果蔬高压脉冲电场预处理及低能耗冻干工艺

果蔬在农产品种类中占有重要比重，但是由于果蔬的含水率很高，在微生物作用下容易腐烂变质，导致果蔬的损耗严重。因此，为了降低果蔬的损耗，延长保存期，常采用干燥脱水的方法生产干制品。目前，我国的农产品和食品的脱水干燥绝大多数是采用热风干燥的方法，但是热风干燥存在生产效率低而且色泽品味和复水性较差等缺点，不能满足大众的需求。近年来兴起的真空冷冻干燥加工技术是以低温冷冻的方式进行脱水，由于是低温脱水，其产品质量比热风干燥、红外干燥和微波干燥等方法更佳，能限度地保留果蔬中原有的营养成分，而且残余的含水量很低，贮藏中一般不会引起水溶性成分的变化，是农产品加工的一种新技术。但是真空冷冻干燥技术存在着设备成本过高、能量消耗大以及加工时间长等缺点。因此，在保证产品品质的同时，实现节能降耗、缩短冻干时间、减少工序、降低生产成本就成为真空冷冻干燥技术面临的主要问题。

高压脉冲电场（high pulsed electric field，HPEF）预处理技术是近年来研究较多的非加热处理技术之一，具有传递快速均匀、处理时间短、能耗低、产热少等优点，并能避免由于热加工造成的多种损害。高压脉冲电场是以脉冲波的形式作用于果蔬细胞，使果蔬的细胞组织结构、细胞内的微生物、酶、水分以及营养成分等发生改变，达到杀菌、干燥、钝酶、物质定向改性等目的。高压脉冲电场用于干燥预处理，能够在极短的时间内因高压脉冲电场力的作用使果蔬的内部组织结构发生改变，果蔬中的水分子因受电场的作用而形成了有序排列；同时高压脉冲电场能够改变细胞膜的通透性，从而提高果蔬的干燥速率。因此，高压脉冲电场预处理技术具有降低干燥能耗、减少产品质量的破坏、提高干燥速率和缩短干燥时间等优势，在农产品如苹果、椰子、胡萝卜、红辣椒、马铃薯等的干燥加工中已经有广泛的应用。将高压脉冲电场预处理技术与真空冷冻干燥技术结合对果蔬进行冻干加工，具有干燥时间短、营养成分损失少等优势，在农产品的保鲜与加工方面有着广阔的应用前景。

我们团队在五项国家自然基金、两项科技攻关等项目支持下，研究探索了高压矩形脉冲电场预处理对果蔬真空冷冻干燥脱水特性、果蔬材料物性等方面的影响以及低能耗冻干工艺优化等，通过理论分析和实验分析相结合的方法，从宏观和微观层面研究高压脉冲电场对果蔬的作用机理，探索高压脉冲电场对果蔬微观结构和生物力学性能的影响机制，获得了高压脉冲电场预处理果蔬冻干的工艺参数。团队还具体进行了果蔬真空冷冻干燥加工工艺研究，果蔬高压脉冲电场预处理参数优化与作用机理研究，高压脉冲电场预处理对果蔬冻干加工过程的影响，果蔬介电特性的研究与其在冻干加工中的应用，高压脉冲电场对果蔬生物力学性质的影响，高压脉冲电场对果蔬品质的影响，以及高压脉冲电场技术对果蔬农药残留降解作用、对红酒催陈效果等方面的研究。

上述研究成果构成的本著作包括作者团队发表的近百篇研究论文、博士/硕士学位论文、国际国内会议报告及墙报等内容，由山西农业大学郭玉明教授、崔清亮教授，郝新生、刘振宇、李晓斌、武新慧、段智英副教授，太原理工大学吴亚丽副教授合著，还收录了姚智华、刘丽娟、王颖、马飞宇、张建华、张鹤岭、冯慧敏、郑欣欣、王冉、温海军、周高峰等团队成员的部分实验内容，全书由郭玉明、武新慧整理统稿。

本书的出版旨在系统总结整理相关研究成果，为高压脉冲电场预处理真空冷冻干燥技术的推广应用，以及高压脉冲电场技术在农产品加工中的应用提供参考。同时在研究中运用农业生物力学、农业生物电磁学、农业生物细观力学，从宏观微观层面全方位分析探讨了电场对果蔬物料的作用机理，冷冻干燥过程传热传质机理及能耗模型建立，介电特性与冻干含水率的相关关系等，丰富了农业物料力学的理论及应用。

著者

本书内容涉及现代农业工程新技术、农产品加工新技术、农业生物力学等研究应用领域，阐述高压脉冲电场在农产品加工中的应用，低能耗真空冷冻干燥新技术，果蔬等植物生物力学性质的相关基础研究及理论分析。所讲技术处于新技术应用基础研究前沿，具有一定的先进性。

主要内容包括：高压脉冲电场与真空冷冻干燥技术在果蔬加工中的应用、果蔬真空冷冻干燥加工工艺研究、果蔬高压脉冲电场预处理参数优化与作用机理研究、高压脉冲电场预处理对果蔬冻干加工过程的影响、果蔬介电特性的研究与应用、高压脉冲电场对果蔬生物力学性质的影响、高压脉冲电场对果蔬品质的影响。

本书可供农业院校、农业类科研院所的科研人员和师生参考使用。

本书内容涉及现代农业工程新技术、农产品加工新技术、农业生物力学等研究应用领域，阐述高压脉冲电场在农产品加工中的应用，低能耗真空冷冻干燥新技术，果蔬等植物生物力学性质的相关基础研究及理论分析。所讲技术处于新技术应用基础研究前沿，具有一定的先进性。

主要内容包括：高压脉冲电场与真空冷冻干燥技术在果蔬加工中的应用、果蔬真空冷冻干燥加工工艺研究、果蔬高压脉冲电场预处理参数优化与作用机理研究、高压脉冲电场预处理对果蔬冻干加工过程的影响、果蔬介电特性的研究与应用、高压脉冲电场对果蔬生物力学性质的影响、高压脉冲电场对果蔬品质的影响。

本书可供农业院校、农业类科研院所的科研人员和师生参考使用。

章高压脉冲电场与真空冷冻干燥技术在果蔬加工中的应用/001

节真空冷冻干燥技术在果蔬干燥加工中的应用001

一、冷冻干燥的基本原理001

二、冷冻干燥的基本过程002

三、真空冷冻干燥技术在果蔬干燥加工中的应用研究003

第二节高压脉冲电场技术在果蔬加工中的应用005

一、高压脉冲电场对物料细胞作用机理方面的研究006

二、高压脉冲电场预处理在干燥加工中的应用006

第二章果蔬真空冷冻干燥加工工艺研究/007

节果蔬冻干参数对真空冷冻干燥加工能耗的影响008

一、物性参数008

二、试验分析010

三、过程参数对冻干能耗影响的研究022

第二节果蔬真空冷冻干燥过程模型与传热传质机理研究036

一、升华干燥阶段的传热传质036

二、解析干燥阶段的传热传质037

三、冷冻干燥过程数学模型的研究现状及进展037

四、一般果蔬物料冻结模型的建立041

五、无相变降温阶段的模型及定解条件041

六、冻结阶段的模型与定解条件042

七、再降温过程的模型方程与定解条件043

八、几种常见形状物料的冻结模型043

九、冻结模型的求解049

十、一般果蔬物料升华-解析模型的建立——升华干燥过程的数学模型055

十一、解析干燥过程的数学模型059

十二、几种常见形状物料的升华-解析模型060

十三、真空冷冻干燥过程的Stefan（斯忒藩）问题069

第三节果蔬真空冷冻干燥水分在线监测系统研究076

一、测量系统的环境条件及设计要求077

二、称量部分的性能测试及误差分析083

第四节运用图像处理技术在线监测真空冻干果蔬含水率086

一、颜色测量技术及其应用研究进展086

二、纹理特征分析技术及其研究进展087

三、应用颜色测量与分析技术实时监测果蔬冻干含水率087

四、应用纹理分析技术实时监测果蔬冻干含水率102

五、图像纹理特征值与样本含水率相关性分析109

第三章果蔬高压脉冲电场预处理参数优化与作用机理研究/124

节高压脉冲电场预处理果蔬介电特性与脱水特性相关性研究124

一、高压脉冲电场预处理工艺参数124

二、高压脉冲电场预处理技术在果蔬干燥中的应用125

三、农业物料介电特性概念及测量125

四、电磁场参数对农业物料介电特性的影响126

五、温度对农业物料介电特性的影响126

六、外形参数对农业物料介电特性的影响126

七、水与离子行为对农业物料介电特性的影响127

八、高压脉冲电场预处理果蔬介电特性与脱水特性相关性试验研究127

第二节高压脉冲电场预处理果蔬干燥温度对介电特性的影响134

一、试验材料与方法134

二、试验结果与分析136

第三节高压脉冲电场预处理对果蔬介电、脱水特性影响机理分析143

一、高压脉冲电场预处理对果蔬介电特性影响机理分析143

二、高压脉冲电场预处理对果蔬脱水特性影响机理分析146

第四章高压脉冲电场预处理对果蔬冻干加工过程的影响/147

节高压脉冲电场对果蔬冻干细胞结构及冻干速率的作用效应147

第二节基于格子玻耳兹曼(Boltzmann)方法分析果蔬真空冷冻干燥速率158

一、格子Boltzmann方法简介158

二、果蔬真空冷冻干燥过程模型的建立159

三、模型的验证161

第三节高压脉冲电场对果蔬冻结过程及其冰晶形成的影响164

一、高压脉冲电场对果蔬冻结过程及其微结构与品质的影响164

二、不同高压脉冲电场处理对果蔬冻结速度的影响166

三、不同高压脉冲电场处理对果蔬成核的影响167

四、不同高压脉冲电场处理对解冻果蔬品质的影响168

五、不同高压脉冲电场处理对果蔬解冻后质构的影响169

六、高压脉冲电场对果蔬微观结构的影响169

七、高压脉冲电场预处理果蔬低能耗冻干工艺研究170

第五章果蔬介电特性的研究与应用/182

节果蔬介电特性检测及可调探针式电极的设计与试验182

一、果蔬介电特性与电学模型的建立182

二、可调探针式电极参数对苹果介电参数测量的影响试验184

三、４针型探针式电极参数对苹果介电特性测量结果的影响189

第二节果蔬冻干过程含水率无线监测系统设计与试验196

一、系统设计总述196

二、测量装置设计197

三、电容传感器设计197

四、温度传感器设计199

五、ZigBee终端节点设计200

六、收发器设计201

七、上位机软件设计201

八、果蔬无线检测装置性能评估实验201

第六章高压脉冲电场对果蔬生物力学性质的影响/203

节对果蔬宏观力学性质的影响203

一、果蔬宏观力学性质试验方案及设计203

二、果蔬剪切性质试验研究206

三、果蔬硬度试验研究211

四、果蔬压缩力学性质试验研究213

五、压痕法测试果蔬力学性质的试验方法研究219

第二节对果蔬细观力学性质的影响227

一、高压脉冲电场预处理果蔬细观结构变形试验研究227

二、高压脉冲电场预处理对果蔬细观力学性质的影响228

第三节对果蔬黏弹性及动态力学性质的影响235

一、蠕变实验235

二、高压脉冲电场预处理果蔬动态黏弹性力学性质试验研究240

三、脉冲电场预处理液态状果蔬流变性质试验研究247

第七章高压脉冲电场对果蔬品质的影响/257

节高压脉冲电场作用于果蔬对主要营养成分的影响257

一、果蔬营养素含量的测定试验257

二、模型的建立258

第二节高压脉冲电场作用于果蔬对外观及感官品质的影响261

一、果蔬物性的测定试验262

二、模型的建立与分析263

结语/267

参考文献/268

本书内容涉及现代农业工程新技术、农产品加工新技术、农业生物力学等研究应用领域，阐述高压脉冲电场在农产品加工中的应用，低能耗真空冷冻干燥新技术，果蔬等植物生物力学性质的相关基础研究及理论分析。所讲技术处于新技术应用基础研究前沿，具有一定的先进性。

主要内容包括：高压脉冲电场与真空冷冻干燥技术在果蔬加工中的应用、果蔬真空冷冻干燥加工工艺研究、果蔬高压脉冲电场预处理参数优化与作用机理研究、高压脉冲电场预处理对果蔬冻干加工过程的影响、果蔬介电特性的研究与应用、高压脉冲电场对果蔬生物力学性质的影响、高压脉冲电场对果蔬品质的影响。

本书可供农业院校、农业类科研院所的科研人员和师生参考使用。

本书内容涉及现代农业工程新技术、农产品加工新技术、农业生物力学等研究应用领域，并处于相关新技术应用基础研究前沿，具有一定的先进性。