基于響應(yīng)面法的枸杞熱風(fēng)微波聯(lián)合間歇干燥工藝探究

王鶴，慕松，李天聰，吳俊，謝亞星，陳星名，劉帥帥

（寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川 750021）

枸杞是寧夏的特色產(chǎn)品，除少量用于鮮食和加工原料外，大部分用于干制[1]。在常溫條件下，枸杞極易因微生物和酶的作用導(dǎo)致腐爛變質(zhì)，難以久藏，使其貨架期大大縮短。如將新鮮枸杞加工成干制品，則可以很好地延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期，同時(shí)還可降低保存和運(yùn)輸成本。自然晾曬干燥周期長(zhǎng)、易受污染且受環(huán)境因素影響劇烈，有效成分損失較大，干燥品質(zhì)極不穩(wěn)定，易出現(xiàn)腐爛、焦黑、褐變和糖分溢出等現(xiàn)象；熱風(fēng)干燥雖能滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求，但干燥耗時(shí)較長(zhǎng)，一般為72 h，枸杞營(yíng)養(yǎng)成分散失多，能源利用率低且污染環(huán)境，采用微波干燥能大大提高枸杞的干燥速率。

國(guó)內(nèi)外許多研究人員采用微波間歇干燥方法對(duì)馬尾松、花椒、巴西堅(jiān)果、菠菜和胡蘿卜等物料進(jìn)行干燥研究，并取得了較好效果。實(shí)踐證明，微波間歇干燥與傳統(tǒng)的干燥方法相比，不僅加熱時(shí)間短、干燥成本較低、而且能有效避免因過(guò)熱而燒傷農(nóng)產(chǎn)品，保證干燥品質(zhì)[2]。迄今為止，關(guān)于枸杞微波間歇干燥的相關(guān)研究尚未見到，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

本文對(duì)枸杞微波間歇干燥進(jìn)行了以微波功率、脈沖比、微波介入時(shí)枸杞含水率、風(fēng)速為影響因素，以干燥速率、單位質(zhì)量能耗以及干燥品質(zhì)為響應(yīng)指標(biāo)的響應(yīng)面法中心組合試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到微波功率、脈沖比、微波介入時(shí)含水率和風(fēng)速與干燥工藝綜合得分的關(guān)系模型，基于此模型對(duì)干燥中各因素進(jìn)行了分析并得出枸杞微波間歇干燥的最佳工藝參數(shù)，研究結(jié)果為枸杞微波間歇干燥裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)選用的枸杞為寧杞1號(hào)，采摘地點(diǎn)為寧夏回族自治區(qū)銀川市西夏區(qū)豐慶溝枸杞種植園，枸杞初始含水率為78%～80%，采摘后的枸杞置于4 ℃的保鮮柜中儲(chǔ)存。

1.2 儀備

圖1 ORW.S-R型智能微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)工作站Fig.1 ORW.S-R intelligent microwave hot air combined drying experimental workstation

圖2 智能微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent microwave hot air combined drying system

本文采用到的儀器設(shè)備有：DHG-9030型電熱鼓風(fēng)干燥烘箱(上海恒一科學(xué)儀器有限公司）；ORW.S-R型智能微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)工作站（南京澳潤(rùn)微波科技有限公司）；JA21002型電子精密天平(上海恒平電子天平有限公司)。智能微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)工作站其外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，微波爐經(jīng)過(guò)改進(jìn)可自動(dòng)控制微波接通與關(guān)閉時(shí)間；電子天平和溫度傳感器均與PLC連接，通過(guò)自編的應(yīng)用程序在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示目前質(zhì)量和溫度并記錄。

微波熱風(fēng)聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)工作站的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)用響應(yīng)面設(shè)計(jì)理論，響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法能用較少的試驗(yàn)去估算一階、二階與一階具交互作用項(xiàng)之多項(xiàng)式模式設(shè)計(jì)分析模型[4]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和多因素試驗(yàn)方法，選取微波功率、微波脈沖比、微波介入時(shí)枸杞含水率、風(fēng)速進(jìn)行響應(yīng)面的分析試驗(yàn)。微波功率（W），微波脈沖比，初始含水率（%），風(fēng)速（m/s）如公式（1）進(jìn)行編碼[5]。

式中，zj為自然變量（編碼值）；xj為規(guī)范變量（實(shí)際值）；xj0為因素的零水平；Δj為因素的變化間距[13]。

以干燥功率x1、脈沖比x2、風(fēng)速x3和初始含水率x4作為試驗(yàn)因素，以干燥速率v、單位質(zhì)量能耗e和感官品質(zhì)Q為考核指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面組合設(shè)計(jì)[6]。根據(jù)前期單因素試驗(yàn)中風(fēng)速對(duì)干燥速率的影響試驗(yàn)結(jié)果知，枸杞微波干燥時(shí)，為保證水分的及時(shí)排出，干燥過(guò)程中需一直通風(fēng)；由于枸杞的果實(shí)為漿果，其糖分主要貯存在果實(shí)的薄壁細(xì)胞內(nèi)，并且外表皮上無(wú)氣孔器的分布[7]，當(dāng)枸杞含水率較高時(shí)由于微波功率較大易造成內(nèi)部升溫太快導(dǎo)致果皮破裂糖分溢出，影響干燥感官品質(zhì)；通過(guò)前期微波加熱枸杞預(yù)試驗(yàn)知：當(dāng)干燥量在200～400 g之間時(shí)，在功率250 W時(shí)枸杞均出現(xiàn)焦化和糖分溢出等現(xiàn)象嚴(yán)重，在功率200 W時(shí)枸杞除個(gè)別發(fā)黃以外感官品質(zhì)較好，在功率150 W時(shí)感官品質(zhì)較好但是速率太慢能耗較大，因此考慮到感官品質(zhì)、速率、以及單位質(zhì)量能耗制定實(shí)驗(yàn)功率為三個(gè)階段（180 W、200 W、220 W）；所以我們采取前期熱風(fēng)處理將枸杞含水率降至30%、40%和50%三個(gè)階段時(shí)介入微波干燥。

1.4 微波間歇干燥工藝指標(biāo)

1.4.1 微波間歇脈沖比[8]（Pulse Ratio）

按公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Te-微波接通時(shí)間；Th-微波間歇時(shí)間。

1.4.2 干燥平均速率v（g/s）

干燥平均速率是反映干燥快慢的指標(biāo)，其值越大則干燥一定量枸杞所需的時(shí)間越短[9]。干燥平均速率v如式（3）計(jì)算：

式中，ΔM 為干燥至安全含水率時(shí)枸杞減少的質(zhì)量，g；ΔT為枸杞干燥至安全含水率所用的總時(shí)間，其值等于微波接通總時(shí)間與間歇總時(shí)間之和，s。

1.4.3 單位質(zhì)量能耗e（J/g）

單位質(zhì)量能耗是指脫去每克水的耗能量，它反映干燥過(guò)程的能量損耗，其值應(yīng)越小越好[10]。單位質(zhì)量能耗e如式（4）計(jì)算：

式中，P為微波功率，W；ΔT2為微波接通的總時(shí)間，s。

1.4.4 綜合指標(biāo)

運(yùn)用隸屬度的綜合評(píng)分法將干燥總平均速率、單位質(zhì)量能耗和感官品質(zhì)得分3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)枸杞干燥工藝進(jìn)行綜合評(píng)分。干燥平均速率和感官盤品質(zhì)得分隸屬度如工式（5）計(jì)算：

式中，ci為指標(biāo)值；cmin為指標(biāo)最小值；cmax為指標(biāo)最大值。

按照式（6）對(duì)三項(xiàng)指標(biāo)得隸屬度數(shù)值進(jìn)行綜合計(jì)算得干燥工藝得綜合品質(zhì)得分

式中，lv為干燥速率隸屬度；le為能耗隸屬度；lQ為感官品質(zhì)隸屬度；a、b、c為各指標(biāo)權(quán)重。

本文考慮以感官品質(zhì)為主要指標(biāo)，干燥總平均速率和單位質(zhì)量能耗為次要指標(biāo)，于是取a=0.3，b=0.3，c=0.4。在具體應(yīng)用中可根據(jù)不同要求取相應(yīng)的權(quán)重，只需滿足a+b+c=1即可[11]。

1.4.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

確定干燥功率x1、脈沖比x2、風(fēng)速x3和初始含水率x4的水平及編碼見表1。

表1 試驗(yàn)因子水平Table 1 Levels of experimental factors

利用Design-Expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行Box-Behnken Design設(shè)計(jì)，通過(guò)該軟件對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行擬合，通過(guò)分析R2得到枸杞的干燥模型，決定系數(shù)R2如式（7）所示：

式中，MRpre,i為利用模型預(yù)測(cè)綜合得分；MRexp,i為干燥實(shí)驗(yàn)實(shí)際得分；MRpre,mean為實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)評(píng)分平均值；N為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

根據(jù)響應(yīng)面法設(shè)計(jì)理論，設(shè)定干燥功率x1、脈沖比x2和風(fēng)速x3初始含水率x4試驗(yàn)4個(gè)因素水平，以干燥平均速率v、單位質(zhì)量能耗e和感官品質(zhì)Q為考核指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面組合設(shè)計(jì)，通過(guò)隸屬度的綜合評(píng)分法對(duì)枸杞微波間歇干燥的工藝進(jìn)行響應(yīng)面分析[12]。表2為響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果。

多元Box-Behnken Design回歸擬合[13]，得到綜合得分s對(duì)其影響的關(guān)鍵因子（微波功率x1、脈沖比x2和風(fēng)速 x3初始含水率）的二次多項(xiàng)式回歸模型如式（8）所示：

風(fēng)速（C2），均為差異極顯著影響因素（p<0.01）。失擬項(xiàng)為差異顯著影響因素（p<0.05）[21]。

該模型的純誤差的均方值較小為0.000907，說(shuō)明此型有效，應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化枸杞微波間歇干燥工藝可行。由綜合品質(zhì)得分S的回歸系數(shù)檢驗(yàn)值F[16]可知，各因素對(duì)枸杞微波間歇干燥綜合因素影響的大小依次為：干燥功率（A）>初始含水率（D）>脈沖比（B）>風(fēng)速（C）。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果Table 2 Experimental design and results

表3 二次響應(yīng)面回歸模型方差分析Table 3 The quadratic response surface regression model analysis of variance

注：**，p<0.01為差異季顯著；*，p<0.05為差異顯著。

2.2 枸杞微波間歇干燥工藝最優(yōu)條件的設(shè)定及模型驗(yàn)證

根據(jù)回歸方程和擬合模型，通過(guò) Design-Expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析，由此作出響應(yīng)面圖和等高線圖（圖 3～8）每個(gè)響應(yīng)面與等高線是對(duì)其中2個(gè)因素進(jìn)行分析，另外兩個(gè)因素在零水平，通過(guò)觀察響應(yīng)面圖的形狀可以直觀反應(yīng)各因素對(duì)響應(yīng)值的影響[17]，分析微波功率、脈沖比、風(fēng)速和初始含水率對(duì)枸杞微波間歇干燥工藝綜合得分S的影響，并找到各影響因素在提取過(guò)程中相互影響關(guān)系，在所在范圍圈內(nèi)存在極值，即存在響應(yīng)面最高點(diǎn)，并總結(jié)規(guī)律得到枸杞微波間歇干燥最優(yōu)工藝參數(shù)[18]。

由圖3響應(yīng)面圖可知當(dāng)風(fēng)速為0.7 m/s、初始含水率為40%時(shí)，脈沖比在1.8時(shí)，微波功率為210～216 W左右達(dá)到響應(yīng)面峰值，該條件下綜合得分達(dá)到極值。并且微波功率較低隨著微波功率增大，綜合得分升高明顯，因此可得在功率小于210 W時(shí)隨著功率升高綜合品質(zhì)得分顯著升高，在210～216W時(shí)綜合得分到達(dá)峰值，而脈沖比響應(yīng)面曲線相對(duì)平緩，由此驗(yàn)證前文所得結(jié)論微波功率的影響因素大于脈沖比影響因素。

圖4 脈沖比為1.67初始含水率40%時(shí)微波功率和風(fēng)速對(duì)枸杞微波間歇干燥綜合得分的影響Fig.4 Effects of the microwave power and wind speed on the comprehensive scores of microwave intermittent drying of Chinese wolfberry with pulse ratio of 1.67 and initial moisture content of 40%

由圖4響應(yīng)面圖可知當(dāng)脈沖比為1.67、初始含水率為40%時(shí)，風(fēng)速為0.7 m/s，微波功率在210～216 W之間會(huì)達(dá)到峰值，在該條件下綜合得分S達(dá)到極值。由圖3中響應(yīng)面圖可知風(fēng)速影響作用相對(duì)于微波功率較小，當(dāng)風(fēng)速大于0.7 m/s時(shí)，風(fēng)速越大則綜合得分越低，并且風(fēng)速越大單位質(zhì)量能耗越大，所以為了增大干燥速率降低干燥能耗不易采用較大得風(fēng)速。

圖5 脈沖比為1.67風(fēng)速為0.7 m/s時(shí)微波功率和初始含水率對(duì)枸杞微波間歇干燥綜合得分的影響Fig.5 Effects of the microwave power and initial moisture content on the comprehensive scores of microwave intermittent drying of Chinese wolfberry with pulse ratio of 1.67 and wind speed of 0.7 m/s

由圖5響應(yīng)面圖可知當(dāng)脈沖比為1.67、風(fēng)速為0.7 m/s，初始含水率在48%～50%，微波功率在210～216 W之間會(huì)達(dá)到峰值，且該條件下綜合得分較高。由響應(yīng)圖分析知初始含水率曲線相對(duì)微波功率曲線較平緩，初始含水率的綜合得分相對(duì)于微波功率對(duì)綜合得分影響較小，在48%～50%左右時(shí)相對(duì)綜合得分較高。

圖6 微波功率200 W初始含水率40%時(shí)脈沖比和風(fēng)速對(duì)枸杞微波間歇干燥綜合分的影響Fig.6 Effects of the pulse ratio and wind speed on the comprehensive scores of microwave intermittent dryingof Chinese wolfberry with microwave power of 200 W and initial moisture content of 40%

由圖6響應(yīng)面圖得在微波功率200 W、初始含水率為40%，風(fēng)速為0.7 m/s，脈沖比為1.8左右時(shí)響應(yīng)面圖綜合得分到達(dá)峰值，由圖5中脈沖比曲線與風(fēng)速曲線對(duì)比可知，脈沖比影響因素大于風(fēng)速的影響因素。

圖7 微波功率200 W風(fēng)速為0.7 m/s時(shí)脈沖比和初始含水率對(duì)枸杞微波間歇干燥綜合得分的影響Fig.7 Effects of the pulse ratio and initial moisture content on the comprehensive scores of microwave intermittent drying of Chinese wolfberry with microwave power of 200 W and wind speed of 0.7 m/s

由圖7響應(yīng)面圖可知在微波功率200 W時(shí)、風(fēng)速為0.7 m/s時(shí)，初始含水率48%～50%時(shí)達(dá)到峰值，脈沖比1.8時(shí)左右綜合得分最高，并對(duì)比脈沖比響應(yīng)面曲線與初始含水率響應(yīng)面曲線得知初始含水率影響因素大于脈沖比影響因素。

圖8 微波功率200 W脈沖比1.67時(shí)風(fēng)速和初始含水率對(duì)枸杞微波間歇干燥綜合得分的影響Fig.8 Effects of the wind speed and initial moisture content on the comprehensive scores of microwave intermittent drying of Chinese wolfberry with microwave power of 200 W and pulse ratio of 1.67

由圖8響應(yīng)面圖得在微波功率200 W時(shí)、脈沖比1.67時(shí)，綜合分的隨著初始含水率降低而減小，綜合得分在風(fēng)速為0.7 m/s時(shí)得分到達(dá)峰值，并對(duì)比風(fēng)速響應(yīng)面曲線與初始含水率響應(yīng)面曲線可知初始含水率影響因素大于風(fēng)速影響因素。

綜合圖3～8可得枸杞微波間歇干燥在初始條件：微波功率為210～216 W，脈沖比1.8，風(fēng)速為0.7 m/s，初始含水率48%～50%時(shí)綜合品質(zhì)得分相對(duì)較高。并且綜合圖3～8結(jié)論可驗(yàn)證各因素對(duì)枸杞微波間歇干燥綜合因素影響的大小依次為：干燥功率>初始含水率>脈沖比>風(fēng)速。

2.3 工藝條件優(yōu)化和驗(yàn)證試驗(yàn)

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)回歸方程模型（式8）進(jìn)行優(yōu)化分析求解，并且通過(guò)響應(yīng)面圖分析結(jié)論得到枸杞微波間歇干燥最優(yōu)工藝參數(shù)：微波功率為210～216 W，脈沖比為1.8，風(fēng)速為0.7 m/s，初始含水率48%～50%，此時(shí)綜合品質(zhì)得分相對(duì)較高.

為了驗(yàn)證模型得可靠性，采用上述最優(yōu)工藝參數(shù)（微波功率210 W，脈沖比1.8，風(fēng)速0.7 m/s，初始含水率50%）進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果綜合得分為0.785，相比于（表2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果）最大值0.746較高。因此，該工藝條件符合枸杞微波間歇干燥工藝要求，且利用響應(yīng)面法通過(guò)Design-Expert軟件得到枸杞微波間歇干燥最優(yōu)工藝參數(shù)真實(shí)可靠。

3 結(jié)論

3.1 根據(jù)響應(yīng)面法進(jìn)行枸杞微波間歇干燥試驗(yàn)結(jié)果得出，各因素對(duì)枸杞微波間歇干燥綜合因素影響的大小依次為：干燥功率>初始含水率>脈沖比>風(fēng)速。

3.2 通過(guò)響應(yīng)面法建立了微波功率、脈沖比、風(fēng)速、初始含水率的二次多項(xiàng)式回歸方程，得到了枸杞微波間歇干燥得最佳干燥工藝參數(shù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，微波功率210～216 W，脈沖比1.8，風(fēng)速0.7 m/s，初始含水率 48%～50%左右時(shí)時(shí)得到最大綜合品質(zhì)得分為0.785，與理論預(yù)測(cè)值基本符合。因此，利用響應(yīng)面法得到枸杞微波間歇干燥最優(yōu)工藝參數(shù)真實(shí)可靠。

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