
    4.2.2 树莓萃取液的制备  74
    4.2.3 萃取液介电特性计算  74
    4.2.4 花青素萃取量的测定  74-75
  4.3 试验设计  75
  4.4 结果与分析  75-77
  4.5 工艺参数对花青素萃取量的影响  77-82
    4.5.1 萃取时间和萃取温度对花青素萃取量的影响  78
    4.5.2 萃取时间和乙醇浓度对花青素萃取量的影响  78-79
    4.5.3 萃取时间和物液比对花青素萃取量的影响  79-80
    4.5.4 萃取温度和乙醇浓度对花青素萃取量的影响  80-81
    4.5.5 萃取温度和物液比对花青素萃取量的影响  81-82
    4.5.6 乙醇浓度和物液比对花青素萃取量的影响  82
  4.6 萃取液介电特性的回归模型  82-85
    4.6.1 介电常数回归模型  82-83
    4.6.2 介电损耗因子回归模型  83-85
  4.7 工艺参数对萃取液介电特性的影响  85-91
    4.7.1 萃取时间和萃取温度对萃取液介电特性的影响  85-86
    4.7.2 萃取时间和乙醇浓度对萃取液介电特性的影响  86-87
    4.7.3 萃取时间和物液比对萃取液介电特性的影响  87-88
    4.7.4 萃取温度和乙醇浓度对萃取液介电特性的影响  88-89
    4.7.5 萃取温度和物液比对萃取液介电特性的影响  89-90
    4.7.6 乙醇浓度和物液比对萃取液介电特性的影响  90-91
  4.8 小结  91-92
5 微波辅助泡沫干燥果浆的传热和传质过程模拟  92-112
  5.1 试验设计  92
  5.2 果粉指标的统计分析  92-95
    5.2.1 水分蒸发耗能的回归模型  93-94
    5.2.2 物料比热和热传递系数的测定  94-95
    5.2.3 含水率的计算  95
  5.3 干燥过程的温度和含水率模拟  95-98
    5.3.1 模拟过程  95-97
    5.3.2 边界条件和初始条件设定  97-98
  5.4 物料厚度对温度的模拟  98-106
    5.4.1 物料厚度对温度的影响  98-99
    5.4.2 不同微波功率下物料厚度对温度的影响  99-100
    5.4.3 不同风量下物料厚度对温度的影响  100-101
    5.4.4 不同物料质量下初始厚度对温度的影响  101-103
    5.4.5 微波功率与物料质量变化时物料厚度对温度的影响  103-106
  5.5 物料厚度对含水率的模拟  106-109
    5.5.1 物料厚度对含水率的影响  106-107
    5.5.2 不同微波功率下物料厚度对含水率的影响  107-108
    5.5.3 不同物料质量下初始厚度对含水率的影响  108-109
  5.6 温度和含水率模型的验证  109-110
  5.7 小结  110-112
6 结论  112-115
  6.1 主要结论  112-113
  6.2 研究特色与创新  113
  6.3 不足与完善  113-115
致谢  115-116
参考文献  116-122
攻读博士学位期间发表的学术论文  122

微波加工浆果介电特性研究

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