基于LF-NMR及不同干燥方法的哈密瓜片含水率預(yù)測模型

李琳琳，陳俊亮，段 續(xù)，任廣躍

（1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，洛陽 471023；2. 農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)與裝備河南省工程技術(shù)研究中心，洛陽 471023）

0 引言

哈密瓜主產(chǎn)于中國新疆地區(qū)，產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的50%以上，不易及時運銷導(dǎo)致的腐爛損失量達20%～30%[1]，造成嚴重經(jīng)濟損失，采用干制加工是有效延長其貨架期的常用方法。熱風干燥（Hot Air drying，HA）由于加工成本低、操作簡單而得以廣泛應(yīng)用，但其較長的干燥時間使哈密瓜中的營養(yǎng)成分流失嚴重，為了縮短干燥時間、提高產(chǎn)品品質(zhì)，使用先進的干燥技術(shù)勢在必行。紅外輻射能具有穿透物料表層實現(xiàn)內(nèi)部加熱的優(yōu)勢，以其作為熱源的紅外輻射干燥（Infrared drying，IR）已被應(yīng)用于果蔬的干燥加工中[2-4]。

低場核磁共振技術(shù)（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）利用不同亞細胞器中的氫質(zhì)子在射頻場中的橫向弛豫時間（Transverse relaxation time，T2）不同來監(jiān)測樣品組織中水分狀態(tài)及含量[5-6]。該技術(shù)已被廣泛用于研究食品在干燥[7]、復(fù)水[8]、冷凍解凍[9]、嫩化[10]和發(fā)酵[11]等過程中水分分布和流動性的變化?，F(xiàn)代干燥技術(shù)已逐步向智能化方向發(fā)展，干燥過程中物料理化狀態(tài)的實時反饋是及時進行加工參數(shù)調(diào)整，調(diào)控干燥的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的預(yù)測干燥過程物料含水率的方法往往通過建立干燥動力學(xué)模型實現(xiàn)，而該方法存在一定的不足：首先，基于不同干燥方法或不同干燥參數(shù)建立的動力學(xué)模型不同，使得干燥動力學(xué)模型缺乏普適性；其次，不同物料的含水率和水分狀態(tài)不同，干燥達到終點的平衡含水率存在差異，使得干燥終點的判斷精確性不足；此外，干燥動力學(xué)模型僅能預(yù)測物料含水率，無法獲得水分狀態(tài)信息。物料水分狀態(tài)及含量是其干燥程度的重要信息，也是進行干燥參數(shù)調(diào)整以調(diào)控干燥過程的基礎(chǔ)，利用LF-NMR可獲取不同干燥加工過程中任意時間點的物料水分狀態(tài)及含量信息，并通過數(shù)學(xué)模型的建立可實現(xiàn)含水率的快速檢測。蓋圣美等[12]基于LF-NMR建立注水豬肉含水率的預(yù)測模型；Li等[13]利用LF-NMR結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法對微波真空干燥過程中山藥片的含水率進行無損檢測；渠琛玲等[14]針對花生品種的多樣性，以不同果型和油酸含量的花生為對象，基于LF-NMR建立熱風干燥過程花生仁含水率預(yù)測模型。但這些報道僅針對研究對象在單一加工中的水分變化，未考慮采用不同加工方法時物料水分狀態(tài)的差異性變化對模型穩(wěn)健性的影響。

本研究采用LF-NMR追蹤哈密瓜片HA和IR過程中內(nèi)部水分變化的規(guī)律，由此揭示兩者對物料水分狀態(tài)及水分遷移的影響；并在獲取了大量含水率與表征水分狀態(tài)的NMR參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法建立基于不同干燥方法所得NMR參數(shù)的哈密瓜片含水率預(yù)測模型。以期為基于LF-NMR和多加工手段的果蔬含水率預(yù)測模型的建立提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用哈密瓜采購于當?shù)厮袌?，品種為西州。

1.2 儀器與設(shè)備

JA5003B型電子分析天平，上海精科儀器有限公司；102-2型電熱鼓風干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；MINI20-015V-I型LF-NMR分析儀，上海紐邁電子有限公司；紅外輻射干燥設(shè)備，自行研制。

1.3 試驗方法

1.3.1 干燥加工

哈密瓜經(jīng)去皮、去瓤處理后切成長3 cm、寬1.5 cm，厚度為0.6 cm的薄片待用，經(jīng)試驗測定哈密瓜片初始干基含水率為（11.36±1.01）g/g。

根據(jù)預(yù)試驗，確定HA的溫度為50、60和70 ℃ 3個水平，為了便于對比研究，IR的溫度同樣設(shè)置50、60和70 ℃ 3個水平，IR設(shè)備中配備鼓風裝置，試驗所設(shè)置溫度為溫度傳感器監(jiān)測的設(shè)備內(nèi)環(huán)境溫度。兩種干燥方法的試驗溫度均由設(shè)備PID控溫元件實現(xiàn)精準控制。紅外輻射干燥中物料與紅外加熱管的距離保持在10 cm。兩種干燥方法均干燥至達到平衡含水率為止，干燥過程前期每0.5 h，后期每1 h取樣進行含水率測定和LR-NMR分析。

1.3.2 含水率測定

待測樣品的含水率（Moisture Content，MC）采用烘箱法（GB5009.3—2016）測定，根據(jù)式（1）計算

式中MC為干基含水率，g/g；mt為干燥至t時刻時樣品的質(zhì)量，g；m為樣品干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.3.3 低場核磁共振分析

待測樣品的水分狀態(tài)及分布采用LF-NMR分析儀進行分析。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列對衰減信號進行采集，采樣90°和180°脈沖分別為12.8和26.0μs?？紤]干燥前、后期含水率的較大差異，采樣參數(shù)采用兩段式。第一階段樣品含水率較高時，主要采樣參數(shù)設(shè)置為：等待時間4000 ms，回波時間0.5 ms，回波數(shù)量18000，掃描迭代次數(shù)4；第二階段樣品含水率小于0.3 g/g時，主要采樣參數(shù)為：等待時間4000 ms，回波時間0.5 ms，回波數(shù)量8000，掃描迭代次數(shù)32。利用MultiExp Inv分析軟件，采用多指數(shù)擬合和SRIT算法對CPMG衰變曲線進行擬合，反演迭代次數(shù)為100000，經(jīng)處理得到橫向弛豫時間（T2）曲線和相應(yīng)的核磁共振（NMR）參數(shù)（各狀態(tài)水的弛豫時間及弛豫峰面積）。需要注意的是，在數(shù)據(jù)處理中，采用第二階段采樣參數(shù)所得反演結(jié)果中弛豫峰的峰面積應(yīng)除以8。此外，為了后續(xù)更準確地量化分析，以樣品干質(zhì)量為基準對各狀態(tài)水的弛豫峰面積做歸一化處理，結(jié)果反映該狀態(tài)水的量。

1.3.4 含水率預(yù)測模型的建立

將干燥過程取樣測得的所有含水率數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的NMR參數(shù)進行分組，其中3/4的數(shù)據(jù)作為校正集（校正集數(shù)據(jù)的選取以涵蓋所有數(shù)據(jù)中最大、最小含水率的數(shù)據(jù)組為標準）進行建模分析，1/4作為預(yù)測集進行模型預(yù)測性能的評價。分別采用多元線性回歸（Multivariable Linear Regression，MLR）和偏最小二乘回歸（Partial Least Squares Regression，PLSR）的線性回歸分析法，以及支持向量機（Support Vector Machine，SVM）的非線性回歸法進行建模分析。

MLR、PLSR和SVM模型的建立采用全交叉驗證法，該方法是指排除一個變量并將其作為驗證數(shù)據(jù)（即驗證集），同時對其余變量進行建模，直至所有的變量均被用作一次驗證數(shù)據(jù)為止。模型的性能可以通過以下參數(shù)：校正集決定系數(shù)和均方根誤差（RMSEC），驗證集決定系數(shù)（和均方根誤差（RMSECV），預(yù)測集決定系數(shù)（和均方根誤差（RMSEP）進行評價。一般來說，一個好的模型應(yīng)該有高值和低RMSEC、RMSECV和RMSEP值[15-16]。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本研究中，所有試驗均重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標準差表示。采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和Pearson相關(guān)性分析，通過Unscrambler 9.7軟件進行建模分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥特性

2.1.1 熱風干燥特性

哈密瓜片在不同溫度條件下的熱風干燥特性如圖1所示。由于干燥溫度不同，干燥結(jié)束時所達到的平衡含水率存在一定差異，哈密瓜片經(jīng)50、60、70 ℃干燥后，平衡含水率分別為0.132、0.127和0.119 g/g。由圖1a可以看出，隨著干燥溫度的升高，總干燥時間逐漸縮短，當干燥溫度從50 ℃升高至70 ℃時，干燥所需時間從8 h縮短至5 h。較高的干燥溫度為水分蒸發(fā)提供更多能量，從而加速干燥過程[17]。

圖1b為不同干燥溫度下的干燥速率曲線。由圖可知，本研究中HA大致呈降速干燥趨勢，特別是在較高溫度（60和70 ℃）條件下，說明內(nèi)部水分擴散是主導(dǎo)因素，與大部分生物質(zhì)材料的干燥特性相似[18-19]。HA過程中，干燥初期，樣品初始溫度較低，干燥腔內(nèi)具有較高的環(huán)境溫度，熱量逐漸向樣品傳遞，水分脫除以樣品表面的水分蒸發(fā)為主，內(nèi)部與表面的水分梯度大，傳質(zhì)阻力小，因而干燥速率較高；隨著干燥的進行，樣品表面水分逐漸脫除，內(nèi)部傳質(zhì)受擴散阻力的影響，干燥速率不斷降低；而干燥后期較低的干燥速率與樣品中剩余水分的狀態(tài)有關(guān)。Torki-Harchegani等[20]研究表明檸檬在50、60、75 ℃下的整個熱風干燥為降速干燥，而無恒速干燥階段，這一發(fā)現(xiàn)與本研究結(jié)果類似。Wang等[21]報道了檸檬片的脈沖真空干燥特性，其干燥速率的變化規(guī)律表現(xiàn)為：初期短暫的預(yù)熱階段，之后的恒速干燥階段，和后續(xù)較長的降速干燥階段。本研究中50 ℃下的HA前期存在一個類恒速干燥階段，該階段干燥速率略微升高但差別不大（P＞0.05）。這些研究的不同結(jié)果可能與采用的干燥方式、計算干燥速率所選取的時間周期及樣品的大小有關(guān)。

2.1.2 紅外輻射干燥特性

采用與HA相同的溫度水平進行哈密瓜片的IR，干燥特性如圖2所示。與HA結(jié)果類似，溫度升高有利于加速干燥進程。IR在不同干燥溫度下的干燥時間分別為50 ℃ 5 h，60 ℃ 4 h，70 ℃ 4 h，所達到的平衡含水率分別為0.112、0.097和0.089 g/g。IR的溫度為60 ℃和70 ℃時，干燥前期（0～0.5 h）70 ℃的干燥速率顯著高于60 ℃（P＜0.05），之后兩者之間無顯著差異（P＞0.05），最終達到平衡含水率所需的時間一致，表明當溫度大于60 ℃時，溫度再升高對整體干燥時間無影響。與同溫度水平下的HA相比，紅外輻射干燥時間分別縮短了37.5%、33.3%和20.0%。當受到紅外線輻射時，物料中的有機成分能夠以與能級間的分子內(nèi)躍遷相對應(yīng)的離散頻率吸收紅外能量，該能量以分子振動及轉(zhuǎn)動的形式轉(zhuǎn)化為熱能對樣品進行加熱[22]。同時，紅外線具有一定的穿透能力，可使物料中紅外線所達到的部分溫度升高，也就是實現(xiàn)物料一定程度上的內(nèi)部加熱，其一致的傳熱傳質(zhì)方向與常規(guī)熱傳導(dǎo)加熱相比有利于水分的擴散遷移[23]，因而干燥效率更高。此外，較低溫度下，IR提高干燥效率的效果更明顯。

IR的干燥速率曲線如圖2b所示。與HA相比，前期同一時間段，IR的干燥速率顯著高于HA（P＜0.05），紅外線的穿透性和內(nèi)部加熱的特點是造成該結(jié)果的主要原因。然而，就整個干燥過程而言，IR仍為降速干燥，物料內(nèi)部水分的擴散遷移決定著整體的傳質(zhì)速率。

2.2 干燥過程水分變化規(guī)律

2.2.1 新鮮哈密瓜片的水分狀態(tài)及分布

采用LF-NMR技術(shù)檢測新鮮哈密瓜片的水分狀態(tài)及分布情況，其T2曲線如圖3所示。在新鮮哈密瓜片中發(fā)現(xiàn)3個馳豫峰，分別為T21、T22和T23。T21（7～24 ms）表征與大分子物質(zhì)如細胞壁多糖緊密結(jié)合的結(jié)合水，T22（75～351 ms）表征被截留在高度組織化的結(jié)構(gòu)中的不易流動水，T23（403～2477 ms）歸為存在于液泡或細胞外空間中，具有高度流動性的自由水[24-27]。圖中3個峰的峰面積表征該部分水的量，其中自由水含量最高，占哈密瓜片總水分的91.18%。

2.2.2 干燥過程T2曲線變化

在3個不同的溫度水平下，哈密瓜片HA和IR過程中T2曲線的變化如圖4和圖5所示。無論何種干燥方式，在不同溫度下，T2曲線呈基本一致的變化趨勢，整體向坐標軸左側(cè)移動。類似的結(jié)果在Cheng等[28]的研究中也有報道。根據(jù)LF-NMR的基本原理，弛豫時間的長短與樣品中氫質(zhì)子所處的環(huán)境有關(guān)，對于樣品中水分而言，弛豫時間的縮短表明干燥加工使樣品中水分的流動性逐漸降低。隨干燥的進行，自由水的信號強度急劇下降，這是由于自由水具有最高的流動性，在干燥過程中首先被脫除。在接下來的干燥中，樣品組織中的水分流動性降低，干燥脫除的難度升高，因而表現(xiàn)為干燥速率的不斷降低，特別在干燥末期，樣品中僅存在結(jié)合水和少量不易流動水時，水分更難脫除，使末期干燥速率降至極低的水平[29]。

2.2.3 水分狀態(tài)及含量變化

T2曲線從宏觀上呈現(xiàn)了不同干燥過程物料不同狀態(tài)水的大體變化趨勢，其具體地、量化地變化可由NMR參數(shù)來反映，包括結(jié)合水、不易流動水、自由水的弛豫峰面積（A21、A22、A23）及其特征橫向弛豫時間——峰頂橫向弛豫時間（T21p、T22p、T23p）和總峰面積（A2）7個參數(shù)。圖6和圖7分別為HA和IR過程NMR參數(shù)的動態(tài)變化。

從圖6d和圖7d的結(jié)果可知，無論HA還是IR，A2隨干燥時間的延長呈逐步降低的趨勢，與圖1a和圖2a中樣品干基含水率的變化一致。自由水占哈密瓜片總水分的91.18%，其變化在總水分的變化中起主導(dǎo)作用，因此A23與A2呈基本一致的變化趨勢，在HA和IR過程中不斷下降（圖6c和圖7c）。不同之處在于，A23在不同干燥方法及干燥溫度條件下降為0的時間不同。對HA而言，在50、60和70 ℃干燥時，A23降為0的時間分別為4.0、3.0和2.5 h；而對IR而言，不同干燥溫度條件下，A23降為0的時間均在2.0 h，其原因在于IR與HA相比具有更高的干燥速率。此外，從干燥過程中自由水峰頂橫向弛豫時間的變化可知，其隨干燥的進行不斷降低，表明自由水自由度的不斷降低，樣品中水的自由度與水分脫除的難易程度有關(guān)，這也是隨干燥進行干燥速率不斷降低，傳質(zhì)阻力增大的原因。此外，自由水的自由度在一定程度上受自由水量的影響，特別是當自由水的量降低到一定程度之后，其量越少，相應(yīng)的自由度也越低[13]。

無論在HA還是IR過程中，不易流動水均呈波動的、無明顯規(guī)律的變化趨勢。同種干燥方式下干燥溫度的不同使A22呈現(xiàn)不同的變化趨勢，總體表現(xiàn)為在降為0前有一個升高的過程，類似的結(jié)果在李梁等[30]的研究中也有報道，其原因可能與干燥過程中存在的自由水向不易流動水的轉(zhuǎn)化有關(guān)。干燥加工使細胞膜受到一定損傷，細胞質(zhì)中營養(yǎng)成分的降解導(dǎo)致哈密瓜中主要由葡萄糖、果糖和蔗糖組成的碳水化合物濃度增加，溶質(zhì)的增加為部分自由水提供了結(jié)合機會[31]，這也是T22p逐漸減小的一個原因。此外，T22p在HA過程中的變化存在一個特殊現(xiàn)象，較低溫度（50和60 ℃）干燥時T22p存在變大的過程，這一變大現(xiàn)象出現(xiàn)的時間點與A22出現(xiàn)大幅升高的時間點一致，可能與一定量的自由水向不易流動水的轉(zhuǎn)化有關(guān)。而70 ℃下的HA及所有溫度下的IR均未出現(xiàn)此現(xiàn)象，T22p隨干燥進行均呈現(xiàn)降低趨勢。該結(jié)果可能與干燥溫度和干燥速率有關(guān)。

結(jié)合水是哈密瓜片中占比最低的水，也是最不容易經(jīng)干燥脫除的水，干燥加工至達到物料平衡含水率時樣品中剩余的水一般均為結(jié)合水。表征結(jié)合水量的A21在HA和IR過程中整體呈較輕微的波動，在干燥后期有略微的升高，之后逐漸降低直到干燥結(jié)束，推測其原因可能是干燥引起的有機物結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變使不易流動水與大分子的結(jié)合度提高，不易流動水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水[30]。其中A21的升高主要出現(xiàn)在A22即將降為0前，此時T21p與T22p的值比較接近。以HA為例，50 ℃干燥至4 h時，T21p和T22p分別為0.87 ms和14.17 ms，與新鮮哈密瓜片的T21p（10.72 ms）和T22p（151.99 ms）相比值更接近。也就是說兩種狀態(tài)水的自由度和流動性相似，相互之間存在轉(zhuǎn)換的可能，也可能是反演算法對這種較小差異的劃分不夠敏感。HA過程中，T21p隨干燥時間的延長呈逐漸降低的趨勢，這與干燥加工使水分的自由度降低這一特點有關(guān)，類似的結(jié)果在澳洲堅果的熱風干燥中也有報道[32]。但值得注意的是，A21的升高主要出現(xiàn)在T21p相對穩(wěn)定且處于較低橫向弛豫時間時。于IR而言，T21p隨干燥進行總體上呈下降趨勢，干燥初期出現(xiàn)了短暫的上升，且A21出現(xiàn)升高時T21p仍有一定程度的下降，這可能與紅外能量被物料中有機物分子吸收發(fā)生振動及轉(zhuǎn)動而引起與其結(jié)合的水分狀態(tài)發(fā)生變化有關(guān)[33]。

2.3 含水率預(yù)測模型的建立與評價

2.3.1 低場核磁共振參數(shù)與含水率的相關(guān)性分析

不同干燥方式和條件下哈密瓜片含水率與NMR參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，A21與MC呈負相關(guān)，該結(jié)果與干燥過程含水率的不斷降低伴隨A21的波動性變化有關(guān)。干燥過程外界溫度或紅外輻射可能對植物細胞壁有一定的影響，導(dǎo)致與細胞壁大分子相互作用的結(jié)合水含量發(fā)生變化。但A21與MC的相關(guān)性很低，不足以反映干燥過程含水率的變化規(guī)律。而不同組別數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析中，A23和A2均與MC呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.9。其中，IR條件下，MC與A23的總體相關(guān)系數(shù)（R=0.998）高于HA的相關(guān)系數(shù)（R=0.992）。在不同干燥方式和干燥條件下，A2均與MC呈高度相關(guān)性。橫向弛豫時間的3個參數(shù)（T21p、T22p和T23p）與MC也呈現(xiàn)一定的顯著相關(guān)性，IR條件下的各組別數(shù)據(jù)中橫向弛豫時間與MC呈現(xiàn)出比HA條件下哈密瓜片橫向弛豫時間與MC更高的相關(guān)性，表明IR條件下橫向弛豫時間的3個參數(shù)能更準確的反映干燥過程含水率的變化規(guī)律。

從哈密瓜片NMR參數(shù)與含水率的相關(guān)性分析結(jié)果可知，A21、A22、A23、A2、T21p、T22p、T23p7個參數(shù)與含水率均具有不同顯著程度的相關(guān)性，且相關(guān)研究表明這些參數(shù)之間具有極高的共線性[34]，因此，在后續(xù)進行哈密瓜片含水率預(yù)測模型的建立時考慮以多個參數(shù)為自變量是有必要的。

表1 核磁共振參數(shù)與含水率的Pearson相關(guān)性分析 Table 1 Pearson correlation analysis between nuclear magnetic resonance parameter and moisture content

2.3.2 含水率預(yù)測模型的建立

由2.3.1中結(jié)果可知，不同干燥方法和干燥條件下，A23和A2與MC均表現(xiàn)出最高的相關(guān)性。為了建立具有普適性的含水率預(yù)測模型，將HA和IR在不同溫度下干燥過程中采集的MC及NMR參數(shù)數(shù)據(jù)用于建模。首先，以A23和A2分別為自變量建立MC的單變量線性預(yù)測模型，結(jié)果如表2所示，模型的決定系數(shù)分別為0.896和0.918，其性能較好，其中以A2為自變量的預(yù)測模型具有相對更好的性能。

表2 基于不同自變量和不同建模方法的含水率預(yù)測模型性能 Table 2 The model performance for predicting moisture content based on different independent variables and different modeling methods

為提高模型精度，又以A21、A22、A23、A2、T21p、T22p、T23p7個參數(shù)作為自變量，采用MLR、SVM和PLSR建立多元線性或非線性回歸模型，結(jié)果見表2。以7個參數(shù)作為自變量的多元回歸模型的決定系數(shù)均大于0.9，與單變量線性模型相比具有更好的性能。其中PLSR模型的決定系數(shù)達到0.986（校正集），優(yōu)于MLR和SVM模型。Shao等[34]指出由T2曲線反演得到的NMR參數(shù)之間具有極高的共線性。MLR不考慮自變量自身的相互關(guān)系，而SVM采用非線性回歸法建立模型。PLSR作為一種可靠有效的多變量化學(xué)計量學(xué)方法，被廣泛應(yīng)用于解決多重共線性問題。相比而言，采用PLSR建立基于NMR參數(shù)的含水率預(yù)測模型表現(xiàn)出更好的性能，與試驗結(jié)果一致。

2.3.3 PLSR模型預(yù)測性能評價

通過對比不同建模方法所建模型的性能，發(fā)現(xiàn)基于PLSR建立的含水率預(yù)測模型精度更高。為對比不同干燥方式下的PLSR含水率預(yù)測模型性能及預(yù)測能力，以7個參數(shù)為自變量分別對HA和IR過程采集的數(shù)據(jù)集進行建模分析，結(jié)果如表3所示。即使HA與IR過程的水分狀態(tài)變化規(guī)律存在差異，基于PLSR的含水率預(yù)測模型均表現(xiàn)出極好的性能，校正集和驗證集的決定系數(shù)均大于0.99，且具有較低的RMSEC和RMSECV值。相比而言，基于IR數(shù)據(jù)集的PLSR預(yù)測模型性能略優(yōu)。考慮模型應(yīng)具有普適性，將HA與IR兩組數(shù)據(jù)融合建立PLSR模型，其校正集和驗證集的決定系數(shù)分別為0.996和0.997。并通過預(yù)測集數(shù)據(jù)對模型的預(yù)測性能進行評價，模型的預(yù)測決定系數(shù)達0.997，預(yù)測能力較優(yōu)。

表3 基于不同干燥數(shù)據(jù)集的PLSR含水率預(yù)測模型性能 Table 3 The performance of PLSR model for predicting moisture content based on different drying data sets

3 結(jié)論

本研究分別采用熱風干燥（Hot Air drying，HA）和紅外輻射干燥（Infrared drying，IR）2種干燥方式進行哈密瓜片的干燥加工，對比不同干燥方式的干燥特性差異，并基于低場核磁共振（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance，LF-NMR）分析哈密瓜片在HA和IR過程中的水分遷移規(guī)律，進一步對獲取的NMR參數(shù)和含水率數(shù)據(jù)進行化學(xué)計量學(xué)分析，建立了基于NMR參數(shù)的哈密瓜片含水率預(yù)測模型。得出的主要結(jié)論如下：

1）無論HA還是IR，干燥溫度對哈密瓜片干燥特性均有影響，高溫有利于加快干燥速率，縮短干燥時間；紅外輻射能穿透物料實現(xiàn)內(nèi)部加熱的性質(zhì)使其與HA相比具有更高的干燥效率，相同溫度水平下，IR干燥時間更短，且在較低干燥溫度下（50 ℃）IR提高干燥效率的優(yōu)勢更明顯（P＜0.05）。

2）經(jīng)LF-NMR分析，新鮮哈密瓜片中包含結(jié)合水、不易流動水和自由水3種狀態(tài)的水。在HA和IR過程中，橫向弛豫時間（Transverse relaxation time，T2）曲線大體呈向坐標軸左側(cè)移動的趨勢，各狀態(tài)水的弛豫峰信號強度不斷降低。由T2曲線得到的NMR參數(shù)隨HA和IR的進行發(fā)生變化，其中自由水峰面積不斷降低，不易流動水峰面積及結(jié)合水峰面積呈波動變化，在降為0前均有一個升高的過程，干燥結(jié)束時樣品中僅存在結(jié)合水峰；不同狀態(tài)水的橫向弛豫時間在HA和IR過程中的變化規(guī)律為：自由水峰頂橫向弛豫時間不斷降低，不易流動水峰頂橫向弛豫時間因干燥方式和干燥溫度的差異呈現(xiàn)不完全一致的變化趨勢；結(jié)合水峰頂橫向弛豫時間在HA過程逐漸降低，而在IR中，其隨干燥進行整體呈下降趨勢，干燥初期有短暫的上升。

3）基于干燥過程收集到的哈密瓜片含水率和NMR參數(shù)分別建立一元線性模型、多元線性回歸（Multivariable Linear Regression，MLR）模型、偏最小二乘回歸（Partial Least Squares Regression，PLSR）模型和支持向量機（Support Vector Machine，SVM）模型，其中PLSR模型性能較佳；且針對HA、IR數(shù)據(jù)集及綜合數(shù)據(jù)集的PLSR模型效果均很好，模型預(yù)測決定系數(shù)R2P均大于0.99，表明PLSR結(jié)合LF-NMR可實現(xiàn)哈密瓜片含水率的快速檢測，且不受干燥方式不同導(dǎo)致水分狀態(tài)差異的影響。

4）本研究中干燥過程取樣時間的設(shè)置存在一定不足，使得高濕物料可能存在的不同干燥階段（特別是恒速干燥階段）無法體現(xiàn)，未來研究設(shè)置更多的取樣點將使干燥階段體現(xiàn)更完整，有利于細致化對比分析不同干燥方法間的差異，并對預(yù)測模型的穩(wěn)健性提升有益。