辣椒干燥过程电容测量条件的试验与优化研究

鄢金山 董成虎 史增录 靳伟 袁盼盼

摘 要：为探索平行极板电容测量干燥过程辣椒含水率变化规律，通过测试条件的优化和验证开展了实验研究。对极板间距、极板边长、频率、电压、辣椒层厚度、成熟度七个因素进行筛选，发现极板间距、边长和层厚对电容的测量值影响显著。采用响应面实验对这三个因素进一步优化，数值分别为26.5mm、320mm、23mm时，电容获得最大值33.22pF。经过验证，该条件测量的电容值相对偏差为0.96%，标准差为0.27。在55℃，65℃时，电容变化率在3小时达到38%、40%的峰值，35℃，45℃达到峰值则需要更长时间。用分段拟合方式来表示辣椒干燥情况比较符合实际情况，65℃时第一阶段电容误差在-1.80%到1.76%之间，第二段则在-1.04%到0.95%之间。通过试验，获得了辣椒干燥过程电容测量的最优条件，掌握了辣椒干燥过程电容变化规律，为测量干燥过程辣椒含水率的变化奠定了基础。

关键词：辣椒;电容;含水率;优化;变化率

1 绪论

辣椒是一种重要的香辛料，富含类胡萝卜素、多酚、辣椒碱以及多种维生素，其中辣椒总碱具有强烈的辛辣味，能促进唾液分泌，增进食欲。2017年我国种植面积2320万亩，产量达3133万吨[1]，而2016年全球辣椒产量接近3900万吨，种植面积达到6450万亩[2]。收获后的辣椒含水率高达80%以上，如果处理不当，强烈的呼吸作用会使得辣椒在1-2天内出现细胞大量失水，并开始腐烂[3-6]。

自然晾晒是最简单、成本最低的制干方式，但该方式面临气候、生产周期、品质控制等难题[7]。为了提高规模化辣椒干燥的效率和品质，高国华、尹晓峰等人采用热风干燥、联合干燥等方法，研究了辣椒干燥中最优品质控制和工艺参数控制方法。含水率是判断辣椒干燥阶段、终点的指标，也是参数控制的重要依据，对辣椒物理指标和营养指标有重要影响。利用介电特性测量含水率在农产品测量中得到了广泛运用，并能够获得良好的测量精度。由于辣椒外形、含水率以及组织结构与谷物类存在较大区别，粮食类含水率测量系统很难运用于辣椒含水率的测量。因此，研究适用于辣椒干燥过程含水率在线方法，满足干燥条件下辣椒含水率的测量要求非常有必要。为研究干燥过程辣椒含水率变化规律，在平行极板电容测试装置上开展了极板间距、极板边长、辣椒丁尺寸、频率、电压以及辣椒状态等测试条件的优化试验，以期获得电学参数、测试条件与含水率的变化规律。

2 材料与方法

实验采用“二荆条”的新鲜辣椒开展实验研究。采摘后挑选成熟度一致，无损伤的辣椒在4℃冰箱中存储。实验前将样本从冰箱中取出，在室温环境下恢复4h。辣椒含水量依据GB 5009.3-2016《食品中水分测定》中直接干燥法进行分段干燥，測定辣椒含水率。为减小实验误差，切成辣椒丁，实验时将辣椒平铺在极板间，保证辣椒层厚达到实验要求。

测试系统中采用平行极板作为电学参数测量元件，平行极板的间距能够控制在0.1mm以内，最大可达50mm。电场扫描频率最大可达200kHz，电压最高2V，可实现连续或定点扫描。实验前，对测试系统进行屏蔽，减小外部杂散信号的影响;并开机预热半小时以上，进行短路、开路扫频清零。测试前，对极板间的空气进行测量，将20次平均值记为空极板的电容。电容的值由（1）式表示，电容变化率用于表示某一条件下测试的电容值相对空极板板间的电容变化情况，由（2）式表示。

选取和电容数值相关的极板间距、极板边长、频率、电压和测试辣椒层的厚度、成熟度、尺寸进行因数筛选试验，试验因数表如表1所示。根据筛选的结果，获得对电容影响最大的三个因素，安排最陡爬坡实验，找到响应面实验的中心组。根据中心组的参数情况，安排响应面试验，分析各因素间的相互关系，开展回归分析优化参数，获得最大电容测试条件。

根据最优的电容测试条件，探索其他温度下辣椒干燥过程电容的变化情况，获得干燥过程电容与含水率变化的规律，解释电容变化与辣椒干燥的关系。对干燥过程中电容变化进行不同形式的拟合，获得合适的表达方式和误差范围。

3 结果与分析

3.1 Plackett-Burman实验与最陡爬坡试验

Plackett-Burman实验的偏回归系数及显著性排序结果如表2所示，模型的Pr值大于0.0419，模型显著，因素对电容的测量值的变化有明显影响。在选取的因素A、B及E对电容有显著影响，显著性排序为：A>B>E。该结论符合公式（1）的规律，间距d值、面积S对电容有直接影响，呈线性关系;而E、F以及G都与辣椒介电参数ε有关，也呈线性关系。为进一步优化测试条件，根据A、B和E水平和正、负效应安排最陡爬坡试验。实验结果如表3所示，并确定了中心点为：A为25mm，B为300mm，E为20mm。

3.2 响应面分析及优化

Box-Behnken实验的水平表如表4所示，模型的回归模型方差分析如表5所示，模型的R2为0.97，F值为26.79，信噪比值为13.99，模型具有足够的抗干扰性。模型反应了A、B和C3个因素对电容测试结果有极显著的影响，对电容测量值有良好的预测性能。因素A、B及C和A2、B2对测试电容的结果有极显著影响，C2项和交互作用项AB有显著影响。各因素对电容测量值的影响排序为：A>B>C，其中A和B对电容值影响的差异不大，而C对测量电容的影响明显小于A和B。在交互作用方面，AC项和BC项不显著，而AB项显著，AB项的响应面和等高线图如图1所示。在AB的相互作用中，当辣椒B不变，随A的增大，电容的数值由28pF左右逐渐增加，到A为25mm时到达约33pF的最大值，相反B对电容的影响要小于A。AC和BC它们间交互作用并不明显，电容值与各因素间的回归方程为式（2）表示：

C=32.94+0.90A+0.84B+0.58C+0.71AB+0.085AC-019BC-3.63A2-1.62B2-0.74C2

经过响应面优化设计，A为26.5mm，B为22.7mm，C为318.1mm时，最大电容值为33.23pF。制作了边长为320mm的极板，辣椒层厚度调整为23mm，间距为26.5mm时，进行了5次试验验证，实验结果如表6所示，电容值的最大相对偏差为0.96%，标准差为0.27，平均值为33.22pF。偏差由系统的测试误差、实验操作、辣椒含水率等因素造成。

3.3 不同温度下的测试结果对比分析

干燥温度是影响辣椒介电参数的重要因素，分别在35℃，45℃，55℃，65℃条件下进行测试，从1h到10h来评估不同温度下的工作性能。在1h到10h的测量过程中每小时进行10次测量，对测量的结果计算标准差。图1是不同温度下电容变化情况。

电容变化率都从起点到出现峰值，55℃，65℃在第3小时，分别达到38%和40%的峰值;35℃，45℃出现峰值的时间则分别晚2小时和4小时，分别为35%和37%。在55℃和65℃下3小时左右时，辣椒内部水分脱离束缚，在水分梯度的作用下，出现了最大程度地迁移，参与携带电子的介质增多，使电容达到了最大;而35℃，45℃条件下由于温度低，水分梯度小，出现最大电容变化率的时间向后推迟[5]。峰值的差异由温度形成，也与干燥的时间长短有关。从变化趋势来看，55℃，65℃下电容变化速率上升段和下降段都远大于35℃，45℃;在55℃，65℃在干燥开始后的5小时内干燥速率的变化基本一致，只是数值出现一定差异;5小时后55℃的干燥速率开始减慢，变化趋势与65℃基本一致。表明在55℃，65℃条件下辣椒层达到了最快的干燥速度，55℃在5小时后，由于干燥动力的降低使干燥速度减缓。干燥末段，55℃，65℃在第8小时后电容变化率非常小，而35℃，45℃还没有出现明显减缓现象，表明55℃，65℃条件下已经干燥大部分水分，进一步干燥水分需要更长的时间。

3.4 干燥过程的拟合方程

根据上述优化参数结果，以含水率较低（湿基含水率674%）的辣椒在65℃条件下测试测量辣椒含水率与电容的变化规律。干燥中每小时测试3次，为3个测试点，每次测试结果为10次电容变化率的平均值。对测试结果进行分段拟合、直线拟合、多项式拟合和指数拟合三种方式的计算比较，结果如表7所示。其中分段拟合中的第二段采用的多项式拟合，相比于两段都采用直线拟合和指数拟合的效果要好，R2达到0.98，拟合情况如图3所示。在第一段降速干燥阶段，电容变化率在相邻的区间内存较大变化，但总趋势是数值降低;而在第二阶段变化幅度非常小。主要是由于辣椒内部水分在第一阶段远多于第二阶段，干燥过程出现不同区域干燥速率存在差异而造成，而第二阶段辣椒层内部水分基本干燥结束，辣椒内部进一步失水难度增大，电容数值的变化也随之减小。

从表6中可看出，第1种和第3种拟合方式中，R2的数值均低于第2种方式，为验证该拟合方式的性能，在同一实验条件下对该方程进行验证，绘制了预测值和实测值的误差分布图，如图4所示。第一阶段的误差分布范围明显较第二阶段宽，分布在-1.80%到1.76%之间，由水分在辣椒层内部散失的速度不均匀造成，同样的原因，使得误差的分布从测试开始到结束，分布范围逐渐收窄，收缩到第二阶段的误差分布在-1.04%到0.95%之间。在35℃、45℃、55℃和其他温度的干燥条件下，采用同样的实验方法，也可以得到相似的结论，为测试辣椒在线干燥含水率的变化提供了参考的方法。

4 结论

选取极板间距、边长、频率、电压、辣椒层厚、成熟度和尺寸进行了因素筛选试验。试验发现极板间距、边长和层厚对电容数值影响最大。经过对三个因素开展的最陡爬坡试验后，开展了响应面试验与优化实验，在间距为26.5mm，边长为320mm，层厚为23mm时，获得最优的测试结果。经过5次验证测试电容平均值为33.22pF，最大相对偏差为0.96%，标准差为0.27。在55℃，65℃的干燥温度下，电容变化率在3小时内达到峰值为38%和40%，而35℃，45℃需要更长的时间才能达到峰值，且峰值低于前两个干燥温度。通过对干燥过程电容变化率的拟合，采用分段拟合比较符合实际情况，第一段方程为y=-1.02x+35.25，R2为0.96;第二段采方程为y=0.025x2-1.41x+35.36，R2为0.98。经过对该拟合方法的验证，第一段电容误差分布在-1.80%到1.76%之间，第二段电容误差分布在-1.04%到0.95%之间。通过实验对电容影响因素的试验研究，获得了最优的测试参数，并通过实验获得了电容变化率与辣椒干燥含水率的关系，证明了该系统用于在线测试辣椒含水率的可行性。

参考文献：

[1]周向阳.辣椒2016年市场分析及2017年市场预测[EB/OL].农业部市场与经济信息司，2017-01-22/2018-11-25.

[2]FAO，2016.Food and Agriculture Organization.（accessed 30 of November）.http：//www.fao.org/faostat/zh/#data/QC/visualize.

[3]張茜，耿智化，张文凯，裴昱鹏，王宁，杨旭海.辣椒干燥预处理技术研究进展[J].食品工业，2019，40（11）：276-282.

[4]张茜，耿智化，张军辉，任丽垒，王宁，许钰，杨旭海.辣椒干燥装备技术研究进展[J].包装与食品机械，2019，37（05）：50-56+6.

[5]姬长英，蒋思杰，张波，郭俊，Muhammad Sohail Memon.辣椒热泵干燥特性及工艺参数优化[J].农业工程学报，2017，33（13）：296-302.

[6]祝恒祥.往复斜梯式辣椒干燥机的研制[D].长春：吉林农业大学，2013.

[7]熊学斌.辣椒干制方法与风味特征的相关性研究[D].长沙：湖南农业大学，2012.

基金项目：新疆自治区自然基金（2016D01B025）

作者简介：鄢金山（1986-），男，汉族，硕士，讲师，研究方向：农产品品质检测。