基于介电特性和NMR信号不均衡波动的姜片微波干燥水分流动模型与调整机制研究

In order to reveal the flow characteristics and regularity model of moisture during the microwave drying of ginger slices, and based on the unbalanced fluctuation of dielectric properties and nuclear magnetic resonance (NMR) signals, the effects of process regulation on the drying uniformity of ginger slices were research, and the dielectric constant, dielectric loss factor, microwave penetration depth and “NMR signal amplitude- relaxation time T2” curves of materials were expounded during microwave hot-airflow rolling bed drying (MARD). The relationship model between total NMR signal amplitude A2i (bond water A21, immobilized water A22, free water A23 and total water A2) and moisture ratio MR was established through the measurement of A2i and MR on the materials in different MARD stages, and the empirical model of “MR -drying time t” was fitted and analyzed at the same time. Based on the uniformity of MARD, the fitting goodness of “A2i-MR” and “MR-t” models in different sample spaces and drying stages was researched. The "A2i-MR-t" coupling model was established to characterize the flowing characteristics of moisture during the MARD of ginger slices. Based on dielectric properties, NMR signals, microstructure, calorific value and other intrinsic factors, the dynamic adjustment mechanism of the flow process of moisture was elaborated The implementation of the project provides a theoretical basis for improving the uniformity of high-moisture agricultural products during microwave drying.

项目以揭示姜片在微波干燥过程中的水分流动特性和规律性模型为研究目标，从物料介电特性和核磁共振（NMR）信号不均衡波动出发，研究微波热风滚动床干燥（MARD）过程调控对姜片干燥均匀性的影响，阐述物料介电常数、介电损耗因子、微波穿透深度以及NMR弛豫时间T2对应信号幅度的变化规律。通过不同MARD阶段样本的NMR信号和水分比MR，建立NMR信号量（结合水A21、不易流动水A22、自由水A23以及总水分A2）与MR之间的关系模型，同时拟合分析MR与干燥时间t的经验模型。针对干燥均匀性，研究不同样本空间和干燥阶段“A2i-MR”关系模型、“MR-t”经验模型的拟合优度。建立表征姜片MARD过程水分流动特性的“A2i-MR-t”耦合关系模型，结合介电特性、NMR信号、显微结构、热值变化等内在因素阐述水分流动过程的动态调整机制。项目的实施为改善高水分农产品微波干燥均匀性提供理论依据。

为提高微波干燥的均匀性，提升生姜干品等农特产品资源的品性，揭示引起微波干燥品质变化的内在机制。项目以姜片为主要物料，研究微波干燥均匀性调控过程。针对试验平台，优化设计了微波热风干燥平台，对多馈源微波溃口进行仿真优化，同时建立V型导流板优化热风排布，项目通过三维建模和有限元分析，模拟和论证了微波源分布模式和场强均匀性。针对热风送风系统提出了两种导流模式，即平行偏转模式和V形偏转模式，并利用有限元模型对其进行分析，确定与干燥器配合使用的最优模式。V形偏转板将材料上的风速从1.1 m/s减小到0.36 m/s，从而显著提高了均匀性，但使用平行偏转板时，局部均匀性没有明显改善。.针对干燥过程，采用微波热风滚动床干燥设备（MHARD）对姜片进行干燥，研究MHARD技术对姜片进行脱水的机理，以获得高质量的成品。根据姜片的LF-NMR/MRI信号和介电特性在MHARD过程中的变化来研究其水分含量、状态和迁移。并联系其干燥特性、微观结构和颜色分布。研究发现，干燥速率呈现典型的快速上升-稳定-下降趋势，在干燥过程中，姜片中的自由水逐渐降低。结合水和不易流动水先增加后降低。样品的介电常数和损耗因子随含水率的降低而逐渐减小，并与含水率呈现对数变化关系。同时，建立了姜片脱水动力学模型，为预测干燥过程中姜片水分迁移、水分分布和介电特性提供了理论支持。.针对干燥品质，比较了不同MHARD干燥工艺对生姜的干燥特性、微观结构、物理性质、热稳定性、晶体结构、功能成分、抗氧化活性、风味特性以及挥发性成分含量的影响，微波功率和热风温度对干姜有显著影响。微波功率对生姜的物理性质影响较大。热风温度和微波功率的增加降低了生姜的抗氧化活性。不同的挥发性化合物具有不同的性质，微波功率和热空气温度的影响也不同。适当的微波功率和热空气温度可以提高生姜的干燥效率，减少功能成分、抗氧化活性和挥发性化合物的破坏。干姜的营养价值和储藏价值可以提高。