苹果介电特性与微波干燥含水率相关性研究

武新慧，郭玉明，孙静鑫，王 璨

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

0 引言

微波干燥采用内部加热方法，其热传导方向与水分扩散方向相同。传统干燥方式均为外部加热干燥，如热风、太阳能、火焰及电加热等。与传统干燥方式相比，微波干燥具有干燥速率大、节能、生产效率高、干燥均匀及清洁生产等优点，且物料的营养成分也不易被分解、破坏，因而在干燥的各个领域越来越受到重视。早在20世纪60年代，国外就对微波干燥技术的应用和理论进行了大量研究，在近几十年又得到了进一步的发展。

微波干燥技术在农产品干燥过程需实时在线检测产品的含水率，以监控产品的干燥时间和品质。水分含量是影响果蔬介电特性的主要因素之一，建立含水率与介电特性相关关系有助于对果蔬物料微波干燥过程进行监控[1-3]。同轴探头技术是一种使用较为广泛的介电特性测量技术，克服了传输线测量技术的许多缺点，通过终端开路同轴测试探针插入液体试样或与固体试样平整表面接触得到反射信号的相位和幅值以计算样本的介电参数[3]。该技术由于具有测量简便、精确度较高、测试范围宽的优点，成为了国内外最流行的介电特性测试技术。Nelson等人[4]研究了硬红小麦粉的介电常数变化规律，发现在任何给定的含湿量下，10MHz～1.8GHz频率范围内，小麦粉的介电常数和介质损耗随频率的增加而减小。郭文川等人[5-7]利用末端开路的同轴探头技术和阻抗分析仪测量了蜜瓜汁、西瓜汁、苹果及梨等水果的介电特性，分析了3种密瓜汁和4种西瓜汁介电特性与糖度之间的关系，以及苹果、梨同轴介电特性、生理特性和内部品质的关系。国内外很多学者通过测试介电特性检测谷物、药材等含水率，如三七粉、薏米、大豆、小麦等[8-13]。基于同轴探头技术的优点，可将同轴探头技术运用到探求介电特性与含水率的相关性的研究当中。

本研究针对果蔬微波干燥的应用实际，研究探索利用果蔬同轴介电特性参数来表达苹果在微波干燥过程的动态水分变化情况，实现应用果蔬介电参数的测取在线测控果蔬微波干燥过程。

1 材料和方法

1.1 试验材料及试样制备

本文以苹果(红富士)为试验材料，所有苹果均购买自山西太谷本地市场，挑选新鲜成熟、无机械损伤、大小相近的样本。将试样用保鲜袋保存，置于4℃冷藏室中储存保鲜，备用。试验时，将苹果试样从低温保存箱中取出，待其温度恢复到室温(20℃±2℃)后去皮洗净，切成10mm×10mm×15mm的矩形试样，分为9组，每组10个。已切好的试样及待切试样均用聚乙烯薄膜密封保存，备用。

1.2 试验仪器及试验方法

本文选取ORW08S-3H型微波干燥箱(南京澳润微波科技有限公司)对切好的试样进行干燥，设定微波功率800W；选取MP2002电子天平(上海精密仪器仪表有限公司)对试样称重，量程0～1 510g，可读性0.01g。用电子天平称量每组试样烘干前的质量mw，随后放入微波干燥箱内，每隔20min取出1组试样；待试样温度降到室温，用电子天平称其重量md，根据含水率计算公式计算样本的含水率w，则有

(1)

式中w——试样含水率(%)；

mw——试样总质量(g)；

md——试样中所含干物质的质量(g)。

试验选用同轴介电特性测试系统(见图1)测试苹果试样介电特性。测试系统包括E50701网络分析仪(美国安捷伦公司)，频率范围为9KHz～8.5GHz。 85070E介电探头套件中030细长探头套件(美国安捷伦公司)，可测频率范围为500M～50GHz，并使用85070E分析软件(美国安捷伦公司)。将细长探头连接到网络分析仪上，通过测量空气、短路、25℃的蒸馏水的介电特性对仪器进行校准。测试时，将细长探针插入到苹果试样内部，尽量避免探针与试样间有空气存在，且保证探针顶端被果蔬包裹至少3mm。设定频率范围为500M～8.5GHz，其中915、2 450MHz是美国联邦通信委员会(FCC)制定的用于工业、科学及医疗微波加热的频率值。

图1 同轴介电特性测试系统

1.3 介电特性物理意义及分析原理

介电特性是指物质分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性，主要用相对介电常数ε′、相对介质损耗因数ε＂、介质损耗角正切tanδ等参数来表征。

平均介电常数(k)相当于复介电常数(εr)，或绝对介电常数(ε)相对于自由空间(ε0)的介电常数。

(2)

式中k——平均介电常数；

ε——绝对介电常数；

ε0——自由空间介电常数；

εr——复介电常数；

j——介电系数。

复介电常数可以用一个简单的向量图表示(见图2)，复介电常数的实部和虚部成90°的相位差。介电常数与复介电常数之间的夹角δ为损耗正切角，材料的损耗正切(tanδ)是材料能量输出与存储能量的比值，即介电常数的实部与虚部之比，如式(3)所示。D为介质损耗系数；Q为质量因子，用于表征微波材料特性，是损耗系数的倒数。

图2 损耗角矢量图

(3)

式中δ——损耗正切角；

D——损耗系数；

Q——质量因子。

2 试验结果与分析

2.1 介电特性与频率关系

图3、图4分别为苹果试样介电常数、介电损耗因子随频率变化曲线图。随着频率的增大，苹果试样的相对介电常数呈减小趋势。介质损耗因子的频率依赖性表现为：低频范围内随着频率的增大而减小，高频范围内随频率增大缓慢增大。

图3、图4中不同的曲线代表不同干燥时间试样介电特性随频率的变化情况。由于苹果试样在干燥过程中含水率逐渐下降，随着干燥的进行，试样的相对介电常数与介电损耗因子均呈现下降趋势，且越接近干燥终点下降越快，为运用果蔬介电特性测量干燥含水率的提供了可能性。

图3 不同微波干燥时间苹果介电常数-频率曲线图

图4 不同微波干燥时间苹果介电损耗因子-频率曲线图

2.2 介电特性与含水量关系

表1为不同干燥时间苹果试样的含水率值和915、2450MHz频率下的介电特性参数值。随着干燥时间的延长，苹果试样含水率逐渐下降，在微波干燥160min时，苹果试样的含水率降低到19.337%。915、2 450MHz频率下，含水率对苹果试样的介电常数、介电损耗因子影响显著(P<0.000 1)。干燥时间小于60min时，苹果的介电常数值变化不明显；随着干燥时间的继续延长，苹果试样的介电常数迅速减小。图5～图8为915、2450MHz频率下苹果试样介电特性箱线图。

表1 苹果介电特性邓肯均值多重比较

表中DC表示介电常数，DLF表示介电损耗因子，下同；表中数值为10次测试平均值，同一列中不同字母表示不同干燥时间试样间存在显著差异(P<0.000 1)。

图5 915MHz频率下不同微波干燥时间苹果介电常数

drying time at 915MHz

图6 915MHz频率下不同微波干燥时间苹果介电损耗因子

图7 2 145MHz频率下不同微波干燥时间苹果介电常数

图8 2 145MHz频率下不同微波干燥时间苹果介电损耗因子Fig.8 DLF of apples with different microwave drying time at 2 14Jh5MHz

为了寻找介电特性与苹果干燥含水率的关系，分别对915、2 450MHz频率下相对介电常数与介质损耗因子与干燥含水率进行了拟合，表2为苹果的介电特性回归模型及模型的决定系数与显著性P值。由模型的显著性P值与决定系数的值可看出：915MHz频率下，含水率与介电常数、含水率与介电损耗因子拟合模型及2 450MHz频率下含水率与介电常数模型的拟合精度较高，回归有效，模型可用；而2 450MHz频率下，含水率与介电损耗因子拟合模型精度较低，不可用于微波含水率预测。

表2 苹果介电特性回归模型

3 结论

1)在500MHz～8.5GHz频率范围内，苹果试样介电常数随着频率的增大而下降，介电损耗因子先减小后增大。

2)微波干燥过程中苹果试样的含水率与915、2 450MHz同轴介电特性参数显著相关。915MHz频率下含水率与介电常数拟合模型、含水率与介电损耗因子拟合模型及2 450MHz频率下含水率与介电常数的拟合模型的拟合精度较高，可用于预测微波干燥含水率。