辣椒干燥過(guò)程電容測(cè)量條件的試驗(yàn)與優(yōu)化研究

鄢金山 董成虎 史增錄 靳偉 袁盼盼

摘?要：為探索平行極板電容測(cè)量干燥過(guò)程辣椒含水率變化規(guī)律，通過(guò)測(cè)試條件的優(yōu)化和驗(yàn)證開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)極板間距、極板邊長(zhǎng)、頻率、電壓、辣椒層厚度、成熟度七個(gè)因素進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)極板間距、邊長(zhǎng)和層厚對(duì)電容的測(cè)量值影響顯著。采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)一步優(yōu)化，數(shù)值分別為26.5mm、320mm、23mm時(shí)，電容獲得最大值33.22pF。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該條件測(cè)量的電容值相對(duì)偏差為0.96%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.27。在55℃，65℃時(shí)，電容變化率在3小時(shí)達(dá)到38%、40%的峰值，35℃，45℃達(dá)到峰值則需要更長(zhǎng)時(shí)間。用分段擬合方式來(lái)表示辣椒干燥情況比較符合實(shí)際情況，65℃時(shí)第一階段電容誤差在-1.80%到1.76%之間，第二段則在-1.04%到0.95%之間。通過(guò)試驗(yàn)，獲得了辣椒干燥過(guò)程電容測(cè)量的最優(yōu)條件，掌握了辣椒干燥過(guò)程電容變化規(guī)律，為測(cè)量干燥過(guò)程辣椒含水率的變化奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：辣椒;電容;含水率;優(yōu)化;變化率

1 緒論

辣椒是一種重要的香辛料，富含類胡蘿卜素、多酚、辣椒堿以及多種維生素，其中辣椒總堿具有強(qiáng)烈的辛辣味，能促進(jìn)唾液分泌，增進(jìn)食欲。2017年我國(guó)種植面積2320萬(wàn)畝，產(chǎn)量達(dá)3133萬(wàn)噸[1]，而2016年全球辣椒產(chǎn)量接近3900萬(wàn)噸，種植面積達(dá)到6450萬(wàn)畝[2]。收獲后的辣椒含水率高達(dá)80%以上，如果處理不當(dāng)，強(qiáng)烈的呼吸作用會(huì)使得辣椒在1-2天內(nèi)出現(xiàn)細(xì)胞大量失水，并開(kāi)始腐爛[3-6]。

自然晾曬是最簡(jiǎn)單、成本最低的制干方式，但該方式面臨氣候、生產(chǎn)周期、品質(zhì)控制等難題[7]。為了提高規(guī)模化辣椒干燥的效率和品質(zhì)，高國(guó)華、尹曉峰等人采用熱風(fēng)干燥、聯(lián)合干燥等方法，研究了辣椒干燥中最優(yōu)品質(zhì)控制和工藝參數(shù)控制方法。含水率是判斷辣椒干燥階段、終點(diǎn)的指標(biāo)，也是參數(shù)控制的重要依據(jù)，對(duì)辣椒物理指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)有重要影響。利用介電特性測(cè)量含水率在農(nóng)產(chǎn)品測(cè)量中得到了廣泛運(yùn)用，并能夠獲得良好的測(cè)量精度。由于辣椒外形、含水率以及組織結(jié)構(gòu)與谷物類存在較大區(qū)別，糧食類含水率測(cè)量系統(tǒng)很難運(yùn)用于辣椒含水率的測(cè)量。因此，研究適用于辣椒干燥過(guò)程含水率在線方法，滿足干燥條件下辣椒含水率的測(cè)量要求非常有必要。為研究干燥過(guò)程辣椒含水率變化規(guī)律，在平行極板電容測(cè)試裝置上開(kāi)展了極板間距、極板邊長(zhǎng)、辣椒丁尺寸、頻率、電壓以及辣椒狀態(tài)等測(cè)試條件的優(yōu)化試驗(yàn)，以期獲得電學(xué)參數(shù)、測(cè)試條件與含水率的變化規(guī)律。

2 材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用“二荊條”的新鮮辣椒開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。采摘后挑選成熟度一致，無(wú)損傷的辣椒在4℃冰箱中存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)前將樣本從冰箱中取出，在室溫環(huán)境下恢復(fù)4h。辣椒含水量依據(jù)GB 5009.3-2016《食品中水分測(cè)定》中直接干燥法進(jìn)行分段干燥，測(cè)定辣椒含水率。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，切成辣椒丁，實(shí)驗(yàn)時(shí)將辣椒平鋪在極板間，保證辣椒層厚達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

測(cè)試系統(tǒng)中采用平行極板作為電學(xué)參數(shù)測(cè)量元件，平行極板的間距能夠控制在0.1mm以內(nèi)，最大可達(dá)50mm。電場(chǎng)掃描頻率最大可達(dá)200kHz，電壓最高2V，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或定點(diǎn)掃描。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽，減小外部雜散信號(hào)的影響;并開(kāi)機(jī)預(yù)熱半小時(shí)以上，進(jìn)行短路、開(kāi)路掃頻清零。測(cè)試前，對(duì)極板間的空氣進(jìn)行測(cè)量，將20次平均值記為空極板的電容。電容的值由（1）式表示，電容變化率用于表示某一條件下測(cè)試的電容值相對(duì)空極板板間的電容變化情況，由（2）式表示。

選取和電容數(shù)值相關(guān)的極板間距、極板邊長(zhǎng)、頻率、電壓和測(cè)試?yán)苯穼拥暮穸取⒊墒於取⒊叽邕M(jìn)行因數(shù)篩選試驗(yàn)，試驗(yàn)因數(shù)表如表1所示。根據(jù)篩選的結(jié)果，獲得對(duì)電容影響最大的三個(gè)因素，安排最陡爬坡實(shí)驗(yàn)，找到響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的中心組。根據(jù)中心組的參數(shù)情況，安排響應(yīng)面試驗(yàn)，分析各因素間的相互關(guān)系，開(kāi)展回歸分析優(yōu)化參數(shù)，獲得最大電容測(cè)試條件。

根據(jù)最優(yōu)的電容測(cè)試條件，探索其他溫度下辣椒干燥過(guò)程電容的變化情況，獲得干燥過(guò)程電容與含水率變化的規(guī)律，解釋電容變化與辣椒干燥的關(guān)系。對(duì)干燥過(guò)程中電容變化進(jìn)行不同形式的擬合，獲得合適的表達(dá)方式和誤差范圍。

3 結(jié)果與分析

3.1 Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)與最陡爬坡試驗(yàn)

Plackett-Burman實(shí)驗(yàn)的偏回歸系數(shù)及顯著性排序結(jié)果如表2所示，模型的Pr值大于0.0419，模型顯著，因素對(duì)電容的測(cè)量值的變化有明顯影響。在選取的因素A、B及E對(duì)電容有顯著影響，顯著性排序?yàn)椋篈>B>E。該結(jié)論符合公式（1）的規(guī)律，間距d值、面積S對(duì)電容有直接影響，呈線性關(guān)系;而E、F以及G都與辣椒介電參數(shù)ε有關(guān)，也呈線性關(guān)系。為進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)試條件，根據(jù)A、B和E水平和正、負(fù)效應(yīng)安排最陡爬坡試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，并確定了中心點(diǎn)為：A為25mm，B為300mm，E為20mm。

3.2 響應(yīng)面分析及優(yōu)化

Box-Behnken實(shí)驗(yàn)的水平表如表4所示，模型的回歸模型方差分析如表5所示，模型的R2為0.97，F(xiàn)值為26.79，信噪比值為13.99，模型具有足夠的抗干擾性。模型反應(yīng)了A、B和C3個(gè)因素對(duì)電容測(cè)試結(jié)果有極顯著的影響，對(duì)電容測(cè)量值有良好的預(yù)測(cè)性能。因素A、B及C和A2、B2對(duì)測(cè)試電容的結(jié)果有極顯著影響，C2項(xiàng)和交互作用項(xiàng)AB有顯著影響。各因素對(duì)電容測(cè)量值的影響排序?yàn)椋篈>B>C，其中A和B對(duì)電容值影響的差異不大，而C對(duì)測(cè)量電容的影響明顯小于A和B。在交互作用方面，AC項(xiàng)和BC項(xiàng)不顯著，而AB項(xiàng)顯著，AB項(xiàng)的響應(yīng)面和等高線圖如圖1所示。在AB的相互作用中，當(dāng)辣椒B不變，隨A的增大，電容的數(shù)值由28pF左右逐漸增加，到A為25mm時(shí)到達(dá)約33pF的最大值，相反B對(duì)電容的影響要小于A。AC和BC它們間交互作用并不明顯，電容值與各因素間的回歸方程為式（2）表示：

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

經(jīng)過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，A為26.5mm，B為22.7mm，C為318.1mm時(shí)，最大電容值為33.23pF。制作了邊長(zhǎng)為320mm的極板，辣椒層厚度調(diào)整為23mm，間距為26.5mm時(shí)，進(jìn)行了5次試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示，電容值的最大相對(duì)偏差為0.96%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.27，平均值為33.22pF。偏差由系統(tǒng)的測(cè)試誤差、實(shí)驗(yàn)操作、辣椒含水率等因素造成。

3.3 不同溫度下的測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

干燥溫度是影響辣椒介電參數(shù)的重要因素，分別在35℃，45℃，55℃，65℃條件下進(jìn)行測(cè)試，從1h到10h來(lái)評(píng)估不同溫度下的工作性能。在1h到10h的測(cè)量過(guò)程中每小時(shí)進(jìn)行10次測(cè)量，對(duì)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。圖1是不同溫度下電容變化情況。

電容變化率都從起點(diǎn)到出現(xiàn)峰值，55℃，65℃在第3小時(shí)，分別達(dá)到38%和40%的峰值;35℃，45℃出現(xiàn)峰值的時(shí)間則分別晚2小時(shí)和4小時(shí)，分別為35%和37%。在55℃和65℃下3小時(shí)左右時(shí)，辣椒內(nèi)部水分脫離束縛，在水分梯度的作用下，出現(xiàn)了最大程度地遷移，參與攜帶電子的介質(zhì)增多，使電容達(dá)到了最大;而35℃，45℃條件下由于溫度低，水分梯度小，出現(xiàn)最大電容變化率的時(shí)間向后推遲[5]。峰值的差異由溫度形成，也與干燥的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。從變化趨勢(shì)來(lái)看，55℃，65℃下電容變化速率上升段和下降段都遠(yuǎn)大于35℃，45℃;在55℃，65℃在干燥開(kāi)始后的5小時(shí)內(nèi)干燥速率的變化基本一致，只是數(shù)值出現(xiàn)一定差異;5小時(shí)后55℃的干燥速率開(kāi)始減慢，變化趨勢(shì)與65℃基本一致。表明在55℃，65℃條件下辣椒層達(dá)到了最快的干燥速度，55℃在5小時(shí)后，由于干燥動(dòng)力的降低使干燥速度減緩。干燥末段，55℃，65℃在第8小時(shí)后電容變化率非常小，而35℃，45℃還沒(méi)有出現(xiàn)明顯減緩現(xiàn)象，表明55℃，65℃條件下已經(jīng)干燥大部分水分，進(jìn)一步干燥水分需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

3.4 干燥過(guò)程的擬合方程

根據(jù)上述優(yōu)化參數(shù)結(jié)果，以含水率較低（濕基含水率674%）的辣椒在65℃條件下測(cè)試測(cè)量辣椒含水率與電容的變化規(guī)律。干燥中每小時(shí)測(cè)試3次，為3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每次測(cè)試結(jié)果為10次電容變化率的平均值。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分段擬合、直線擬合、多項(xiàng)式擬合和指數(shù)擬合三種方式的計(jì)算比較，結(jié)果如表7所示。其中分段擬合中的第二段采用的多項(xiàng)式擬合，相比于兩段都采用直線擬合和指數(shù)擬合的效果要好，R2達(dá)到0.98，擬合情況如圖3所示。在第一段降速干燥階段，電容變化率在相鄰的區(qū)間內(nèi)存較大變化，但總趨勢(shì)是數(shù)值降低;而在第二階段變化幅度非常小。主要是由于辣椒內(nèi)部水分在第一階段遠(yuǎn)多于第二階段，干燥過(guò)程出現(xiàn)不同區(qū)域干燥速率存在差異而造成，而第二階段辣椒層內(nèi)部水分基本干燥結(jié)束，辣椒內(nèi)部進(jìn)一步失水難度增大，電容數(shù)值的變化也隨之減小。

從表6中可看出，第1種和第3種擬合方式中，R2的數(shù)值均低于第2種方式，為驗(yàn)證該擬合方式的性能，在同一實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)該方程進(jìn)行驗(yàn)證，繪制了預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的誤差分布圖，如圖4所示。第一階段的誤差分布范圍明顯較第二階段寬，分布在-1.80%到1.76%之間，由水分在辣椒層內(nèi)部散失的速度不均勻造成，同樣的原因，使得誤差的分布從測(cè)試開(kāi)始到結(jié)束，分布范圍逐漸收窄，收縮到第二階段的誤差分布在-1.04%到0.95%之間。在35℃、45℃、55℃和其他溫度的干燥條件下，采用同樣的實(shí)驗(yàn)方法，也可以得到相似的結(jié)論，為測(cè)試?yán)苯吩诰€干燥含水率的變化提供了參考的方法。

4 結(jié)論

選取極板間距、邊長(zhǎng)、頻率、電壓、辣椒層厚、成熟度和尺寸進(jìn)行了因素篩選試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)極板間距、邊長(zhǎng)和層厚對(duì)電容數(shù)值影響最大。經(jīng)過(guò)對(duì)三個(gè)因素開(kāi)展的最陡爬坡試驗(yàn)后，開(kāi)展了響應(yīng)面試驗(yàn)與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，在間距為26.5mm，邊長(zhǎng)為320mm，層厚為23mm時(shí)，獲得最優(yōu)的測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)5次驗(yàn)證測(cè)試電容平均值為33.22pF，最大相對(duì)偏差為0.96%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.27。在55℃，65℃的干燥溫度下，電容變化率在3小時(shí)內(nèi)達(dá)到峰值為38%和40%，而35℃，45℃需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到峰值，且峰值低于前兩個(gè)干燥溫度。通過(guò)對(duì)干燥過(guò)程電容變化率的擬合，采用分段擬合比較符合實(shí)際情況，第一段方程為y=-1.02x+35.25，R2為0.96;第二段采方程為y=0.025x2-1.41x+35.36，R2為0.98。經(jīng)過(guò)對(duì)該擬合方法的驗(yàn)證，第一段電容誤差分布在-1.80%到1.76%之間，第二段電容誤差分布在-1.04%到0.95%之間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電容影響因素的試驗(yàn)研究，獲得了最優(yōu)的測(cè)試參數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了電容變化率與辣椒干燥含水率的關(guān)系，證明了該系統(tǒng)用于在線測(cè)試?yán)苯泛实目尚行浴?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]周向陽(yáng).辣椒2016年市場(chǎng)分析及2017年市場(chǎng)預(yù)測(cè)[EB/OL].農(nóng)業(yè)部市場(chǎng)與經(jīng)濟(jì)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，張文凱，裴昱鵬，王寧，楊旭海.辣椒干燥預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)，2019，40（11）：276-282.

[4]張茜，耿智化，張軍輝，任麗壘，王寧，許鈺，楊旭海.辣椒干燥裝備技術(shù)研究進(jìn)展[J].包裝與食品機(jī)械，2019，37（05）：50-56+6.

[5]姬長(zhǎng)英，蔣思杰，張波，郭俊，Muhammad Sohail Memon.辣椒熱泵干燥特性及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（13）：296-302.

[6]祝恒祥.往復(fù)斜梯式辣椒干燥機(jī)的研制[D].長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[7]熊學(xué)斌.辣椒干制方法與風(fēng)味特征的相關(guān)性研究[D].長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

基金項(xiàng)目：新疆自治區(qū)自然基金（2016D01B025）

作者簡(jiǎn)介：鄢金山（1986-），男，漢族，碩士，講師，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)。