基于二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計(jì)的南瓜干燥工藝研究

基于二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計(jì)的南瓜干燥工藝研究

杏仁是一種廣泛種植的番瓜蔬菜，具有豐富的養(yǎng)分和一定的藥物價(jià)值。80年代初,日本學(xué)者名和發(fā)現(xiàn)其對(duì)輕度糖尿病,尤其是Ⅱ型糖尿病具有顯著療效,并可預(yù)防肝炎、腎炎、高血脂等疾病的發(fā)生,這使南瓜成為引人注目的保鍵功能食品,南瓜系列加工食品的市場(chǎng)前景廣闊,但鮮南瓜體積大,不宜貯運(yùn),因此南瓜干制品的生產(chǎn)量越來(lái)越大。鑒于目前生產(chǎn)中南瓜干制多采用常壓熱風(fēng)干燥的方法。特設(shè)計(jì)本試驗(yàn),旨在系統(tǒng)研究干燥工藝對(duì)干燥質(zhì)量、脫水效率、能耗的影響,尋求優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的工藝參數(shù)。1試驗(yàn)與研究方法1.1物料干燥和均勻試驗(yàn)采用GZ-1型干燥實(shí)驗(yàn)裝置,它由風(fēng)機(jī)、電加熱器、風(fēng)量調(diào)節(jié)板、控溫儀、孔板壓差計(jì)、干燥架等組成(如圖1)。加熱的空氣由風(fēng)機(jī)吹過(guò)物料架,對(duì)物料進(jìn)行干燥。風(fēng)溫由控溫儀調(diào)節(jié),風(fēng)速由風(fēng)量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié),并用孔板壓差計(jì)測(cè)定。采用陜北產(chǎn)南瓜,均勻切分為1cm×1cm×10cm的條狀物,啟動(dòng)預(yù)熱試驗(yàn)臺(tái),待風(fēng)溫、風(fēng)速穩(wěn)定后,將原料均勻分裝在物料架上干燥。試驗(yàn)中定時(shí)取出物料稱重,直到將其烘至5%(濕基)時(shí)停止試驗(yàn)。1.2影響南瓜干燥條件的因素干燥是多因素相互作用的復(fù)雜變化過(guò)程,故采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)方法,以影響干燥過(guò)程的主要因素為輸入變量,評(píng)價(jià)干燥效果的指標(biāo)為輸出變量,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析干燥工藝參數(shù)對(duì)干燥效果的影響。影響干燥的因素有:熱風(fēng)溫度、速度、相對(duì)濕度、單位面積原料載料量、原料品種、切分狀態(tài)、成熟度等。為簡(jiǎn)化分析,采用同時(shí)采收的同品種南瓜,用同一切分方式,故近似認(rèn)為原料品種、成熟度、切分狀態(tài)等不變。干燥過(guò)程中熱風(fēng)相對(duì)濕度相對(duì)穩(wěn)定,故近似認(rèn)為不變,著重研究熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、載料量的影響。通過(guò)資料分析和單因素初步試驗(yàn),確定因素考查的范圍,溫度:30～90°C,風(fēng)速:0.5～2.5m/s,載料量:1.7～7.5kg/m2。按二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)要求,對(duì)自變量為三因素五水平時(shí)的無(wú)量綱線性編碼代換見表1。1.3測(cè)試指標(biāo)的測(cè)定優(yōu)良的干燥工藝,應(yīng)具有營(yíng)養(yǎng)成分損失少、色澤正常、高效、低能耗的特點(diǎn)。為此將單位時(shí)間單位面積脫水量y1(kg·H2O/cm2·h)、單位脫水量能耗y2(kJ/kg·H2O)、色澤y3、干燥南瓜絲還原糖、類胡蘿卜素?fù)p失率y4(%)、y5(%)做為測(cè)試指標(biāo)。其中色澤參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)專家評(píng)分,還原糖含量用裴林試劑法測(cè)定,類胡蘿卜素含量用GB12291—90標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。2分析了南明絲加熱干燥技術(shù)的因素對(duì)復(fù)合效應(yīng)的分析2.1顯著性和失擬檢驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,并剔除影響不顯著的因素后,得出以下方程y1=138.25+40.14x1+20.21x2+24.81x3-8.78x12-5.18x22-7.81x32y2=111.72+21.48x2-28.44x3-9.86x2x3+5.61x12+11.49x32y3=74.91+6.57x1-5.12x1x2+10.12x2x3-8.54x12-3.73x22+5.17x32y4=50.36-5.55x1-7.12x1x2-6.10x22y5=51.09-8.67x1-11.71x2-4.52x1x2+4.07x2x3+6.30x12-4.89x22-5.37x32(1)上述方程經(jīng)顯著性和失擬檢驗(yàn),均達(dá)到高度顯著水平,方程均不失擬。2.2風(fēng)溫和風(fēng)速對(duì)還原糖損失率、常規(guī)配方的影響采用降維法,固定其它因素為零水平,觀察單一因素的影響,見圖2。由圖2可見,隨風(fēng)溫提高,脫水效率(y1)增大,還原糖損失率(y2)降低。而能耗(y2)、色澤(y3)和類胡蘿卜素?fù)p失(y5)的影響則呈拋物線型。風(fēng)溫處于某一中間水平時(shí),y2較小,但影響不明顯,y5較小,y3最大。隨風(fēng)速提高,脫水效率提高,能耗增大,類胡蘿卜素?fù)p失率為總降低趨勢(shì)。而風(fēng)速對(duì)色澤、還原糖損失率的影響為拋物線型,在風(fēng)速處于中間水平時(shí)色澤較好,還原糖損失較大。隨載料量增大,脫水效率提高,能耗呈總降低趨勢(shì),而載料量對(duì)色澤、類胡蘿卜素?fù)p失率影響呈拋物線型,在載料量處于中間水平時(shí)色澤較差,胡蘿卜素?fù)p失率較高。2.3風(fēng)調(diào)和風(fēng)速與載料量對(duì)還原糖的影響為觀察交互影響,固定一因素為零水平,據(jù)式(1)繪制兩因素交互作用等值線(圖3)。由圖3a～c可見:風(fēng)溫、風(fēng)速對(duì)色澤、還原糖和類胡蘿卜素?fù)p失率有較強(qiáng)烈的交互作用。在風(fēng)溫、風(fēng)速處于中間水平時(shí),色澤較好;風(fēng)溫大,風(fēng)速稍減少,色澤較好。高溫、高風(fēng)速或低溫、低風(fēng)速時(shí)還原糖損失率較小,而低溫、高風(fēng)速,損失率最大。整個(gè)低溫范圍內(nèi),都不利于類胡蘿卜素的保存,損失率較大;在高溫時(shí),風(fēng)速增大,類胡蘿卜素?fù)p失率較小。因此風(fēng)溫和風(fēng)速應(yīng)合理搭配。由圖3d～f可見:風(fēng)速、載料量對(duì)能耗、色澤、類胡蘿卜素有較為強(qiáng)烈的交互影響。高風(fēng)速、低載料量,許多熱風(fēng)未被利用,能耗最大。在風(fēng)速偏低、載料量偏高的區(qū)域內(nèi),能耗有較小值;但載料量并非越大越好,當(dāng)風(fēng)速一定時(shí),載料量大到一定程度后,能耗又有增大趨勢(shì)。高風(fēng)速、高載料量和低風(fēng)速、低載料量時(shí)色澤較好,而低載料量、高風(fēng)速,或高載料量、低風(fēng)速,色澤變差。載料量隨風(fēng)速增大而增大時(shí),類胡蘿卜損失率減小。因此干燥風(fēng)速與載料量應(yīng)適配。風(fēng)溫和載料量無(wú)顯著的交互作用。3評(píng)價(jià)函數(shù)法尋找最佳的干燥工藝是多目標(biāo)優(yōu)化問題。對(duì)此有多種方法,這些方法互有優(yōu)缺,本文選用評(píng)價(jià)函數(shù)法。該法的核心是構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù),將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化這些為單目標(biāo)優(yōu)化問題。根據(jù)研究問題特點(diǎn),選擇其中線性權(quán)和法、加權(quán)理想點(diǎn)法和乘除法三種方法處理。3.1多目標(biāo)容限分析目標(biāo)函數(shù):以脫水效率高、能耗小、營(yíng)養(yǎng)素?fù)p失小為目標(biāo)確定干燥工藝參數(shù)乘除法maxh[f(x)]=y1(x)/[y2(x)·y4(x)·y5(x)]線性權(quán)和法maxh[f(x)]=ω1y1(x)-ω2y2(x)-ω4y4(x)-ω5y5(x)加權(quán)理想點(diǎn)法minh[f(x)]=ω1[y1(x)-y10]2-ω2[y2(x)-y20]2-ω4[y4(x)-y40]2-ω5[y5(x)-y50]2(2)式中y10,y20,y40,y50——分別為各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的單目標(biāo)最優(yōu)值,其值見表2。ω1、ω2、ω4、ω5——分別為各指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)。合理的加權(quán)系數(shù)應(yīng)既能反映各個(gè)單目標(biāo)在多目標(biāo)問題中的重要程度,又能平衡各單目標(biāo)量綱的差異。對(duì)此尚無(wú)通用準(zhǔn)則,本文選用容限法。若已知單目標(biāo)函數(shù)fi(x)的變動(dòng)范圍為:αi≤fi(x)≤βi,i=1,…,p,則:Δfi(x)=(βi-αi)/2為該目標(biāo)的容限。加權(quán)系數(shù)可取為:Wi=[1/[Δfi(x)]2/{p∑i=11/[Δfi(x)]2}Wi=[1/[Δfi(x)]2/{∑i=1p1/[Δfi(x)]2}(表2)。約束條件:以滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍,色澤優(yōu)良(y3>85分)做為約束:{-1.682≤x1≤1.682-1.682≤x2≤1.682-1.682≤x3≤1.682y3＞85{?1.682≤x1≤1.682?1.682≤x2≤1.682?1.682≤x3≤1.682y3＞853.2模糊相似優(yōu)先比法排序確定最終優(yōu)化工藝用復(fù)合型法,得以上3種目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果見表3。對(duì)三種優(yōu)化工藝,采用模糊相似優(yōu)先比法排序確定最終優(yōu)化工藝,見表4?？梢?線性權(quán)和法確定的工藝最優(yōu),為溫度:81.8℃、風(fēng)速:2.4m/s,載料量:7.2kg/m2。4南瓜干燥工藝的篩選1)南瓜絲的熱風(fēng)干燥是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程,其主要工藝參數(shù)對(duì)干燥效果都有相當(dāng)影響,因此各因素間應(yīng)有合理參數(shù)組合。2)南瓜優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能干燥工藝,能快速低耗消除南瓜中水分,且保持其應(yīng)有