光皮木瓜真空脈動干燥特性及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

巨浩羽 趙士豪 趙海燕 張衛(wèi)鵬 肖紅偉

(1. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061；2. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)工商管理學(xué)院，河北 石家莊 050061；3. 北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048；4. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

光皮木瓜[Chaenomelessinensis(Thouin)Koehne]為薔薇科木瓜屬植物木瓜的干燥成熟果實，具有抗腫瘤、抗癌、免疫調(diào)節(jié)等功效，是中國重要的藥食兩用資源[1]。新鮮光皮木瓜呼吸作用強，易產(chǎn)生軟化后熟和霉?fàn)€等現(xiàn)象。干燥是延長光皮木瓜貨架期的重要加工方式，同時可增加產(chǎn)品附加值。崔莉等[2]研究了皺皮木瓜的熱風(fēng)干燥特性，當(dāng)干燥溫度為40～60 ℃時，皺皮木瓜干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)為4.56×10-9～6.38×10-9m/s2，Page模型對其干燥過程擬合性較好。陳建凱等[3]研究表明，微波功率、相對壓力和切片厚度對番木瓜的干燥過程影響顯著，且Page模型可很好地描述其干燥過程。而現(xiàn)有的經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蚶碚撃Ｐ偷葍H對含水率和干燥時間進(jìn)行了回歸擬合，存在預(yù)測精確性差的問題。

真空脈動干燥技術(shù)是一種新型干燥技術(shù)，具有干燥效率高、品質(zhì)好等優(yōu)點，已被應(yīng)用于茯苓[4]、棗片[5]、枸杞[6]等物料干燥加工中。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在模擬干燥過程中物料含水率時，表現(xiàn)出很強的適應(yīng)性和準(zhǔn)確的模擬效果，其中應(yīng)用最為廣泛的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。試驗擬探討光皮木瓜在不同干燥溫度、真空時間、常壓時間下的干燥特性，測定干燥后產(chǎn)品的復(fù)水比、色澤、維生素C含量、總黃酮含量和微觀結(jié)構(gòu)，建立光皮木瓜干燥的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以期為準(zhǔn)確預(yù)測含水率、提高光皮木瓜的干燥效率和品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及材料

真空脈動干燥機：結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理參照巨浩羽等[6]的方法；

光皮木瓜：選擇無機械傷、無病蟲害的樣品，初始濕基含水率為(89.2±1.12)%，試驗前于(5±1)℃冰箱中冷藏，市售。

1.2 試驗方法

1.2.1 光皮木瓜干燥 將光皮木瓜清洗，去皮，去籽，使用切片機橫切為扇形片狀，平鋪于干燥機料盤上，考察干燥溫度(50，60，70 ℃)、真空時間(5，10，15，20 min)和常壓時間(2，4，8 min)對光皮木瓜干燥特性和品質(zhì)的影響，試驗參數(shù)設(shè)計見表1，真空時間結(jié)束時測定物料質(zhì)量，干燥至濕基含水率為10%左右。

表1 試驗設(shè)計與參數(shù)Table 1 Design for experiments with run conditions included

1.2.2 水分比 按式(1)、式(2)分別計算水分比[7]和干基含水率。

(1)

(2)

式中：

MR——水分比；

Mt——干燥t時刻物料的干基含水率，g/g；

M0——初始干基含水率，g/g；

Wt——干燥t時刻物料重量，g；

G——絕干物質(zhì)質(zhì)量，g。

1.2.3 干燥速率 按式(3)計算干燥速率。

(3)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·h)；

Mt1、Mt2——干燥t1和t2時刻物料的干基含水率，g/g。

1.2.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù) 光皮木瓜干燥過程中的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff可由簡化的費克第二定律求解[8]，即

(4)

式中：

L——物料的切片厚度，m；

t——干燥時間，s。

1.2.5 復(fù)水比 參照文獻(xiàn)[9]，并按式(5)計算復(fù)水比。

(5)

式中：

RR——復(fù)水比，g/g；

m2——復(fù)水后質(zhì)量，g；

m1——復(fù)水前質(zhì)量，g。

1.2.6 維生素C含量測定 采用2,6-二氯靛酚滴定法。

1.2.7 總黃酮含量測定 參照文獻(xiàn)[1]。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 采用Excel繪制光皮木瓜的干燥曲線、干燥速率曲線，求解水分有效擴(kuò)散系數(shù)及分析復(fù)水比、維生素C含量、總黃酮含量的顯著性差異；Matlab軟件建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥特性

2.1.1 干燥溫度對光皮木瓜真空干燥特性的影響 由圖1 可知，不同干燥溫度下，水分比隨干燥時間的延長不斷降低，當(dāng)干燥溫度為50，60，70 ℃時，干燥時間分別為14.0，12.1，9.3 h，70 ℃時的干燥時間比50 ℃時的縮短了34.3%，說明升高溫度可顯著提高干燥效率，縮短干燥時間。0～7 h內(nèi)，60，70 ℃下的干燥曲線無顯著性差異，是因為較高干燥溫度下物料表面水分大量蒸發(fā)，而內(nèi)部水分不能及時遷移至表面而造成表面結(jié)殼硬化，阻礙了內(nèi)部水分進(jìn)一步向外遷移。此外，干燥溫度過高還可能導(dǎo)致維生素C、黃酮類有效成分大量降解，因此干燥溫度不宜過高。

真空時間10 min，常壓時間4 min圖1 干燥溫度對干燥曲線的影響Figure 1 Effects of drying temperature on drying curves

由圖2可知，不同干燥溫度下，干燥速率均先上升后下降，說明干燥過程是由表面水分蒸發(fā)和內(nèi)部水分?jǐn)U散共同控制。當(dāng)干燥溫度為70 ℃時，干燥速率先大于后小于60 ℃的，可能是因為高溫導(dǎo)致光皮木瓜表面結(jié)殼硬化，降低了干燥速率。

真空時間10 min，常壓時間4 min圖2 干燥溫度對干燥速率曲線的影響Figure 2 Effects of drying temperature on drying rate curves

2.1.2 常壓時間對光皮木瓜真空干燥特性的影響 由圖3 可知，當(dāng)常壓時間為2，4，8 min時，干燥時間分別為13.4，12.1，16.8 h，干燥時間隨常壓時間的增大先減少后增加。常壓階段為光皮木瓜片的加熱階段，而當(dāng)常壓時間為2 min時，光皮木瓜未被充分加熱，物料溫度較低，內(nèi)部水分?jǐn)U散推動力較小。當(dāng)常壓時間為8 min時，光皮木瓜已充分加熱，但由于常壓時間的延長導(dǎo)致總干燥時間延長。

干燥溫度60 ℃，真空時間10 min圖3 常壓時間對干燥曲線的影響Figure 3 Effects of normal atmosphere pressure holding time on drying curves

由圖4可知，不同常壓時間下，光皮木瓜的干燥速率均先上升后下降。升速干燥階段，常壓時間為8 min時干燥速率最大，可能是因為常壓時間內(nèi)光皮木瓜充分預(yù)熱，升溫速率快。降速干燥階段，常壓時間為4 min時的干燥速率最大，此時光皮木瓜充分預(yù)熱，并保持合適的真空常壓時間脈動比。

干燥溫度60 ℃，真空時間10 min圖4 常壓時間對干燥速率曲線的影響Figure 4 Effects of normal at mosphere pressure holding time on drying rate curves

2.1.3 真空時間對光皮木瓜真空干燥特性的影響 由圖5 可知，當(dāng)真空時間為5，10，15，20 min時，干燥時間分別為13.9，12.1，15.0，16.0 h。干燥時間隨真空時間的延長先減少后增加。真空階段，光皮木瓜中的水分在表面蒸發(fā)，為脫水階段。當(dāng)真空時間為5 min時，光皮木瓜片中的水分未及時在表面蒸發(fā)，而當(dāng)真空時間為15，20 min時，光皮木瓜水分在表面大量蒸發(fā)，而蒸發(fā)帶走大部分熱量，此時物料溫度可能不足以使內(nèi)部水分遷移至表面，故總干燥時間增加。

干燥溫度60 ℃，常壓時間4 min圖5 常壓時間對干燥曲線的影響Figure 5 Effects of vacuum holding time on drying curves

由圖6可知，不同真空時間下，干燥速率均先升高后降低，其中真空時間為10 min時的干燥速率最大。綜上，干燥溫度、真空時間和常壓時間對干燥時間影響顯著(P<0.05)，且干燥溫度>真空時間>常壓時間。當(dāng)干燥溫度為60 ℃，常壓時間為4 min，真空時間為10 min時，干燥時間較短為12.1 h。

干燥溫度60 ℃，常壓時間4 min圖6 常壓時間對干燥速率曲線的影響Figure 6 Effects of vacuum holding time on drying rate curves

干燥時間隨干燥溫度的升高而縮短，干燥溫度越高，物料升溫速率越快，內(nèi)部水分?jǐn)U散遷移速度劇烈。當(dāng)干燥溫度為70 ℃時，光皮木瓜表面發(fā)生了結(jié)殼硬化，但仍具有較高的干燥速率，與張衛(wèi)鵬等[7]的結(jié)論一致。干燥時間隨常壓真空時間的延長而先升高后縮短。電加熱板傳遞至物料的熱量一部分用于物料表面水分蒸發(fā)，一部分用于物料升溫[10]。真空階段為物料大量脫水階段[11]，水分在物料表面大量蒸發(fā)帶走大部分熱量，可能導(dǎo)致物料溫度降低，而物料溫度降低后不利于內(nèi)部水分向表面遷移。此外，隨著物料內(nèi)部水分的不斷減少，干燥脫去的水分由自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，故物料需要更高的溫度才能迫使結(jié)合水發(fā)生擴(kuò)散遷移。因此，真空保持一段時間后需轉(zhuǎn)變?yōu)槌?。常壓時間內(nèi)，此時物料吸收的熱量主要用于物料升溫，蒸發(fā)的水分較少[12]。當(dāng)物料升溫至一定溫度后，再轉(zhuǎn)為真空階段以進(jìn)一步干燥，故真空時間和常壓時間需要合理適當(dāng)?shù)慕M合，才能得到最優(yōu)的干燥工藝。

2.1.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù) 由表2可知，不同干燥條件下，光皮木瓜的Deff為6.044 8×10-10～12.008 6×10-10m2/s。Deff隨干燥溫度的升高而增大，干燥溫度越高，光皮木瓜物料溫度越高，內(nèi)部水分?jǐn)U散遷移速率越快，與José等[13-14]的結(jié)論一致。Deff隨真空時間或常壓時間的延長而先增大后減小，與真空時間和常壓時間對干燥時間的影響結(jié)果一致。

表2 光皮木瓜真空脈動干燥水分有效擴(kuò)散系數(shù)Table 2 The moisture effective diffusion coefficient of Chaenomeles sinensis slices with vacuum pulsed drying conditions

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合

2.2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)選擇 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含輸入層、隱藏層和輸出層3部分[15-16]。干燥溫度、常壓時間、真空時間和干燥時間是干燥過程的重要參數(shù)，選擇此4個參數(shù)作為輸入層。輸出神經(jīng)元1個，即光皮木瓜含水率。根據(jù)Kolmogorov定理[17]，當(dāng)隱藏層節(jié)點數(shù)為7時，訓(xùn)練結(jié)果最優(yōu)。因此，采用4-7-1結(jié)構(gòu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對光皮木瓜真空脈動干燥過程中的含水率進(jìn)行預(yù)測，網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。此外，選擇tansig-purelin組合作為該網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)；采用LM 算法的trainlm作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)。

圖7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Neural network mode of Chaenomeles sinensis moisture content prediction

2.2.2 樣本數(shù)據(jù)采集與處理 采集光皮木瓜不同干燥溫度(50，60，70 ℃)、常壓時間(2，4，8 min)和真空時間(5，10，15，20 min)下共計420組試驗數(shù)據(jù)，其中400組作為網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)，20組作為測試數(shù)據(jù)。由于干燥溫度、常壓時間和真空時間的量綱和范圍差異，將輸入數(shù)據(jù)歸一化處理至[-1，1]。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練與測試 由圖8可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)16次訓(xùn)練后停止，均方差值達(dá)0.000 503 4。由圖9可知，光皮木瓜的實測含水率與預(yù)測含水率的決定系數(shù)R2為0.999 0，說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地描述光皮木瓜的真空脈動干燥過程。

圖8 均方誤差曲線圖Figure 8 Mean square error curve

圖9 光皮木瓜含水率回歸分析圖Figure 9 Regression analysis of Chaenomeles sinensis moisture

2.2.4 模型驗證 由圖10可知，當(dāng)干燥時間<1 h時，光皮木瓜的水分比預(yù)測值與實測值偏差較大，當(dāng)干燥時間>1 h時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值和實測值基本吻合，最大相對誤差為4.77%，說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠很好地預(yù)測光皮木瓜在真空脈動干燥過程中的含水率。

2.3 干燥品質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 復(fù)水比、維生素C含量和總黃酮含量 由表3可知，復(fù)水比隨干燥溫度的升高而降低，是因為干燥溫度過高導(dǎo)致光皮木瓜表面結(jié)殼，堵塞了水分遷移孔道，復(fù)水性減弱。復(fù)水比隨常壓時間和真空時間的延長先升高后降低，且差異顯著(P<0.05)，可能是因為常壓時間或真空時間對光皮木瓜內(nèi)部水分遷移孔道產(chǎn)生不同程度的影響。當(dāng)干燥溫度為50 ℃時，復(fù)水比較高，但干燥時間較長；當(dāng)干燥溫度為60 ℃，常壓時間為4 min，真空時間為10 min時，能保證較高的復(fù)水比(6.28±0.05)，且干燥時間較短。

表3 光皮木瓜真空脈動干燥復(fù)水比、維生素C和總黃酮含量?Table 3 Rehydration ratio,VC content and general flavone of Chaenomeles sinensis slices with vacuum pulsed drying conditions

維生素C和總黃酮含量均隨干燥溫度的升高先升高后降低，說明較長的干燥時間和高溫均不利于維生素C和黃酮含量的保留；維生素C和總黃酮含量隨常壓時間和真空時間的延長先升高后降低。綜合比較，當(dāng)干燥溫度為60 ℃，常壓時間為4 min，真空時間為10 min時，光皮木瓜具有較高的干燥效率，且干燥品質(zhì)較好，此時干燥時間為12.1 h，復(fù)水比為6.28±0.05，維生素C含量為(71.26±0.74)×10-2mg/g，總黃酮含量為(19.27±0.33)mg/g。

干燥溫度65 ℃、真空時間12 min、常壓時間3 min圖10 光皮木瓜水分比實測值和預(yù)測值對比Figure 10 Comparison of measured value and predicted value of Chaenomeles sinensis moisture content

2.3.2 微觀結(jié)構(gòu) 由圖11可知，50 ℃干燥條件下，光皮木瓜內(nèi)部呈蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)，有利于水分遷移，故干燥后復(fù)水比較大。而干燥溫度為70 ℃時，表面水分大量蒸發(fā)引起物料表面結(jié)殼，堵塞了水分遷移擴(kuò)散的通道，故復(fù)水率較低。

圖11 不同干燥溫度下光皮木瓜微觀結(jié)構(gòu)Figure 11 Microstructure of Chaenomeles sinensis slices at different drying temperature

3 結(jié)論

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究了干燥溫度、真空時間和常壓時間對光皮木瓜干燥特性和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，干燥溫度、常壓時間和真空時間對光皮木瓜的干燥時間影響顯著(P<0.05)，且干燥溫度>真空時間>常壓時間。光皮木瓜的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為6.044 8×10-10～12.008 6×10-10m2/s，且有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨干燥溫度的升高而增大。綜合考慮，真空脈動干燥光皮木瓜的最優(yōu)工藝條件為干燥溫度60 ℃、真空時間10 min、常壓時間4 min，此時干燥時間為12.1 h，復(fù)水比為6.28±0.05，維生素C含量為(71.26±0.74)×10-2mg/g，總黃酮含量為(19.27±0.33)mg/g。實測含水率與預(yù)測含水率的決定系數(shù)為0.999 0，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以很好地描述光皮木瓜的真空脈動干燥過程。光皮木瓜真空脈動干燥過程中，干燥溫度、常壓時間和真空時間對光皮木瓜微觀結(jié)構(gòu)的影響機理尚不清晰，明確光皮木瓜微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律有助于揭示真空脈動干燥的促干機理。