萵苣組合干燥工藝參數(shù)的響應面法優(yōu)化

徐英英, 曹博濤, 袁越錦, 劉 佳, 袁月定

(1.陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021； 2.宜春學院 數(shù)學與計算機科學學院， 江西 宜春 336000)

0 引言

萵苣為菊科萵苣屬一年生或二年生草本植物，在我國南北方都有廣泛種植.萵苣營養(yǎng)價值很高，含礦物質(zhì)、鈣、磷、鐵較豐富，亦含VA、VB1、VB2、VC、尼克酸、蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、灰分及鉀、鎂等微量元素和食物纖維等，且美味可口，是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾卟薣1].但是萵苣具有不易貯藏的特點，而制成脫水蔬菜可以克服這一難題.目前，萵苣干燥的工藝形式主要有：熱風干燥、微波干燥和真空(冷凍)干燥等[1-5]，而對萵苣進行熱風真空組合干燥的研究報道尚不多見.

組合干燥即把2種或2種以上干燥形式組合起來使用，在不同干燥階段采用不同的干燥方法.它可以發(fā)揮各種干燥方式的優(yōu)點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，避免單一干燥方式所帶來的缺點，達到單一干燥所不能達到的目的，組合干燥技術(shù)將是果蔬干燥領(lǐng)域的研究重點之一[6-10].因此，本文擬對影響萵苣熱風真空組合干燥特性的因素如熱風溫度、中間轉(zhuǎn)換點含水率、切片厚度和真空度等進行試驗研究，獲得萵苣熱風真空組合干燥的最佳工藝參數(shù)，從而為萵苣的干制加工和相關(guān)設備的設計提供技術(shù)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器設備

試驗材料為新鮮萵苣：購于西安當?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場.

儀器設備包括熱風循環(huán)干燥箱、真空干燥箱、電熱恒溫干燥箱、恒溫水浴鍋、電子天平、溫度計、電子秒表、濾紙、鑷子、燒杯、玻璃棒等.

1.2 試驗方法

1.2.1 評價指標

(1)含水率：采用烘箱常壓干燥法測量，先稱量取樣得到的萵苣質(zhì)量，然后將萵苣放入烘箱中在105 ℃的條件下烘至絕干，測量并記下此時絕干萵苣質(zhì)量，則其含水率(w.b.)x為：

(1)

其中：mt為物料的絕干質(zhì)量，g；mo為物料的初始質(zhì)量，g.

(2)復水比：將干燥以后的萵苣浸漬在20 ℃的純水中進行復水試驗，每隔0.5 h將其從水中撈出，用濾紙除去其表面水分，稱量此時萵苣的質(zhì)量與復水前的質(zhì)量進行比較，計算得出其復水比R為：

(2)

其中：Wo為物料的初始總質(zhì)量，g；Wt為物料復水后的總質(zhì)量，g.

1.2.2 試驗設計

(1)試驗流程：萵苣→預處理(清洗、去皮)→切片→浸漬護色→測量初始數(shù)據(jù)→熱風干燥→測量中間數(shù)據(jù)→真空干燥→測量最終數(shù)據(jù).

將萵苣去皮，清水洗凈，按要求切成3 mm、5 mm、8 mm片狀，然后將其浸泡在浸漬護色液中2 h.護色液由質(zhì)量分數(shù)20%的葡萄糖、10%的氯化鈉和水組成.萵苣片浸漬護色處理后，將其撈出，反復沖洗干凈，瀝干萵苣片表面的水分.然后放入熱風循環(huán)干燥箱中進行干燥，熱風風速為2.8 m/s，風溫可調(diào)節(jié).熱風干燥一定時間后將半干的萵苣片迅速轉(zhuǎn)入真空干燥箱中進行真空干燥，真空溫度為50 ℃，真空度可以調(diào)節(jié).

(2)單因素試驗：選取熱風溫度、中間轉(zhuǎn)換點含水率、切片厚度和真空度為試驗因素，研究萵苣干燥特性規(guī)律；未注明的工藝條件取值如下：切片厚度5 mm，真空絕對壓力60 kPa，中間轉(zhuǎn)換點含水率40%，熱風干燥溫度70 ℃.

(3)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合干燥試驗：采用L27(34)的正交試驗表，共進行27組試驗，每組試驗中各取已經(jīng)處理好的萵苣500 g，干燥至安全含水率5%以下試驗結(jié)束.以熱風溫度、中間轉(zhuǎn)換點含水率、切片厚度及真空度為試驗因素，取復水比與干燥時間為響應值進行響應面的分析試驗.試驗因素的水平及編碼如表1所示.

表1 試驗因素水平取值及編碼表

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 熱風溫度

不同熱風溫度下萵苣的干燥曲線如圖1所示.由圖1可以看出，熱風溫度為70 ℃時，干燥最快，熱風溫度為50 ℃時，干燥最慢；隨著干燥的進行，干燥曲線的斜率逐漸減小，這是因為隨著干燥過程的進行，萵苣含水量逐漸減小，萵苣片內(nèi)含水率與表面含水率相差越來越小，水份由里向外移動的動力逐漸變小，故干燥越來越慢.

圖1 不同熱風溫度下萵苣的干燥曲線

2.1.2 切片厚度

不同切片厚度下萵苣的干燥曲線如圖2所示.由圖2可以看出，切片厚度為3 mm時，干燥最快，切片厚度為8 mm時，干燥最慢.厚度為3 mm的萵苣切片在干燥過程中的干燥曲線近乎為直線，即干燥速率近似為常數(shù)；切片厚度為5 mm和8 mm時，隨著干燥時間的增加，干燥曲線逐漸變緩，即干燥速率逐漸減小.

圖2 不同切片厚度下萵苣的干燥曲線

2.1.3 真空度

不同真空度下萵苣的干燥曲線如圖3所示.由圖3可以看出，真空度(絕對壓力)為40 kPa時，干燥最快；真空度(絕對壓力)為80 kPa時，干燥最慢.這主要因為在其他條件不變的情況下，真空度(絕對壓力)越小，水的沸點越低，即易蒸發(fā).

圖3 不同真空度下萵苣的干燥曲線

2.1.4 中間轉(zhuǎn)換點含水率

不同中間轉(zhuǎn)換點含水率下萵苣的干燥曲線如圖4所示.由圖4可以看出，熱風干燥后的中間含水率為50%時，干燥最慢；在干燥初期，中間含水率為30%的干燥速率比40%的干燥速率較快，但是在干燥后期，兩者干燥速率相差不大；隨著干燥的進行，干燥曲線變化逐漸緩和，干燥速率越來越小.

圖4 不同中間轉(zhuǎn)換點含水率下萵苣的干燥曲線

2.2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗

根據(jù)表1隨機組合試驗次序，所得試驗結(jié)果如表2所示，表中x1、x2、x3、x4為試驗因素編碼值.

表2 試驗設計及其結(jié)果

2.2.1 回歸分析

對試驗數(shù)據(jù)，運用SPSS軟件[11]進行二次回歸分析計算，其回歸和分析結(jié)果如表3所示.經(jīng)分析可知，干燥時間回歸方程Y1的顯著性檢驗P=0.002<0.01，高度顯著，失擬性檢驗P=0.1421>0.05不顯著；復水比回歸方程Y2的顯著性檢驗P=0.000 8<0.01，高度顯著，失擬性檢驗P=0.112 6>0.05 不顯著，表明所建立的回歸二次模型成立.相關(guān)系數(shù)R2的值分別為0.879、0.883，表明該二模型分別可以解釋其響應值87.9%、88.3%的變化，即以上模型能夠?qū)θn苣組合干燥的干燥時間和復水比進行分析和預測.

表3 回歸統(tǒng)計分析

注：* * 表示高度顯著；ns表示不顯著.

2.2.2 響應面分析

圖5給出了熱風溫度、真空度、切片厚度、中間轉(zhuǎn)換點含水率4個因素中的2個取零水平時，其它2個因素對干燥時間的影響.通過觀察可以發(fā)現(xiàn)：在試驗范圍，干燥時間隨著熱風溫度的升高而減少，隨著切片厚度、真空度(絕對壓力值)的增加而增加，但隨著中間轉(zhuǎn)換點含水率的變化不大.原因是當溫度越高、真空干燥壓力越小、切片厚度越薄時，水分蒸發(fā)的越快，干燥時間越少.這主要是由于干燥過程中隨著溫度的升高萵苣水分蒸發(fā)加快，干燥速率提高；而中間轉(zhuǎn)換點含水率和真空度的增大使得真空干燥時間相對延長.在試驗范圍內(nèi)，各因素對干燥時間的影響強度次序為：切片厚度>真空度>熱風溫度>中間轉(zhuǎn)換點含水率.

圖6給出了熱風溫度、真空度、切片厚度、中間轉(zhuǎn)換點含水率4個因素中的2個取零水平時，其它2個因素對復水比的影響.通過觀察可以發(fā)現(xiàn)：在試驗范圍，復水比隨著熱風溫度和真空度(絕對壓力值)的升高而減少，隨著切片厚度、中間轉(zhuǎn)換點含水率的增加而增加.原因是：溫度過高，使萵苣切片的表面硬化，不利于萵苣切片吸收水分，而真空干燥對萵苣切片的復水性有較好的改善.在試驗范圍內(nèi)，各因素對復水比的影響強度次序為：熱風溫度切片厚度>熱風溫度>真空度>中間轉(zhuǎn)換點含水率.

圖5 干燥時間的響應曲面圖

圖6 復水比的響應曲面圖

2.3 參數(shù)優(yōu)化

由上述響應面分析可知，如果熱風溫度過高，雖可使干燥時間較短，但干燥后的復水性卻較差；而熱風溫度過低，單位時間干燥速率較小，會影響干燥效率.為使干燥效率和復水比都能達到最優(yōu)，本文對上述2個目標函數(shù)進行多目標非線性優(yōu)化，進而找到滿足這2個目標函數(shù)的最佳干燥工藝參數(shù)組合.其目標函數(shù)為：

Y1→Y1min;Y2→Y2max

(3)

約束條件為：

(4)

由數(shù)據(jù)分析軟件可優(yōu)化得到萵苣組合干燥的最佳工藝條件為：熱風溫度為50 ℃(編碼值 -1.546 0)，真空度為20 kPa(編碼值 -1.546 0)，切片厚度為5 mm(編碼值 -0.479 3)，中間轉(zhuǎn)換點含水率為40%(編碼值1.546 0).此時干燥時間為12.927 1 h，復水性為3.090 6.

3 結(jié)論

萵苣在熱風真空組合干燥過程中受熱風溫度、中間轉(zhuǎn)換點含水率、切片厚度和真空度的影響較大.提高熱風干燥溫度有利于提高干燥速率，但對產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大，而真空干燥有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，采用“熱風-真空”組合干燥可以使兩者優(yōu)勢互補.

利用多目標非線性優(yōu)化分析法對萵苣組合干燥工藝進行綜合優(yōu)化，得到萵苣組合干燥的最佳工藝參數(shù)組合，即：熱風溫度為50 ℃，真空度為20 kPa，切片厚度為5 mm，中間轉(zhuǎn)換點含水率為40%.此時干燥時間為12.927 1 h，復水性為3.090 6.

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