高压脉冲电场对果蔬介电特性影响的试验研究

马飞宇，郭玉明

（山西农业大学工学院，山西 太谷030801）

采用高压脉冲电场预处理对提高果蔬干燥速率效果明显，作为预处理工艺应用于加工时间长、能耗大的真空冷冻干燥有很好的应用前景［1～4］。近年来，国内外学者针对高压脉冲电场的特点进行了一系列在农产品加工领域的应用研究［5～7］。刘振宇等［8］研究了高压脉冲电场对果蔬类胡萝卜素含量、维生素C含量、多酚氧化酶活性和维生素C氧化酶活性的影响。李婷婷［9］研究高压脉冲电场处理对大蒜、洋葱和生姜采后抗氧化物质的影响，发现高压脉冲电场不同强度处理大蒜、洋葱和生姜产生的影响效果不同。T R Bajgai和F Hashinaga［10］通过高压电场对菠菜叶干燥的研究发现高压电场干燥时物料不升温，干燥速度快，能很好的保存物料的营养元素。针对高压脉冲电场电参数对果蔬介电特性的影响方面的研究较少，本文研究了苹果在高压脉冲电场作用下表现出的介电特性变化，建立了高压脉冲电场参数与苹果介电特性的关系模型，并通过干燥实验验证获得了高压脉冲电场预处理工艺的最优参数组合。

1 试验材料与方法

1．1 材料

选取太谷本地产红富士苹果作为试材，新鲜成熟、无机械损伤、大小相近。

1．2 仪器设备

3532－50型LCR测试仪；ECM830高压脉冲电场发生器，美国BTX公司，其脉冲电压幅值、脉冲宽度和重复频率均可调节，脉冲波形为矩形，处理室形状为方形，电极为20mm×20mm的方形不锈钢平板，电板间距可调；电热恒温鼓风烘箱（设定温度80℃）；精度为0．01g的电子天平。

1．3 试验方法

1．3．1 样品制作

取新鲜的苹果，洗净去皮，切成20mm×20 mm×3mm的片状样本，用聚乙烯薄膜密封保存待测。

1．3．2 高压脉冲电场预处理

应用ECM830型高压矩形脉冲电场发生器对苹果样本分别进行处理，将样本置于电极为20 mm×20mm的方形不锈钢平板间受脉冲电场作用。高压脉冲波形为单极矩形波，各工作参数的调节范围为：脉冲电压5～3000V，脉冲宽度10μs～10s，脉冲间隔100ms～10s，脉冲个数1～99个。

1．3．3 介电特性的测定

采用3532－50型LCR测试仪测量高压脉冲电场处理后果蔬的介电特性时，应用电学模型，在已设定的频率下将待测样本等价为等效电阻与等效电容的并联或串联电学系统，只需测量出苹果片状样本的等效电容和等效电阻，经过电学模型的换算，即可得到相应果蔬物料的介电参数。

1．3．4 干燥速率的测定

采用DHG－9023A型电热恒温鼓风干燥箱对苹果样本进行干燥脱水，鼓风干燥温度设定为80℃。每隔20min称一次重量，称重采用精度为0．01g的电子天平，计算其干燥水率。

式中：φ为干燥速率／g·min－1；

mt1为苹果在干燥前t1时刻的质量／g；

mt2为苹果在干燥前t2时刻的质量／g；

Δt为干燥时间／min。

苹果在不同脉冲电压、脉冲频率的高压脉冲单极矩形波处理后，经LCR测试仪进行测量，其测试电压为1V，测试频率范围从102～106Hz，选择1000Hz为频率测试点，测量苹果的电学参数进行观察及分析。

1．4 数据统计

利用SAS统计分析软件的glm模块对数据进行回归处理，结果如表1～表4所示。

2 结果与分析

2．1 电容与脉冲电压、脉冲频率关系模型

对不同脉冲电压、脉冲频率下苹果的等效电容进行测量，数据分析结果如表1、表2所示。

表1 完全线性回归方差分析表Table 1 Complete linear regression analysis of variance

表2 完全线性回归的参数估计及其t检验Table 2 Parameters estimation of linear feedback and t test

回归分析表明，最优回归模型的显著性检验概率＜0．0001，决定系数0．9314，说明最优回归模型极显著并有较高的拟合精度。回归截距和回归系数的显著性检验概率均为＜0．0001，说明回归模型中各个参数的检验显著。由表2得苹果等效电容与脉冲电压、脉冲频率的数学模型：

式中：y－苹果的等效电容；

x1－脉冲电场的脉冲电压；

x2－脉冲电场的脉冲频率。

2．2 电容与脉冲电压、脉冲频率的关系曲线

根据回归方程对等效电容与脉冲电压、脉冲频率进行三维坐标图绘制，如图1所示。

由图1可见，苹果等效电容随脉冲电压、脉冲频率的增大均呈减小趋势。

图1 等效电容与脉冲电压、脉冲频率的三维关系图Fig．1 The three－dimensional diagram of equivalent capacitance and pulse voltage，pulse frequency

2．3 阻抗与脉冲电压、脉冲频率关系模型

对不同脉冲电压、脉冲频率下苹果的等效阻抗进行测量，结果如表3、表4所示。

回归分析表明，最优回归模型的显著性检验概率＜0．0001，决定系数0．9917，说明最优回归模型极显著并有较高的拟合精度。回归截距和回归系数的显著性检验概率均为＜0．0001，说明回归模型中各个参数的检验显著，建立脉冲电压、脉冲频率与苹果等效阻抗的二元一次回归模型：

式中：y－苹果样本的等效阻抗；

x1－脉冲电场的脉冲电压；

x2－脉冲电场的脉冲频率。

表3 完全线性回归方差分析表Table 3 Complete linear regression analysis of variance

表4 完全线性回归的参数估计及其t检验Table 4 Parameters estimation of linear regression and t test

2．4 阻抗与脉冲电压、频率的关系曲线

根据回归方程对等效阻抗与脉冲电压、脉冲频率进行三维关系图绘制，如图2所示。

由图2可见，苹果等效阻抗随脉冲电压、脉冲频率的增大均呈减小趋势。

图2 等效阻抗与脉冲电压、脉冲频率的三维关系图Fig．2 Three－dimensional diagram of equivalent impedance and pulse voltage，pulse frequency

2．5 工艺参数的优化

对苹果施加高压脉冲电场脉冲电压为1000～1500V，脉冲频率为30～90Hz，脉冲个数为15～45个的高压矩形脉冲波，采用Box－Behnken方法［11，12］，以x1、x2、x3 3个自变量分别表示脉冲电压，脉冲频率，脉冲个数，对各苹果采取脱水处理，每隔20min称一次重量，计算其干燥水率。试验自变量因素编码及水平如表5所示。按式（1）计算其干燥速率，并将其作为响应值，试验测定结果如表6所示。

表5 试验因素水平表Table 5 Experiment factors level

表6 试验设计与结果Table 6 Experiment design and result

由表6可见，经高压脉冲电场预处理后苹果的干燥速率在开始的20min比较明显，因此选择此时数据进行分析［13］。经岭脊分析表明，苹果干燥速率的最大响应值是0．050 532，其所对应的搜索半径为1．0，岭脊点坐标为1474．698 934（x1）、87．806 409（x2）、46．165 912（x3）。该试验目的追求最大的干燥速率，故选择最大响应岭脊点作为最佳处理，则高压脉冲电场的最佳工艺参数组合为脉冲电压为1480V，脉冲频率为88Hz，脉冲个数为46个。

当脉冲频率为88Hz时，脉冲电压、脉冲个数与干燥速率的响应面图如图3所示。由图3可以看出，脉冲电压（x1）与脉冲个数（x2）的组合有较大的干燥速率（z），最大干燥速率预测值达0．0400 g·min－1。

图3 脉冲频率为88Hz时干燥速率与脉冲电压、脉冲个数的响应面Fig．3 Response surface of the drying rate and pulse voltage，pulse number when pulse frequency is 88Hz

3 讨论与结论

（1）在试验结果的基础上，建立了介电特性与高压脉冲电场中脉冲电压、脉冲频率的预测模型。

（2）绘制了苹果等效电容及等效阻抗与脉冲电压、脉冲频率的三维关系图，由图明显看出等效电容及等效阻抗均随脉冲电压、脉冲频率的增大而减小。

（3）通过对苹果进行脱水干燥试验验证，高压脉冲电场的最优参数组合是脉冲电压为1480V，脉冲频率为88Hz，脉冲个数为46个。研究高压脉冲电场参数对果蔬介电特性的影响，对于认识电磁场作用对果蔬细胞的作用机理，了解电磁场对果蔬的影响，以及真空冷冻干燥预处理果蔬加工工艺参数优化等方面均有指导意义。

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