基于神经网络的干燥条件对稻米食味值的影响

基于神经网络的干燥条件对稻米食味值的影响

0稻米食味指标的研究干燥是收获后的必要处理的过程，但水稻是一种高度敏感的粮食。不适当的干燥（尤其是高温度）容易导致大米的食用强度降低，从而降低了大米的粘度、硬度和口感。目前对稻谷干燥后品质的研究大多数局限于爆腰、精米率等外观因素。美国学者Kunze、日本学者伴敏三等人重点研究稻谷干燥后裂纹变化规律,认为干燥温度高、降水速度快是导致稻谷干燥后爆腰主要原因。部分学者研究了干燥后稻米的口感、味道等食味因素。ElaineT.的研究认为,在同样的干燥条件下,最终水分高(15%)的稻米比低水分(12%)的相比,水分越高其香味大,黏度大,硬度小。山下律也的研究也认为,过分干燥后的稻谷,其稻米在煮饭时内部容易形成不容易溶解的小颗粒,使米饭口感发散。稻谷在干燥时温度越高,其稻米在储藏期间脂肪分解程度越大,脂肪酸含量越高。清水直人等学者研究了稻米中脂肪酸影响品质的原因,认为在稻米内部,脂肪酸容易与直链淀粉结合,抑制其糊化,因此,使得米饭的黏度下降,本人的试验也得到了同样的结论。以前对干燥后稻米食味指标的研究多数都是在定性分析阶段。在稻谷加工、市场交易和科研过程中,都要求定量地给出稻米的食味指标—即食味值,它是评价稻谷干燥品质的重要指标。食味(taste)是反映稻米食用品质综合指标,它与稻米的内部成分:水分、直链淀粉、蛋白质、脂肪酸的含量有很大的相关性。当前常用的测定稻米食味值是专家模糊评判方法,这种方法受个人的主观因素、试验条件等影响较大,费时费力,其结果缺乏可比性。目前,稻谷干燥已从单纯强调生产率转变到注重干燥品质,要求干燥后的稻谷要保持其原有的品质特征。市场上急需适合中国国情的快速评价稻米食味的技术与设备,因此本文研究快速预测干燥后稻米食味值的神经网络结构,并分析干燥温度对稻米内部品质指标的影响规律,以便客观准确地判断干燥后稻米品质变化,为研究合理稻谷干燥工艺提供依据。1稻米食味品质检测试验结果以湿基金属酶为基干燥试验所用的稻谷品种为东农420,9316,V10。初始含水率21.6%和18.5%(均为湿基)。干燥温度为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃。热空气的表现速度0.5m/s。干燥后稻谷的最终含水率14.3%,15.2%,16.3%(均为湿基)。在薄层干燥试验台(图见文献1)上进行干燥试验。将干燥后的稻谷碾成精米(Yamamoto,TP-3100),白度38。共计82个样品,每个样品300g,用塑料袋密闭保存1个月,进行食味品质试验。采用专家模糊评判方法确定每个稻米样品的食味值(S)。饭熟后进行米饭食味专家评判,从饭的外观、香味、硬度和黏度方面评价干燥后稻米的食味品质。本研究用近红外光谱谷物成分分析仪(ZX-888)测得每个样品的水分(M)、蛋白质(P)、淀粉(A)和脂肪酸(F)值,见表2(表2只列出9组数据,部分数据见参考文献)。用神经网络软件(NeuroShell2,V3.0)对以上数据(56个)进行训练,其余26个数据用于验证试验。2模拟结果和分析现已知道稻米中的主要成分对其食味值有显著的影响,常用的统计学方法不容易确定稻米各成分之间的交互作用及对食味影响程度。常规的统计学意义上的数学模型可以用一些二次或更高阶的方程式来表述,这些方程式可以从理论上给出输入的变量间的关系并得出结果。而神经网络模型无法用常规的方程式来表述,它的信息大多数依存于它的结构之中,依赖模型本身的多层结构和自学习特性,通过“训练”建立和调整模型,来完成计算过程。在训练阶段,模型已建立了适合这些数据的内部结构,而不需要额外的程序。人工神经网络(ANN)对预测农产品、食品品质指标这一类非线性复杂问题有很强处理能力[5,6,7,8,9,10,11,12,13]。在本研究中,采用神经网络软件NeuroShell2(V3.0)预测了干燥后稻米的食味值。通过对网络预测指数(均方差、可靠性系数、精度系数等)反复比较分析,从软件中可选用的9个神经网络结构中研究确定了图1所示的多层函数结构。该神经网络有1个输入层(IN),包括5个输入量:水分(M)、蛋白质(P)、淀粉(A)和脂肪酸(F)和干燥温度(T)值,3个隐藏层和1个输出层(OU),包括1个输出量:食味值(S)。输入层IN的传递函数是线性函数[-1,1],隐藏层H1、H2的传递函数是高斯函数;H3的传递函数是竞争函数,输出层OUT的传递函数是对数函数。经比较分析后确定该神经网络在训练过程中,学习速率:0.2,迭代增量0.1,因子权重0.2。密切观察表征输入量收敛情况的指标,结果列于表2。输入量收敛得很好,表明了该神经网络很好掌握了干燥后稻米的理化指标和干燥温度(输入量)与食味值(输出量)的关系。神经网络训练后的误差分析结果见表1,验证数据也证明了这一点(列于表2的S2值)。3稻米理化性质与食味品质的相关性根据研究结论,干燥温度(T)是影响干燥后稻米食味品质的主要因素。干燥温度越高,稻米食味值下降越显著。稻米的主要成分是水分(M)、蛋白质(P)、直链淀粉(A)和脂肪酸(F)等,这些成分决定了稻米的口味。在神经网络训练过程中,分析了各输入量(P、M、A、F、T)对输出量(S)的影响程度。从图2可见,对干燥后稻米食味影响最显著的因素是干燥温度(T),与食味值呈负相关,系数为-0.7。随着干燥温度升高,稻谷内部分子运动加剧,淀粉分子向各个方向扩展造成排列顺序的改变,由有序状态变为无序状态,表现为米饭表面粘膜减少,口感发散,舌感粗糙。尤其当干燥温度超过50℃,使稻米的爆腰率增加,碎米率升高,在炊饭时稻米内部的淀粉糊化后从裂纹处流入到米汤中,降低了米饭颗粒散度,导致了稻米食味的劣化。并且高温干燥使稻米内的成分发生变化,水分、直链淀粉含量下降,脂肪酸含量增加。从图2可见,稻米中直链淀粉含量与其食味值正相关0.48。稻米中直链淀粉含量一般在16%～20%左右。直链淀粉含量与其特性关系到米饭的黏度与食味,直链淀粉含量与米饭硬度正相关,与黏度负相关,并且与黏度的相关性更密切。干燥过程中,直链淀粉含量变化率受热风温度、初水分、干燥时间的影响显著,稻米中α-淀粉酶和β-淀粉酶活性随原始水分和谷温升高变大,如果长时间高温干燥使支链淀粉含量下降而直链淀粉含量升高,导致稻米的可溶性变差,硬度增加,口感变劣,食味下降。从图2中可以看出,稻米中蛋白质含量与其食味值负相关,系数为-0.33。米是重要的蛋白源。蛋白质含量对精米的食味有显著影响,蛋白质含量高的稻米,米饭的硬度大,黏度小,食味值下降。蛋白质含量的变化率与干燥条件相关性不显著,但在实际的干燥过程中,水稻的胚部蛋白酶受到高温后易变性,使酶钝化,导致稻谷的发芽率下降,失去活性,食味变差。稻米中脂肪酸含量与其食味值相关系数为-0.56。稻米脂肪含量直接影响到米饭的适口性、滋味、光泽和气味等,因而对食味品质有重要影响。脂肪百分含量越高的稻米,米饭光泽越好。在试验中稻米脂肪含量测定是在水稻干燥后储藏1个月进行的。原始水分越高的稻谷,干燥时受到长时间高温作用后,在贮藏期间稻米中的脂肪受脂解酶作用而分解。随干燥时温度升高,这种分解作用越大。脂肪分解产生游离脂肪酸,脂肪酸又进一步氧化分解成为醛基化合物,经GC(气相色谱)分析发现其中戊醛和己醛是陈米臭味的主要成分。通过测定脂肪酸氧化程度还可以判断稻米陈化程度。因此,高温干燥后稻米因脂肪酸含量增加而易于陈化,与食味负相关。水分:水分是稻米中容易变化的成分,与食味值正相关,相关系数为0.68。稻米的安全含水率是14.5%左右,是维持生命和安全贮藏的保证。当水分为14%～16%时,米饭的硬度、黏度和附着性最合适,食味最好,与食味正相关。干燥后稻米食味下降,也有水分过低的原因,并且高水分稻米的米饭比低水分的香味浓度高。4稻米食味指标的变化本文研究了干燥温度、稻米的主要成分(水分、蛋白质、淀粉和脂肪酸)与稻米食味值间的神经网络结构,经误差分析,该方法可以准确预测干燥后稻米的食味值。并分析了稻米的主