紫花苜蓿茎秆和叶片的解吸等温线模型及参数优化

2017-09-13 05:23:50高东明黄志刚王德成
草地学报 2017年4期
关键词:等温线活度茎秆

高东明, 黄志刚, 李 杰, 王德成

(1. 北京工商大学材料与机械工程学院, 北京100048;2. 中国农业大学工学院, 北京 100083)

紫花苜蓿(Medicagosativa)作为农牧业发展中不可缺少的牧草,在收获贮藏过程中,苜蓿的水分含量直接影响草产品的储存品质[1-3]。水分含量过低造成花叶脱落损失量大;水分含量高于安全含水率则易发霉,引发疾病,不利于保存和使用[4-5]。解吸等温线表示在干燥过程中,一定的温度条件下,平衡含水率与水分活度之间的关系曲线。水分活度代表的是食品中的自由水,而微生物和生化反应通常只利用食品中的自由水,因此,水分活度是确定合适的干燥工艺以及保藏工艺的重要参数[6-9]. 是研究干燥动力学、水分扩散特性、干燥特性曲线和传热传质的基础数据,对于设计和优化采后操作如干燥处理和贮藏都十分必要[10-11]。

目前,国内外关于农产品及食品的吸着等温线的研究主要包括水分活度对农产品干燥过程中褐变、腐烂和微生物作用等现象的影响研究[12-16]和吸着等温线的模型研究[17-20]。对于苜蓿的研究国内还尚无开展,国外Arabhosseini[21]等人采用饱和盐溶液法对紫花苜蓿的吸着等温线进行了初步研究。

为了掌握苜蓿收获干燥过程中的解吸等温线,控制干燥过程和贮藏稳定性。文章采用基于镜面冷凝露点等温线法的水活度仪,综合考虑苜蓿收获季节的晾晒及贮藏温度,测定了20℃,30℃,40℃条件下苜蓿顶部茎秆、中部茎秆、根部茎秆以及叶片的解吸等温线,并分析其水分活度对收储过程中的安全含水率的影响,建立了苜蓿茎叶的解吸等温线模型。旨在探讨苜蓿不同部位所适用的解吸等温线模型和对收获的要求,明确不同部位是否需要不同的干燥与储藏条件,为苜蓿的合理干燥与贮藏提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

FA2004B电子天平购自上海越平科学仪器有限公司; HWS-70BX恒温恒湿箱购自天津泰斯特仪器有限公司;MB35型卤素水分测定仪购自美国奥豪斯公司,Aqualab 4te台式水活度仪购自美国培安公司。

1.2 解吸等温线样品的制备

试验采用第二茬现蕾期的紫花苜蓿,刈割时留茬高度为8~15 cm。分别剪取刈割后苜蓿的主茎秆和叶片进行分类,将主茎杆由根部到顶端分为直径和质地差异较大的3部分:根部茎秆,中部茎秆,顶部茎秆。将分类后的茎秆切成3~5 mm 长的草段作为试验样品。最终得到4类试验样品:叶片,根部茎秆,中部茎秆,顶部茎秆。

新鲜的样本分类后密闭于玻璃瓶中置于 4℃下平衡24 h再测定初始含水率( 湿基w. b.)。将测定含水率后的各类样品分成 12 份,在60℃常压下,采用卤素水分测定仪将样品干燥成含水率梯度约为 2% ( 湿基含水率区间4%~10%)、5% (湿基含水率区间11%~30%)和 10% (湿基含水率区间31%~70%)的样品。将制得的样品密闭于玻璃瓶中放于 4℃的恒温恒湿箱中平衡 10 d后测定样品的含水率和水分活度。

1.3 水分活度的测定方法

依据BS ISO 21807:2004标准[22]采用镜面冷凝露点法,将样品装入Aqualab 4TE水分活度仪的样品盒中,分别测定(20℃,30℃,40℃)条件下苜蓿顶部茎秆、中部茎秆、根部茎秆以及叶片的水分活度aw。每个试验重复5次并取平均值作为实验值。

1.4 平衡含水率的测定方法

采用 GB/T 5009.3-2010《食品中水分的测定》[23]。以Equilibrium moisture content/% w.b(EMC / %w.b)表示湿基平衡含水率,以Equilibrium moisture content /% d.b(EMC/% d.b)表示干基平衡含水率。

1.5 解吸等温线模型

参考国内外相关文献[21,24],选取茎叶类农产品中应用较广的5种数学模型对苜蓿样品的解吸等温线值进行拟合。拟合模型如表1所示,表中X表示样品的平衡含水率,aw表示水分活度,A、B、C为待定系数。

表1 解吸等温线拟合模型Table 1 Models for fitting sorption isotherm of alfalfa

2 结果与分析

2.1 解吸等温线

2.1.1叶片的解吸等温线 苜蓿叶片在20℃,30℃和40℃条件下的解吸等温线如图1所示。由图1可知,在上述温度条件下的解吸等温线变化趋势基本一致。在干燥过程中,叶片在高水分活度区间(0.7~1)平衡含水率下降较快,其中的水分为游离态水。在中等水分活度区间(0.25~0.7)平衡含水率的下降速度减慢,平衡含水率在低水分活度区间(0~0.25)的下降速度又开始加快。这种情况说明苜蓿叶片的解吸等温线属于Ⅱ型等温线。

不同温度条件下的解吸等温线以低温在上,高温在下的趋势分布。比较各温度条件下的等温线差异可知, 30℃ 和 40℃之间的差异小于20℃ 和 30℃之间的差异,这可能是由于在较高的温度下,水分子会变得活跃[25],水分子的活性和亲水力提高。

图1 不同温度下叶片的解吸等温线Fig.1 Desorption isotherms of alfalfa leaves at different temperatures

2.1.2茎秆的解吸等温线 苜蓿顶部茎秆、中部茎秆、根部茎秆在20℃,30℃和40℃条件下的解吸等温线如图2(a、b、c)所示。由图2可以看出,不同部位的茎秆在不同温度条件下的等温线类型相似,曲线的切线无明显穿越曲线的拐点。20℃,30℃和40℃解吸等温线在曲线形状近似不变的情况下,随温度的升高依次向右下方移动,这说明温度对解吸等温线有显著影响。

图2(a、b、c)的高水分活度区域(0.7~1)内,茎秆的平衡含水率下降迅速,而水分活度由0.4降至0.1时,平衡含水率的下降速度逐渐缓慢。对比图2中的a、b、c可知,不同部位的茎秆在不同的水分活度区间内,苜蓿茎秆的平衡含水率(d.b.)变化速率不一致。随平衡含水率的下降,水分活度的下降速度由根部茎秆到顶部茎秆逐步加快。

图2 不同温度下茎秆的解吸等温线Fig.2 Desorption isotherms of alfalfa stems at different temperatures

2.2 解吸等温线模型拟合及评价

2.2.1叶片解吸等温线模型拟合及其评价 用表1中5种模型对苜蓿叶片在20℃,30℃和40℃条件下的解吸等温线数据进行拟合, 模型的拟合精度采用拟合决定系数R2和拟合残差进行分析评价。拟合决定系数R2的值在0~1之间变化,R2越接近1表明拟合效果越好。在此基础上对拟合模型进行残差分析,采用残差平方和(RSS)来评估观测值与模型拟合值的平均偏差程度,数据的残差平方和越小,其拟合程度越好。采用自变量的残差图的散点分布是否漂移来衡量模型的适用性,残差图的散点在0周围随机分布,则表明该自变量在试验中没有漂移,拟合优度好。残差图的散点若出现一定规律的分布,则表明有漂移,需要改善拟合模型。拟合结果如表2所示。

表2 不同拟合模型对叶片的拟合优度对比Table 2 Fit goodness comparison of different desorption isotherms models for leaves

由表2可以看出,在3个温度条件下,GAB模型的拟合决定系数R2最高,残差平方和(RSS)最小,拟合效果最好,Henderson模型的拟合优度次之。因此可以采用GAB和Henderson模型来描述苜蓿叶片在20℃,30℃和40℃条件下的解吸等温线。GAB和Henderson模型的参数值如表3所示。

表3 GAB和Henderson模型的参数值Table 3 Parameters of GAB and Henderson models

2.2.1茎秆解吸等温线模型拟合及其评价 对苜蓿茎秆在20℃,30℃和40℃条件下的解吸等温线数据进行拟合, 5种模型的拟合结果如表4所示,顶部茎秆在3个温度条件下,GAB模型的拟合决定系数R2最高, Henderson模型的拟合优度与GAB模型基本持平,但Henderson模型的残差平方和略大于GAB模型,因此采用GAB模型和Henderson模型均可较好拟合顶部茎秆。对于中部茎秆和根部茎秆而言,在3个温度条件下,GAB模型和Oswin模型的拟合决定系数R2均超过0.99的拟合优度,两个模型的残差散点都无漂移地分布在平均值的两侧,因此采用GAB和Oswin模型都可以很好的描述苜蓿中部及根部的茎秆在20℃,30℃和40℃条件下的解吸等温线。

表4 不同拟合模型对茎秆的拟合优度对比Table 4 Fit goodness comparison of different desorption isotherms models for stems

采用表4中优选的模型来描述苜蓿叶片在20℃,30℃和40℃条件下的解吸等温线。得到模型的参数值如表5所示。

表5 茎秆模型的参数值Table 5 Parameters of stem models

分析表2,4中的拟合优度、残差分布因素可知,顶部茎秆和叶片采用GAB模型和Henderson模型拟合效果最好,而中部茎秆和根部茎秆适用于GAB和Oswin模型,这与顶部茎秆和叶片适用的模型有一定的差异。对比表3,5中模型的参数值、表达式等因素可知,叶片和各部分茎秆均可采用GAB模型,但模型参数的取值差异较大并呈现以下规律。叶片采用GAB模型时参数C≤0.0026接近于0,中部茎秆和根部茎秆采用GAB模型时的参数B值变化范围较小(0.97~1),而顶部茎秆采用GAB模型时的取值范围则处于叶片与中部茎秆之间且参数值与中部茎秆接近。

2.3 解吸等温线模型的改进与修正

表2中, GAB模型的拟合效果最好,但其模型参数c的值在3个温度条件下均接近于零。参考相关文献[10,25]的研究结论,参数C为温度相关的参数。由表2,3中的参数值可知,叶片采用GAB模型的参数值C≤A且C≤B,因此,模型的形式需要进一步修正。略去参数C后,得到修正的GAB模型表达式为:

(1)

将试验数据代入方程(1)中进行拟合并对拟合结果进行评价,得到叶片修正模型的参数、拟合决定系数以及采用残差平方和(表6)。

表6 叶片采用修正GAB模型的拟合优度和模型参数Table 6 Fit goodness and parameters of modified GAB models for leaves

对比表2、3、6可知,修正后的GAB模型拟合决定系数R2高于通用的GAB模型,残差平方和(RSS)不变。综合考虑修正后的GAB模型参数的数量减少,更加易用,而拟合优度有所提高,因此可以采用修正的GAB模型来描述苜蓿叶片在20℃,30℃和40℃条件下的解吸等温线效果最好。

3 讨论

苜蓿茎叶中的各类生理生化反应和微生物的生长都需要在一定的水分活度条件下才能进行,而食品微生物学研究表明,当水分活度值aw低于0.65时,大多数微生物都无法生长,食品可以保存1~3年,所以苜蓿在收获、干燥及储藏过程中需要控制物料的水分活度,使得其能够相对安全的储藏。如果将水分活度值0.65时所对应的平衡含水率设为安全含水率阈值,由图1、2对应的试验数据可以看出,在同一水活度条件下,苜蓿茎秆和叶片的平衡含水率存在着较大的差异,储藏温度越低对应的安全含水率越高。在30℃~40℃环境下,叶片的平衡含水率低于25% ,而茎秆低于15%即可抑制微生物的繁殖。

对比各部位的解吸等温线模型可知,中部茎秆和根部茎秆采用GAB模型时的参数B值变化范围较小,为(0.97~1),因此该模型也具有优化的潜力。将中部茎秆和根部茎秆GAB模型的系数B常数化为(0.97~1)区间内的某值后,再将试验数据代入该方程中进行拟合,得到新的拟合决定系数远低于原模型,拟合优度大大降低。因此,中部茎秆和根部茎秆适用于通用的GAB和Oswin模型。在20℃,30℃和40℃温度条件下,叶片采用(1)式所示的修正GAB模型拟合效果最好,且修正后的模型参数B的值基本保持不变。中部茎秆和根部茎秆采用 GAB模型和Oswin模型的拟合优度最高。当苜蓿茎叶的解吸等温线均采用GAB模型时,模型的参数B的值在区间(0.7~1.0)之间逐步变化并具有以下规律:叶片小于顶部茎秆,顶部茎秆小于中部茎秆,中部茎秆和根部茎秆进本持平。

4 结论

在解吸等温线的归类方面,苜蓿叶片的解吸等温线属于S形的Ⅱ型等温线。苜蓿顶部茎秆、中部茎秆、根部茎秆的解吸等温线在不同温度条件下的等温线类型相似,曲线的切线无明显穿越曲线的拐点。温度对解吸等温线有显著影响,苜蓿茎秆和叶片的解吸等温线在曲线形状近似不变的情况下,随温度的升高依次向右下方移动。苜蓿茎秆和叶片在收获、干燥及储藏过程中的安全含水率存在着较大的差异。

在模型适用方面,顶部茎秆和叶片采用GAB模型和Henderson模型拟合效果最好,而中部茎秆和根部茎秆适用于GAB和Oswin模型。叶片采用的GAB模型修正后,减少1个模型参数,拟合效果更好,且修正后的模型参数B值基本保持不变。

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