基于溫度和功率控制的微波干燥研究

羅歸一宋春芳徐晚秀李臻峰

(1. 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

微波及其耦合干燥在農產品加工領域的應用日益增長，它具有特殊的加熱機理和高效的加熱效率。但不均勻加熱和品質不穩定的缺點成了其運用到工業生產中的主要障礙[1-3]。在微波干燥過程中，物料的干燥溫度和微波加載功率是微波干燥農產品的2個重要因素[4-5]。這2個因素對干燥時間、速率、效率、能耗和最終產品質量有重要影響。傳統的微波干燥技術大多是保持初始微波功率水平進行干燥[6-8]，然而物料在干燥過程中自身水分的減少會使得在干燥后期微波功率密度增大，如果不對諧振腔的微波輸出功率進行調整，極易導致樣品內部溫度飆升，出現焦糊、褐變等現象[9-10]。

為此，國內外學者針對微波干燥過程中溫度和功率的控制方法展開了大量的研究：Cuecurullo等[11]運用紅外成像儀監測了干燥過程中蘋果片的瞬時溫度，通過微波爐通斷間歇干燥將蘋果片的溫度穩定在預設溫度附近，但溫度的偏差值較大，控制效果不盡如人意。陳霖等[12]采用類似方法比較了微波干燥花生有無溫度控制的產品品質，發現間歇控溫干燥后的花生表皮更加光滑平整，并且沒有焦糊現象發生。Kisselmina等[13]采用實時固定微波功率密度的干燥方式加熱西紅柿，并在干燥過程中檢測西紅柿的溫度，但是在干燥中、后期由于水分損失過多，系統實時輸出功率會相應減少，導致干燥時間顯著延長。而且由于稱重過程存在波動，微波功率密度控制曲線始終存在較大的誤差，溫度控制效果也不如預期。

事實上，國內外現有溫度控制方法的合理性大多都缺少理論支撐，物料的溫度變化實際上與其微波吸收能力密切相關，在微波干燥過程中物料由于介電特性的變化會導致其吸收微波能力的改變。為了探索物料微波可吸收功率與溫度變化的關系，本研究開發了一個新型微波干燥系統，該系統可以實現自動連續調節微波功率水平、控制物料內部溫度、在線測量樣品質量。基于此微波干燥系統建立多種不同功率溫度控制組合模型，并且優化反饋控制回路中的溫度和功率控制方案，綜合產品質量和干燥速率和效率得到適合土豆片微波干燥的工藝方法。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

新鮮土豆：購于無錫江南大學天惠超市，形狀較規則、無損傷、無腐爛，土豆經清洗去皮后切成若干個長10 mm，寬10 mm，厚度7 mm，質量約40 g的正方形薄片，切好并瀝干表面水分后即可進行干燥。

1.2 試驗設備

微波干燥系統(圖1)：實驗室自制。微波爐(廣東佛山美的微波爐制造有限公司，型號：MM720NG1-PW)采用700 W 磁控管，其陰極和陽極板有單獨的電源獨立供電。用計算機LabVlEW程序控制晶閘管的輸入電壓，實現將0～5 V 電壓信號轉變成0～4 000 V的陽極電壓。通過控制微波爐的通斷來使樣品干燥溫度穩定在設定溫度(在一定范圍波動)，溫度由插在樣品內部的光纖探頭檢測，電子秤置于微波爐的底部，上方放置聚四氟乙烯盤用于承載樣品，測量的溫度、質量和電壓數據被傳輸到電腦的DAQ模塊(美國國家儀器公司，型號：USB/PCI 6014)上進行在線記錄。所有數據的記錄時間間隔為1 s，微波爐的腔體頂部安裝了一個可旋轉的微波攪拌器，使微波功率均勻分布。一個恒定轉速的風扇安裝在微波爐背面用來去除水分。

1. 電腦 2. 晶闡管控制系統 3. 電子秤 4. 聚四氟乙烯盤 5. 樣品 6. 風扇 7. 家用微波爐 8. 光纖測溫儀

圖1 微波干燥系統

Figure 1 Microwave drying system

電子秤：KS201型，永康市艾瑞貿易有限公司；

色差計：CR-300型，日本柯尼卡美能達公司；

恒溫水浴鍋：HH-601型，榮華儀器制造有限公司。

1.3 試驗設計

1.3.1 不控溫干燥(方案一) 采用固定微波功率水平(320，240，160 W)對土豆片進行微波干燥，對應的初始功率密度分別為8，6，4 W/g。干燥過程中溫度只進行檢測不進行控制。樣品的溫度每1 s記錄1次。當土豆片濕基含水率下降到8.3% 時停止干燥。

1.3.2 固定微波功率控溫干燥(方案二) 采用固定微波功率水平(320，240，160 W)對土豆片進行微波干燥，初始功率密度分別對應為8，6，4 W/g。物料內部溫度設定值分別取75，65，55 ℃。系統控制過程：當實時物料內部溫度達到設定值時，程序控制微波爐停止工作，等到物料內部溫度低于設定值時，程序控制微波爐重新工作，土豆片濕基含水率下降到設定值(8.3%)時停止干燥。干燥完成后，取適當時間段的功率輸出計算其平均值，即得出每個時間段微波輸出的平均功率。3個不同溫度的干燥模型分別得到3個不同的實時功率分布曲線。利用Origin 8.0中的指數函數模型擬合建立干燥過程中功率分布與干燥時間的方程。

1.3.3 可變微波功率控溫干燥(方案三) 采用與1.3.2相同的間歇干燥方法，在相同的3個溫度(55，65，75 ℃)下對土豆片進行微波干燥，但在干燥過程中連續調節系統微波輸出功率。微波功率的調整取決于干燥模型中的功率-時間以及功率-干基含水率之間的關系。土豆片濕基含水率下降到設定值(8.3%)時停止干燥。

1.4 質量指標

1.4.1 含水率的測定 采用直接干燥法[14]。經測定土豆片的初始含水率約為75.5%，任一時刻土豆片含水率按式(1)、(2)計算：

(1)

(2)

式中：

d.b.——干基含水率，%；

w.b.——濕基含水率，%；

mt——物料干燥過程中的質量，g；

ms——物料中干物質質量，g。

1.4.2 收縮率的測定 土豆片體積測定采用置換法，選用小米為置換介質，小米的粒度控制在0.9～1.1 mm。測定土豆片微波干燥前后的體積，按式(3)計算土豆片收縮率。

(3)

式中：

P——收縮率，%；

V1——收縮后的體積，g/cm3；

V2——收縮前的體積，g/cm3。

1.4.3 色差的測定 用精密色差儀測量干燥前后樣品的L*、a*、b*值，L*、a*、b*值分別表示亮度、紅綠、黃白的程度。土豆片干燥后以黃色偏白為佳，即L*和b*值越大越好。用△E表示干燥前后的色差值，按式(4)計算：

(4)

式中：

△E——色差值；

1.4.4 復水比的測定 將干燥后的土豆片稱重后放入80 ℃的水浴鍋中復水30 min， 濾干表面水分， 再用濾紙吸去多余水分后進行稱重，按式(5)計算復水比。

(5)

式中：

R——復水比；

mf——復水后土豆片的質量，g；

md——干燥后土豆片的質量，g。

1.4.5 干燥能耗計算 本次研究只考慮微波爐自身的實際輸出功率能耗，忽略了微波干燥系統中其他設備以及物料自身的熱損失，因此系統產生的能耗按式(6)計算：

(6)

式中：

t——干燥所需時間，s；

P——微波爐的輸入功率，W；

E——干燥總能耗，J。

1.4.6 感官評價 由7名未經培訓的人(4名男性和3名女性，年齡20～30歲)組成評價小組對產品進行感官評價。評價因素主要包括氣味、外觀、味道和總體接受程度，所有評分標準都采用10分制，其中9～10分為滿意，7～8分為較滿意，5～6分為中等，3～4分為偏差，1～2分為不滿意。最終取所有人員的平均值作為產品的感官評價得分。

2 結果與分析

2.1 不控溫干燥

圖2顯示了土豆片在固定微波功率下干燥時的內部溫度情況。干燥過程可分為預熱升溫、恒溫和快速升溫3個階段。該方案存在的缺陷是第三階段(快速升溫段)的溫度迅速上升。干燥后期物料溫度的快速上升結果與冉旭等[15]的研究相類似，土豆片干燥時，溫度超過80 ℃會嚴重影響產品的品質，最終質量指標無法接受。在這種模式下，3種功率水平的樣品后期溫度都達到了80 ℃以上。320 W的物料在臨近干燥結束時溫度甚至上升到了140 ℃，這必定會對土豆片的組織結構產生嚴重的損傷。

類似的食品物料在微波干燥中溫度的變化情況可以在其他的研究[16-17]中發現，雖然這些研究并沒有實時監測物料溫度，但高功率的微波水平運行時多數產品品質的下降是由物料內部熱量聚集，組織受損導致的。因此，從目前的研究來看，控制微波干燥過程中的物料溫度變化對改善微波干燥產品品質具有一定的現實意義。

圖2 不同微波功率下物料溫度隨時間變化曲線

Figure 2 Temperature variation curves of samples with different microwave power levels (n=8)

2.2 固定微波功率控溫干燥

為了克服方案一在干燥后期發生的高溫問題，采用了溫度反饋控制方法對物料內部的溫度進行調控，干燥系統仍然輸出固定的功率水平，但加上溫度反饋程序控制微波爐磁控閥電源的開/關，使物料內部溫度穩定在一定范圍內。干燥過程中物料內部溫度曲線和干基含水率變化曲線見圖3、4。預置溫度分別為75，65，55 ℃，對應的初始功率水平分別為8，6，4 W/g。用這種方式消除了在干燥末期發生的物料溫度突升現象。然而在干燥末期，溫度波動較大，控制效果不盡如人意。詳細的溫度控制偏差見表1。在75 ℃預置溫度下干燥的后期，物料的最高溫度甚至達到了85 ℃，這可能導致產品焦糊，因此該溫度控制方案仍然存在缺陷。

分析原因，溫度波動大主要是后期高功率密度導致的，隨著干燥的進行，土豆片樣品的質量、水分含量和性狀都在不斷變化，但功率水平保持不變。例如，起初，75 ℃干燥的物料功率密度為8 W/g，但在最后階段，當質量達到10 g時，物料功率密度為32 W/g。干燥后期物料的高功率密度引起了方案二的大溫度波動和方案一的溫度突升。因此，在微波干燥過程中，特別是在干燥的后期，需要調整微波功率來降低物料的高功率密度。

圖3 固定功率下溫度反饋控制物料內部溫度變化曲線

Figure 3 Sample’s internal temperature change under fixed power with temperature feedback control (n=8)

Figure 4 Sample’s moisture content (d.b.) change under fixed power with different preset temperature (n=8)

此外，物料在干燥過程中由于水分的大量損失會造成其介電損耗因子的下降，因此物料的微波吸收能力會逐漸降低[18]。如果在干燥過程中始終采用恒定的功率水平，會出現許多不良結果。一方面，吸收功率與輸入微波功率的不匹配會造成不必要的微波能量消耗；另一方面，加熱腔內未被吸收的電磁波反復振蕩很容易形成強駐波，并可能沿波導返回磁控管，造成磁控管損壞[19]。

為了研究微波干燥過程中控制物料溫度的詳細功率要求，可以對程序開/關的頻率進行分析。例如，在干燥初期程序可能是15/5的開/關比，干燥中期是10/10的開關比，干燥后期是5/15的開關比。然而，很難理解這些功率變化的開/關記錄的頻率。為了說明這一點，可以采用遞延平均法，對75，65，55 ℃的功率記錄分別取每150，240，480 s的平均值用來表示干燥過程中的功率變化，例如，320 W功率水平的系統在150 s內的開關比為120/30，這段時間的實際功率應當為256 W，而非320 W。最終得到的實際功率見圖5。由于開/關的平均效應，實際功率低于預設功率水平是可以理解的。

從實際功率水平可以看出，物料微波干燥中溫度控制的功率需求可分為2個階段：功率迅速下降階段和功率平衡階段。溫度越高，功率下降階段時間越短，功率下降的速率越快。并且溫度越高最后功率平衡階段的功率需求也越高。為了在實際微波干燥中應用這些數據點，采用Origin 8.0中的指數模型對其進行了曲線擬合(R2>0.90)，建立了不同干燥溫度下功率與時間的關系：

55 ℃：P=106.133×exp-t/22.007+41.116，

(7)

65 ℃：P=141.802×exp-t/16.671+56.673，

(8)

75 ℃：P=197.550×exp-t/11.178+78.157。

(9)

不同干燥溫度下功率與物料含水率之間的關系：

55 ℃：P=0.057×expd.b./0.41+42.23，

(10)

65 ℃：P=4.453×expd.b./0.19+58.05，

(11)

75 ℃：P=1.233×expd.b./0.17+70.86。

(12)

需要注意的是，不同溫度的功率選擇是基于試驗和誤差的。例如，75 ℃干燥試驗時選擇了8 W/g(320 W)的微波功率。如果選擇更高的功率，物料溫度在干燥后期波動會更大。如果選擇過低的功率，在一定的干燥階段溫度不能達到設定的溫度，程序會使電源長期處于開啟狀態，從而提高干燥速度，產品會立即被烤焦產生焦糊味。

2.3 可變微波功率控溫干燥

根據方案二得到的功率—時間擬合曲線(圖6)，結合溫度反饋控制，將土豆片分別放在相同設定溫度(75，65，55 ℃)下微波干燥。由圖5可知，最大功率要求分別為284，215，156 W，而最低功率水平分別為68，52，39 W，功率的最大值和最小值是通過多次試驗和誤差測試得到的。干燥過程中物料內部記錄的溫度見圖7。由圖7可知，在干燥后期物料內部溫度波動較小，溫度控制的情況優于固定功率反饋溫度控制的方案。

雖然上述方法對物料內部溫度控制有所改善，但不同樣品在干燥過程中由于性能的差異可能會加大功率分布曲線的繪制誤差，主要是由不同物料初始含水率以及介電特性不同所決定的。功率與時間的關系并不能最好地反映物料微波干燥過程中的功率要求，因為功率需求主要與樣品本身的質量以及水分含量有關，而不是干燥時間。為了進一步提高溫度控制的效果，根據物料干燥特性曲線將時間換算成物料的含水率，得到了不同溫度下功率與含水率的變化曲線(圖8)以及式(10)～(12)，即功率與物料含水率的擬合方程。

圖6 溫度反饋可變功率模型中功率—時間擬合曲線

Figure 6 Power time fitting curve in variable power model with temperature feedback (n=8)

圖7 可變功率下物料內部溫度隨時間的變化

結果發現，干燥過程溫度記錄類似于圖7并且波動更小，溫度偏差見表1。由表1可知，基于功率與含水率方程反饋控制的比基于功率與時間方程控制的更小。因此，通過基于功率—含水率方程的反饋溫度控制方法可以實現土豆片微波干燥的最佳溫度控制。

圖8 可變功率下不同溫度功率—含水率擬合曲線

Figure 8 Fitting curve of power-moisture content(d.b.)under variable power with different temperature (n=8)

表1 不同干燥方案的溫度控制偏差?

? a. 基于功率—時間方程的可變功率溫度反饋控制方案；b. 基于功率—含水率方程的可變功率溫度反饋控制方案。

2.4 品質分析及能耗計算

不同干燥方案所得到的產品色差指標見表2。

由表2可知，方案一中的高功率水平(320 W)不控溫干燥后的產品顏色更黑(L*值更低)，產品也有較高的a*值和b*值，表明此方案易使產品炭化，加深物料的紅黃度。相比之下，方案一中的低功率水平(160 W)不控溫干燥和方案二、三的溫度反饋控制干燥后的產品顯示出更加良好的顏色質量。此外，方案二和方案三2種控溫方式得到的產品品質也不盡相同。在相同溫度下，方案三由于溫度偏差較小，干燥過程較為平穩，最后得到的色差值也較小，顏色較優。隨著物料內部溫度升高，干燥后的產品色差值也逐漸減小，這是因為高溫下物料的干燥速度較快，長時間的干燥會使物料產生美拉德反應[20]，導致物料顏色變深，影響物料感官評價。

不同干燥方案產品的復水比、收縮率以及系統能耗指標見表3。由表3可知，方案三的產品復水率比方案二小，主要是物料內部溫度控制相同時，方案二的耗時明顯小于方案三，長時間的干燥使得物料內部結構變得更加緊密，所以物料的吸水性會變差，導致復水率減小[21]。方案一比方案二、三的收縮率大，原因是在沒有溫度控制的情況下物料水分散失更快，更易發生較大程度的變形。方案三與方案二相比雖然干燥時間略微延長，但是由于干燥過程中功率的降低使得干燥能耗遠小于方案二。綜合比較并結合感官評分，方案三的溫度功率控制方案最適合土豆片的微波干燥。

表2 不同干燥方案產品的顏色指標?

? a. 基于功率—時間方程的可變功率溫度反饋控制方案；b. 基于功率—含水率方程的可變功率溫度反饋控制方案。

表3 不同干燥方案產品的質量及能耗指標?

Table 3 Quality assessment and energy consumption index of different drying scheme products (n=3)

干燥方案復水比R收縮率P/%能耗E/kJ感官評價160 W2.0526.5541.445.91±0.55方案1240 W1.6828.7560.165.66±0.88320 W1.5431.2285.874.58±1.0655 ℃1.8714.51 104.387.33±0.74方案265 ℃2.5216.91 297.168.11±0.5175 ℃2.7118.61 032.277.85±0.4655 ℃1.7816.4745.688.21±0.66方案3a65 ℃2.0416.8833.548.52±0.5975 ℃2.1019.6646.878.56±0.6255 ℃1.8314.2712.548.69±0.68方案3b65 ℃1.9516.5798.528.95±0.5775 ℃2.1321.2668.198.41±0.45

? a. 基于功率—時間方程的可變功率溫度反饋控制方案；b. 基于功率—含水率方程的可變功率溫度反饋控制方案。

3 結論

(1) 固定功率無溫度控制的土豆片微波干燥會在干燥后期使物料內部溫度急速升高，導致產品炭化和產品質量損傷。隨著物料含水率的降低，微波干燥過程中功率水平過高容易使熱量在物料內部聚集，對產品的復水率、色差產生較大的影響。

(2) 運用遞延平均法對微波干燥過程中微波系統的輸出功率進行調整有助于物料溫度的穩定和控制。基于預定含水率—功率曲線分布的可變微波功率與反饋溫度控制相結合的干燥方案可以得到最佳的溫度控制效果和產品品質質量。溫度與預設溫度的偏差為±3 ℃，感官評價的綜合得分也最高，達到了8.95。

(3) 物料微波干燥的過程中功率的調整有利于節約微波系統的能耗。與傳統的固定功率水平相比，基于預定含水率—功率曲線分布的可變微波功率與反饋溫度控制相結合的干燥方案雖然在微波干燥過程中延長了干燥時間，但由于功率水平的降低依舊可以使整個干燥過程節約35%的能耗，這對現代大型農產品微波加工生產提供了良好的參考。

(4) 光纖采集溫度只適用于中小型微波爐操作，對于大型的微波加工設備，由于微波加熱的不均勻性和裝置結構的特殊性仍然難以在干燥過程中解決溫度實時檢測的問題。并且溫度控制方案缺少嚴格的理論依據，微波功率的加載應該根據物料的某些特性(如介電特性)的變化進行調整，制定更加合理的微波功率加載方案仍需要進一步的研究。