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。     

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。     

热风干燥对果蔬薄壁组织细胞结构的影响

为了研究热风干燥过程对果蔬微观结构的影响,该文选择马铃薯、苹果、胡萝卜3种物料,运用组织石蜡制片、显微成像及图像处理技术,获得了3种物料在热风干燥过程中不同含水率下的薄壁组织细胞结构图像及各细胞结构参数的分布曲线,并分析了热风干燥对微观结构参数(细胞横截面积、周长、当量直径和圆度)的影响,建立了微观结构参数与宏观干燥参数(水分比)的拟合方程。结果表明,各细胞结构参数比与水分比之间具有线性相关性,可以用数学模型预测在热风干燥过程中苹果、马铃薯和胡萝卜的薄壁组织细胞结构随含水率的变化情况,研究结果可为控制果蔬在热风干燥条件下的品质及建立干燥过程数学模型提供理论依据。     

苹果水分与CT值相关性的研究

利用数值仿真方法研究果蔬干燥过程，含水率的数值计算结果必须得到试验的验证。然而以往的验证都是整体平均值的验证，不是含水率的分布值验证，这就不能证明计算结果的完全正确性，也不能给改进干燥工艺提供有重要价值的参考。为了能够检测果蔬内部含水率的在线分布值，通过试验及对苹果(红富士)CT图片特性的检测、数据分析，发现苹果某点的含水率与其相应CT图片上点的CT值之间、CT图片上的点的RGB值与其CT值之间都存在着显著的线性相关性，从而使我们可通过某点的CT值或RGB值得到该点的含水率。由此找到一条通过CT图像来检测果蔬在线含水率分布的新途径。     

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。     

干切牛肉冷冻干燥中解析干燥过程的动态模拟及优化

该文通过对干切牛肉冷冻干燥中解析阶段含水率、物料温度的动态模拟及干燥速率与耗能分析,确立干切牛肉冷冻干燥中解析干燥的优化操作条件。通过建立解析阶段中脱除水分所需干燥时间以及相应的物料表面温度、物料中心温度的数学模型,并假设解析干燥过程中物料含水率由升华结束时的10.0%下降到干燥结束的0,以含水率变化为自变量,模拟了物料厚度为6、8、12、15 mm的干切牛肉在干燥室压强10 Pa,加热板温度80℃的操作条件下含水率、物料温度随时间的动态变化。以所建模型预测厚度7、9、10、11、12、13、14 mm的干切牛肉在该操作条件下含水率、物料温度的动态值及解析干燥周期。验证试验表明：预测与实测含水率相对误差小于10%,物料中心温度计算值与实测值的绝对误差小于5℃,说明所建模型可用于模拟、预测6～15 mm干切牛肉冷冻干燥中解析干燥阶段的参数变化。比较不同厚度干切牛肉冷冻干燥中解析干燥阶段的干燥比耗时、干燥效率,结果是采用6 mm厚度切片进行干燥,生产单位产品耗能最低,且生产率最大。     

龙眼真空冷冻干燥工艺优化

为了确定龙眼真空冷冻干燥的工艺参数,以"乌龙岭"龙眼为材料,采用电阻法测量龙眼真空冷冻干燥的物料共晶点和共熔点温度,并应用单因素和正交试验,以冻干品形态保持、色泽、生产能耗等指标进行综合评定考察冻干效果,优化龙眼真空冷冻干燥工艺.结果表明:龙眼真空冷冻干燥物料的共晶点温度和共熔点温度分别为-26.0℃和一20.0℃;优化的技术工艺为龙眼果肉剪半或剪成片形,温度段设定为95℃(7 h)→85℃(1 h)→75℃(1.5 h)→65℃(3 h)→55℃(至结束),干燥仓真空值60～70 Pa,物料最高温度为50℃.应用该优化的技术工艺可达到最大限度地节省生产能耗,提高冻干品形态保持率的效果,冻干品外观色泽呈白色至微淡黄色.     

利用核磁共振成像技术分析胡萝卜干燥过程中内部水分传递

为可视化果蔬干燥过程中内部水分传递现象,利用低场核磁共振成像技术（magnetic resonance imaging, MRI）研究了圆柱状胡萝卜40、70℃热风干燥过程中内部水分传递过程,获得了物料收缩状态下水分廓线特征和变化规律。研究表明,干燥过程中,胡萝卜样品的水分廓线沿径向、轴向同时向中心不规则收缩,其内部的水分传递是一个多维、非稳态传递过程,并具有non-Fickian传递特征;干燥初始,水分梯度在物料表面迅速形成。随着干燥的进行,物料干基含水率低于7.33 kg/kg时,其湿区直径收缩比率大于实测直径收缩比率,表面成为“干区”,干湿界面退缩到物料内部。圆柱状胡萝卜的热风干燥过程可以用Henderson-Pabis模型进行描述,所建水分传递模型可以很好地模拟70℃干燥试验结果,最大相对误差为7.69%,出现在干燥最后阶段,其他时刻相对误差低于4%;物料中心层水分传递模型可以很好地预测40℃干燥试验过程。研究结果可以为干燥工艺的选择以及物料收缩状态下水分传递过程的理论模拟提供支持。     

真空冷却预处理应用于微波冻干中的试验研究

本文在分析微波冻干工艺过程及真空冷却技术特点的基础上,提出采用真空冷却预处理的微波冻干加工工艺方案,并以WDG-5型微波冻干设备为平台,试验研究其可行性。重点开展了真空冷却预处理工艺试验以及三组不同工艺方法对微波冻干的影响研究：A.真空冷却后再冷库冻结;B.真空冷却后无冷库冻结;C.无真空冷却处理。真空冷却工艺试验中,在处理22min后胡萝卜片达到冰点,物料失水16.5％,在处理60min后,物料表层和芯部温度分别为-41.2、-29.5℃,物料总失水20％。三组冻干试验中,A、B两组干燥初期微波安全加载功率相对较高,冷冻干燥时间比C组缩短了2h,总耗电比C组分别节省19.9%、17.3％;三组试验的冻干胡萝卜片在水分含量、复水率、颜色等指标方面均无显著差异,A、B两组胡萝卜片Vc保存率达到82.5％,而C组Vc保存率为68％。结果表明,在微波冻干工艺中应用真空冷却预处理技术,可简化加工工艺,有效改善了冻干初期的微波低压放电问题,缩短干燥时间,降低能耗,并提高Vc保存率。     

基于时间稳定性和降维因子分析的土壤水分监测优化

以南京市高淳区青山茶场中相邻的茶园和竹林坡地为研究区,对研究区土壤水分进行长期定点监测。基于土壤水分时间稳定性,结合因子分析选取典型样点组合,采用多元线性回归模型构建各监测点土壤水与典型样点间的数量关系。通过典型样点预测各监测点土壤水分,并检验预测结果,以期通过少数样点的监测来反映研究区的整体概况,优化研究区土壤水分监测。结果表明:在茶园仅监测7个点时,验证期RMSE小于1.5 cm3/cm3;竹林仅监测5个样点时,验证期RMSE小于1.7 cm3/cm3,模型能很好地预测研究区各样点土壤水分,为优化土壤水监测、减少野外工作量提供了理论依据。不同土地利用方式、不同深度处土壤水分分布特征存在显著差异;竹林土壤水分具有较强的时间稳定性,土壤水分的空间自相关性较茶园强;30 cm深处比10 cm深处土壤水分具有更稳定的空间分布结构。     

Capillary gas chromatographic detection of invert sugar in heated, adulterated, and adulterated and heated apple juice concentrates employing the equilibrium method.

The equilibrium method is introduced for the detection of invert sugar addition to apple juice. The method consists of a pre-equilibration of the sample with dry pyridine at 50 degrees C for 20 min followed by the addition of trimethylsilylimidazole and heating at 75 degrees C for 40 min. The resulting derivatized carbohydrates are then analyzed by capillary gas chromatography. This method was successfully used by independent laboratories to distinguish heated pure, intentionally adulterated (with invert sugar), and intentionally adulterated and then heated apple juice concentrates. The equilibrium method was shown to give significantly lower coefficients of variation for this sample set when compared to the original capillary gas chromatographic method. In addition, these results indicate that it may also be an effective method for the detection of medium invert sugar, depending on the level of the fingerprint oligosaccharides in this sweetener.     

Preliminary studies for the differentiation of apple juice samples by chemometric analysis of solid-phase microextraction-gas chromatographic data

A combination of gas chromatography (GC) and chemometrics was evaluated for its ability to differentiate between apple juice samples on the basis of apple variety and applied heat treatment. The heat treatment involved exposure of 15 mL juice samples for 30 s in a 900 W domestic microwave oven. The chromatographic results were subjected to two chemometric procedures: (1) partial least squares (PLS) regression and (2) linear discriminant analysis (LDA) applied to principal component (PC) scores. The percent correct classification of samples were obtained from PLS and LDA in terms of separation on the basis of apple variety and applied heat treatment. PLS gave the highest level of correct classification of the apple juice samples according to both variety and heat treatment, 92.5% correct classification in each case. When LDA was performed on the PC scores obtained from GC analysis, 87.5% and 80% of samples were correctly classified according to apple variety used and applied heat treatment, respectively.     

墒情监测与预测预报方法研究进展

就墒情监测与预测预报方法研究进行了阐述,分析了墒情监测的意义以及国内外在墒情监测方面的研究动态,重点分析了土壤墒情预测预报模型和各自适用的条件以及各模型应用的不足,同时也分析了土壤墒情监测与预测预报方法研究对促进我国农业灌溉水资源高效利用的重要意义,为我国墒情监测的研究提供一定的理论参考。     

基于光谱特征分析的苹果树叶片营养素预测模型构建

该文旨在利用光谱分析技术建立高精度苹果叶片营养素预测模型,为苹果树的精细管理提供技术支持。在苹果树年度生长周期的坐果期、生理落果期和果实成熟期等重要物候期,采集了180个果树叶片样本并测量了果树叶片在可见光和近红外波段的反射光谱,同时在实验室采用化学方法获取了果树叶片的氮素以及叶绿素含量。对于聚类后样本,分别分析了果树叶片反射光谱以及经小波滤波后的反射光谱与叶绿素以及氮素之间的相关关系,而后利用偏最小二乘和支持向量机（SVM,support vector machine）方法分别建立了果树叶片叶绿素和氮素含量的回归模型。研究发现,随着生长阶段的推进,在可见光处的反射率逐渐升高,在近红外处的反射率逐渐降低,且基于小波滤波反射光谱的营养素SVM回归模型精度最高：建立的叶绿素回归模型,其测定系数R2达到0.9920,均方根误差 RMSE为0.0039,验证精度R2达到0.9036,RMSE为0.1979;建立的氮素回归模型,其测定R2和验证R2也达到0.74以上,模型的回归RMSE为0.0554,验证RMSE为0.1215。结果表明,采用支持向量机回归模型可以精确估计果树叶片叶绿素含量,对氮素含量的估计精度也达到了实用化水平。     

区域遥感土壤水分模型的方法初探

遥感技术给大面积区域估算土壤水分含量提供了一种新的手段,分析了国内外应用较好的遥感监测土壤水分的几种模型和可供参考的地面参数遥感获取方法（以NOAA/AVHRR数据为例）,并阐述了它们的各自的特点及彼此之间的联系。     

农业旱情遥感指数验证与不确定性分析

以山西省太谷与山东省济宁试验为例,对极轨气象卫星农业旱情遥感监测指数进行验证,并对其不确定性进行分析。山西省太谷试验结果表明,旬温度条件指数(T),植被条件指数(V),植被健康指数(H)与土壤湿度有较高相关性(R2分别达到0.51,0.50,0.56),日部分指数相关性更高(R2分别达到0.58,0.45,0.60);山东省济宁日指数与土壤湿度相关性比太谷的高(T,V,H的R2分别达到0.93,0.66,0.97),但是两地区叶面缺水指数(W)与土壤湿度的相关性都很低,验证结果表明,利用H与T较适合农业旱情监测。另外在对比分析2个地区试验结果的基础上,从作物种植结构、监测时间尺度、植被生理状况,以及指数本身特性等角度分析了农业旱情监测中的不确定性。     

土壤容重对膜孔灌水氮分布和运移转化的影响

为揭示土壤容重对膜孔灌条件下土壤水分分布特征和氮素运移转化的影响,通过土壤容重室内试验,利用非线性回归法对试验资料进行分析,研究提出了湿润体内土壤含水率及其变化量和变化率、土壤硝态氮及其转化量和转化率、土壤铵态氮及其转化量和转化率与土壤容重和运移转化时间的经验公式。结果表明：经验公式的相关系数均大于0.8200,标准误差很小,且通过0.05的显著性检验,可以反映膜孔灌条件下不同土壤容重的土壤水分分布特征和氮素运移转化规律。该研究为提高膜孔灌水氮利用效率提供参考。     

基于实测高光谱指数与HSI影像指数的土壤含水量监测

为了探索土壤含水量与高光谱植被指数的内在关系,实现土壤含水量的快速且准确监测,以ASD光谱仪测定的研究区植被高光谱数据和环境卫星HSI高光谱影像数据为基础数据计算得到26种光谱植被指数,通过灰度关联分析法(grey relational analysis)对不同深度(0~10,10~30,30~50 cm)土壤含水量与实测光谱指数和影像光谱指数进行分析和筛选,确定了与土壤含水量相关性较高的5个光谱植被指数,采用多元线性回归法(multiple linear regression)分别构建了基于实测数据和影像数据的高光谱植被指数土壤含水量反演模型,并用实测高光谱植被指数模型对HSI影像植被指数模型进行校正。结果表明:2种土壤含水量反演模型对0~10 cm层的土壤含水量均有较高的拟合度,判定系数(R2)均高于0.589,并具有较好的稳定性;实测高光谱植被指数模型精度优于HSI影像植被指数模型,判定系数(R2)分别为0.668和0.589;经过校正的HSI影像土壤含水量反演模型精度有了较大的提高,判定系数(R2)从0.589提升到0.711,均方根误差(RMSE)为0.0014。该研究方法进行土壤含水量监测是可行的,为进一步提高土壤含水量定量遥感监测提供一定参考。