馬鈴薯薄片干燥過程熱變形量分析

李雅琪，張鵬起，蔡健榮，白竣文，孫 力,,*

（1.江蘇科技大學糧食學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212004；2.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

馬鈴薯作為三大主糧的補充，具有“營養(yǎng)之王”的美稱[1]，其種植面積廣，產(chǎn)量大，屬于季節(jié)性收獲農(nóng)作物，由于含水率高達80%左右，干燥處理是馬鈴薯貯存的有效措施[2]。在結構上，馬鈴薯多孔性和吸濕性的特性導致其干燥過程中會形成收縮或卷曲而影響外觀品質[3]，而外觀形態(tài)亦是馬鈴薯干制品的重要感官品質指標[4-6]。

物料干燥過程外觀測量的傳統(tǒng)方法主要包括游標卡尺測量法、固體置換法和液體置換法，對其周長、寬度、厚度及體積[7-9]等參數(shù)進行手工測量。為避免人工測量的主觀性，機器視覺技術逐步應用與干燥過程的形態(tài)測量，宮元娟等[10]采集香菇干燥前后圖像并結合數(shù)字圖像處理技術計算投影面積，用以分析香菇干燥前后的面積收縮率；Ortiz-García-Carrasco等[11]利用相機對土豆條截面進行成像，提取輪廓形狀、周長、橫截面等參數(shù)，用于評估收縮變化規(guī)律；Onwude等[12]將計算機視覺和激光散射成像系統(tǒng)組合應用，研究甘薯干燥過程中的含水率及顏色變化，從而建立快速無損監(jiān)測甘薯干燥過程中品質參數(shù)變化的可靠方法；盧越[13]設計了一套具有色澤校正功能的物料干燥過程色澤實時檢測系統(tǒng)，使用基于多項式回歸的色澤校正方法研究了溫濕度對片狀杏鮑菇干燥過程的影響；宋鎮(zhèn)等[14]采用高光譜成像技術，利用其圖像顏色信息提取杏鮑菇干燥過程中的紋理特征，研究杏鮑菇干燥過程中含水率的變化。以上研究均表明，機器視覺技術在檢測干燥物料的二維投影特征、顏色特征和紋理特征方面具有較高的精度，且與收縮特性、干燥特性和含水率等干燥參數(shù)具有很高的相關性。

在物料干燥過程三維形態(tài)分析方面的研究大多集中于仿真分析[15-17]，通過建立物料和干燥環(huán)境的物理模型，采用線性彈性模型、彈塑性模型和黏彈性模型等理論形變模型對物料干燥過程中的體積、高度和直徑等物性參數(shù)進行規(guī)律性分析；而針對干燥過程三維形變的測量方面研究較少，Hansson等[18]采用CT圖像對木材進行三維重構，表明該方法可用于預測徑向和切向的收縮系數(shù)；Sampson等[19]通過在干燥蘋果片頂部和側面部位安裝相機獲取其輪廓與厚度的變化情況，以此反映其形態(tài)變化規(guī)律；蔡健榮等[20]采用Kinect傳感器獲取馬鈴薯薄片深度圖像，通過分析發(fā)現(xiàn)低溫（50 ℃和60 ℃）與高溫（70 ℃和80 ℃）對馬鈴薯薄片干燥時的收縮率、卷曲程度具有顯著影響。由于物料干燥過程中形態(tài)屬慢速變化過程，Kinect傳感器的低檢測精度[21-22]造成干燥過程三維信息的量化以及規(guī)律分析略顯粗糙；而干燥過程中易產(chǎn)生卷曲等現(xiàn)象，側面相機往往無法全面表征干燥過程中物料厚度變化情況。

本實驗擬利用三維立體成像技術，以馬鈴薯為研究對象，采用Gocator 3210三維傳感器[23]捕獲馬鈴薯薄片干燥過程中的三維點云信息，并將高度信息轉換至2.5D灰度圖像，采用數(shù)字圖像處理方法，對時變翹起高度（后簡稱“高度”）信息進行處理，分析干燥過程中馬鈴薯薄片的高度變化規(guī)律，并分析馬鈴薯厚度和直徑對高度的影響，以期為物料干燥過程中品質變化檢測提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮馬鈴薯購于鎮(zhèn)江市京口區(qū)農(nóng)貿市場，品種為‘荷蘭’馬鈴薯。

1.2 儀器與設備

隧道式熱風干燥機（圖1）[13]本實驗室自制；Gocator3210三維快照式傳感器 加拿大LMI科技公司；YP電子天平 上海力辰儀器科技有限公司；多功能果蔬手搖切片機 江蘇拜杰設備有限公司。

圖1 隧道式熱風干燥機Fig. 1 Picture and schematic diagram of tunnel hot air dryer

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

馬鈴薯樣品（初始含水率為（79.28±0.50）%）經(jīng)水洗、去皮，用切片機加工成馬鈴薯薄片，馬鈴薯薄片的直徑分別為22、33、44 mm，厚度分別為1、3、5 mm。使用的干燥裝置為自制隧道式熱風干燥機，其溫度控制精度為±1 ℃，相對濕度控制精度為±3%。將熱風干燥機的系統(tǒng)參數(shù)設置為溫度70 ℃、風速4 m/s、相對濕度10%，待熱風干燥機運行34 min[24]，放入6 片待干燥馬鈴薯薄片，其中4 片用于獲取高度方面的形變參數(shù)，2 片用于測定質量，每隔5 min使用檢測精度為0.035 mm的Gocator3210三維快照式傳感器進行1 次三維數(shù)據(jù)采集，獲取實時的馬鈴薯薄片的形態(tài)，三維采集平臺如圖2所示。當馬鈴薯薄片的質量連續(xù)3 次測量無變化時，終止干燥并關閉熱風干燥機，每次干燥時間約為75 min。每組馬鈴薯薄片的干燥實驗重復兩次，即每組可獲得8 片馬鈴薯薄片的三維點云。

圖2 三維采集平臺示意圖Fig. 2 Schematic diagram of 3D data acquisition device

1.3.2 圖像處理方法

1.3.2.1 生成2.5D灰度圖像

所獲取的三維點云數(shù)據(jù)具有檢測精度高的優(yōu)勢，但其數(shù)據(jù)量龐大，后續(xù)點云處理實時性差，因此，本研究僅選取了高度信息用于后續(xù)處理，并將其轉換至位深為16 bit的2.5D灰度圖像，圖像灰度值與馬鈴薯薄片的高度值呈線性關系。經(jīng)標準高度塊標定，本研究中圖像灰度值和高度值對應關系如式（1）所示，所轉換的圖像及其三維圖如圖3所示。

式中：i和j為灰度圖像的像素點位置以及高度圖像像素點的位置；G（i，j）為圖像像素點（i，j）的灰度值；H（i，j）為高度圖像中（i，j）點的高度值。

由圖3可知，在特氟龍絨布上的馬鈴薯片明顯高于背景部分，具有較好的區(qū)分性；部分馬鈴薯片表面存在孔洞，經(jīng)分析，孔洞來源于馬鈴薯片表面的水所產(chǎn)生反光，造成相機立體匹配失?。辉隈R鈴薯片邊緣區(qū)域，存在部分混合像素現(xiàn)象，即馬鈴薯片向背景過渡時存在部分誤匹配點，且在該區(qū)域存在較多的離群點。

圖3 馬鈴薯薄片的灰度圖（A）及三維圖（B）Fig. 3 Grayscale images (A) and 3D plots (B) of potato slices

1.3.2.2 圖像處理的流程

針對所獲取圖像的特點，本研究所采用的圖像處理過程如圖4所示，主要包括閾值分割、孔洞填充、形態(tài)學處理（腐蝕）和中值濾波，其中閾值分割用于將馬鈴薯薄片進行精確的區(qū)域提取，通過圖像灰度直方圖分析發(fā)現(xiàn)，背景與馬鈴薯薄片在圖像上的灰度值分布具有明顯的雙峰分布特征，因此本研究采用雙峰閾值法，經(jīng)人工觀察干預，取直方圖谷底灰度值27 400作為馬鈴薯薄片閾值分割的閾值；孔洞填充用于填補由水引起的孔洞現(xiàn)象及部分離群點，本研究采用以該點為中心的7×7像素矩陣區(qū)域灰度平均值對進行灰度值填充；形態(tài)學處理主要是去除馬鈴薯片邊緣部分的混合像素；中值濾波選用2×2像素矩陣區(qū)域，用于修補部分由于卷曲過大存在的大片孔洞區(qū)域。

圖4 圖像處理流程圖Fig. 4 Flow chart of digital image processing

1.3.3 高度均值變化率的計算

為探索干燥過程中馬鈴薯薄片在高度方向的時變規(guī)律，本研究提取了高度均值變化率為指標進行量化分析。在三維相機采樣之前已對場景進行基準面校正，因此，所獲得的最終數(shù)據(jù)均為真實高度值，所有數(shù)據(jù)記為集合M，通過圖像處理后，按式（2）計算馬鈴薯薄片圖像中高度均值（H），代入式（3）計算高度均值變化率（F）。

式中：Ht為干燥t時刻馬鈴薯薄片高度均值；H0為干燥初始時刻馬鈴薯薄片高度均值；H（i，j）為高度圖像任意像素點（i，j）的高度值；m為集合M中點的個數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究圖像處理使用Halcon函數(shù)庫，主要使用了圖像的閾值分割函數(shù)、濾波相關函數(shù)、形態(tài)學處理等圖像處理函數(shù)，同時結合Halcon軟件自帶的數(shù)學計算算子對數(shù)據(jù)進行初步處理。實驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件和MATLAB軟件進行處理，使用MATLAB的cftool工具進行數(shù)據(jù)擬合。采用MATLAB軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 干燥過程中馬鈴薯薄片的高度時變

以厚度為3 mm、直徑為33 mm的馬鈴薯薄片干燥過程為例，熱風干燥0～75 min，采樣間隔5 min，等高距為0.3 mm，偽彩色標尺顯示范圍為1～4 mm的高度時變等高線圖如圖5所示。

圖5 干燥過程中馬鈴薯薄片高度時變等高線圖Fig. 5 Contour plots showing height variations of potato slices during drying

從馬鈴薯薄片正投影角度分析，隨著干燥過程的進行，物料脫水時內外壓力不平衡導致其產(chǎn)生收縮形變，馬鈴薯薄片在投影面積上逐漸減少，其圓形度也逐漸減小。

從馬鈴薯薄片高度時變角度分析，其高度變化主要經(jīng)歷了3個階段：1）干燥起始階段（0～10 min），馬鈴薯薄片溫度場分布不均勻，內圈溫度低于外圈[25]，造成干燥過程中不同位置失水速度不一致，引起了馬鈴薯薄片規(guī)律性的翹曲，即高度從內圈到外圈逐漸增大，內圈高度低于切面厚度，外圈產(chǎn)生翹曲，其高度大于切片厚度；2）干燥中期（15～30 min），物料毛細管及固體骨架中的水分開始向外遷移，熱應力隨著水分比的減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢[6]，當內部熱應力大于支撐細胞壁的膨壓時，導致微孔結構產(chǎn)生坍塌[26]，在此過程中馬鈴薯薄片整體高度下降至原始切片厚度以下，由于物質結構的差異性導致其高度分布呈現(xiàn)不規(guī)律性，同時該過程使得馬鈴薯薄片整體溫度趨于一致，整體的翹曲不明顯；3）干燥后期（35～75 min），該階段的熱應力逐漸減小，細胞內的水分逐漸外遷，馬鈴薯薄片固體骨架由彈性狀態(tài)逐步轉化為玻璃態(tài)[25]，馬鈴薯薄片呈現(xiàn)硬化卷曲，高度級數(shù)不斷升高，并在50 min時馬鈴薯薄片骨架基本定型，隨后高度分層基本不發(fā)生改變，但卷曲現(xiàn)象更明顯。

2.2 干燥過程中馬鈴薯薄片高度均值時變分析

馬鈴薯薄片在干燥過程中隨時間的高度均值變化率如圖6所示，在干燥過程中馬鈴薯薄片的高度均值變化率大體上呈先下降后上升的趨勢。在干燥前期，馬鈴薯薄片表層和細胞間的水分被蒸發(fā)，該過程對物料的收縮影響不大[27]，因此，不同直徑、厚度的馬鈴薯薄片的高度均值變化率較為一致，大體上呈下降趨勢。在干燥進行一段時間后，細胞膜坍塌[28]，細胞內的水分逐漸向外遷移，導致高度均值變化率存在由降低轉為上升的拐點。在干燥后期，高度均值變化率開始上升，馬鈴薯薄片從彈性狀態(tài)轉化為玻璃態(tài)，由于橡膠態(tài)物質在固體基質中具有強移動性，而在玻璃態(tài)則由于高黏度性減弱了移動性，使馬鈴薯薄片的硬化速率加快[15]。由于馬鈴薯薄片成分和結構復雜[29]，在此過程中不同組別之間呈現(xiàn)出很大的差異性，同時不同直徑對最終的高度均值影響很大。根據(jù)高度均值變化率的時變特性，選取拐點位置（高度均值變化率最小值所對應的位置）和干燥終止時的高度均值變化率為指標，對其影響及結果進行量化。

圖6 干燥過程中馬鈴薯薄片高度均值變化率圖Fig. 6 Rates of change in mean height of potato slices with different thicknesses during drying

不同厚度和直徑的馬鈴薯薄片在干燥過程中，拐點和終止點的高度均值變化率及8 片不同馬鈴薯薄片之間的高度均值變化率和方差如表1所示。除了厚度為1 mm、直徑為22 mm的馬鈴薯薄片未出現(xiàn)負向均值變化率，其他的馬鈴薯薄片在拐點處的高度均值變化率均為負數(shù)，即拐點處的高度均值均低于起始；相對于終止點，拐點處的高度均值變化率和方差具有更好的一致性，厚度和直徑對其影響較小。

表1 拐點和終止點的高度均值變化率及高度均值變化率方差Table 1 Rates of change in mean height and inter-individual variances at inflection and end points

在拐點處，直徑對拐點的高度均值變化率和方差均影響不大，且無明顯規(guī)律；隨著厚度的增加，拐點處的均值變化率也增大，在厚度為5 mm時，其高度均值變化率平均值達到－39.55%，即在高度方向降低了約2 mm，而其方差則隨厚度的增加而減小，不同個體之間變化較為一致。

在終止點處，隨著直徑的增大，高度均值變化率與方差都升高；與之相反，隨著厚度的增大，均值變化率與方差都減小。厚度為1 mm、直徑為44 mm的馬鈴薯薄片高度均值變化率和方差分別達到了317.38%和199.34%，厚度為5 mm時，由于前期厚度收縮較大，終止點處的平均厚度低于或稍高于起始值。

綜上，相對于馬鈴薯薄片干燥過程中二維投影面積變化的穩(wěn)定性[30]，其三維形態(tài)變化具有更高的復雜性；干燥過程中，高度信息不僅受干燥條件的影響，還與馬鈴薯薄片成分和結構密切相關，個體差異在干燥后期表現(xiàn)得尤為突出；由于馬鈴薯薄片樣本處于同等干燥條件下，薄片直徑對拐點發(fā)生時間、拐點處高度均值變化率和方差的影響較小，而隨著厚度的增加，拐點時間點與高度均值變化率均有所增大；在薄片干燥終止點，由于不同個體翹曲的不一致性，不同個體高度具有較大的離散性，但均值變化率隨直徑的增大而變大。

3 結 論

本實驗探索性的引入三維信息采集平臺，對干燥過程中馬鈴薯薄片高度信息進行采集與分析，并將所采集3D數(shù)據(jù)轉換至2.5D灰度圖像，通過圖像處理技術提取馬鈴薯薄片區(qū)域，并進行相應的濾波處理；通過可表征馬鈴薯薄片高度信息的偽彩色等高線圖，直觀地發(fā)現(xiàn)干燥過程中馬鈴薯薄片經(jīng)歷了規(guī)律性翹曲、坍塌和卷曲3個階段，與干燥收縮機制相對應；以高度均值變化率為指標分析高度的時變特性，發(fā)現(xiàn)以高度均值變化率負增長極點作為拐點，在拐點前不同個體具有較高的一致性，而之后由于卷曲作用，個體差異明顯；馬鈴薯薄片厚度對整個干燥過程的高度均具有持續(xù)性的影響，而直徑主要對拐點后的干燥過程具有顯著的影響?；诒狙芯靠稍诤罄m(xù)研究中對溫度、濕度、風速、吹拂角等干燥因素對薄層干燥的形態(tài)變化影響程度進行量化分析，從而為干燥工藝智能化控制提供理論基礎。