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        芒果壓差預(yù)冷數(shù)學(xué)模型的建立

        2013-05-18 07:30:00曹建康姜微波
        食品工業(yè)科技 2013年7期
        關(guān)鍵詞:預(yù)冷芒果壓差

        李 健,曹建康,姜微波,*

        (1.北京工商大學(xué)食品學(xué)院,北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,食品添加劑與配料北京高等學(xué)校工程研究中心,北京100048;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,北京100083)

        芒果肉質(zhì)細(xì)膩,香味濃郁,口感獨(dú)特,而且營養(yǎng)豐富[1],深受人們的喜愛。然而芒果大多種植在熱帶和亞熱帶地區(qū),采收時溫度高[2],采后若不及時處理,果實(shí)會迅速軟化,風(fēng)味變淡,品質(zhì)明顯下降[3-4]。預(yù)冷是在低溫貯運(yùn)或冷凍加工前利用低溫水或空氣等介質(zhì)迅速降溫除去田間熱的過程[5-7]。研究表明,在整個冷藏鏈中,不經(jīng)預(yù)冷的果蔬在流通中損失約為25%~30%,而經(jīng)過預(yù)冷的果蔬損失率僅為5%~10%,美國、日本、澳大利亞等國家已經(jīng)把預(yù)冷作為水果、蔬菜采后必不可少的第一道工序[8-9]。數(shù)學(xué)模擬是研究果蔬預(yù)冷過程與機(jī)理的重要方法和工具,可以解決費(fèi)用和時間對實(shí)際實(shí)驗(yàn)的種種限制,建立數(shù)學(xué)模型對了解傳熱規(guī)律,指導(dǎo)具體實(shí)驗(yàn)的開展,設(shè)計(jì)出更加合理的預(yù)冷裝置具有十分重要的意義。半理論模型以傳熱方程為基礎(chǔ),進(jìn)行了適當(dāng)簡化,表達(dá)式雖然簡單卻能很好的模擬出預(yù)冷過程。以前的研究表明,建立的半理論模型可以準(zhǔn)確的估算出葡萄[10]和龍眼[11]的預(yù)冷時間。本文通過對預(yù)冷數(shù)據(jù)的回歸分析,得到了描述預(yù)冷過程的半理論模型,對預(yù)冷參數(shù)的選擇,預(yù)冷時間的估算和預(yù)冷裝置的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        供試芒果 選用綠熟期“臺農(nóng)”芒果,購于新發(fā)地農(nóng)貿(mào)市場,挑選大小均勻,無機(jī)械傷,病蟲害的果實(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前,將芒果于室溫下放置一夜,待果實(shí)溫度均勻后,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

        AZ8908風(fēng)速計(jì) 衡欣科技股份有限公司;BP-7033數(shù)據(jù)采集模塊 利永興自動化技術(shù)有限公司;PT100熱電偶 上海興寧儀表有限公司。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 預(yù)冷過程 整個實(shí)驗(yàn)過程在恒溫冷庫中進(jìn)行,利用風(fēng)機(jī)的抽吸作用,迫使空氣從箱內(nèi)通過。利用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以獲得所需風(fēng)速。風(fēng)速由風(fēng)速計(jì)測得。實(shí)驗(yàn)過程中通過插入芒果中心的PT100熱電偶測定芒果的中心溫度,并通過數(shù)據(jù)采集模塊采集輸出,采集速率為10秒/次。

        調(diào)節(jié)庫溫(0、4、8、12℃)和風(fēng)速(0、0.5、1、2m/s)至設(shè)定條件,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,將傳感器插入被試芒果果實(shí)中心,并將單個芒果放入風(fēng)道內(nèi),芒果長度方向與風(fēng)向垂直。預(yù)冷開始時啟動溫度數(shù)據(jù)采集模塊,記錄預(yù)冷過程中溫度的變化。待芒果中心溫度達(dá)到13℃時,預(yù)冷結(jié)束。每個預(yù)冷條件下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

        表1 芒果壓差預(yù)冷模型的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 1 Statistical results obtained from the pressure precooling model

        1.2.2 預(yù)冷方程的建立 類似牛頓冷卻定律的一個關(guān)系式經(jīng)常被用于預(yù)冷過程的分析[12],首先定義無量綱溫度:

        式中:Y-無量綱溫度,T-芒果中心溫度,Ti-芒果中心初始溫度,Tm-冷卻介質(zhì)溫度。

        則Y可以表示成:

        其中:t-預(yù)冷時間,J-預(yù)冷因子,C-預(yù)冷系數(shù)。

        1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 利用oringin 8.0軟件擬合求出預(yù)冷過程中的預(yù)冷系數(shù)J和預(yù)冷因子C,建立壓差預(yù)冷的數(shù)學(xué)模型。

        1.2.4 模型評價(jià) 實(shí)驗(yàn)中采用相關(guān)系數(shù)(R2),卡方(χ2)和均方根誤差(RMSE),檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匹配程度[13]。R2越大,χ2和 RMSE 越小,說明匹配程度越好。其中:

        式中:Yexp,i-任意時刻 Y 的實(shí)驗(yàn)值,Ypre,i-任意時刻Y的模擬值,N-可以得到的數(shù)據(jù)個數(shù),z-模型中參數(shù)的個數(shù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 芒果壓差預(yù)冷方程的建立

        將不同溫度和風(fēng)速條件下得到的芒果無量綱溫度,用預(yù)冷方程進(jìn)行擬合,經(jīng)過非線性回歸分析,得到預(yù)冷模型中的預(yù)冷因子J,預(yù)冷系數(shù)C和檢驗(yàn)?zāi)P推ヅ涓叩统潭鹊膮?shù)R2、χ2和RMSE,如表1所示。從表中可以看出,所有模型的 R2>0.98,χ2<0.002,RMSE<0.1401,說明模型的擬合精度較高,可以模擬芒果在不同溫度和風(fēng)速下的預(yù)冷過程。

        2.2 風(fēng)速對芒果壓差預(yù)冷方程中預(yù)冷系數(shù)的影響

        從表1中可以看出在同一溫度下,預(yù)冷因子J的大小和風(fēng)速關(guān)系不大,最大偏差都在5%以內(nèi)。因此只要得到風(fēng)速和預(yù)冷系數(shù)C的關(guān)系,再通過對預(yù)冷因子J的優(yōu)化,就能得到不同風(fēng)速下芒果的預(yù)冷方程。將不同溫度下的風(fēng)速和預(yù)冷系數(shù)C進(jìn)行回歸分析,得到了如圖1所示的關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2都大于0.99,說明擬合方程能很好的表達(dá)出風(fēng)速和預(yù)冷系數(shù)C之間的關(guān)系。

        將圖1得到的風(fēng)速和預(yù)冷系數(shù)C的關(guān)系式代入預(yù)冷方程中,對預(yù)冷因子J進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化后的預(yù)冷因子J*如表2所示,其中擬合結(jié)果的R2>0.98,χ2<0.002,說明同一溫度時不同風(fēng)速下的預(yù)冷因子J可以優(yōu)化統(tǒng)一為新的預(yù)冷因子J*。

        表2 芒果壓差預(yù)冷模型中預(yù)冷因子J的優(yōu)化統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of the optimized cooling factor J obtained from the pressure precooling model

        根據(jù)表2中給出的優(yōu)化后的預(yù)冷因子J和圖1中風(fēng)速和預(yù)冷系數(shù)C的關(guān)系式,可以得到0、4、8和12℃溫度下芒果中心溫度隨時間和風(fēng)速的變化方程:

        圖1 不同溫度下風(fēng)速對預(yù)冷系數(shù)的影響Fig.1 Effect of air velocities on the cooling coefficient C of mango fruit precooling at different temperatures

        式中:T為芒果中心溫度,t為預(yù)冷時間,v為冷風(fēng)速度。

        利用上述方程可以估算出不同風(fēng)速下各個預(yù)冷階段的芒果溫度。

        3 結(jié)論

        本文通過對芒果預(yù)冷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,建立了芒果中心溫度隨預(yù)冷時間變化的數(shù)學(xué)方程,確定了冷風(fēng)速度和模型系數(shù)之間的關(guān)系。所有方程的相關(guān)系數(shù)都在0.98以上,說明其可以很好的描述芒果預(yù)冷過程。

        模型簡單,易于操作,能夠較好的預(yù)測芒果的預(yù)冷規(guī)律。根據(jù)方程就可以估算出芒果溫度達(dá)到預(yù)冷設(shè)定值所需要的時間,為預(yù)冷設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時,由方程可以定量的描述溫度和風(fēng)速對預(yù)冷過程的影響,求解出溫度和風(fēng)速對預(yù)冷時間影響的拐點(diǎn),對預(yù)冷條件的選擇和預(yù)冷工藝的優(yōu)化具有指導(dǎo)作用。

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