بخشی از مقاله
چکیده:
هدف از این پژوهش استفاده از تکنیک ANFIS برای پیش بینی روند تغییرات میزان از دست دادن آب اسلایس های به، در طی آب گیری اسمزی می باشد. فرآیند مدل سازی با به دست آوردن داده های تجربی میزان از دست دادن آب در زمان فراصوت 0-30 - دقیقه - ، غلظت محلول اسمزی - 40-60 - و مدت زمان غوطه وری در محلول اسمزی 1-2 - ساعت - انجام شد.
داده های حاصل از آزمایش، جهت ایجاد قواعد فازی بکار برده شده و برای اصلاح این قواعد از شبکه های عصبی مصنوعی استفاده شد. با در نظر گرفتن 3 پارامتر ورودی: مدت زمان فراصوت، غلظت محلول اسمزی و مدت زمان غوطه وری در محلول اسمزی و یک پارامتر خروجی: میزان از دست دادن آب، نتایج به دست آمده از مدل با مقادیر به دست آمده از آزمایش مقایسه شد. مقادیر ضریب همبستگی و MSE به ترتیب 0/992 و 0/000542 می باشد، که حاکی از قدرت بالای مدل در پیش بینی خروجی سیستم می باشد.
مقدمه
آبگیری اسمزی خارج کردن قسمتی از آب موجود در بافت ماده غذایی با استفاده از غوطهور کردن آن در یک محلول هایپرتونیک1 - اسمزی - می باشد که نیروی لازم برای انتقال جرم توسط فشار اسمزی فراهم میگردد. بطور کلی سه جریان انتقال جرم طی فرایند آبگیری اسمزی رخ میدهد که شامل انتقال آب از ماده غذایی به محلول اسمزی، انتقال مواد حل شده از محلول اسمزی به درون ماده غذایی و تراوش مواد محلول ماده غذایی به محلول اسمزی میباشند.
طی این فرایند، بسیاری از واکنشهای مخرب مانند اکسیداسیون، به دلیل عدم حضور اکسیژن، صورت نمیگیرد. این عملیات به عنوان پیش تیمار قبل از بسیاری از فرایندها نظیر خشک کردن و یا انجماد انجام میشود که علاوه بر حفظ ارزش تغذیهای باعث بهبود ویژگی های حسی نیز می گردد - راستوگی و همکاران، . - 2004 در سال های اخیر بررسی خواص فیزیکی میوه ها پس از فرایند اسمزی توجه بسیاری را به خود معطوف داشته است. پیش فرایند اسمزی اثر سودمندی بر سفتی بافت سیب خشک شده در دمای50 C با هوای داغ که آبگیری مجدد گردیده داشته است
تخلخل می تواند تحت تأثیر میزان از دست دادن آب و جذب مواد جامد، مدت زمان غوطه وری در محلول اسمزی، میزان رطوبت میوه ویا تغییرات ریزساختار بافت طی فرایند اسمز تغییر کند. علاوه بر این تغییرات تخلخل میوه موجب تغییر بافت آن و در نتیجه سبب تغییر در سفتی بافت می گردد. در تحقیقی که توسط ماندالا و همکارانش در سال 2005 انجام شد، تأثیر پیش تیمارهای اسمزی مختلف سیب بر کینتیک خشک کردن تکمیلی با هوای داغ و ویژگی های فیزیکی طی خشک کردن مورد ارزیابی قرار گرفت.
نمونه های سیب در محلول های گلوکز یا ساکارز 30 و 45 درصد قرار گرفتند، مشاهده شد که قطعات سیب اسمز شده در غلظت های بالاتر 45 - درصد - تخلخل بیشتری دارند. تخلخل نمونه های اسمز شده به ویژه نمونه های فرایند شده در محلول ساکارز، با افزایش غلظت ساکارز افزایش یافت. در غلظت های بالا میزان از دست دادن آب نسبت به جذب مواد جامد محلول بیشتر قابل ملاحظه بود. همچنین میزان تخلخل نمونه های اسمز شده در محلول 30 درصد ساکارز بیشتر از نمونه های اسمز شده در محلول 30 درصد گلوکز بود.
امواج فراصوت با مکانیسم های مختلف ممکن است منجر به افزایش میزان خروج رطوبت از ماده غذایی در طی فرایند خشک کردن یا سایر عملیات واحد مستلزم انتقال جرم شوند که از جمله آنها می توان به افزایش دما درلایه مرزی، تغییر فشار در اثر کاویتاسیون، توسعه میکروکانال ها در اثر ایجاد ترک در نتیجه تنش برشی حاصل از کاویتاسیون، اغتشاش در لایه مرزی و ایجاد تغییرات ساختمانی در محیط اشاره کرد. تنش متغیر صوتی از طریق حفظ کانال های موجود یا ایجاد کانال های جدید سبب تسهیل خشک کردن می شود
به طور کلی برای مدل کردن پدیده های فیزیکی مانند مقدار محتوی رطوبتی محصولات کشاورزی دو روش وجود دارد، یک روش استنتاجی است، یعنی با استفاده از نظریه ها و فرمول های ریاضی نظیر قانون دوم فیک انجام می شود. مطالعات بسیاری در زمینه چگونگی انتقال جرم طی فرایند اسمز انجام گرفته است. مکانیسم انتقال جرم توسط برخی از محقّقان مدل سازی شده است
روش دوم در مدل کردن پدیده های فیزیکی استفاده از روش های استقرایی است. در این روش مدل سازی به صورت مستقیم انجام می شود بدون این که از رابطه یا فرمولی در مدل سازی استفاده شود. روش سیستم استنتاج فازی عصبی تطبیقی - - ANFIS2 از جمله ی این روش ها است.
هدف از این پژوهش بررسی توانایی ANFIS در پیش بینی میزان از دست دادن آب اسلایس های به در طی فرایند آب گیری اسمزی با استفاده از فراصوت می باشد.
مواد و روش ها
در این مطالعه، میوه به مورد استفاده رقم نیشابور بود که از بازار مشهد تهیه گردید. به های مصرفی تا هنگام استفاده در دمای 4- 5 درجه سانتی گراد در یخچال نگهداری شدند. پس از پوست گیری، میوه ها به منظور جلوگیری از قهوه ای شدن در محلول 1 درصد متابی سولفیت سدیم به مدت 5 دقیقه غوطه ور شدند. سپس نمونه ها از محلول خارج شده، با استفاده از کاغذهای جاذب آب اضافی آن ها گرفته شد. بعد از این مرحله به ها توسط قالب به شکل اسلایس هایی به ضخامت 9 میلی متر و قطر 28 میلی متر برش داده شدند.
مرحله فراصوت
نمونه های تهیه شده درون آب مقطر غوطه ور شدند و با توجه به آزمایشهای اولیه، بازه زمانی صفر تا 30 دقیقه برای این مرحله انتخاب شد. این آزمایش ها درون حمام فراصوت مدل - - SCHAPER Unique USC 25 kHz تحت دمای محیط صورت پذیرفت. فرکانس و شدت میدان مورد استفاده در این آزمایش به ترتیب 25 kHzو500W بود. نسبت میوه به آب مقطر در کل آزمایش ها 1 به 20 در نظر گرفته شد. پس از طی شدن زمان مورد نظر، برش های به از آب مقطر خارج گردیده، پس از حذف رطوبت سطحی بوسیله کاغذ صافی، نمونهها به درون محلول اسمزی منتقل شدند.
مرحله آب گیری اسمزی
محلول اسمزی ساکارز با غلظت های40، 50 و60 درصد - w/w - تهیه گردید و دمای آن توسط گرم کن مجهز به همزن مغناطیسی به 50 سانتی گراد رسانده شد. نمونه هایی که تحت تأثیر امواج فراصوت قرار گرفته اند و هم چنین نمونه های اولیه - بدون پیش تیمار فراصوت - ، در محلول اسمزی به مدت60، 90 و120 دقیقه غوطه ور شدند. برای حفظ دما و غلظت یکسان محلول طی انجام آزمایش، محلول های اسمزی توسط همزن مغناطیسی با سرعت یکسان 300 - دور در دقیقه - ، بهم می خوردند. نمونه های آبگیری شده پس از طی زمان مورد نظر از درون محلول اسمزی خارج گردیدند و به منظور حذف شربت شکر از سطح آن توسط آب مقطر شسته و بلافاصله با کاغذ صافی خشک و مجدداً توزین شدند. سپس با استفاده از معادله - 1 - میزان از دست دادن آب نمونه ها محاسبه گردید:
WL = - ::0 - - - :W -:6W - - :60+::0 -
در معادلات فوق WW0 و WS0 به ترتیب وزن آب و ماده خشک موجود در نمونه قبل از آبگیری اسمزی و Wt و WSt به ترتیب وزن به و ماده خشک آن پس از فرایند آبگیری اسمزی می باشد
سیستم استنتاج تطبیقی فازی - عصبی
از زمانی که پروفسور لطفی زاده تئوری منطق فازی را در سال 1965 معرفی کرد کاربردهای گسترده ای در زمینه های متفاوتی همچون تخمین، پیش بینی، بهینه یابی و غیره پیدا کرده است. این تئوری، ابزاری توانمند و انعطاف پذیر برای مدل سازی عدم قطعیت و عدم صراحت های موجود در دنیای واقعی و بیان عبارت های زبانی برگرفته از تجربه و دانش بشر در قالب روابط ریاضی به شمار می آید و پیچیدگی و عدم قطعیت در سیستم های هیدرولوژیکی، کمبود اطلاعات در بسیاری از فرایندهای هیدرولوژیکی، مبهم و غیر صریح بودن این داده ها موجب شد تا از تئوری فازی در زمینه ی هیدرولوژیکی افزایش یابد.
با وجود این، مشکل اصلی منطق فازی این است که روند سیستماتیکی برای یک کنترل کننده فازی وجود ندارد. به عبارت دیگر، یک شبکه عصبی این توانایی را دارد که از محیط آموزش ببیند، جفت های ورودی- خروجی ساختارش را مرتب کند و با شیوه ای تعامل خود را تطبیق دهد. - کوره پزان، . - 1384 بدین منظور جانگ و همکاران در سال 1997 مدل فازی- عصبی تطبیقی را ارائه کردند که قابلیت ترکیب توانایی دو مدل مذکور را دارد.
مدل فازی عصبی تطبیقی بر اساس تغییر در میزان مقادیر مرکز و دامنه توابع تعلق در تکرارهای مختلف جهت رسیدن به شبکه مناسب براساس حداقل خطای موجود عمل کند. در مدل ANFIS، از روش استنتاجی تاکاگی سوگنو استفاده می شود. زمانی عمل شبیه سازی به درستی انجام شده است که تمامی پارامترهای مؤثر در ساختار مدل طوری تعیین گردند که مقدار خطای مدل به حداقل مقدار خود برسد و همچنین مقادیر کارایی، بیشترین مقدار را داشته باشند - نایاک و همکاران، . - 2003 در این تحقیق جهت ارزیابی مدل ها از دو معیار کارایی، ضریب همبستگی - R2 - و میانگین مربعات خطا - MSE - استفاده شده است.
شکل .1 معماری کلی سیستم فازی- عصبی تطبیقی
نتایج
غالباّ سیستم های انفیس را با استفاده از یک سیستم فازی تاکاگی- سوگنو- کانگ - TSK - به صورت ساختار شبکه ای پیش رونده به کار می برند. اگر خروجی هر لایه به صورت - O1 k خروجی kامین گره از لایه - 1 باشد، ساختار مدل انفیس با دو قانون و دو ورودی y,x که هرکدام با دو تابع عضویت توصیف می شوند، از پنچ لایه تشکیل می شود. آموزش این سیستم ها به این مفهوم است که با استفاده از داده های آموزشی پارامترهای غیرخطی مربوط به توابع عضویت فازی در لایه اول و پارامترهای خطی لایه چهارم طوری تعیین شوند که به ازای ورودی دلخواه، خروجی مطلوب حاصل شود.
روش هیبرید3 یکی از مهم ترین روش های آموزش سیستم های استنتاج فازی بر پایه شبکه عصبی تطبیقی می باشد. در این روش جهت آموزش در لایه اول از روش پس انتشار خطا4 و در لایه چهارم سیستم از روش تخمین کمترین مربعات5 استفاده می شود - رحمان و همکاران، . - 2012 در این پژوهش یک برنامه کامپیوتری در محیط نرم افزار متلب توسعه داده شده است. 70 درصد از داده ها برای آموزش و 30 درصد از داده ها برای اعتبارسنجی در نظر گرفته شد که بار گذاری این داده ها در شکل 2 نشان داده شده است.
