流动对牛乳介电特性及品质预测的影响规律

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生鲜牛乳的非均质特性影响其介电谱法品质检测的精度。针对高压均质导致牛乳成分分析仪价格昂贵以及挤奶管内牛乳流速对其介电特性影响规律不清楚的问题,提出了面向台式仪器的非均质样本流动态下介电谱测量方法;首次探究了挤奶管道内牛乳流速对其介电特性的影响规律,通过模型传递构建了挤奶管内流动牛乳主要成分的预测新方法。本文主要研究内容和结论如下:(1)提高牛乳介电特性测量重复性的新方法探索-以流动态测量法替代均质处理的可行性分析。对比了23°C和40°C下牛乳振荡及静置状态、离心及不同均质压力(30/5、60/5、90/5 MPa)处理的介电谱,以变异系数为指标分析其介电谱测量重复性;同时对比分析了不同牛乳粒度分布随时间变化。结果表明,牛乳静置状态下介电谱测量重复性较差,振荡状态测量的介电谱重复性接近90/5 MPa均质处理。其机理可用离心脱脂处理试验结果来解释,即振荡破坏了脂肪球上浮和聚集。振荡状态(23°C优于40°C)测量取代均质处理是可行的。(2)流动态测量对基于台式仪器的牛乳介电特性及其测量重复性的影响分析。对比分析了23°C下流动态(超声、旋转及振荡)、静置状态和均质处理对牛乳介电特性及其测量重复性的影响规律,对三个特殊频率40.68、915和2450 MHz下牛乳介电谱测量变异系数进行了显著性分析。结果表明,三种流动态测量均提高了牛乳介电参数值及其测量重复性。其中,旋转及振荡测量的重复性均接近于90/5 MPa均质处理。(3)管道流速对牛乳介电谱测量重复性的影响分析。搭建了牛乳管道流动测量装置,对比分析了去离子水、自来水、生鲜牛乳及均质牛乳不同流速(0-3 m/s)下介电谱测量重复性,对三个特殊频率40.68、915和2450 MHz牛乳不同管道流速下介电谱测量变异系数进行了显著性分析。结果表明,管道流速提高了非均质牛乳介电谱测量重复性,适宜的管道流速有利于阻止脂肪球上浮和聚集。当牛乳管道流速达到0.1 m/s时,其介电谱测量重复性不再显著提高。(4)管道流速对牛乳介电特性的影响分析。测量了牛乳不同流速(0-3 m/s)下的介电参数值,对三个特殊频率40.68、915和2450 MHz牛乳不同管道流速下介电参数值进行了显著性分析。基于Debye方程修正了介电弛豫参数解析模型,对不同流速下牛乳介电谱的弛豫强度、弛豫时间及电导率值进行拟合分析。结果表明,管道流速提高了牛乳介电参数值;当牛乳管道流速达到0.1 m/s时,其介电参数不再显著提高。随着流速增加,牛乳介电谱弛豫强度逐渐增加,离子导电性增强而弛豫频率降低。修正后的Debye方程可用于揭示管道流速对牛乳介电特性的影响机理。(5)基于台式仪器的流动态牛乳品质预测研究。在均质30/5 MPa、超声频率37.5k Hz、旋转转速250 rpm及振荡转速350 rpm下,分别建立了流动态(超声、旋转及振荡)、静置状态和均质处理下牛乳主要成分的预测模型;对比分析了Savitzky-Golay(SG)、标准正态变量变换(SNV)及SG+SNV不同预处理、全谱(FS)及无信息变量消除法(UVE)变量提取方式、偏最小二乘回归(PLS)及最小二乘支持向量机(LSSVM)模型对主要成分的预测精度。结果表明,流动态测量(旋转和振荡)有效提高了原乳脂肪、蛋白质、乳糖和含水率的预测精度,最高预测RPD分别为2.498、2.114、2.134和2.529,最小RMSEP分别为0.194%、0.119%、0.050%和0.203%。该预测结果远优于静置测量和均质处理。(6)基于模型传递的管道流动牛乳品质预测方法研究。基于台式仪器建立的牛乳静置、旋转及振荡状态下的最优预测模型,通过对比分析斜率/偏差算法(S/B)、直接校正算法(DS)以及分段直接校正算法(PDS)三种模型传递方法对管道流动牛乳主要成分预测精度的影响,建立了管道流动牛乳主要成分预测新方法。结果表明,基于台式仪器的牛乳旋转状态下所建立的模型采用最优PDS方法对脂肪含量预测集rp和RMSEP分别为0.680和0.501%;基于台式仪器的牛乳静置状态下所建立的模型采用最优模型传递方法对管道流动牛乳蛋白质、乳糖及水分含量预测集rp分别为0.656、0.363和0.609,RMSEP分别为0.400%、0.067%和1.079%。
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