果蔬高壓脈衝電場預處理及低能耗凍幹工藝（簡體書）

果蔬在農產品種類中占有重要比重，但是由於果蔬的含水率很高，在微生物作用下容易腐爛變質，導致果蔬的損耗嚴重。因此，為了降低果蔬的損耗，延長保存期，常采用幹燥脫水的方法生產幹制品。目前，我國的農產品和食品的脫水幹燥絕大多數是采用熱風幹燥的方法，但是熱風幹燥存在生產效率低而且色澤品味和復水性較差等缺點，不能滿足大眾的需求。近年來興起的真空冷凍幹燥加工技術是以低溫冷凍的方式進行脫水，由於是低溫脫水，其產質量量比熱風幹燥、紅外幹燥和微波幹燥等方法更佳，能最大限度地保留果蔬中原有的營養成分，而且殘餘的含水量很低，貯藏中一般不會引起水溶性成分的變化，是農產品加工的一種新技術。但是真空冷凍幹燥技術存在著設備成本過高、能量消耗大以及加工時間長等缺點。因此，在保證產質量量的同時，實現節能降耗、縮短凍幹時間、減少工序、降低生產成本就成為真空冷凍幹燥技術面臨的主要問題。
高壓脈衝電場（high pulsed electric field，HPEF）預處理技術是近年來研究較多的非加熱處理技術之一，具有傳遞快速均勻、處理時間短、能耗低、產熱少等優點，並能避免由於熱加工造成的多種損害。高壓脈衝電場是以脈衝波的形式作用於果蔬細胞，使果蔬的細胞組織結構、細胞內的微生物、酶、水分以及營養成分等發生改變，達到殺菌、幹燥、鈍酶、物質定向改性等目的。高壓脈衝電場用於幹燥預處理，能夠在極短的時間內因高壓脈衝電場力的作用使果蔬的內部組織結構發生改變，果蔬中的水分子因受電場的作用而形成了有序排列；同時高壓脈衝電場能夠改變細胞膜的通透性，從而提高果蔬的幹燥速率。因此，高壓脈衝電場預處理技術具有降低幹燥能耗、減少產質量量的破壞、提高幹燥速率和縮短幹燥時間等優勢，在農產品如蘋果、椰子、胡蘿卜、紅辣椒、馬鈴薯等的幹燥加工中已經有廣泛的應用。將高壓脈衝電場預處理技術與真空冷凍幹燥技術結合對果蔬進行凍幹加工，具有幹燥時間短、營養成分損失少等優勢，在農產品的保鮮與加工方面有著廣闊的應用前景。
我們團隊在五項國家自然基金、兩項科技攻關等項目支持下，研究探索了高壓矩形脈衝電場預處理對果蔬真空冷凍幹燥脫水特性、果蔬材料物性等方面的影響以及低能耗凍幹工藝優化等，通過理論分析和實驗分析相結合的方法，從宏觀和微觀層面研究高壓脈衝電場對果蔬的作用機理，探索高壓脈衝電場對果蔬微觀結構和生物力學性能的影響機制，獲得了高壓脈衝電場預處理果蔬凍幹的最佳工藝參數。團隊還具體進行了果蔬真空冷凍幹燥加工工藝研究，果蔬高壓脈衝電場預處理參數優化與作用機理研究，高壓脈衝電場預處理對果蔬凍幹加工過程的影響，果蔬介電特性的研究與其在凍幹加工中的應用，高壓脈衝電場對果蔬生物力學性質的影響，高壓脈衝電場對果蔬質量的影響，以及高壓脈衝電場技術對果蔬農藥殘留降解作用、對紅酒催陳效果等方面的研究。
上述研究成果構成的本著作包括作者團隊發表的近百篇研究論文、博士/碩士學位論文、國際國內會議報告及墻報等內容，由山西農業大學郭玉明教授、崔清亮教授，郝新生、劉振宇、李曉斌、武新慧、段智英副教授，太原理工大學吳亞麗副教授合著，還收錄了姚智華、劉麗娟、王穎、馬飛宇、張建華、張鶴嶺、馮慧敏、鄭欣欣、王冉、溫海軍、周高峰等團隊成員的部分實驗內容，全書由郭玉明、武新慧整理統稿。
本書的出版旨在系統總結整理相關研究成果，為高壓脈衝電場預處理真空冷凍幹燥技術的推廣應用，以及高壓脈衝電場技術在農產品加工中的應用提供參考。同時在研究中運用農業生物力學、農業生物電磁學、農業生物細觀力學，從宏觀微觀層面全方位分析探討了電場對果蔬物料的作用機理，冷凍幹燥過程傳熱傳質機理及能耗模型建立，介電特性與凍幹含水率的相關關係等，豐富了農業物料力學的理論及應用。

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第一章高壓脈衝電場與真空冷凍幹燥技術在果蔬加工中的應用/001
第一節真空冷凍幹燥技術在果蔬幹燥加工中的應用001
一、冷凍幹燥的基本原理001
二、冷凍幹燥的基本過程002
三、真空冷凍幹燥技術在果蔬幹燥加工中的應用研究003
第二節高壓脈衝電場技術在果蔬加工中的應用005
一、高壓脈衝電場對物料細胞作用機理方面的研究006
二、高壓脈衝電場預處理在幹燥加工中的應用006

第二章果蔬真空冷凍幹燥加工工藝研究/007
第一節果蔬凍幹參數對真空冷凍幹燥加工能耗的影響008
一、物性參數008
二、試驗分析010
三、過程參數對凍幹能耗影響的研究022
第二節果蔬真空冷凍幹燥過程模型與傳熱傳質機理研究036
一、升華幹燥階段的傳熱傳質036
二、解析幹燥階段的傳熱傳質037
三、冷凍幹燥過程數學模型的研究現狀及進展037
四、一般果蔬物料凍結模型的建立041
五、無相變降溫階段的模型及定解條件041
六、凍結階段的模型與定解條件042
七、再降溫過程的模型方程與定解條件043
八、幾種常見形狀物料的凍結模型043
九、凍結模型的求解049
十、一般果蔬物料升華-解析模型的建立——升華幹燥過程的數學模型055
十一、解析幹燥過程的數學模型059
十二、幾種常見形狀物料的升華-解析模型060
十三、真空冷凍幹燥過程的Stefan（斯忒藩）問題069
第三節果蔬真空冷凍幹燥水分在線監測系統研究076
一、測量系統的環境條件及設計要求077
二、稱量部分的性能測試及誤差分析083
第四節運用圖像處理技術在線監測真空凍幹果蔬含水率086
一、顏色測量技術及其應用研究進展086
二、紋理特征分析技術及其研究進展087
三、應用顏色測量與分析技術實時監測果蔬凍幹含水率087
四、應用紋理分析技術實時監測果蔬凍幹含水率102
五、圖像紋理特征值與樣本含水率相關性分析109

第三章果蔬高壓脈衝電場預處理參數優化與作用機理研究/124
第一節高壓脈衝電場預處理果蔬介電特性與脫水特性相關性研究124
一、高壓脈衝電場預處理工藝參數124
二、高壓脈衝電場預處理技術在果蔬幹燥中的應用125
三、農業物料介電特性概念及測量125
四、電磁場參數對農業物料介電特性的影響126
五、溫度對農業物料介電特性的影響126
六、外形參數對農業物料介電特性的影響126
七、水與離子行為對農業物料介電特性的影響127
八、高壓脈衝電場預處理果蔬介電特性與脫水特性相關性試驗研究127
第二節高壓脈衝電場預處理果蔬幹燥溫度對介電特性的影響134
一、試驗材料與方法134
二、試驗結果與分析136
第三節高壓脈衝電場預處理對果蔬介電、脫水特性影響機理分析143
一、高壓脈衝電場預處理對果蔬介電特性影響機理分析143
二、高壓脈衝電場預處理對果蔬脫水特性影響機理分析146

第四章高壓脈衝電場預處理對果蔬凍幹加工過程的影響/147
第一節高壓脈衝電場對果蔬凍幹細胞結構及凍幹速率的作用效應147
第二節基於格子玻耳茲曼(Boltzmann)方法分析果蔬真空冷凍幹燥速率158
一、格子Boltzmann方法簡介158
二、果蔬真空冷凍幹燥過程模型的建立159
三、模型的驗證161
第三節高壓脈衝電場對果蔬凍結過程及其冰晶形成的影響164
一、高壓脈衝電場對果蔬凍結過程及其微結構與質量的影響164
二、不同高壓脈衝電場處理對果蔬凍結速度的影響166
三、不同高壓脈衝電場處理對果蔬成核的影響167
四、不同高壓脈衝電場處理對解凍果蔬質量的影響168
五、不同高壓脈衝電場處理對果蔬解凍後質構的影響169
六、高壓脈衝電場對果蔬微觀結構的影響169
七、高壓脈衝電場預處理果蔬低能耗凍幹工藝研究170

第五章果蔬介電特性的研究與應用/182
第一節果蔬介電特性檢測及可調探針式電極的設計與試驗182
一、果蔬介電特性與電學模型的建立182
二、可調探針式電極參數對蘋果介電參數測量的影響試驗184
三、４針型探針式電極參數對蘋果介電特性測量結果的影響189
第二節果蔬凍幹過程含水率無線監測系統設計與試驗196
一、系統設計總述196
二、測量裝置設計197
三、電容傳感器設計197
四、溫度傳感器設計199
五、ZigBee終端節點設計200
六、收發器設計201
七、上位機軟件設計201
八、果蔬無線檢測裝置性能評估實驗201

第六章高壓脈衝電場對果蔬生物力學性質的影響/203
第一節對果蔬宏觀力學性質的影響203
一、果蔬宏觀力學性質試驗方案及設計203
二、果蔬剪切性質試驗研究206
三、果蔬硬度試驗研究211
四、果蔬壓縮力學性質試驗研究213
五、壓痕法測試果蔬力學性質的試驗方法研究219
第二節對果蔬細觀力學性質的影響227
一、高壓脈衝電場預處理果蔬細觀結構變形試驗研究227
二、高壓脈衝電場預處理對果蔬細觀力學性質的影響228
第三節對果蔬黏彈性及動態力學性質的影響235
一、蠕變實驗235
二、高壓脈衝電場預處理果蔬動態黏彈性力學性質試驗研究240
三、脈衝電場預處理液態狀果蔬流變性質試驗研究247

第七章高壓脈衝電場對果蔬質量的影響/257
第一節高壓脈衝電場作用於果蔬對主要營養成分的影響257
一、果蔬營養素含量的測定試驗257
二、模型的建立258
第二節高壓脈衝電場作用於果蔬對外觀及感官質量的影響261
一、果蔬物性的測定試驗262
二、模型的建立與分析263

結語/267

參考文獻/268 More