光皮木瓜真空脈動干燥特性及神經網絡模型

巨浩羽 趙士豪 趙海燕 張衛鵬 肖紅偉

(1. 河北經貿大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050061；2. 河北經貿大學工商管理學院，河北 石家莊 050061；3. 北京工商大學人工智能學院，北京 100048；4. 中國農業大學工學院，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、免疫調節等功效，是中國重要的藥食兩用資源[1]。新鮮光皮木瓜呼吸作用強，易產生軟化后熟和霉爛等現象。干燥是延長光皮木瓜貨架期的重要加工方式，同時可增加產品附加值。崔莉等[2]研究了皺皮木瓜的熱風干燥特性，當干燥溫度為40～60 ℃時，皺皮木瓜干燥有效水分擴散系數為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。而現有的經驗模型或理論模型等僅對含水率和干燥時間進行了回歸擬合，存在預測精確性差的問題。

真空脈動干燥技術是一種新型干燥技術，具有干燥效率高、品質好等優點，已被應用于茯苓[4]、棗片[5]、枸杞[6]等物料干燥加工中。此外，神經網絡模型在模擬干燥過程中物料含水率時，表現出很強的適應性和準確的模擬效果，其中應用最為廣泛的是BP神經網絡模型。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，測定干燥后產品的復水比、色澤、維生素C含量、總黃酮含量和微觀結構，建立光皮木瓜干燥的BP 神經網絡模型，以期為準確預測含水率、提高光皮木瓜的干燥效率和品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及材料

真空脈動干燥機：結構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的影響，試驗參數設計見表1，真空時間結束時測定物料質量，干燥至濕基含水率為10%左右。

表1 試驗設計與參數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——絕干物質質量，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 水分有效擴散系數 光皮木瓜干燥過程中的水分有效擴散系數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 復水比 參照文獻[9]，并按式(5)計算復水比。

(5)

式中：

RR——復水比，g/g；

m2——復水后質量，g；

m1——復水前質量，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[1]。

1.2.8 數據處理 采用Excel繪制光皮木瓜的干燥曲線、干燥速率曲線，求解水分有效擴散系數及分析復水比、維生素C含量、總黃酮含量的顯著性差異；Matlab軟件建立BP神經網絡模型。

2 結果與分析

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，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，而內部水分不能及時遷移至表面而造成表面結殼硬化，阻礙了內部水分進一步向外遷移。此外，干燥溫度過高還可能導致維生素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和內部水分擴散共同控制。當干燥溫度為70 ℃時，干燥速率先大于后小于60 ℃的，可能是因為高溫導致光皮木瓜表面結殼硬化，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，內部水分擴散推動力較小。當常壓時間為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光皮木瓜充分預熱，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，為脫水階段。當真空時間為5 min時，光皮木瓜片中的水分未及時在表面蒸發，而當真空時間為15，20 min時，光皮木瓜水分在表面大量蒸發，而蒸發帶走大部分熱量，此時物料溫度可能不足以使內部水分遷移至表面，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，內部水分擴散遷移速度劇烈。當干燥溫度為70 ℃時，光皮木瓜表面發生了結殼硬化，但仍具有較高的干燥速率，與張衛鵬等[7]的結論一致。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，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帶走大部分熱量，可能導致物料溫度降低，而物料溫度降低后不利于內部水分向表面遷移。此外，隨著物料內部水分的不斷減少，干燥脫去的水分由自由水轉變為結合水，故物料需要更高的溫度才能迫使結合水發生擴散遷移。因此，真空保持一段時間后需轉變為常壓。常壓時間內，此時物料吸收的熱量主要用于物料升溫，蒸發的水分較少[12]。當物料升溫至一定溫度后，再轉為真空階段以進一步干燥，故真空時間和常壓時間需要合理適當的組合，才能得到最優的干燥工藝。

2.1.4 水分有效擴散系數 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，內部水分擴散遷移速率越快，與José等[13-14]的結論一致。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果一致。

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

2.2 BP神經網絡擬合

2.2.1 BP神經網絡模型參數選擇 BP神經網絡包含輸入層、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，選擇此4個參數作為輸入層。輸出神經元1個，即光皮木瓜含水率。根據Kolmogorov定理[17]，當隱藏層節點數為7時，訓練結果最優。因此，采用4-7-1結構的BP神經網絡模型對光皮木瓜真空脈動干燥過程中的含水率進行預測，網絡模型結構如圖7所示。此外，選擇tansig-purelin組合作為該網絡的傳遞函數；采用LM 算法的trainlm作為網絡訓練函數。

圖7 神經網絡模型結構圖Figure 7 Neural network mode of Chaenomeles sinensis moisture content prediction

2.2.2 樣本數據采集與處理 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組試驗數據，其中400組作為網絡測試數據，20組作為測試數據。由于干燥溫度、常壓時間和真空時間的量綱和范圍差異，將輸入數據歸一化處理至[-1，1]。

2.2.3 網絡模型訓練與測試 由圖8可知，BP神經網絡經16次訓練后停止，均方差值達0.000 503 4。由圖9可知，光皮木瓜的實測含水率與預測含水率的決定系數R2為0.999 0，說明BP神經網絡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，當干燥時間<1 h時，光皮木瓜的水分比預測值與實測值偏差較大，當干燥時間>1 h時，BP神經網絡預測值和實測值基本吻合，最大相對誤差為4.77%，說明BP神經網絡能夠很好地預測光皮木瓜在真空脈動干燥過程中的含水率。

2.3 干燥品質和微觀結構

2.3.1 復水比、維生素C含量和總黃酮含量 由表3可知，復水比隨干燥溫度的升高而降低，是因為干燥溫度過高導致光皮木瓜表面結殼，堵塞了水分遷移孔道，復水性減弱。復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部水分遷移孔道產生不同程度的影響。當干燥溫度為50 ℃時，復水比較高，但干燥時間較長；當干燥溫度為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，且干燥品質較好，此時干燥時間為12.1 h，復水比為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測值對比Figure 10 Comparison of measured value and predicted value of Chaenomeles sinensis moisture content

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

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

3 結論

基于BP神經網絡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的影響。結果表明，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擴散系數為6.044 8×10-10～12.008 6×10-10m2/s，且有效水分擴散系數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。實測含水率與預測含水率的決定系數為0.999 0，BP神經網絡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構的影響機理尚不清晰，明確光皮木瓜微觀結構的演化規律有助于揭示真空脈動干燥的促干機理。