微波真空膨化浆果脆片的机理研究

论文摘要

采用微波真空方法膨化浆果制品是一项新颖技术。微波真空膨化过程中，浆果的介电特性是影响其能耗和品质的关键指标。本研究的目的是分析浆果鲜片介电特性在微波真空场中动态变化规律，确定浆果鲜片最佳微波真空膨化模式和参数，获得高品质的浆果微波真空膨化脆片。该文研究以树莓为研究对象，研究微波真空膨化条件对浆果鲜片的介电特性指标（介电常数和介电损耗因子）的动态影响，以获得合理的微波真空膨化方案。研究微波真空膨化的动力学特性，构建理论与经验结合的微波真空膨化动力学模型；进行微波加工的介电特性研究，考虑微波能吸收和衰减因子，构建浆果微波真空膨化动态介电模型；根据动态介电特性，采用Matlab软件编程模拟内部温度、水分分布，采用Visual C#.Net软件进行膨化体积模拟；以提高脆性和膨化率为目标，采用遗传算法结合神经网络的方法优化微波真空膨化动态参数，并将其与响应面优化及试验结果进行对照。研究得到主要结论如下：1在确定了配方的基础上，构建浆果微波真空膨化动力学模型，并分析真空压强和初始含水率对膨化速率的影响。在浆果微波真空膨化过程中，膨化速率符合Sigmoid模型函数。在微波真空膨化前期，符合缓慢增加的受限增长Logistic模型；在膨化后期，符合单调递减的修正的Logistic模型。在浆果的微波真空膨化过程中，浆果鲜片吸收微波能，内部产生水蒸气的压力，与外部真空压力的差是鲜片膨化的动力。真空压强和初始含水率对浆果微波真空膨化的平均膨化速率均有极显著影响。2分析推导出浆果动态介电特性指标模型，通过四因素五水平的响应曲面中心组合试验，计算出介电常数和介电损耗因子，并分析微波真空膨化条件对介电特性的影响，影响因素为真空压强、膨化时间、初始含水率和加工量，响应指标为介电常数和介电损耗因子。初始含水率对脆片介电常数和介电损耗因子的影响均极显著，在膨化前期，介电常数随着初始含水率的增加而减小；在膨化后期，介电常数随着初始含水率的增加先减小后增大。而介电损耗因子在整个膨化过程中均随着初始含水率的增大而增大。各因素对介电常数和介电损耗因子的影响程度相同：初始含水率大于时间大于真空压强大于加工量。加工量为96g，初始含水率为22%条件下，在膨化前期，脆片的介电常数随着加工量的增大而增大；在膨化后期，介电特性随加工量的增大而减小。在低初始含水率水平下，脆片的介电常数与温度具有负相关性，但是在高初始含水率水平下，膨化时间对介电常数与介电损耗因子的影响均不显著。3根据微波真空膨化浆果脆片的机理，推导出动态介电模型，利用推导出的动态介电模型，进一步推导出微波真空膨化过程中的传热、传质数学模型，利用计算机模拟的方法得到温度、水分分布规律。较高的内部温度对热量传递有显著影响，随着果片半径的增加，温度减小，随着厚度的增加，温度也减小，在厚度与半径增加的方向上，温度梯度较大。温度最高点在果片内部中心，最低点在果片边缘。4用遗传算法（GA）结合BP神经网络（BPNN）的方法，优化了浆果微波真空膨化工艺参数，得到膨化脆片脆裂用功为最小值时的最佳工艺参数。与实际的实验结果相符，并略优于响应面优化的结果，基于遗传算法-BP神经网络对浆果微波真空膨化最佳工艺参数进行优化是完全可行的。研究了微波能在树莓鲜片内的吸收和热转化规律，建立树莓鲜片的介电常数和介电损耗因子与其温度、含水率、孔隙率间的数学模型，并仿真不同微波真空条件下树莓鲜片膨化过程，确定合理微波加热模式，并优化微波真空膨化工艺参数，研究成果可为浆果的微波加工提供理论依据，有望提升中国浆果深加工的技术水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 微波真空膨化动力学特性的研究现状
• 1.3 食品微波加工的介电特性研究现状
• 1.4 微波膨化过程的传热传质研究现状
• 1.5 基于遗传算法-BP 神经网络的工艺参数优化的研究现状
• 1.6 研究内容
• 1.7 研究方法与技术路线
• 2 试验材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 仪器与设备
• 2.3 试验方法
• 2.4 指标测定
• 2.4.1 去离子水的温升测定
• 2.4.2 热特性的测定
• 2.4.3 膨化速率的测定
• 2.4.4 质构特性的测定
• 2.4.5 孔隙率的测定
• 2.4.6 含水率的测定
• 2.4.7 温度的测量
• 2.4.8 玻璃态转化温度测定
• 2.5 试验设计
• 2.5.1 单因素试验设计
• 2.5.2 响应曲面的中心组合试验
• 2.6 数据处理
• 3 浆果脆片微波真空膨化动力特性研究
• 3.1 数学模型
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 微波真空膨化浆果脆片的模型
• 3.2.2 真空压强和初始含水率对膨化速率的影响
• 3.2.3 微波真空膨化动力分析
• 3.3 小结
• 4 微波真空场内浆果鲜片的介电特性动态模型及规律
• 4.1 食品介电参数理论
• 4.2 微波体积热计算
• 4.3 浆果动态介电特性指标模型的确定
• 4.4 介电特性数据标定
• 4.5 微波真空膨化条件下浆果鲜片微波能吸收特性分析
• 4.6 微波真空膨化条件对介电特性的影响
• 4.6.1 初始含水率与加工量对介电特性的影响
• 4.6.2 加工量与膨化时间对介电特性的影响
• 4.6.3 真空压强与加工量对介电特性的影响
• 4.6.4 初始含水率与膨化时间对介电特性的影响
• 4.6.5 初始含水率与真空压强对介电特性的影响
• 4.6.6 真空压强与膨化时间对介电特性的影响
• 4.7 小结
• 5 微波真空膨化浆果脆片的质热传递和体积膨胀模拟
• 5.1 热量传递和水分传递理论分析
• 5.1.1 传热模型
• 5.1.2 水分传递模型
• 5.1.3 体积膨胀模型
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 真空压强对中心实时温度影响
• 5.2.2 初始含水率对中心实时温度影响
• 5.3 微波真空膨化浆果脆片的温度水分体积数值模拟
• 5.3.1 初始及边界条件
• 5.3.2 膨化时间对浆果脆片温度场影响模拟
• 5.3.3 浆果脆片水分分布模拟
• 5.3.4 浆果脆片体积膨胀过程模拟
• 5.4 实验验证
• 5.5 小结
• 6 微波真空膨化浆果脆片工艺参数优化研究
• 6.1 浆果脆片脆性影响的单因素试验结果分析
• 6.1.1 膨化时间对脆性的影响
• 6.1.2 真空压强对脆性的影响
• 6.1.3 初始含水率对脆性的影响
• 6.2 基于遗传算法-BP 神经网络的膨化浆果脆片工艺参数优化
• 6.2.1 GA-BPNN 优化机理
• 6.2.2 BP 神经网络的的构建
• 6.2.3 BPNN 神经网络训练
• 6.2.4 最佳工艺参数的优化（以高脆性为优化目标）
• 6.3 微波真空膨化浆果脆片工艺参数响应面优化
• 6.4 小结
• 7 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 7.3 不足与完善
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文