马铃薯片间歇微波真空干燥工艺优化

温家豪，董继先, ，王栋, *，袁越锦，刘瑞，王怡

1. 陕西科技大学机电工程学院（西安 710021）；2. 轻工业西安机械设计研究院有限公司（西安 710086）

2015年起，我国启动马铃薯主粮化战略，并把马铃薯作为中国第四大主粮[1]。马铃薯全粉有助于改善和丰富中国居民膳食营养结构[2]。对新鲜马铃薯片进行干燥脱水处理，使其可以作为日常生活中需要的面条和馒头等主食产品的原料[3-4]。此外，可制成各种各样马铃薯全粉食品，提升马铃薯全粉食品附加值[5]。

微波真空干燥技术具有能效高和品质好等优点[6]，干燥后可以很好保留食品、药品的色泽[7]。姜凌燕[8]研究发现，马铃薯全粉采用微波真空干燥技术，在色泽、香气和感官品质等方面，优于微波干燥和热风干燥，但没有对其最佳工艺做深入研究。近几年，微波真空干燥技术得到迅速发展[9]，但是微波干燥的不均匀和焦糊问题影响该技术的工业化应用[10-11]。

机器视觉在食品方面的应用有很多，Wu等[12]研究发现计算机视觉是用于食品色泽测量的技术中最有前途的一种；Nadian等[13]提出的计算机视觉系统，可用于干燥中色泽和水分变化的在线评估和控制；Fathi等[14]利用图像分析的方法对渗透脱水猕猴桃切片的传质动力学和色泽变化进行预测，但运用机器视觉检测微波干燥中焦糊的方法未见报道。

因此，通过试验对比马铃薯片在连续干燥和不同间歇干燥方式后的焦糊情况，采用图像处理中RGB模型表示干制品色泽的变化，在优化间歇方式后，选取微波功率、切片厚度和真空度3个影响马铃薯片微波真空干燥特性的主要因素，对其进行试验研究和参数优化，获得最佳干燥工艺参数，为马铃薯片的工业化微波真空干燥和在线监测提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜马铃薯购于西安市百姓家园超市，要求鲜嫩、没有损伤和病虫害，形状及成熟度基本一致。马铃薯的初始湿基含水率86.14%±0.5%（直接干燥法测定[15]），放入4 ℃冰箱中保存。

1.2 仪器与设备

微波真空干燥设备（ORW1.0S-8Z，与南京澳润微波科技有限公司联合研制，如图1所示）；索尼DSC-WX500（1 820万有效像素，索尼数字产品无锡有限公司）；拍摄遮光灯箱（Deep 40 cm LED，尺寸40 cm×40 cm×40 cm，照明光源为2支30 W日光灯管，60颗LED灯珠均匀分布，浙江美诺摄影器材有限公司）；电子天平（FA2204C，精度0.1 mg，上海佑科仪器仪表有限公司）；切片机（C100，永康市铂欧五金制品有限公司）。

图1 试验设备系统图

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

马铃薯原材料→清洗→去皮→切片（17±0.1 g）→拍照→称重→间歇微波真空干燥→马铃薯片干制品→拍照→图像处理→真空包装→冷藏

1.3.2 干燥参数的计算

干基含水率按式（1）计算。

式中：Mt为t时刻干基含水率，g/g；Wt为t时刻总质量，g；G为干物质质量，g。

干燥过程中不同时刻t下马铃薯片中的水分用水分比（wMR）表示。

式中：M0，Me和Mt分别为马铃薯片初始、平衡时和任意t时刻的干基含水率，g/g。由于Me远小于M0和Mt，所以式（2）可简化为式（3）。

1.3.3 试验设计

通过预试验，试验方案如表1所示，其中微波加热为“on”、停止加热间歇为“off”，对比物料在连续加热和间歇加热后的焦糊状况，优化微波真空间歇干燥的工艺。每次微波加热结束后记录物料质量和温度，直至物料达到安全含水率（10%）。

1.4 图像处理

通过人工进行物料焦糊检测，工作强度大，无法满足工业化干燥要求。运用图像处理技术对物料焦糊现象进行在线检测，具有快速准确等优势，有助于改善干燥品质，提升自动化水平。

表1 试验方案表

1.4.1 图像采集

第一次拍摄时，调整物料和镜头之间的距离，使拍摄到的物料图像效果达到最佳，固定位置等参数便于后续的图像拍摄。具体流程：

读入马铃薯图像→图像预处理→图像分割→掩码与操作提取图像→提取图像颜色分量值

1.4.2 图像预处理

在图像采集和传输等过程中，会因为各种原因产生噪声使图像的质量下降，这些噪声可能会对后续图像处理和分割等操作产生一些干扰，甚至会影响试验的结果。采用高斯滤波器减弱噪声的影响，为图像特征值的提取做准备[16]。

1.4.3 分水岭分割

采用的分水岭算法是Vincent提出的一种形态学的分割方法[17]，主要是基于拓扑理论来确定具体分水岭位置的分割方法。分水岭分割流程主要是排序过程和淹没过程，首先将图像灰度化和二值化，通过改变距离来寻找种子，通过生成标记来进行分水岭变换。处理的示例结果如图2所示。

图2 马铃薯片图像的分割过程

1.4.4 掩码与操作提取马铃薯片图像

图像掩码操作的目的是用来重新计算图像中每个点的像素值，主要通过构建掩码矩阵与原图像进行与运算后得到新的结果图。如果掩码矩阵的像素值是0，则运算后不保留原图像像素点，否则就留下这个像素点，以此来对原图像中的像素进行提取[18-19]。其中，掩码矩阵表示对原图像像素值的影响程度，也可对原像素进行加权平均。

1.4.5 图像颜色特征提取

常见的颜色模型有RGB、CIE和HSV等，其中RGB模型图像中每个像素点的颜色值均可以由不同R、G、B颜色分量值（0～255）表示，RGB颜色模型也是现在监控器等设施中最常用的模型之一。杜腾飞等[20]研究真空远红外干燥柠檬片时发现，RGB强度越大，柠檬片产品成色越好，与新鲜柠檬片色泽差距越小。依据其对RGB强度的计算方法，运用Anaconda3编程将RGB模型分离并计算出图像红（R）、绿（G）、蓝（B）3个颜色通道的平均值，对干燥后焦糊状况进行评价。

1.5 数据分析研究

所得图像全部通过Anaconda 3软件，运用OpenCV库和Python语言进行编程分析，试验数据采用Origin 2016软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 间歇方式对马铃薯片干燥特性和品质的影响

由图3（c）可知，采用微波真空连续干燥，马铃薯片干制品易出现焦糊现象，局部出现烧焦碳化现象，整体干燥不均匀，色泽呈深黄色，产品质量不佳。如图3（a）和（b）所示，采用间歇微波加热工艺焦糊现象明显少于图3（c），间歇微波加热均为60 s：图3（a）是间歇30 s后干制品局部区域产生一些焦糊；图3（b）是间歇60 s后干制品呈乳白色无焦糊品质好。由图5可知，采用加热60 s、间歇60 s干燥方式后的干制品，其RGB强度值比新鲜样品RGB强度值变化最小，高于加热60 s、间歇30 s干燥后部分焦糊的情况，也高于连续干燥后严重焦糊的情况。在间歇干燥中间歇时间的长短会严重影响最终产品的质量，间歇时间短，物料中的水分缓苏效果不佳，因此间歇60 s最佳。

由图4可知，间歇干燥后图4（b）品质优于图4（a）和（c）。在相同间歇时间60 s时，微波加热30 s后干制品（图4（a））色泽暗淡；加热60 s后干制品（图4（b））无焦糊品质好；加热90 s后干制品（图4（c））色泽焦黄部分焦糊。不同间歇式微波真空干燥可以改善马铃薯片受热不均和局部焦糊的现象，得到高品质干燥产品，这与魏来等[9]通过研究不同间歇方式真空微波干燥生姜结论相似。由图5可知，采用加热60 s间歇60 s干燥方式后干制品的RGB强度值，高于加热30 s、间歇60 s干燥后干制品色泽暗淡的情况，也高于加热90 s、间歇60 s干燥后干制品色泽焦黄的情况。

如图3所示，相同加热时间不同间歇时间（30 s和60 s）下，有效加热时间（不包括间歇时间，下同）相同。如图4所示，在相同间歇时长下，随着微波加热时间延长（30，60和90 s），马铃薯片有效加热时间缩短，分别是900，840和810 s，设备需要启停31，15和10次。兼顾设备频繁启停的耐用性，微波加热时长取60 s最佳。综合考虑有效加热时间、效率和设备等因素，采用微波加热60 s、间歇60 s的间歇方式。

图3 马铃薯片相同加热时间不同间歇时间下干燥结果

图4 马铃薯片相同间歇时间不同加热时长下干燥结果

由图5可知，采用不同方式的间歇干燥后，干制品色泽更接近新鲜的样品，品质均优于连续的微波加热。干燥初始切片色泽接近白色，干燥结束后，切片变为暗黄色，局部区域变为深黄色和褐色。干制品图像3个颜色强度值依次为蓝＞绿＞红，且红、绿分量的变化要大于蓝分量，主要是由于理论上纯黄色可以由纯红色和纯绿色加色合成。综上分析，可以将马铃薯片图像的RGB强度值作为焦糊程度的评价指标。

图5 马铃薯不同间歇方式下RGB强度值

2.2 微波功率对马铃薯片干燥特性和品质的影响

由图6可知，马铃薯片有效加热时间随着微波功率增加而缩短，分别用时960，840，720和600 s，设备需要启停17，15，13和11次。由图7可知，RGB强度随功率升高先增加后减小，功率300 W时干制品色泽最好，最接近新鲜样品，功率500 W时干制品色泽不佳。在干燥初期（水分比大于0.4）不易产生焦糊；干燥后期（水分比小于0.1）功率为400和500 W时，切片表面部分区域已经干涸，干燥时易产生焦糊现象。可能原因是随着功率的升高功率密度增加，同时水分比降低，温度升高，易产生糊化[10]，通过红外温度传感器探测到马铃薯片上表面温度，计算干燥过程的平均温度，随着功率的增加，平均温度分别为55.1，59.4，65.1和73.3 ℃。

图6 马铃薯片不同功率下的干燥曲线

图7 马铃薯片不同功率下的RGB强度值

2.3 厚度对马铃薯片干燥特性和品质的影响

由图8可知，相同质量马铃薯片有效加热时间随切片厚度减小而缩短，分别用时1 080，840和660 s。由图9可知，RGB强度随着厚度增加而降低，同时出现切片上表面焦糊区域少，但切片下表面焦糊严重的现象。可能原因是设备的微波发生器位于微波腔室的底部，微波能从下表面开始射入，射入面的微波能量高。

图8 马铃薯片不同厚度下的干燥曲线

图9 马铃薯片不同厚度下的RGB强度值

2.4 真空度对马铃薯片干燥特性和品质的影响

由图10可知，马铃薯片有效加热时间随真空度的提高而缩短，分别用时960，84和780 s。由图11可知，RGB强度随着真空度升高而增加，真空度0.09和0.08 MPa时的干制品，表面色泽相差不大，焦糊较少，优于0.07 MPa下的产品。可能原因是较高真空度下水的沸点降低，水分蒸发较快，在微波特有的加热方式下减少水分集中[11]，但高真空度会增加设备耗能。

图10 马铃薯片不同真空度下的干燥曲线

图11 马铃薯片不同真空度下的RGB强度值

2.5 正交试验结果讨论

根据表2正交试验的极差分析结果可得，马铃薯片间歇微波真空干燥各试验因素影响主次顺序是切片厚度＞微波功率＞真空度；分析优选工艺参数为切片厚度3 mm、微波功率300 W和真空度0.08 MPa。

表2 马铃薯片间歇微波真空干燥正交试验结果

3 结论

马铃薯片微波真空连续加热干燥后易焦糊，间歇干燥可有效降低焦糊程度，不同间歇方式干燥后干制品焦糊均减少。

运用图像处理中的RGB模型分析干制品焦糊程度，相比于微波连续加热，间歇干燥后干制品RGB值更接近新鲜马铃薯片。不同方式干燥后干制品图像RGB值相比于新鲜马铃薯片图像RGB值，红、绿分量的变化要大于蓝分量，且RGB强度越大，焦糊程度越小，色泽越好，为干燥过程的焦糊现象在线监测提供技术借鉴。

通过正交试验优化马铃薯片间歇微波真空干燥工艺，试验因素影响的主次顺序是切片厚度＞微波功率＞真空度；优选工艺参数微波加热和间歇时间分别采用60 s和60 s，微波功率300 W，厚度3 mm，真空度0.08 MPa。该参数对生产实际中马铃薯片工业化间歇微波真空干燥具有指导意义。