【doc】稻谷水分吸附与解吸等温线拟合模型的选择及其参数优化

【doc】稻谷水分吸附与解吸等温线拟合模型的选择及其参数优化 稻谷水分吸附与解吸等温线拟合模型的选 择及其参数优化 第22卷 2006往 第1期 1月 农业工程 TransactionsoftheCSAE Vol_22No.1 Jan.2006153 稻谷水分吸附与解吸等温线拟合模型的选择及其参数优化 胡坤,张家年 (1.广东药学院公共卫生学院,广州510224;2.华中农业大学食品科技学院,武汉430070) 摘要:评价5种最常用的数学模型对中国不同类型的稻谷(籼稻,粳稻,糯稻)吸附与解吸等温线数据的拟合效果,以确定 最佳拟合模型及其参数.测定巾国不同类型稻谷的吸附与解吸等温线数据.用非线性回归进行统计 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 并评价数学模型的 拟合效果结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,美国农业工程学会(ASAE)推荐的修正Chung—Pfost模型及其参数并不能与中国稻谷的吸附与解吸 等温线数据很好地拟合.Strohman—Yoerger模型最适于拟合籼稻,粳稻的吸附与解吸等温线及糯稻的吸附等温线.而修正 Oswin模型最适合拟合糯稻的解吸等温线.Strohman—Yoerger模型拟合籼稻,粳稻吸附等温线的参数C,C.,C.,C分别为 1.44871,0.20898,7.32345,0.18647;拟合解吸等温线的参数c1,cC3,C4分别为2.25071,0.24167,8.32543,0.19035;拟 合珍糯吸附等温线的参数为1_55680,0.19179,6.19676,0.17155.修正Oswin模型拟 合珍糯的解吸等温线的参数为 13.63642,0.05638,3.60042.本研究为中国的稻谷贮藏与加工提供了基础性数据. 关键词:等温线;稻谷;拟合模型;'吸附;解吸 中图分类号:T$2Ol;S375文献标识码:A文章编号:lOO268l9(2006)01015304 胡坤,张家年.稻谷水分吸附与解吸等温线拟台模型的选择及其参数优化EJ3.农业工程,2006,22(1):153156. HuKun,ZhangJianian.Selectionoffittingmodelsofadsorptionanddesorptionisothermsofr iceandoptimizationoftheir parameters[J].TransactionsoftheCSAE,2006,22(1):153一I56.(inChinesewithEnglishabstract) 0引言 1925年,Coleman发现在恒定温度下谷物平衡含 水率(equilibriummoisturecontent,EMC)与水分活度 (a)之间有一一对应的关系,将这种关系绘成图就成为 所谓的等温线(Isotherm).等温线是食品工业中的基础 数据,主要用于干燥,混合,包装,贮藏或气调等方面. 由于测定水分活度的方法比较复杂和费时,许多研究者 寻求用数学模型来拟合谷物的等温线. Hendersonl2提出Henderson模型,这个模型最早 用于拟合谷物的等温线.并经Day,Nelson,Thompson 等将其修正为表达不同温度时的EMC/ERH(平衡相 对湿度,在较低压力下(iN大气压力下)平衡相对湿度与 水分活度的关系为ERH=a×1O0)关系口].Chen和 Moreyl4]评价了4个模型(修正Henderson模型,修正 CHung—Pfost模型,修正Halsey模型和修正Oswin模 型)对18种不同的谷物和种子等温线数据的拟合情况, 发现修正Henderson模型和修正Chung—Pfost模型能 作为许多淀粉类谷物和富含纤维物料的等温线拟合模 型;修正Halsey模型适合高油脂和高蛋白的农产品;修 正Oswin模型适合一些淀粉谷物和油料谷物.Da—Wen Sun和J.L.Woods收集了19种不同来源小麦的 1】O9个等温线数据,比较了5个最常用的模型,推荐修 正Oswin模型和修正Chung--Pfost模型分别以M=f (ERH,T)和RH—f(M,T)的形式拟合小麦等温线数 据.Da—wenSun[6收集整理了18种资料来源的稻谷的 收稿日期:2005—01—08修订日期:2005—08—28 作者简介:胡坤(1975一),男.安徽蜜庆人,博士,副教授,主要从 事食品蛋白质功能特性研究,食品添加剂开发利用工作广州市海 珠区光汉直街4O号广东药学院公共卫生学院营j=【教研室19号信 箱,510224.Email;huk88@126.corn 763个试验点数据得出Strohman—Yoerger模型最适 于描述稻谷的等温线. 国内对食品及农产品的等温线研究较少,在贮藏加 工中主要引用国外的数据,直至2O世纪8O,90年代才 开始重视食品等温线的研究工作|7.对稻谷等温线 拟合模型的研究也仅限制在修正Henderson,修正 Chung—Pfost及修正Halsey模型等几种常用模型,所 研究的稻谷类型和等温线的数据比较少,没有选择除普 遍适用于中国稻谷的最佳拟合模型及其参数|1]. 本文测定了5个品种的稻谷(包括籼稻,粳稻和糯 稻)的吸附与解吸等温线数据,并选择了5个最常用的 谷物等温线模型(修正Chung—Pfost模型,修正Hen— derson模型,修正Oswin模型,修正Halsey模型和 Strohman—Yoerger模型)进行拟合,以选择适合中国稻 谷的吸附与解吸等温线模型,并确定其参数. 1仪器,试剂, 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与方法 1.1主要仪器与设备 电子天平(SartoriusAGBS210S,精确度 1/lOOOO),生化培养箱(LRH一250一G),热风干燥机(自 行 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ),恒温干燥箱(101—3型),水分活度仪Navasia (瑞士),电动植物粉碎机(JZ7114型). 1.2材料与试剂 表l稻谷的品种及属性 Table1Varietiesandattributesofrice 纯. LiC1,Mg(NO.),BaC1都为分析纯,P.0为化学 农业工程2006年 1.3试验样品的制备方法 1.3.1新谷吸附等温线样品的制备 新采稻谷脱粒,清选,去杂后用4o?C热风干燥法干 燥至约139/6(湿基,w.b.)的含水率,再用P2O在4o? 下吸水至1.59/6(w.b.)左右;充分混匀后测定初始含水 率;将干燥的稻谷分成14份,按约2(w.b.)的水分梯 度加入蒸馏水,摇匀后密闭于玻璃瓶中,将样品放于 4?的恒温培养箱中,定期摇匀,平衡2个月,测定含水 率和水分活度. 1.3.2新谷解吸等温线样品的制备 新采收的稻谷脱粒,清选,去杂得净谷,混匀后密闭 于玻璃瓶中置于4?下平衡两星期再测定初始含水率 (w.b.);将平衡后的稻谷分成14份,制成含水率梯度 约为29/6(w.b.)的样品.含水率大于13(w.b.)的样 品用4O?热风干燥法去除水分至预定含水率;含水率 小于13(w.b.)的样品,先用4OC热风干燥法去除大 部分水分再在4O?C下用P.O吸收水分至预定含水率, 将制得的样品密闭于玻璃瓶中放于4?的恒温培养箱 中,定期摇匀,平衡2个月,测定含水率和水分活度. 1.3.3陈谷解吸等温线样品的制备 陈谷混匀后密闭于2O?下平衡2星期,测定其含 水率.将陈谷分成14份,加入蒸馏水使其含水率达 23(w.b.)左右,密闭于玻璃瓶中,4?下平衡20d,定 期摇匀.将平衡后的样品按29/6(w.b.)的水分梯度,用 4o?热风干燥法去除水分至预定含水率,当预定水分低 于139/6(w.b.)时,4O?热风处理后用PO在4O?C下 吸收水分至预定含水率.将制得的样品密闭于玻璃瓶 中,4?下平衡2个月后测定含水率和水分活度. 1.3.4陈谷吸附等温线样品的制备 陈谷用P.O在4o?下吸去水分至约1.59/5(w. b.)后充分混匀,测定其初始含水率.将干燥的稻谷分 成14份,按2(w.b.)的水分梯度加入蒸馏水至预定 含水率,摇匀后密闭于4?下平衡2个月,测定含水率 和水分活度. 13.5水分活度的测定方法 间接法,取平衡后的样品适量,放入样品盒中用水 分活度仪连续测定2o,25,3o,4o?的平衡环境的相对 湿度. 1.3.6平衡含水率的测定方法 按GB.5497—85的粮食水分测定方法进行,高于 18(w.b.)的水分用二次烘干法测定. 试验数据处理采用SAS软件作非线性回归分析 (稻谷含水率转换成干基,d.b.). . 各种稻谷的初始含水率如表2所示 表2试验稻谷的初始含水率(w.b.) Table2Initialmoisturecontentsofrice(w.b.%) 2结果与分析 拟合稻谷吸附与解吸等温线最常用的5个数学模 型见表3.STYE模型中P是液态水的饱和蒸汽压,在 o,200?范围内可由下式计算 r1 lnP一+C6+C7T^+C8T;+C9T2+C10lnT^ 』k 式中C5一一5.8002206×1O.,C6=一5.5162560× 1O.,C7一一4.8640239×1O,C8—4.1764768× 1O,,Cg一一1.4454093×1O,C10—6.5459673 10.;T——热力学温度,K;——温度,?;口—— 水分活度;M——平衡含水率;Cl,C2,C.,C——参 数. 表3拟台模型的名称及其表达式 Table3Fittingmodelsandtheirexpressions 模型名称及简称模型表达式 修正Chung—Pfost模型(MCPE) 修正Henderson模型(MHNE) 修正Oswin模型(MONE) 修正一Halsey模型(MHYE) Strohman—Yoerger模型(STYE) nw一"exp(一CsM)]pL-w一"一 a=1一exp[一C1(+C2)3] 1 %—?而1+( 口—exp[一exp(Cl+C2T)M一3] n=expI-C1exp(一CzM)InP一 exp(一CI)] 为比较这5个模型的优劣,采用表4中的5个参数 误差判断标准,表中口为试验测定的水分活度,口为 理论计算值,口为平均值.R.,RSS,SEE为统计学判断 标准,R.越大,RSS越小,SEE越小则模型与等温线数 据拟合得越好;MRD,RMS表示观测值与模型理论值 的平均偏差程度,MRD,RMS值越小,理论值与观测值 就越吻合,模型也就越能代表等温线的特性. 表4评价模型拟合效果的指标名称及表达式 Table4Errorjudgmentsofdifferentmodels andtheirexpressions 名称及简称表达式 ?(?一a). 决定系数RZ(R—square)Rz一1一与}————一 ?(."一) 残差平方和Rss: 妻(4"一a").sum- oLs,ua(residualsumofsquare,RSS)…鲁 估计标准差 (standarderrorofestimate,SEE)SEE 平均相对偏差 (meanrelativedeviation.MRD) 平均误差平方和的平方根 (rootmeansquareerror,RMS) MRD!二!竺! mawi RMS mi =1 cz]专 用非线性回归分析评价5种模型拟合稻谷等温线 第1期胡坤等:稻谷水分吸附与解吸等温线拟合模型的选择及其参数优化 数据的效果,发现MONE模型最适合拟合珍糯的解吸 等温线数据,它的R.值比其他4个模型的R.值大而 RSS,SEE,MRD,RMS值都最小;Strohman—Yoerger 模型拟合籼稻(包括精米和糙米)和粳稻吸附与解吸数 据的R.值都最大,而RSS,SEE,MRD,RMS值都最 小,说明Strohman—Yoerger模型最适合拟合这两类稻 谷的吸附与解吸等温线. 为赢观地比较这5个模型的优劣,将5个判断指标 的平均值按吸附与解吸等温线的类别列于表5.从表5 中可以看出,这5个模型拟合稻谷吸附与解吸等温线数 据的优劣顺序为;Strohman—Yoerger模型>修正 Chung—Pfost模型>修正Henderson模型>修正Oswin 模型>修正Halsey模型,Strohman—Yoerger模型最适 合拟合稻谷的吸附与解吸等温线数据. 将鄂早9号,9711,汕优63新谷,汕优63陈谷,鄂 粳杂1号的吸附解吸等温线数据代入Strohman— Yoerger模型,用非线性回归方法求出模型的最佳参数 并对其拟合效果进行检验.结果如表6示.从表中可以 看出,对于不同的稻谷类型,品种和样品的处理方法而 得的吸附与解吸等温线数据,Strohman—Yoerger模型 都能很好与之拟合,其标准差(SEE)吸附时为2.56× 1O_.,解吸时为1.92×10;平均相对偏差(MRD)吸附 时为6.58×1O.,解吸时为4.2O×10_.. 表55个判别标准的平均值 Table5Averagevaluesofthefiveerrorjudgments 表6STYE模型拟合稻谷吸附与解吸等温线的最佳参数值及误差估计 'Table6OptimumparametersanderrorjudgmentsofSTYEmodelfittingisothermaldataofri ce 图l和图2是Strohman—Yoerger模型预测的 2O?吸附与解吸等温线与本课题的试验数据及不同作 者的试验数据的比较,从图中可以直观地看出 Strohman—Yoerger模型计算出的理论等温线与试验值 很好的吻合.图3是ASAE推荐的修正Chung*Pfost模 型_6预测的稻谷的2O?解吸等温线,Strohman— Yoerger模型预测的解吸等温线及本课题试验数据和其 《 0 3 U 】jlL * 缸 妊 00.10.20.30.40,50,60.70.80.91.0 水分活度/4 图1STYE预测与本课题及其他文献的2O?吸附等温线比较 Fig.1Comparisonofadsorptionexperimentalisotherm datawiththeisothermpredictedbySTYEmodel 他文献的试验数据的综合比较.从图中可以看出, ASAE推荐的修正Chung—Pfost模型计算的稻谷解吸 等温线在>0.8以上时的平衡含水率比试验值低, 而a<0.4时平衡含水率比试验值高.因此,ASAE推 荐的修正Chung—Pfost模式及其参数并不能与稻谷的 吸附与解吸等温线数据很好地拟合,而Strohman— Yoerger最适合拟合稻谷的吸附与解吸等温线. 一 STYE预测值 ?鄂粳杂l号 ?鄂早9号 x9711 _汕优63新谷 ?汕优63种子 +CSMS ?华稻2l 一 华矮837 ?华粳矮杂1号 -1016晚粳 图2STYE预测与本课题及其他文献的20"C解吸等温线比较 Fig.2Comparisonofexperimentaldesorptionisotherm datawiththeisothermpredictedbySTYEmodel 156农业工程2006正 —— STYE预测值 - 鄂粳杂1号 ? 鄂早9号 97ll 汕优63新谷 ?汕优63种子 - CSMS ? 华稻21 ?华矮837 ? 华粳矮杂1号 ?1016晚粳 ---- Chang-Pfost 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.O 水分活度/d 圈3ASAE推荐的修正Chung—Pfost模式与STYE,试验数据 的25~C解吸等温线(参考文~El1],[12],[13]) Fig.3Comparisomofadsorptionisothermalexperimentaldata withisothermspredictedbySTYEmodelandChung—Pfost modelrecommendedbyASAE(Ref-L11],[12],[13]) 3结论 ASAE推荐的修正Chung—Pfost模式及其参数并 不能与稻谷的吸附与解吸等温线数据很好地拟合. Strohman—Yoerger模型最适于拟合籼稻,粳稻的吸附 与解吸等温线及糯稻的吸附等温线.而修正Oswin模 型(MONE)最适合拟合糯稻的解吸等温线.Strohman— Yoerger模型拟合籼稻,粳稻吸附等温线的参数C,C, C3,C分别为1.44871,0.20898,7.32345,0.18647;拟 合解吸等温线的参数C,C,C3,C分别为2.25071, 0.24167,8.32543,0.19035;拟合珍糯吸附等温线的参 数为1.55680,0.19179,6.19676,0.17155.修正Oswin 模型(MONE)拟合珍糯的解吸等温线的参数为 13.63642,一0.05638,3.60042 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [1O] [1I] [12] [13] [参考文献] PixtonSW,SylviaWarburton.Theinfluenceofthe methodsusedformoistureadjustmentontheequilibrium relativehumidityofstoredproducts[J].Journalofthe StoredProductsResearch,1973,9:189—197. HendersonSM+Abasicconceptofequilibriummoisture [J].AgricultureEngineering,1952,7:29--32. 陈加忠,赖建洲,曹之祖.稻谷平衡相对湿度性质之研究 [J].中华农业研究,1990,39(4):347—366. ChenChia—Chung,MoreyR.Vance.Comparisonoffour EMc/ERHequations[J].TransactionsoftheASAE, 1989,32(3):983—990. Da—WenSun,WoodsJL.Theselectionofsorption isothermequationsforwheatbasedonthefittingofavail— abledata[J].JournaloftheStoredProductsResearch, 1994,30(1):27—34. 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Selection0ffittingmodels0fadsorptionanddesorptionisotherms 0friceandoptimization0ftheirparameters HuKun.ZhangJianian0 (1.AcademyofPublicHealthofGuangdongPharmacyCollege,Guangzhou510224,China: 2.CollegeofFoodScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China) Abstract:Inordertoevaluatethefittingeffectsoffivemostcommonlyrecommendedfittingmodelswithadsorp— tionanddesorptionisothermsofdifferentricetypes(indicarice,japonicarice,glutinousrice)ofChina,andde— terminethebestfittingmodelanditsparameters.non— linearregressionanalysiswasusedtodetermineadsorption anddesorptionisothermsofdifferentricetypes,andtoevaluatethefittingeffectsanddeterminetheirparame ters.TheresultsshowthatmodifiedChung.PfostmodelrecommendedbvASAEisnoteffectivetofitthe isothermsofrice,whileStrohman— Yoergermodel(STYE)fitstheadsorptionanddesorptionisothermsofiaponi— caandindicariceandtheadsorptionisothermsofZhennuovarietybestofthefive.Butmodified—Oswinequation (MONE)isthebestonefittingdesorptionisothermsofZhennuovarietyofthefive.Theparameters(Cl'C2,C" C4)oftheSTYEfittingadsorptionisothermsofindicaandjaponicariceare1.44871,0.20898,7.32345, 0.18647,fordesorptionisotherms,theparametersare2.25071,0.24167,8.32543,0.19035,andforadsorption 1sothermsofZhennuovariety,theparametersare1.55680,0.19179,6.19676,0.17155,respectively.The parameters(C1,C2,C3)oftheMONEfittingdesorptionisothermsare13.63642,一 0.05638,3.60042, respectively.TheresultsprovidefundamentaldataforricepreservationandprocessinginChina. Keywords:isotherms;rice;fittingmodels;adsorption;desorption ?弘虬博坦90O 鼍一..P)u击瓣*舡鞲