浆果连续式微波干燥品质控制系统研究

作     者：封少轩 

作者单位：东北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑先哲

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：黑加仑 连续式微波干燥 品质控制 反馈控制系统 模糊补偿 

摘      要：浆果风味独特、富含花青素,具有较高的营养价值,但新鲜浆果含水率高容易腐败,失去其营养和商品价值。连续式微波干燥技术具有处理量大、干燥速率快等优点,可满足新鲜浆果对快速、及时干燥的需求。然而,在浆果连续式微波干燥过程中存在温度不易控制、干燥速率与浆果中活性物质保留矛盾的问题,限制微波技术在浆果加工产业中的广泛应用。为解决上述问题,以代表性浆果黑加仑为试验对象,试验物料为黑加仑果浆(以下统称为果浆),在微波工作站中进行台架试验研究浆果微波干燥特性,分析干燥过程中温度和含水率对花青素保留率的影响;建立描述花青素保留率随温度、含水率变化模型,得出保证干燥品质和效率的临界温度,基于此模型搭建浆果连续式微波干燥品质控制系统;通过中心组合试验探究品质控制系统的可控制参数(三阶段温度、表观风速)对干后果浆平均温度、花青素保留率、平均含水率的影响,优化品质控制参数;提出模糊补偿控制法,优化控制系统,进一步改善控制效果。主要研究内容和结论如下:(1)研究不同微波强度(2～10 W/g)下浆果干燥特性和花青素降解规律。提高微波强度,果浆升温加快,且物料到达安全含水率的上限温度变高。花青素降解速率随着果浆温度升高和含水率降低而加快。微波强度处于8～10 W/g时,干燥速度较快,但高温使花青素大量降解;微波强度处于2～4 W/g时,果浆温度相对较低,但干燥时间过长也会引起花青素大量降解;微波强度为6 W/g时浆果干后花青素保留率最高(40.27%)。(2)建立模型描述浆果连续式微波干燥过程中温度和含水率对花青素保留率影响,确定保证干燥品质及效率的临界温度,在此基础上设计连续式微波干燥机品质控制系统,通过反馈控制方法控制浆果在临界温度范围内完成干燥。相同条件下与开环控制进行对比,浆果花青素保留率从32.48%提高到68.21%,可保证花青素保留率和干燥效率。(3)提出浆果微波变温干燥工艺,保证浆果干燥品质并提高干燥效率。以三阶段温度(I、II、III)、表观风速为试验因素,以干后平均温度、干后花青素保留率、干后平均含水率为评价指标进行中心组合试验。确定最优控制参数组合:第I阶段温度50℃、第II阶段温度48℃、第III阶段温度51℃、表观风速2 m/s,优化后的干后花青素保留率、干后平均温度、干后平均含水率分别为90.87%、60.33℃、13.89%。(4)以目标温度和表观风速为输入量,补偿温度为输出量,设计适用于浆果连续式微波干燥品质控制系统的模糊补偿控制器,消除微波干燥时相邻磁控管响应不同步对干燥后期控制效果与干后平均温度的影响,提高控制精度。验证结果表明,该方法可保证浆果在设定温度范围内完成干燥,并保证干燥后期控制效果。