Modeling and determination of optimized conditions of microwave pistachio (Ahmadaghaee cv.) thermal process using the response surface Methodology

Document Type : Research Article


1 Ph.D. Student, Department of Biosystems Engineering, Ferdowsi University of Mashhad.

2 Associate Professor,Department of Biosystems Engineering, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran


The lack of uniform distribution of temperature in the product is one of the main problems of thermal processes. The modeling of microwave pistachio (Ahmadaghaee cv.) thermal process was studied using response surface method (RSM). The optimum conditions were determined in order to achieve the highest uniformity of temperature distribution in the product. Independent quantitative variables included the heating time (20-50 s) and the microwave power (630-900 w). In addition, an Independent qualitative variable included the position of the thermometer in six positions in the container. The dependent variable (response) is the temperature of the product under microwave heating. These experiments were performed separately for two cubic and cylindrical containers. The results of analysis of variance showed that all the main effects and the interaction are significant (P< 0.01). According to the results, the uniformity of temperature distribution in the product was more cubic than the cylindrical container. The uniformity of temperature distribution in the minimum power (630 w) was greater than the maximum power (900 w). The optimum conditions were determined in order to maximize the uniformity of temperature distribution for cylindrical containers with a heating time of 44 to 45 seconds and power of 720 to 750 watts. These conditions for the cube containers were obtained with a heating time of 44 to 47 seconds and power of 630 to 670 watts. The accuracy of the model was evaluated by calculating the root mean square error (RMSE). The low value of RMES in all six positions of the product indicates the proximity of the experimental and predicted values and confirms the model's accuracy.

Graphical Abstract

Modeling and determination of optimized conditions of microwave pistachio (Ahmadaghaee cv.) thermal process using the response surface Methodology


  • Analysis of the variance showed that all main effects as well as interactions were significant in both types of cubic and cylindrical containers.
  • The uniformity of the temperature distribution in the cubic container was greater than that of the cylindrical container.
  • The temperature distribution at 630W was more uniform than at 900W.
  • The optimum conditions for greater uniformity of the cylindrical container were determined at 44 to 45 s and at 720 to 750 w.
  • Also, the optimum conditions for the cube container were calculated from 45 to 47 s with 630 to 670W.


Main Subjects

[1] FAO Statistical Pocketbook. (2015). Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome.
[2] Arena, E., Ballistreri, G., Fallico, B. (2013). Effect of postharvest storage temperatures on the quality parameters of pistachio nuts. Czech J. Food Sci., 31, 467–473.
[3] Crops and Livestock Products. Pistachios.URL. Accessed 10.04.16
[4] Ling, B., Hou, L., Li,R., and Wang, S. (2016). Storage stability of pistachios as influenced by radio frequency treatments for postharvest disinfestations. Innovative Food Sci. Emerging Technol., 33, 357–364.
[5] Johnson, J., Wang, S., and Tang, J. (2003). Thermal death kinetics of fifth-instar plodia interpunctella (Lepidoptera: Pyralidae). J. Econ. Entomol., 96(2), 519–524.
[6] Hoa, T.T., Clark, C.J., Waddell, B.C., and Woolf, A.B. (2006). Postharvest quality of dragon fruit (Hylocereus undatus) following disinfesting hot air treatments. Postharvest Biol. Technol., 41(1), 62–69.
[7] Jiao, S., Johnson, J., Tang, J.,Mattinson, D., Fellman, J., Davenport, T., and Wang, S. (2013). Tolerance of codling moth, and apple quality associated with low pressure/low temperature treatments. Postharvest Biol. Technol., 85, 136–140.
[8] Mexis, S.F., and Kontominas, M.G. (2009). Effect of γ-irradiation on the physicochemical and sensory properties of hazelnuts (Corylus avellana L.). Radiat. Phys. Chem., 78(6), 407–413.
[9] Oliveira, M.E.C., Franca, A.S. (2002). Microwave heating of foodstuffs. J. Food Eng., 53, 347–359.
[10] Chandrasekaran, S., Ramanathan, S., and Basak, T. (2013). Microwave food processing - A review. Food Res. Int., 52, 243–261.
[11] Lorence, M.W. and Pesheck, P.S. (2009). Development of packaging and products for use in microwave ovens. CHAPTER 1: Electromagnetic basis of microwave heating. ISBN: 978-1-84569-420-3.
[12] بخش آبادى، ب.؛ میرزایى، ح.؛ قدس ولى، ع.؛ جعفرى، س. م.؛ ضیایی فر، ا.؛ و بیگ بابایى، ع. (1396) تاثیر پیش تیمارهاى میدان الکتریکى متناوب و مایکروویو بر برخى از خصوصیات روغن سیاه دانه. فصلنامه فناوری‌های نوین غذایی، سال چهارم، شماره ١٦، ص 21-29.
[13] Hansena, J.D. Johnsonb, J.A. and Winter, D.A. (2011). History and use of heat in pest control: a review. Int. J. Pest Manage., 57(4), 267–289.
[14] سیدآبادی، م.م.؛ آقاجان زاده، س.، کاشانی نژاد، م.؛ و ضیائی فر، ا. (1396) بررسی امواج مایکروویو بر برخی از خصوصیات فیزیکوشیمیایی آب نارنج، فصلنامه علوم و صنایع غذایی، شماره 62، دوره 14، ص 45-56.
[15] Yousefi, G. and Emam-Djomeh, Z. (2015). Evaluation and optimization drying raspberries and energy consumption in the combined Fluidized bed- Microwaves drying system via response surface methodology. IFSTRJ., 10(4), 327-336. (In Farsi).
[16] Dehbooreh, R. and Esmaiili, M. (2009). Evaluation of microwave and convective finish drying parameters and drying effects on color of dried grapes. IFSTRJ., 5(2), 108 – 122. (in farsi).
[17] کلانترى، د.؛ و جعفرى، ح. (1395) مقایسه پارامترهاى خشک شدن و خصوصیات کیفى شلتوک طارم هاشمى با استفاده از مایکروویو جریان مداوم و مایکروویو خانگى. فصلنامه فناوری های نوین غذایی، سال سوم، شماره ١٢، ص 77-88.
[18] شریفیان، ز.؛ و حسینى قابوس، س. ح. (1396) ویژگیهاى فیزیکوشیمیایى کدو حلوایى خشک شده به روش ترکیبى آبگیرى اسمز-مایکروویو. فصلنامه فناوری های نوین غذایی، سال چهارم، شماره ١٥، ص133-150.
[19] Hojjati, M,. Noguera-Artiaga, L., Wojdyło, A, and Antonio Carbonell-Barrachina, A. (2015). Effect of microwaves roasting on physicochemical properties of pistachio (Pistacia vera L.). Food Sci. Biotechnol., 24(6), 136-143.
[20] Garmsiri, E., Rezaei, M., Shaviklo, A., and Babakhani, A. (2014). Efficiency of microwave radiation on antioxidant compounds extracted from red algae “Hypneahamulosa“ and optimal extraction conditions using response surface methodology (RSM). IFSTRJ., 10(2), 148-155. (in farsi).
[21] Dehghannya, J., Bagheri-Darvish-Mohammad, H., and Ghanbarzadeh, B. (2016). Moisture loss kinetics modeling during deep-fat frying of potato strips pretreated with ultrasound and microwave. IFSTRJ., 12(1), 109-126. (in farsi).
[22] Barmour, M., Dehghannya, J., and  Ghanbarzadeh, B. (2015). Modeling oil uptake of potato strips pretreated with ultrasound, microwave and osmotic dehydration during deep-fat frying process. IFSTRJ., 10(4), 349-362. (In Farsi).
[23] Ling, B., Hou, L., Li, R., and Wang, S. (2016). Storage stability of pistachios as influenced by radio frequency treatments for postharvest disinfestations. Innovative Food Sci. Emerging Technol., 33, 357-364.
[24] توکلی پور، ح.، کلباسی اشتری، ا.؛ و بصیری، ع. (1387) اثر پارامترهای خشک کردن بر شاخص های کیفی پسته دامغان و تعیین ضرایب نفوذ موثر در شرایط بهینه این فرآیند. فصلنامه علوم و صنایع غذایی، دوره 5، شماره 4، ص 47-56.
[25] Hajmohammadi, H., Sadrnia, H., and Abbaspour-Fard, M. H. (2013). Effect of microwave heating treatment on mortality of indian meal moth (Plodia interpunctella) in pistachio. Jpp., 27(1), 18-25. (in farsi).
[26] Pitchai, K., Chen, J., Birla, S., Gonzalez, R., Jones, D., and Subbiah, J. (2014). A microwave heat transfer model for a rotating multi-component meal in a domestic oven: Development and validation. J. Food Eng., 128, 60–71.
[27] Liu, S., Ogiwara, Y., Fukuoka, M., and Sakai, N. (2014). Investigation and modeling of temperature changes in food heated in a flatbed microwave oven. J. Food Eng., 131, 142–153.
[28] Geedipalli, S.S.R., Rakesh, V., and Datta, A.K. (2007). Modeling the heating uniformity contributed by a rotating turntable in microwave ovens. J. Food Eng., 82, 359–368
[29] Das, I., Shah, N. G., and Kumar, G. (2014). Properties of walnut influenced by short T microwave treatment for disinfestation of insect infestation. J. Stored Prod. Res., 59, 152-157.
[30] Gunasekaran, S., and Yang, H. (2007). Effect of experimental parameters on temperature distribution during continuous and pulsed microwave heating. J. Food Eng., 78, 1452–1456.
[31] Ghasemzadeh, S., Pourmirza, A. A., Safaralizadeh, M. H., and Ashouri, Sh. (2012). The control’s effect combination of microwave radiation and cold storage on adults oryzaephilus surinamensis and tribolium castaneum. Jpp., 4, 391-397. (in farsi).
[32] Standard organization of Iran, 8689. brains tree - health procedures. Institute of standards and industrial research of iran. first edition. 36-37. (in farsi).
[33] یوسفی، ق.؛ و امام جمعه، ز. (1393) بررسی و بهینه‌یابی خشک کردن تمشک و انرژی مصرفی آن در روش خشک کردن ترکیبی بسترسیال - مایکروویو با کمک روش سطح پاسخ. نشریه پژوهش‌های علوم و صنایع غذایی ایران، جلد 10، شماره 4، ص 327-336.
[34] احمدی قویدلان. م.، و امیری چایجان، ر. (1395) استفاده از روش سطح پاسخ جهت بهینه سازی خشک کردن فندق در بسترسیال مادون قرمز. نشریه پژوهش‌های صنایع غذایی، جلد 26، شماره4، ص 639-657.
[35] احمدی راد، م.، امام جمعه، ز. و اسدی، ح. (1395) بهینه سازی فرآیند خشک کردن پاششی آب زغال اخته با استفاده از روش سطح پاسخ. فصلنامه علوم و صنایع غذایی، شماره 50 ، دوره13، ص 67-78.
[36] یوسفی، ق.، امام جمعه، ز.؛ و کرمی، ز. (1395) مدل‌سازی و بهینه‌سازی عوامل موثر در خشک کردن بر خصوصیات کیفی تمشک سیاه با روش سطح پاسخ. فصلنامه علوم و صنایع غذایی، شماره50 ، دوره13، ص 53-65.
[37] امیری پور، م.، حبیبی نجفی، م. ب.، محبی، م.؛ و عمادی، ب. (1396) بهینه‌سازی خشک کردن اسمز- هوای داغ گلابی با استفاده از روش سطح پاسخ. فصلنامه علوم و صنایع غذایی، شماره 62 ، دوره 14، ص 57-65.
[38] شهیدی ، ف.، وریدی ، م.، محبی، م.، نوشاد، م.؛ و خلیلیان موحد، م. (1393) بهینه‌یابی شرایط خشک کردن پاششی آب انار با استفاده از روش سطح-پاسخ. نشریه پژوهش و نوآوری در علوم و صنایع غذایی، جلد 3، شماره 2، ص 129-142.
[39] شعبانى، ج.، میرزایی، ح.، دیلمه، م.؛ و جعفرى، س.م. (1393) تاثیر روغن گیاهى، دما و زمان پخت بر خصوصیات فیزیکوشیمیایى پنیر پروسس آنالوگ گستردنى. فصلنامه علوم و فناوری های نوین غذایی، سال اول، شماره ٤، ص 89-103.
[40] Virtanen, A.J., Goedeken, D.L., and Tong, C.H. (2006). Microwave assisted thawing of model frozen foods using feed-back temperature control and surface cooling. Journal of Food Science., 62(1), 150-154.
[41] Pitchai, K., Birla, S.L., Subbiah, J., Jones, D., and Thippareddi, H. (2012). Coupled electromagnetic and heat transfer model for microwave heating in domestic ovens. Int. J. Food Sci., 112, 100–111.
 [42] رستمی، ا.، صدرنیا، ح.؛ و خجسته پور، م. (1397) تأثیر پارامترهای فیزیکی بر یکنواختی توزیع دمای محصول پسته رقم فندقی در حرارت‌دهی با مایکروویو. مجله فناوری های نوین غذایی، انتشار آنلاین از تاریخ 27 فروردین 1397، شناسه دیجیتال (DOI): 10.22104/jift.2018.2762.1660
[43] El-Naggar, S.M. and Mikhaiel, A.A. (2011). Disinfestation of stored wheat grain and flour using  gamma rays and microwave heating. J. Stored Prod. Res., 47(3), 191-196.
[44] Bhattacharya, M. and Basak, T. (2016). A comprehensive analysis on the effect of shape on the microwave heating dynamics of food materials. Innovative Food Sci. Emerging Technol., 39, 247-266.
[45] Liao, Y., Junqing, L., Chun, Zh., Tao, H., Yang, Y., Kama, H. and Huacheng, Zh. (2016). A phase-shifting method for improving the heating uniformity of microwave processing materials. Materials 2016., 9(5), 309, 201-213.
[46] زرین نژاد، م.؛ و امیری چایجان، ر. (1395) تعیین شرایط بهینه خشک کردن پسته در خشک کن مایکروویو بستر سیال. فصلنامه علوم و صنایع غذایی، شماره 57، دوره 13، ص 13-24.
[47] احمدی قویدلان، م.؛ و امیری چایجان، ر. (1396) بهینه‌سازی خشک کردن مغز فندق در خشک کن مادون قرمز با پیش‌تیمار مایکروویو با استفاده از روش سطح پاسخ. فصلنامه علوم و صنایع غذایی، شماره 64 ، دوره 14، ص 212-219.
[48] Chen, J., Pitchai, K., Jones, D. and Subbiah, J. (2015).  Effect of decoupling electromagnetics from heat transfer analysis on prediction accuracy and computation time in modeling microwave heating of frozen and fresh mashed potato. J. Food Eng., 144, 45-57.
[49] Liu, S., Fukuoka, M. Sakai, N. (2013). A finite element model for simulating temperature distributions in rotating food during microwave heating. J. Food Eng., 115, 49–62.