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大红袍花椒对流-辐射并联干燥BP神经网络模拟与品质研究
作者：薛韩玲1*，王楠1，牛婷婷1，陆泽华2，廖帮海2，习红军1
单位：
1．西安科技大学 能源学院
2．西安科技大学 建筑与土木工程学院
基金项目：
陕西省重点研发项目（2019NY-166）
摘要及关键词
摘要：为探究热风干燥、热风-红外和热风-微波对流-辐射并联干燥对大红袍花椒干燥特性及品质的影响，试验分析了不同温度、装载量、干燥功率等条件下的大红袍花椒干燥曲线特征，运用BP神经网络进行拟合，并采用感官评价与GC-MS对3种干燥方式干制大红袍花椒挥发油进行分析。结果表明，热风-红外并联干燥的恒速期干燥速率高于热风干燥一个数量级，热风-微波并联干燥时长最短，出现二次升速且降速期不明显；升温、减少装载量或加大微波功率均有利于提高干燥速率和缩短干燥时间。BP神经网络的相关系数R值均能达到0.985以上，均方误差（mean square error，MSE）最低可达1.010×10-4，平均相对误差值E为4.55%，可很好地描述大红袍花椒的干燥动力学特性，预测大红袍花椒干燥过程含水率准确且迅速。3种干燥方式挥发油分别鉴定出40、39、28种化学成分，热风-微波并联干燥获取大红袍花椒挥发油中烯烃类化合物相对含量最大，但色泽和口感差，热风干燥花椒色泽最佳，挥发油中化合物种类最多，热风-红外并联干燥既缩短了大红袍花椒干燥时间，又能保持其品质良好，为较佳选择。
关键词：并联；干燥；大红袍花椒；BP神经网络；品质
主要结论
大红袍花椒干燥动力学研究：由图1-a可见，干燥时间与装载量呈正相关，与温度呈负相关。由图1-b可知，大红袍花椒热风干燥过程存在3个阶段，分别是初期升速阶段、中期恒速阶段、后期降速干燥阶段。
由图2-a可知，和单一的热风干燥相比，联合干燥时间显著降低。花椒的数量变多厚度增加，红外辐射对花椒内部作用较弱，从而延长了干燥时间。由图2-b可知，热风-红外并联干燥恒速期的干燥速率[最大值0.064 0 g/(g·min)]高于热风干燥恒速期一个数量级[最大速率0.007 3 g/(g·min)]，物料内部的自由水很快被去除，从而进入降速期。
由图3-a可知，相比于单一热风干燥和热风-红外并联干燥，热风-微波干燥所需时间最短。这是因为微波辐射穿透性和折射性极强，水分子发生高频摩擦产生热量，使水分瞬间蒸发。由图3-b可知，在干燥过程中，热风-微波并联干燥速率远高于热风干燥，温度对干燥速率的影响没有微波功率明显，降速期不明显。
BP神经网络模型：图4-a为隐含层节点数为9时的BP神经网络训练过程曲线，在迭代次数为86次后，网络误差值达到稳定，并在第80次表现出最佳的验证性能。图4-b为BP神经网络训练回归图，在训练、测试、验证和所有数据集中，相关系数R分别为0.999 26、0.998 91、0.998 31和0.999 09，图中显示试验值和预测值之间具有良好的线性拟合，模型拟合度好，干燥特性曲线值预测可信度高。
为了验证所建立的BP神经网络模型的精确性，应用温度60 ℃、装载量150 g、微波功率462 W的试验组与模型预测值进行对比，结果如图5所示。经计算，BP神经网络模型的预测值与实验值的平均相对误差为4.55%，达到了高精度标准，说明BP神经网络十分适用于预测大红袍花椒在3种干燥过程中的水分变化。
品质分析：图6为温度60 ℃、装载量为150 g条件下，3种干燥方式处理后的大红袍花椒外观图。从图可知，热风干燥的温度相对较低，影响较小，干后的花椒颜色比较鲜红、有光泽，几乎无焦糊和内部组织结构破裂造成的鼓泡现象，并且外壳比较饱满，品质好；而热风-红外干燥后的花椒，由于温度的增加，花椒的颜色偏暗，大部分为红褐色，同时还出现焦糊，但总体品质较好；热风-微波（462 W）干燥后的花椒，经过高温辐射干燥后，由于热效应极强，花椒基本已全部变为褐色，大部分外壳干瘪、鼓泡和焦糊，油苞不完整。
新鲜样品与上述各样品的色差值测试结果见表1。与新鲜样品相比，3种干燥方式干燥样品的a*均值显著下降，b*值均显著上升(P<0.05)。热风干燥后的花椒保色效果最好，热风-红外干燥次之，热风-微波干燥最差。
如图7所示，通过热风干燥后的大红袍花椒酯类化合物含量最高，占比为11.13%，热风-微波干燥则是烯烃、醇类化合物，分别占比为46.00%和9.31%，热风-红外干燥后各类化合物含量居中，其中烯烃、酯类化合物提供花椒独特香气风味，与前文中感官评价结论一致，很好地解释了不同干燥方式下大红袍花椒的香气差异原因。
通过热风、热风-红外和热风-微波并联干燥方式对大红袍花椒进行干燥，分析各干燥方式下的干燥特性可知，热风干燥时间最长，热风-红外并联干燥次之，热风-微波并联干燥最短；提高温度、减少装载量或加大微波功率均能很大程度地提高干燥速率。利用BP神经网络模型对不同干燥方式下的试验数据进行拟合，结果：BP神经网络模型拟合度高，对试验结果预测准确，非常适合用于描述大红袍花椒干燥动力学特性。3种干燥方式干制大红袍花椒的色泽、风味和口感由好到差依次为热风、热风-红外，热风-微波并联干燥；3种干燥方式挥发油化学成分鉴定分别为40、39、28种，热风干燥后的大红袍花椒酯类化合物含量最高，占比为11.13%，热风-微波干燥烯烃、醇类化合物含量较高，分别占比46%和9.31%，热风-红外并联干燥后各类化合物含量居中。综上所述，热风-红外并联干燥为花椒较为适宜的干燥方式，不仅干燥时间短，而且能保留大红袍花椒原有的色泽、挥发油等成分，较好地保持了花椒干燥后的品质。
团队简介
通
信
作
者
薛韩玲，女，汉族，1971年9月生。博士，副教授，硕士生导师。现在西安科技大学能源学院建筑环境与设备工程系工作，主要从事环境污染治理、安全技术新材料新工艺、通风与空调系统应用的开发和研究。在国内刊物和国际会议发表论文16篇，SCI收录1篇，EI收录3篇，ISTP收录1篇，参与国家、省部级科研项目5项，横向课题1项，参编教材1本。
第
一
作
者
王楠，男，西安科技大学能源学院2021级硕士研究生，供热、供燃气、通风及空调工程专业，研究方向：智能干燥控制。
引用格式
薛韩玲, 王楠, 牛婷婷, 等. 大红袍花椒对流-辐射并联干燥BP神经网络模拟与品质研究[J/OL]. 食品与发酵工业, 2024. DOI:10. 13995/j.cnki.11-1802/ts.037410.
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图文供稿| 作 者
编辑排版| 高春雨
内容审核| 陈雅薇
