用图像法分析茄子在冻干过程中的水分动态运移规律

为研究真空冻干果蔬内部水分扩散及运移过程和规律,以茄子为研究对象,运用图像处理技术建立水分运移微位移场并以微位移量对真空冻干过程中果蔬内部水分扩散及运移规律进行表达和定量分析。使用CCD(charge coupled device)相机每隔1 h采集茄子样本在真空冻干过程中横截面图像,直至6 h冷冻干燥完成终止。用自动阈值分割法、K均值聚类算法、伪彩色图像处理法可准确提取出原始图像中未冻干区域,再用Sobel边缘检测法提取得到水分边界。将6幅边界图像叠加并以物料几何中心为原点建立微位移场,用Harris角点检测法提取水分边缘与坐标轴相交的各个角点及其坐标值,计算得到每隔1 h各角点的位移量。通过对角点位移量与物料含水率相关性分析可知,模型显著性检验概率0.000 1,决定系数达0.999 8,说明模型检验极显著且拟合精度高。回归参数的检验结果表明,四个角点的微位移量对物料含水率平方的响应极显著,说明物料干燥水分边界微位移场变化量与含水率的关系可用该回归模型预测,物料含水率可用表达水分边界的微位移场参数来表示。该研究为果蔬冻干水分在线检测提供了一种新的方法,同时也为探索冻干机理和低能耗冻干工艺提供了参考。     

枸杞真空冷冻干燥动力学的数值模拟及分析

为探究枸杞真空冷冻干燥过程中的热质迁移,克服应力应变现象不能直观获取的问题,该研究通过对鲜枸杞切片试验图像二值化处理,建立了鲜枸杞真空冷冻干燥的热-质-结构耦合的物理模型,对真空冷冻干燥过程中枸杞温度变化、水分变化以及其内部的应力应变进行了热-质-力耦合分析,并对分析结果进行试验验证。模拟分析结果表明,预冻结过程中,细胞始终在膨胀,当细胞完全冻结时细胞所受应力达到最大,而干燥阶段热质传递对应力影响较小。提高真空冷冻干燥过程中的升温速率,在一定程度上能够缩短冻干所需时间,并且真空冷冻干燥过程中的枸杞样本的含水率下降速率随干燥时间的增大而减小,该变化趋势与Wang and Singh模型更加贴合(R²为0.983)。试验验证结果表明,该研究建立的模型能够较好反映并预测真空冷冻干燥过程枸杞样本的温度及应力应变的变化趋势(R²为0.857)。研究结果可为真空冷冻干燥系统优化和工艺参数的科学制定提供参考。     

应用纹理分析方法在线监测苹果冻干含水率

在果蔬真空冷冻干燥过程中对果蔬物料含水率进行实时监测,可为冻干过程监控和优化提供依据。该文研究以冻干果蔬物料含水分图像纹理分析为技术手段,实现连续表达干燥过程中物料的含水率。试材选用苹果,采用环形光源和高速CCD组件,在冻干仓窗外分别采集原始苹果样本MA和经CuSO4溶液染色的苹果样本MB在一个完整冻干周期中表面含水纹理变化的动态图像,运用主成分分析法对图像均值等6个含水纹理特征指标进行统计分析,并对原始样本纹理特征的第一主分量与其含水率W1、染色样本含水纹理特征的第一主分量与其含水率W2、W1和W2分别进行非线性回归分析。结果表明,模型的决定系数达到0.9376、0.9289和0.9930,且显著性检验概率均<0.0001,模型检验极显著。同时,模型相对误差基本<3%。因此,由果蔬物料含水图像的纹理特征可实现含水率的在线监测。该方法不但为真空冷冻干燥加工过程控制探索一种利用水分图像处理方法进行水分在线监测的新方法,而且也可在其他干燥加工水分监测及过程控制中应用。     

干切牛肉冷冻干燥中高速率升华条件的动态研究

该文研究了干切牛肉冷冻干燥中使升华干燥速率最大化所需要的操作条件.通过建立升华过程中冻结物料温度在Ti时冰晶以最大速率升华所允许的升华层厚度δis、升华时间tis及升华所需物料表面温度Tis的计算模型,计算了预冻终温-30、-29、-28、-26、-24、-22℃的冻结物料以最大速率升华所允许的物料厚度分别为18、15、12、8、6 mm时,升华过程中物料含水率、升华所需物料表面温度Tis;进而预测了干切牛肉冷冻干燥升华过程中制品含水率、物料中心温度随时间发生的动态变化及升华所需物料表面温度的动态值.设定干燥室压强为10 Pa,以物料表面温度预测值控制加热搁板温度开展验证实验,结果表明:物料厚度分别为15、12、8、6 mm的干切牛肉在升华干燥过程中预测含水率与实测含水率相对误差±10%,物料中心温度计算值与实测值的绝对误差±5℃,说明所建立的物料表面温度预测模型可用于6、8、12、15 mm 干切牛肉冷冻升华干燥中搁板加热温度的优化控制,比较不同厚度干切牛肉冷冻升华干燥实验的平均升华速率、脱除水分耗能,6mm厚物料在升华干燥中升华速率最大、能耗最低.     

基于格子Boltzmann方法分析果蔬真空冷冻干燥冻干速率

为实现果蔬真空冷冻干燥水分在线检测,研究果蔬冻干过程水分扩散运移规律及过程参数优化,该文基于格子Boltzmann方法以果蔬冻干过程孔隙度变化表达其冻干速率。由于果蔬在冻干过程中孔隙度会随着冰晶的升华而发生相应变化,水分扩散路径及孔隙度由外向内逐渐变化,运用格子Boltzmann方法和动力学能量守恒定律,模拟分析了果蔬冻干水分扩散速率变化分布情况,建立了孔隙度线性变化的多孔介质模型,结果表明多孔介质类果蔬孔隙度变化越大冻干速率就越大。试验验证以苹果为试材,在冻干1、3、5、7 h测取苹果样品含水率和对应的水分运移边界位置,并在苹果冻干样本水分运移边界处进行电镜微观拍片与孔隙度图像信息采集处理,获得相应的孔隙度试验值,通过对水分扩散边界位置与孔隙度相关性分析可知,苹果冻干过程孔隙度由内向外呈线性增加。进而导出含水率与孔隙度、孔隙度变化与干燥速率的相关关系,得知孔隙度的变化与冻干速率呈正比,试验验证与模拟结论相一致。表明多孔介质的孔隙度可作为物料内部流体传输的表征参数,可应用孔隙度的变化来表达冻干速率。该研究为冻干过程参数优化与机理分析提供了参考,在冻干水分在线监测等方面提供了应用基础。     

果蔬气调贮藏冷却阶段温度变化的数值模拟及验证

该文主要针对果蔬的气调贮藏的冷却阶段进行了研究，建立了果蔬气调冷却阶段传热过程数学模型。采用有限差分法，编制了计算程序，对气调库中果蔬的降温进行了数值计算。对果蔬冷却降温过程进行了试验研究，试验结果与编程计算结果吻合较好，模拟温度与试验温度的差值在2℃以内。结果表明，文中的数学模型可以用于预测果蔬在气调冷却过程中的温度变化，这有助于科学地运行制冷设备，同时为气调贮藏果蔬系统的优化设计提供了理论基础。     

CFD模拟气调库快速降氧过程O_2和CO_2浓度变化规律

O2和CO2浓度对果蔬的贮藏品质有着极大的影响,获得其在气调库内的变化和分布规律可以为气调库优化设计提供理论依据。该文以西安某苹果气调库为研究对象,采用k-ε紊流模型建立了气调库内气体流动、传热与传质的三维数学求解模型,并通过编写UDF程序获得苹果呼吸强度和冷风机送风口O2、CO2质量分数随库内气体组分浓度变化实时数据。经过对该气调库的快速降氧过程数值模拟获得库内O2和CO2浓度随时间变化的规律,并与试验数据呈现较好的一致性,相对偏差平均值为0.027。结果表明库内气体区O2浓度随时间呈指数衰减。该文的研究对象经过4.1 h,气体区O2浓度下降速度小于货物区,此时提高制氮机制氮体积分数会缩短降氧时间。气体区和货物区CO2浓度变化规律相似,升高速度逐渐变小。库内O2和CO2浓度分布在气体区比较均匀,在货物区则存在一定的梯度,货物区中心位置不利于果蔬的贮藏。该文研究对于获取实际气调库降氧时间及选择合理的制氮机,改进气调工艺具有重要参考价值。     

苹果切片干燥收缩变形的孔道网络模拟及试验

为揭示果蔬干燥收缩变形的传热传质与应力应变的机理，确定果蔬微孔结构特性及内部毛细力等因素对其干燥过程的影响，该研究运用孔道网络方法、热质传递原理和细观力学理论等交叉学科知识，构建了孔隙尺度下果蔬切片干燥收缩变形的孔道网络模型，采用VC++开发孔道网络求解程序，模拟分析了果蔬切片的湿分场、温度场以及应力应变场等情况，并以苹果切片作为果蔬典型代表进行了热风干燥试验及模型验证。结果表明：湿含量、温度和收缩变形率的模拟值与试验值的相对误差小于10%，模型可有效模拟果蔬干燥热质传递与应力应变的收缩变形真实过程，再现了干燥过程中的"非规则收缩变形"现象；孔道网络模拟的湿分场、温度场及应力应变场均呈现为不规则非对称变化规律，产生了明显的干斑、湿斑、非规则干燥前沿等；毛细应力和湿应力对果蔬干燥收缩变形影响较大，其中毛细应力是引起非规则收缩变形的主导因素；孔隙结构参数对果蔬干燥过程影响显著；孔隙率越大，干燥时间越长，毛细应力越小；配位数越大，毛细应力越大，干燥时间越长；孔隙直径分布呈现均一直径分布规律的物料产生的毛细应力大，其次为孔隙直径分布呈现正态分布规律的物料和试验物料分布。研究结果为果蔬干燥品质及工艺优化分析提供了一定的理论基础。     

基于能耗分析的真空冷冻干燥食用菌汤块制备中试

为了降低冷冻干燥过程中能耗、推动冻干技术在食品中的应用,该研究应用在线调控预冻-冷冻干燥一体化设备进行食用菌汤块制备中试研究。对实际生产中冻结阶段(预冻温度、装盘物料厚度)、升华阶段(干燥仓压强、加热板温度)、解析阶段(水分转换点、升温工艺)等工艺进行了试验分析及优化,得出了适宜食用菌汤块冻干的节能工艺条件。提出了解析阶段的分步阶段升温法,并对解析阶段冻干曲线进行了拟合分析。结果表明,预冻温度设定为-35℃,装盘物料厚度为15mm,干燥仓压强为25Pa,汤块含水率为83.1%;升华阶段加热板温度为-10℃,解析阶段起始点为1 148 min,汤块含水率为9.2%,解析阶段采用分步阶段升温工艺(-10℃→2.5℃(70 min)→15℃(70 min)→27.5℃(70 min)→40℃(144 min))为较优选择,在此条件下,制备的汤块成品率为99.2%,感官品质指标综合分值为8.37,能耗为1.75 k W·h/kg,汤块含水率为4.3%。Boltzmann模型能较好表征解析阶段的冻干过程。该研究为冻干过程参数优化和能耗分析提供参考,为冻干技术应用于方便食品开发提供了技术依据。     

环模制粒粉体旋转挤压成型扭矩模型构建及试验

环模制粒成型技术以其高效率、高成型率、低污染等优点广泛应用于饲料机械、生物质能源机械、化工、制药等领域,而环模制粒过程扭矩模型的缺失已成为制约制粒技术发展的瓶颈之一。该文旨在通过理论分析、数值模拟与试验研究,建立粉体旋转挤压制粒成型过程精确扭矩模型,为粉体旋转挤压制粒成型装备的节能降耗及优化设计奠定理论基础。针对各向同性粉体物料,基于微单元受力分析及广义胡克定律,建立了旋转挤压制粒成型过程中模孔不同深度位置挤压压强的计算公式;基于DPC模型及实际辊轧工艺,建立了旋转挤压成型过程有限元分析模型,进行了压紧区应力分析;基于有限元模拟分析结果,设定变形压紧区的压强分布为二次曲线,建立了变形压紧区、挤压区的压强分布模型;最后建立了粉体旋转挤压制粒成型扭矩模型。以无线扭矩测试系统及环模制粒机为试验平台进行了鸡饲料的环模挤压制粒试验,求解得到了所有模型常量。设计了9组扭矩测试试验进行模型验证,测试结果与理论计算对比表明,试验值与计算值差距较小,最大计算误差仅为2.6%,这反映出建立的模型正确有效,对指导环模制粒机结构优化与节能降耗具有重要的意义。     

自然冷资源利用中的相变传热和果蔬保鲜的研究

为使利用自然冷资源贮藏果蔬的研究进一步向实用化发展,本研究通过对屋外水箱自然状态结冰贮冷的测定和解析,建立了估算水在自然冷风中传热和相变的简易计算模型;还通过小型利用自然冷资源果蔬保鲜柜的贮藏实验,证实了这种新式保鲜方法对家庭式贮藏的利用前景。该文还报告了世界第一座大型利用自然冷资源果蔬保鲜库的部分试验结果。     

果蔬类多孔介质干燥传质过程的分子动力学模拟

果蔬类多孔介质内部水中溶解有大量的营养物质(溶质),在干燥过程中溶质的迁移与湿分的传递同时进行,其内部微孔内的干燥传质机理尚不明确。为了揭示果蔬类多孔介质干燥过程中内部溶液的迁移机理,确定果蔬微孔结构特性对干燥传质过程的影响规律,该研究采用分子动力学方法模拟研究了果蔬类多孔介质微孔道中的干燥传质过程,构建了光滑壁面溶液扩散过程模型与粗糙壁面溶液扩散过程模型。模拟过程采用SPC/E水分子模型,选取OPLS-AA全原子力场和正则系综,溶液势函数选用静电库伦相互作用与Lennard-Jones相互作用,中心水分子的初始速度由高斯分布给出,采用Velocity-Verlet算法,用SHAKE算法固定水分子,x、y方向施加周期性边界条件,z方向上施加固定壁面边界条件。从分子水平模拟分析了果蔬类多孔介质内部溶液的扩散过程,并以马铃薯的热风干燥试验结果进行模型的验证。得出试验值与KCl溶液粗糙壁面模型的模拟值最为接近,其最大相对误差为17.39%;与纯水模型的模拟值相差最大,说明溶质的存在对水分扩散系数的影响不可忽略,且粗糙壁面模型更接近于真实孔道结构。从径向分布函数分布可以看出K+、Cl-对水分子...     

果蔬干燥过程的水分跨膜传输模型构建

为了较真实地描述干燥过程中果蔬组织内水分的传输情况,该文回顾了多孔介质干燥过程及相关研究模型。针对果蔬组织生理学结构及其特征,提出了干燥过程中水分在其内部的传输模型,并通过显微图像技术及热风干燥试验对模型中相关参数进行了试验测定。建立的水分跨细胞膜传递模型有效计算了水分在果蔬组织内部的跨细胞壁传输过程。研究结果表明:果蔬组织中约90%的水分存在于细胞内;干燥过程中水分迁移的过程为:首先细胞内液泡中的水分跨细胞膜流出至细胞间隙,该过程可通过水分跨膜传输通量(JV)来计算;然后,进入细胞间隙的水分可视为一般多孔介质内的孔道水分扩散过程用传统的孔道网络模型进行计算。     

切分西红柿微波短时处理常温贮藏保鲜试验研究

目前由于在果蔬的储运中常发生霉变、腐烂,鲜度下降,甚至完全失去商品价值,造成巨大的经济损失,难以满足市场要求。因此,解决果蔬的贮藏特别是运输过程中的保鲜,不仅能满足市场需要,增加果蔬市场供应品种和调节供应,同时还将获得巨大的经济效益。通过正交试验对切分西红柿进行了微波处理常温保鲜的试验研究,得出了真空包装的切分西红柿在微波短时处理后只达到巴氏杀菌的低温杀菌温度,却得到能长期贮存的品质优良的样品的结果;确定了这种方法的最佳处理参数,其最佳参数为0.12%维生素C处理时间为54s;对样品进行图像处理,得到色彩直方图和色彩均值,用确切的数值说明保鲜方法的保鲜作用;分析包装对西红柿保鲜的影响作用,认为切分西红柿应采用避光包装保存     

超声波平板冷冻提高胡萝卜冻干速率

为了探究接触式超声波辅助平板冷冻法对固体果蔬冻干过程的影响,该文研究了接触式超声波辅助胡萝卜的平板冷冻过程。首先,利用低温显微镜证实了接触式超声波能够有效促进平板冷冻固体果蔬样品成核,并且冰晶的形态与成核温度呈显著相关性(相关系数0.99),即成核温度越高,冰晶尺寸越大。其次,研究了超声波作用参数(功率,作用时间)对胡萝卜冰晶尺寸以及冻干速率的影响。结果表明,在胡萝卜样品厚度为5 mm,样品冷冻温度为?1℃时施加178.7W功率的超声波10 s能显著提高(P0.05)样品的成核温度,使冻干胡萝卜的孔隙当量直径从无超声波辅助条件下对照组样品的(66.29±3.58)μm提高到了(80.81±3.03)μm,同时干燥至实际含水率为10%时,升华干燥速率提升了29.1%。该研究为接触式超声波辅助平板冷冻用于果蔬样品的冻干过程提供了有益参考。     

气调包装条件下果蔬呼吸强度模型的研究进展

该文综述了国内外近几十年来气调包装(MAP)条件下果蔬呼吸强度模型的研究情况。探讨了在一定的贮藏时间内果蔬呼吸强度与袋内氧气浓度、二氧化碳浓度和温度的关系以及利用计算机技术进行MAP的最佳设计等方面的问题，从而为MAP技术更好地应用于果蔬保鲜提供参考。     

基于酶动力学方程的双孢蘑菇气调贮藏呼吸速率模型

为了给气调贮藏设计提供理论设计依据,采用酶动力学方程,建立了双孢蘑菇呼吸速率随贮藏时间变化的理论模型;研究了在贮藏温度为5℃、气体体积分数为20%O_2、80%N2的贮藏条件下,贮藏时间对双孢蘑菇采后呼吸速率的影响,并建立了双孢蘑菇呼吸速率随贮藏时间变化的数学模型,模型决定系数R~2为0.9766、0.9331。模型与实测值进行配对T检验差异不显著(P0.05),呼吸速率值的绝对误差小于5 m L/(kg·h),相对误差变化范围为0.06%~24.95%。在已建模型基础上,研究不同贮藏温度(5、10、15、20℃)对已建模型参数的影响,利用Arrhenius方程来描述贮藏温度对果蔬呼吸速率的影响,建立了包含温度和贮藏时间因子的呼吸速率模型,模型决定系数R~2为0.9073、0.9350。验证试验结果表明,模型与实测值进行配对T检验差异不显著(P0.05),呼吸速率值的绝对误差小于17 m L/(kg·h),相对误差变化范围为1.00%~25.25%。该模型可为双孢蘑菇气调贮藏期间呼吸速率的预测及贮藏品质研究提供参考。     

高压二氧化碳技术速冻双孢菇工艺优化

为解决果蔬速冻加工产品冻结时间长、易发生干耗的问题,该研究采用了高压二氧化碳技术（high pressure carbon dioxide,HPCD）对双孢菇进行了速冻。原料在热烫钝酶的基础上,通过单因素试验和正交试验,结合速冻产品感官评价试验对速冻工艺参数进行了优化。结果表明：HPCD速冻双孢菇最佳工艺参数为处理釜初温6℃、处理釜设定压力7 MPa、卸压时间4 min,且卸压时间为影响速冻产品品质最显著因素。HPCD速冻技术具有良好的工业化前景。