光皮木瓜真空脉动干燥特性及神经网络模型

巨浩羽 赵士豪 赵海燕 张卫鹏 肖红伟

(1. 河北经贸大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050061；2. 河北经贸大学工商管理学院，河北 石家庄 050061；3. 北京工商大学人工智能学院，北京 100048；4. 中国农业大学工学院，北京 100083)

光皮木瓜[Chaenomelessinensis(Thouin)Koehne]为蔷薇科木瓜属植物木瓜的干燥成熟果实，具有抗肿瘤、抗癌、免疫调节等功效，是中国重要的药食两用资源[1]。新鲜光皮木瓜呼吸作用强，易产生软化后熟和霉烂等现象。干燥是延长光皮木瓜货架期的重要加工方式，同时可增加产品附加值。崔莉等[2]研究了皱皮木瓜的热风干燥特性，当干燥温度为40～60 ℃时，皱皮木瓜干燥有效水分扩散系数为4.56×10-9～6.38×10-9m/s2，Page模型对其干燥过程拟合性较好。陈建凯等[3]研究表明，微波功率、相对压力和切片厚度对番木瓜的干燥过程影响显著，且Page模型可很好地描述其干燥过程。而现有的经验模型或理论模型等仅对含水率和干燥时间进行了回归拟合，存在预测精确性差的问题。

真空脉动干燥技术是一种新型干燥技术，具有干燥效率高、品质好等优点，已被应用于茯苓[4]、枣片[5]、枸杞[6]等物料干燥加工中。此外，神经网络模型在模拟干燥过程中物料含水率时，表现出很强的适应性和准确的模拟效果，其中应用最为广泛的是BP神经网络模型。试验拟探讨光皮木瓜在不同干燥温度、真空时间、常压时间下的干燥特性，测定干燥后产品的复水比、色泽、维生素C含量、总黄酮含量和微观结构，建立光皮木瓜干燥的BP 神经网络模型，以期为准确预测含水率、提高光皮木瓜的干燥效率和品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置及材料

真空脉动干燥机：结构示意图和工作原理参照巨浩羽等[6]的方法；

光皮木瓜：选择无机械伤、无病虫害的样品，初始湿基含水率为(89.2±1.12)%，试验前于(5±1)℃冰箱中冷藏，市售。

1.2 试验方法

1.2.1 光皮木瓜干燥 将光皮木瓜清洗，去皮，去籽，使用切片机横切为扇形片状，平铺于干燥机料盘上，考察干燥温度(50，60，70 ℃)、真空时间(5，10，15，20 min)和常压时间(2，4，8 min)对光皮木瓜干燥特性和品质的影响，试验参数设计见表1，真空时间结束时测定物料质量，干燥至湿基含水率为10%左右。

表1 试验设计与参数Table 1 Design for experiments with run conditions included

1.2.2 水分比 按式(1)、式(2)分别计算水分比[7]和干基含水率。

(1)

(2)

式中：

MR——水分比；

Mt——干燥t时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时刻物料重量，g；

G——绝干物质质量，g。

1.2.3 干燥速率 按式(3)计算干燥速率。

(3)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·h)；

Mt1、Mt2——干燥t1和t2时刻物料的干基含水率，g/g。

1.2.4 水分有效扩散系数 光皮木瓜干燥过程中的水分有效扩散系数Deff可由简化的费克第二定律求解[8]，即

(4)

式中：

L——物料的切片厚度，m；

t——干燥时间，s。

1.2.5 复水比 参照文献[9]，并按式(5)计算复水比。

(5)

式中：

RR——复水比，g/g；

m2——复水后质量，g；

m1——复水前质量，g。

1.2.6 维生素C含量测定 采用2,6-二氯靛酚滴定法。

1.2.7 总黄酮含量测定 参照文献[1]。

1.2.8 数据处理 采用Excel绘制光皮木瓜的干燥曲线、干燥速率曲线，求解水分有效扩散系数及分析复水比、维生素C含量、总黄酮含量的显著性差异；Matlab软件建立BP神经网络模型。

2 结果与分析

2.1 干燥特性

2.1.1 干燥温度对光皮木瓜真空干燥特性的影响 由图1 可知，不同干燥温度下，水分比随干燥时间的延长不断降低，当干燥温度为50，60，70 ℃时，干燥时间分别为14.0，12.1，9.3 h，70 ℃时的干燥时间比50 ℃时的缩短了34.3%，说明升高温度可显著提高干燥效率，缩短干燥时间。0～7 h内，60，70 ℃下的干燥曲线无显著性差异，是因为较高干燥温度下物料表面水分大量蒸发，而内部水分不能及时迁移至表面而造成表面结壳硬化，阻碍了内部水分进一步向外迁移。此外，干燥温度过高还可能导致维生素C、黄酮类有效成分大量降解，因此干燥温度不宜过高。

真空时间10 min，常压时间4 min图1 干燥温度对干燥曲线的影响Figure 1 Effects of drying temperature on drying curves

由图2可知，不同干燥温度下，干燥速率均先上升后下降，说明干燥过程是由表面水分蒸发和内部水分扩散共同控制。当干燥温度为70 ℃时，干燥速率先大于后小于60 ℃的，可能是因为高温导致光皮木瓜表面结壳硬化，降低了干燥速率。

真空时间10 min，常压时间4 min图2 干燥温度对干燥速率曲线的影响Figure 2 Effects of drying temperature on drying rate curves

2.1.2 常压时间对光皮木瓜真空干燥特性的影响 由图3 可知，当常压时间为2，4，8 min时，干燥时间分别为13.4，12.1，16.8 h，干燥时间随常压时间的增大先减少后增加。常压阶段为光皮木瓜片的加热阶段，而当常压时间为2 min时，光皮木瓜未被充分加热，物料温度较低，内部水分扩散推动力较小。当常压时间为8 min时，光皮木瓜已充分加热，但由于常压时间的延长导致总干燥时间延长。

干燥温度60 ℃，真空时间10 min图3 常压时间对干燥曲线的影响Figure 3 Effects of normal atmosphere pressure holding time on drying curves

由图4可知，不同常压时间下，光皮木瓜的干燥速率均先上升后下降。升速干燥阶段，常压时间为8 min时干燥速率最大，可能是因为常压时间内光皮木瓜充分预热，升温速率快。降速干燥阶段，常压时间为4 min时的干燥速率最大，此时光皮木瓜充分预热，并保持合适的真空常压时间脉动比。

干燥温度60 ℃，真空时间10 min图4 常压时间对干燥速率曲线的影响Figure 4 Effects of normal at mosphere pressure holding time on drying rate curves

2.1.3 真空时间对光皮木瓜真空干燥特性的影响 由图5 可知，当真空时间为5，10，15，20 min时，干燥时间分别为13.9，12.1，15.0，16.0 h。干燥时间随真空时间的延长先减少后增加。真空阶段，光皮木瓜中的水分在表面蒸发，为脱水阶段。当真空时间为5 min时，光皮木瓜片中的水分未及时在表面蒸发，而当真空时间为15，20 min时，光皮木瓜水分在表面大量蒸发，而蒸发带走大部分热量，此时物料温度可能不足以使内部水分迁移至表面，故总干燥时间增加。

干燥温度60 ℃，常压时间4 min图5 常压时间对干燥曲线的影响Figure 5 Effects of vacuum holding time on drying curves

由图6可知，不同真空时间下，干燥速率均先升高后降低，其中真空时间为10 min时的干燥速率最大。综上，干燥温度、真空时间和常压时间对干燥时间影响显著(P<0.05)，且干燥温度>真空时间>常压时间。当干燥温度为60 ℃，常压时间为4 min，真空时间为10 min时，干燥时间较短为12.1 h。

干燥温度60 ℃，常压时间4 min图6 常压时间对干燥速率曲线的影响Figure 6 Effects of vacuum holding time on drying rate curves

干燥时间随干燥温度的升高而缩短，干燥温度越高，物料升温速率越快，内部水分扩散迁移速度剧烈。当干燥温度为70 ℃时，光皮木瓜表面发生了结壳硬化，但仍具有较高的干燥速率，与张卫鹏等[7]的结论一致。干燥时间随常压真空时间的延长而先升高后缩短。电加热板传递至物料的热量一部分用于物料表面水分蒸发，一部分用于物料升温[10]。真空阶段为物料大量脱水阶段[11]，水分在物料表面大量蒸发带走大部分热量，可能导致物料温度降低，而物料温度降低后不利于内部水分向表面迁移。此外，随着物料内部水分的不断减少，干燥脱去的水分由自由水转变为结合水，故物料需要更高的温度才能迫使结合水发生扩散迁移。因此，真空保持一段时间后需转变为常压。常压时间内，此时物料吸收的热量主要用于物料升温，蒸发的水分较少[12]。当物料升温至一定温度后，再转为真空阶段以进一步干燥，故真空时间和常压时间需要合理适当的组合，才能得到最优的干燥工艺。

2.1.4 水分有效扩散系数 由表2可知，不同干燥条件下，光皮木瓜的Deff为6.044 8×10-10～12.008 6×10-10m2/s。Deff随干燥温度的升高而增大，干燥温度越高，光皮木瓜物料温度越高，内部水分扩散迁移速率越快，与José等[13-14]的结论一致。Deff随真空时间或常压时间的延长而先增大后减小，与真空时间和常压时间对干燥时间的影响结果一致。

表2 光皮木瓜真空脉动干燥水分有效扩散系数Table 2 The moisture effective diffusion coefficient of Chaenomeles sinensis slices with vacuum pulsed drying conditions

2.2 BP神经网络拟合

2.2.1 BP神经网络模型参数选择 BP神经网络包含输入层、隐藏层和输出层3部分[15-16]。干燥温度、常压时间、真空时间和干燥时间是干燥过程的重要参数，选择此4个参数作为输入层。输出神经元1个，即光皮木瓜含水率。根据Kolmogorov定理[17]，当隐藏层节点数为7时，训练结果最优。因此，采用4-7-1结构的BP神经网络模型对光皮木瓜真空脉动干燥过程中的含水率进行预测，网络模型结构如图7所示。此外，选择tansig-purelin组合作为该网络的传递函数；采用LM 算法的trainlm作为网络训练函数。

图7 神经网络模型结构图Figure 7 Neural network mode of Chaenomeles sinensis moisture content prediction

2.2.2 样本数据采集与处理 采集光皮木瓜不同干燥温度(50，60，70 ℃)、常压时间(2，4，8 min)和真空时间(5，10，15，20 min)下共计420组试验数据，其中400组作为网络测试数据，20组作为测试数据。由于干燥温度、常压时间和真空时间的量纲和范围差异，将输入数据归一化处理至[-1，1]。

2.2.3 网络模型训练与测试 由图8可知，BP神经网络经16次训练后停止，均方差值达0.000 503 4。由图9可知，光皮木瓜的实测含水率与预测含水率的决定系数R2为0.999 0，说明BP神经网络可以很好地描述光皮木瓜的真空脉动干燥过程。

图8 均方误差曲线图Figure 8 Mean square error curve

图9 光皮木瓜含水率回归分析图Figure 9 Regression analysis of Chaenomeles sinensis moisture

2.2.4 模型验证 由图10可知，当干燥时间<1 h时，光皮木瓜的水分比预测值与实测值偏差较大，当干燥时间>1 h时，BP神经网络预测值和实测值基本吻合，最大相对误差为4.77%，说明BP神经网络能够很好地预测光皮木瓜在真空脉动干燥过程中的含水率。

2.3 干燥品质和微观结构

2.3.1 复水比、维生素C含量和总黄酮含量 由表3可知，复水比随干燥温度的升高而降低，是因为干燥温度过高导致光皮木瓜表面结壳，堵塞了水分迁移孔道，复水性减弱。复水比随常压时间和真空时间的延长先升高后降低，且差异显著(P<0.05)，可能是因为常压时间或真空时间对光皮木瓜内部水分迁移孔道产生不同程度的影响。当干燥温度为50 ℃时，复水比较高，但干燥时间较长；当干燥温度为60 ℃，常压时间为4 min，真空时间为10 min时，能保证较高的复水比(6.28±0.05)，且干燥时间较短。

表3 光皮木瓜真空脉动干燥复水比、维生素C和总黄酮含量†Table 3 Rehydration ratio,VC content and general flavone of Chaenomeles sinensis slices with vacuum pulsed drying conditions

维生素C和总黄酮含量均随干燥温度的升高先升高后降低，说明较长的干燥时间和高温均不利于维生素C和黄酮含量的保留；维生素C和总黄酮含量随常压时间和真空时间的延长先升高后降低。综合比较，当干燥温度为60 ℃，常压时间为4 min，真空时间为10 min时，光皮木瓜具有较高的干燥效率，且干燥品质较好，此时干燥时间为12.1 h，复水比为6.28±0.05，维生素C含量为(71.26±0.74)×10-2mg/g，总黄酮含量为(19.27±0.33)mg/g。

干燥温度65 ℃、真空时间12 min、常压时间3 min图10 光皮木瓜水分比实测值和预测值对比Figure 10 Comparison of measured value and predicted value of Chaenomeles sinensis moisture content

2.3.2 微观结构 由图11可知，50 ℃干燥条件下，光皮木瓜内部呈蜂窝状的多孔结构，有利于水分迁移，故干燥后复水比较大。而干燥温度为70 ℃时，表面水分大量蒸发引起物料表面结壳，堵塞了水分迁移扩散的通道，故复水率较低。

图11 不同干燥温度下光皮木瓜微观结构Figure 11 Microstructure of Chaenomeles sinensis slices at different drying temperature

3 结论

基于BP神经网络模型研究了干燥温度、真空时间和常压时间对光皮木瓜干燥特性和品质的影响。结果表明，干燥温度、常压时间和真空时间对光皮木瓜的干燥时间影响显著(P<0.05)，且干燥温度>真空时间>常压时间。光皮木瓜的有效水分扩散系数为6.044 8×10-10～12.008 6×10-10m2/s，且有效水分扩散系数随干燥温度的升高而增大。综合考虑，真空脉动干燥光皮木瓜的最优工艺条件为干燥温度60 ℃、真空时间10 min、常压时间4 min，此时干燥时间为12.1 h，复水比为6.28±0.05，维生素C含量为(71.26±0.74)×10-2mg/g，总黄酮含量为(19.27±0.33)mg/g。实测含水率与预测含水率的决定系数为0.999 0，BP神经网络模型可以很好地描述光皮木瓜的真空脉动干燥过程。光皮木瓜真空脉动干燥过程中，干燥温度、常压时间和真空时间对光皮木瓜微观结构的影响机理尚不清晰，明确光皮木瓜微观结构的演化规律有助于揭示真空脉动干燥的促干机理。