稻谷熱風(fēng)-真空聯(lián)合干燥工藝參數(shù)優(yōu)化

張記，孟國(guó)棟，彭桂蘭，張雪峰，楊玲

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶，400715)

我國(guó)南方地區(qū)稻谷收獲期短且時(shí)間集中，早稻的收獲期恰逢高溫多雨的季節(jié)，收獲后的鮮稻谷含水率高，若不及時(shí)進(jìn)行干燥處理，極易發(fā)生漚黃、霉變、甚至腐敗，嚴(yán)重影響稻谷的外觀、品質(zhì)和口感[1-2]。由于收獲期時(shí)間集中，所以大量高水分稻谷的干燥需求和干燥設(shè)備不足的矛盾非常突出[3]。而如果一味追求較高的干燥效率又會(huì)對(duì)稻谷的品質(zhì)產(chǎn)生較大破壞，因此，為了提高稻谷干燥效率和干后品質(zhì)，降低干燥能耗，必須采用高效合理的干燥方式對(duì)稻谷進(jìn)行干燥處理。

熱風(fēng)和真空干燥是2種常用干燥方式，熱風(fēng)-真空聯(lián)合干燥可以將2種干燥方式的優(yōu)點(diǎn)集合起來(lái)，更好地滿足稻谷的干燥生產(chǎn)作業(yè)。目前，利用聯(lián)合干燥方式優(yōu)化果蔬干燥品質(zhì)已有較多報(bào)道[4-9]。但是對(duì)水稻這類(lèi)主要糧食作物的聯(lián)合干燥研究特別是熱風(fēng)-真空聯(lián)合干燥研究報(bào)道較少。

本文選取熱風(fēng)溫度(X1)、熱風(fēng)風(fēng)速(X2)、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率(X3)和真空溫度(X4)作為聯(lián)合干燥試驗(yàn)的待優(yōu)化參數(shù)組合，設(shè)計(jì)了四元二次BBD(Box-Behnken design)優(yōu)化試驗(yàn)。以平均干燥速率r、爆腰率b、單位能耗e為指標(biāo)，建立各指標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)、方差和響應(yīng)面分析。最后利用加權(quán)評(píng)分法對(duì)聯(lián)合干燥工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到聯(lián)合干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并將優(yōu)化結(jié)果與熱風(fēng)、真空單一干燥方式最優(yōu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

宜香優(yōu)品系稻谷，2018年8月10日收于重慶市巴南區(qū)。收割后手工摘除稻粒，去除干癟、破損、霉變的稻粒以及各種雜質(zhì)，將稻谷混合均勻置于4 ℃的冰箱中冷藏儲(chǔ)存。

1.2 儀器與設(shè)備

DZF型真空干燥箱,北京科偉永興儀器有限公司；KW-2型旋片式真空泵(抽氣速率4.5 CFM),北京科偉永興儀器有限公司；BC-2型薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)，長(zhǎng)春吉大儀器股份有限公司；METILERTOLEDOAL 204電子天平(精度0.000 1 g)，上海梅特勒-托利儀器有限公司；JA5002電子天平(測(cè)量精度為10 mg), 上海精天電子儀器有限公司；(P06S-10A)電力監(jiān)測(cè)儀，寧波高新區(qū)新誠(chéng)電子有限公司；篩網(wǎng)3只(10 cm×10 cm),晨興篩具總廠；聚光燈1個(gè),廣東太格爾電源科技有限公司；放大鏡1個(gè),得力集團(tuán)有限公司；自封袋若干,河源華豐塑膠有限公司；密封箱1個(gè),深圳市光豐塑料有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.3.1 四元二次BBD優(yōu)化試驗(yàn)

通過(guò)Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行四元二次BBD優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)前期熱風(fēng)、真空單一干燥方式參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，在真空度為0.05 MPa下，選取熱風(fēng)溫度(X1)，熱風(fēng)風(fēng)速(X2)，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率(X3)和真空溫度(X4)作為變量因素進(jìn)行試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前將新鮮稻谷從冰箱中取出，攪拌均勻，隨機(jī)稱取200 g置于密封箱內(nèi)30 min恢復(fù)至室溫，然后轉(zhuǎn)移至正方形篩網(wǎng)中(鋪層厚度約為2 cm)。按照試驗(yàn)因素水平編碼首先在熱風(fēng)干燥系統(tǒng)進(jìn)行稻谷干燥試驗(yàn)，待干燥至預(yù)定轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率時(shí)，迅速轉(zhuǎn)移至真空干燥系統(tǒng)按照真空試驗(yàn)因素水平編碼繼續(xù)進(jìn)行干燥，直至干燥至安全含水率13%結(jié)束[10-11]。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)取平均值后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)因素水平及編碼見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素水平及編碼表Table 1 Factors and levels adopted the experiment

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定與方法

(1)稻谷初始含水率的測(cè)定按照GB 5009.3—2016[12]中的直接干燥法進(jìn)行測(cè)定。

(2)干基含水率Mt[13-14]，如公式(1)。

(1)

式中：Mt為物料在t時(shí)刻的干基含水率，%；mt為物料在t時(shí)刻的質(zhì)量，g；mg為物料干物質(zhì)質(zhì)量，g。

(3)平均干燥速率r[15-16]，如公式(2)。

(2)

式中：M0為物料初始干基含水率，g/g；Mt為物料安全干基含水率，g/g；t為干燥至安全含水率所用時(shí)間，min。

(4)爆腰率b

根據(jù)GB 5496—85《糧食、油料檢驗(yàn)、黃米粒及裂紋檢驗(yàn)法》，從每組的3個(gè)平行試驗(yàn)樣品中各隨機(jī)選出100粒稻谷，手工剝?nèi)ネ鈿?，平鋪于透明玻璃皿?玻璃皿下放置聚光燈)，用放大鏡觀察，挑選出有裂紋的米粒數(shù)，數(shù)據(jù)取平均值即為稻谷爆腰率[17-19]。爆腰率計(jì)算公式(3)如下：

(3)

式中：b為稻谷爆腰率，%；n為有裂紋的米粒數(shù)量；N為樣本米?？倲?shù)量。

(5)單位能耗e

單位能耗是指將1 kg稻谷干燥至安全含水率時(shí)所消耗的電能。在進(jìn)行每組試驗(yàn)時(shí)，將熱風(fēng)干燥平臺(tái)、真空干燥箱及真空泵等分別與電力監(jiān)測(cè)儀連接，待試驗(yàn)結(jié)束后讀出所消耗的總電能。單位能耗計(jì)算公式(4)如下[20]：

(4)

式中：e為單位能耗，kJ/kg；E為該組試驗(yàn)消耗的電能，kJ；m為該組試驗(yàn)試樣質(zhì)量，kg。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在Excel 2016軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、整理與計(jì)算，利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)不同干燥方式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸、方差分析和響應(yīng)面綜合優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)前期單因素實(shí)驗(yàn)及稻谷熱風(fēng)、真空單一干燥方式參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，確定稻谷熱風(fēng)-真空聯(lián)合干燥方式下各參數(shù)范圍，并將單一干燥方式優(yōu)化結(jié)果列于下表2。

表2 單一干燥方式參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 2 Single drying method parameter optimization results

2.1 BBD試驗(yàn)結(jié)果及指標(biāo)模型建立

四元二次BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表3所示。利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元逐步回歸分析、方差分析和顯著性檢驗(yàn)，所得分析結(jié)果如表4所示。其中平均干燥速率r、爆腰率b和單位能耗e的四元二次回歸數(shù)學(xué)模型如式5～式7所示：

(5)

(6)

(7)

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Experimental design and results

2.2 模型顯著性檢驗(yàn)和響應(yīng)面分析

由平均干燥速率顯著性分析可知，熱風(fēng)溫度、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、真空溫度對(duì)平均干燥速率的影響非常顯著(P<0.000 1)，熱風(fēng)風(fēng)速對(duì)平均干燥速率影響不顯著。熱風(fēng)溫度和真空溫度越高，相應(yīng)階段的干燥時(shí)間就越短，使得聯(lián)合干燥的平均干燥速率加快[21]。轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率越高，熱風(fēng)干燥階段降水幅度就越小，熱風(fēng)干燥速率快的優(yōu)勢(shì)無(wú)法得到有效發(fā)揮，使得真空干燥階段時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致平均干燥速率降低。熱風(fēng)溫度與轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的交互作用對(duì)平均干燥速率影響非常顯著(P<0.000 1)，由圖1可知,聯(lián)合干燥的平均干燥速率隨著熱風(fēng)溫度的增加而增加，隨著轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的增加而減小。各因素對(duì)平均干燥速率的影響主次順序?yàn)椋恨D(zhuǎn)換點(diǎn)含水率(X3)>真空溫度(X4)>熱風(fēng)溫度(X1)>熱風(fēng)風(fēng)速(X2)。

表4 顯著性檢驗(yàn)及方差分析表Table 4 Significantness test and analysis of variance table

注：“*”，差異顯著(0.01

圖1 熱風(fēng)溫度和轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)平均干燥速率的影響Fig.1 Effect of hot air temperature and switching point moisture content on drying rate

由爆腰率顯著性分析可知，熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、真空溫度對(duì)爆腰率的影響均為非常顯著(P<0.01)。熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)風(fēng)速越高，熱風(fēng)階段稻谷失水速率越快，導(dǎo)致稻谷內(nèi)外應(yīng)力分布不均從而造成爆腰，真空階段同理[22]。轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率越高，熱風(fēng)干燥階段時(shí)間就越短，降水幅度就越小，導(dǎo)致稻谷爆腰的可能性就越低。熱風(fēng)溫度與轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的交互作用對(duì)爆腰率的影響非常顯著(P<0.000 1)，由圖2可知，爆腰率隨著轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的增加而減小，隨熱風(fēng)溫度的增加而增加。轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率與真空溫度的交互作用對(duì)爆腰率的影響非常顯著(P<0.01)，由圖3可知，爆腰率隨著轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的增加而減小，隨著真空溫度的增加而增加。各因素對(duì)爆腰率的影響的主次順序?yàn)椋恨D(zhuǎn)換點(diǎn)含水率(X3)>熱風(fēng)溫度(X1)>真空溫度(X4)>熱風(fēng)風(fēng)速(X2)。

圖2 熱風(fēng)溫度和轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)爆腰率的影響Fig.2 Effect of hot air temperature and switching point moisture content on the crackle ratio

圖3 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率和真空溫度對(duì)爆腰率的影響Fig.3 Effect of switching point moisture content and vacuum temperature on the crackle ratio

由單位能耗顯著性分析可知，熱風(fēng)風(fēng)速、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、真空溫度對(duì)單位能耗的影響非常顯著(P<0.000 1)，熱風(fēng)溫度對(duì)單位能耗影響不顯著。熱風(fēng)風(fēng)速越高，相應(yīng)時(shí)間內(nèi)帶走的熱量就越多，需要不斷加熱電阻絲來(lái)維持設(shè)定的熱風(fēng)溫度，從而導(dǎo)致總能耗增加。由于熱風(fēng)干燥能耗高于真空干燥，所以轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率越高，熱風(fēng)干燥時(shí)間就越短，從而使總能耗降低。熱風(fēng)風(fēng)速與轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的交互作用對(duì)單位能耗影響一般顯著(0.01熱風(fēng)風(fēng)速(X2)>真空溫度(X4)>熱風(fēng)溫度(X1)。

圖4 熱風(fēng)風(fēng)速和轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)單位能耗的影響Fig.4 Effect of hot air velocity and switching point moisture content on drying energy consumption

2.3 聯(lián)合干燥工藝參數(shù)綜合優(yōu)化

為了獲得平均干燥速率高、爆腰率低、單位能耗低的最優(yōu)干燥工藝參數(shù)組合，使用加權(quán)評(píng)分法，對(duì)3個(gè)指標(biāo)歸一化處理消除量綱并賦予一定的權(quán)重值，得到一個(gè)綜合指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。爆腰率是稻谷干燥最為重要的指標(biāo)，因此在爆腰率權(quán)重最高的情況下，可能存在的指標(biāo)重要程度分別為：爆腰率b>平均干燥速率r>單位能耗e；爆腰率b>單位能耗e>平均干燥速率r；爆腰率b>單位能耗e=平均干燥速率r。本文將對(duì)這3種情況進(jìn)行全面討論，各指標(biāo)權(quán)重分配如表5所示(僅考慮整數(shù))。

圖5 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率和真空溫度對(duì)單位能耗的影響Fig.5 Effect of switching point moisture content and vacuum temperature on drying energy consumption

綜合指標(biāo)計(jì)算如式(8)所示：

Y=aYr+bYb+cYe

(8)

式中：Y為綜合指標(biāo)值；Yr、Yb、Ye分別為平均干燥速率、爆腰率及單位能耗的無(wú)量綱值；a、b、c分別為平均干燥速率、爆腰率及單位能耗的權(quán)重值。

不同權(quán)重比的綜合指標(biāo)值分別代入Design Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到相應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，按照實(shí)際試驗(yàn)操作要求對(duì)其進(jìn)行修正。將修正后的工藝參數(shù)代入各單指標(biāo)數(shù)學(xué)模型得到平均干燥速率r、爆腰率b、單位能耗e的預(yù)測(cè)值，同時(shí)在修正后的工藝參數(shù)條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。最優(yōu)工藝參數(shù)組合、驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果和模型預(yù)測(cè)值如表6所示。

表5 各指標(biāo)權(quán)重分配Table 5 Weight distribution of indicators

由表6可以看出，爆腰率和單位能耗模型預(yù)測(cè)效果較好，平均干燥速率模型在轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率較低時(shí)預(yù)測(cè)效果較好，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率較高時(shí)預(yù)測(cè)效果不理想。

在確保爆腰率低于單一干燥方式最優(yōu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的爆腰率(7%)和單位能耗低于單一干燥方式最優(yōu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的單位能耗(2 988 kJ/kg)前提下，應(yīng)盡量提高聯(lián)合干燥的平均干燥速率。在此標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)表6中11組權(quán)重組合下的各指標(biāo)試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)Y2(3∶6∶1)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)條件下的指標(biāo)試驗(yàn)值在滿足爆腰率不超過(guò)7%且單位能耗不超過(guò)2 988 kJ/kg的前提下，其平均干燥速率達(dá)到最高(0.000 483 g/(g·min))。所以聯(lián)合干燥的最優(yōu)參數(shù)組合為Y2(3∶6∶1)：X1=40 ℃、X2=0.7 m/s、X3=20.7%、X4=38.1 ℃，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的平均干燥速率為0.000 483 g/(g·min)、爆腰率為6.3%、單位能耗為2 612 kJ/kg。

表6 工藝參數(shù)組合、試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)值Table 6 Combination of process parameters, test results and predicted values

2.4 聯(lián)合干燥與單一干燥方式對(duì)比分析

各干燥方式最優(yōu)參數(shù)組合所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)試驗(yàn)值及其優(yōu)化程度如表7所示(“+” “-”表示聯(lián)合干燥比單一干燥方式“提高” “降低”)。

由表7可知，聯(lián)合干燥的平均干燥速率比熱風(fēng)干燥降低了29.5%，比真空干燥提高了33.1%；聯(lián)合干燥的爆腰率比熱風(fēng)干燥降低了10%，比真空干燥降低了13.7%；聯(lián)合干燥的單位能耗比熱風(fēng)干燥降低了60.1%，比真空干燥降低了12.6%。由此可見(jiàn)聯(lián)合干燥方式最優(yōu)參數(shù)條件下的各指標(biāo)試驗(yàn)值均優(yōu)于真空干燥方式最優(yōu)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)值；與熱風(fēng)干燥方式最優(yōu)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)值相比，除了平均干燥速率較低以外，爆腰率和單位能耗均優(yōu)于熱風(fēng)干燥方式，尤其在單位能耗方面降低明顯。因此稻谷聯(lián)合干燥方式與稻谷單一干燥方式相比優(yōu)勢(shì)明顯。

表7 不同干燥方式下最優(yōu)參數(shù)單指標(biāo)值比較Table 7 Comparison of single target values of optimal parameters under different drying modes

3 結(jié)論

(2)通過(guò)加權(quán)評(píng)分法對(duì)3個(gè)指標(biāo)消除量綱進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到平均干燥速率r、爆腰率b、干燥能耗e的最佳權(quán)重分配為3∶6∶1；最優(yōu)工藝參數(shù)組合為X1=40 ℃、X2=0.7 m/s、X3=20.7%、X4=38.1 ℃，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的平均干燥速率為0.000 483 g/(g·min)、爆腰率為6.3%、單位能耗為2 612 kJ/kg。

(3)將聯(lián)合干燥方式最優(yōu)參數(shù)條件下的各指標(biāo)試驗(yàn)值與單一干燥方式最優(yōu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，聯(lián)合干燥的平均干燥速率比熱風(fēng)干燥降低了29.5%，比真空干燥提高了33.1%；聯(lián)合干燥的爆腰率比熱風(fēng)干燥降低了10%，比真空干燥降低了13.7%；聯(lián)合干燥的單位能耗比熱風(fēng)干燥降低了60.1%，比真空干燥降低了12.6%。因此稻谷聯(lián)合干燥方式較稻谷單一干燥方式優(yōu)勢(shì)明顯。