舒服華

武漢理工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院武漢　430070

基于灰色關(guān)聯(lián)的小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華

武漢理工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院武漢430070

提出一種正交試驗(yàn)與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)優(yōu)化方法。以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，獲得浸潤(rùn)時(shí)間、浸潤(rùn)溫度、加水量、真空度等工藝參數(shù)對(duì)出粉率、灰分、白度、破損淀粉值等小麥制粉效果的影響。通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行單工藝目標(biāo)優(yōu)化和綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化，得到小麥真空調(diào)質(zhì)最佳工藝參數(shù)，優(yōu)化后的工藝參數(shù)使制粉的出粉率提高2.10%，灰分減小2.63%，破損淀粉值下降13.10%，白度僅下降0.64%。

小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)制粉灰色關(guān)聯(lián)優(yōu)化

調(diào)質(zhì)是小麥制粉前的重要工序，調(diào)質(zhì)處理是對(duì)小麥進(jìn)行著水、潤(rùn)麥處理的過程。小麥經(jīng)過調(diào)質(zhì)后，麥粒更加適于制粉，表皮變韌，胚乳軟化，制粉過程中可以保證麩片完整，最大限度地刮凈胚乳，并將其研磨到特定粗細(xì)度和加工精度，加工成適合制作某種或某類食品的小麥粉[1][2]，同時(shí)可以達(dá)到提高出粉率，降低電耗和減少設(shè)備磨損等目的。

真空調(diào)質(zhì)主要利用由壓差引起的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理和變形松弛現(xiàn)象。在真空環(huán)境下，物料整體會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹，導(dǎo)致細(xì)胞之間產(chǎn)生間距增大的現(xiàn)象，細(xì)胞內(nèi)的液體易汽化蒸發(fā)，外部浸漬液在細(xì)胞內(nèi)外壓力差和毛細(xì)管效應(yīng)的共同作用下，更易于滲入物料結(jié)構(gòu)內(nèi)部[3]。與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)方法相比，真空低壓環(huán)境的壓力差作用和小麥籽粒的膨松現(xiàn)象有利于水分的擴(kuò)散，可以快速達(dá)到調(diào)質(zhì)的目的。真空環(huán)境中氣壓降低，氧含量會(huì)隨壓強(qiáng)降低而按比例下降。缺氧氛圍有利于調(diào)質(zhì)過程中抑制微生物的繁殖，減少危害食用者健康的真菌毒素的產(chǎn)生。真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)影響小麥加工的品質(zhì)與產(chǎn)量，選擇合適的工藝參數(shù)對(duì)提高小麥加工質(zhì)量和效益具有重要的意義。

灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，它對(duì)數(shù)據(jù)的要求較低，能在很大程度上減少由于信息不對(duì)稱帶來的損失。本文采用正交實(shí)驗(yàn)與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方法對(duì)小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，可解決正交試驗(yàn)信息不完備、數(shù)據(jù)處理粗糙等問題，提高決策的科學(xué)性。

1　試驗(yàn)方法

1）材料與設(shè)備

原料選用河南優(yōu)質(zhì)小麥品種周麥18為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)儀器為MLU-202型布勒試驗(yàn)?zāi)?；WSB-IV智能白度測(cè)定儀；l0lA-3E型電熱鼓風(fēng)干燥箱；DZF-6050真空干燥箱；TW-4A單級(jí)旋片真空泵。

2）試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響小麥真空調(diào)質(zhì)效果的因素主要有加水量、調(diào)質(zhì)溫度、調(diào)質(zhì)時(shí)間和真空度等；衡量小麥制粉效果的指標(biāo)有出粉率、灰分、白度、淀粉破損值等。試驗(yàn)以浸潤(rùn)時(shí)間（A）、浸潤(rùn)溫度（B）、加水量（C）、真空度（D）為小麥真空調(diào)質(zhì)優(yōu)化工藝參數(shù)，以出粉率（α）、灰分（β）、白度（γ）、淀粉破損值（δ）為小麥加工效果優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)一個(gè)4因素4水平的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。

3）試驗(yàn)方法

將原料小麥除雜、混合均勻，準(zhǔn)確稱取1000 g小麥，放入樣品袋中；噴霧加水混合，封口后搖混5 min，放置在真空干燥箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度，抽真空。加水量、溫度、真空度，存放時(shí)間按試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案設(shè)置。

表1　小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

調(diào)質(zhì)結(jié)束后，取出小麥，放置30 min后進(jìn)行磨粉，測(cè)量面粉品質(zhì)參數(shù)。出粉率采用AACC方法26-21；水分采用GB 5497—1985；灰分采用GB/T 5505—2008；白度采用GB/T 12097—1989；淀粉破損值采用GB/T 9826—2008。試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2　真空調(diào)質(zhì)小麥制粉效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種用灰色關(guān)聯(lián)度順序來描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序的方法。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度處理正交試驗(yàn)結(jié)果，能夠綜合小麥真空調(diào)質(zhì)4項(xiàng)工藝目標(biāo)，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)組合?；静襟E是首先確定原始數(shù)據(jù)序列，對(duì)其進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)生成即量綱歸一化處理，然后分別求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，得到灰色關(guān)聯(lián)度，最后進(jìn)行優(yōu)勢(shì)分析[4][5]。先根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行單工藝目標(biāo)優(yōu)化，后根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行綜合目標(biāo)優(yōu)化。這樣將多項(xiàng)工藝目標(biāo)的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單項(xiàng)灰色關(guān)聯(lián)度的優(yōu)化問題，從而實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)工藝目標(biāo)的優(yōu)化。

1）確定權(quán)重

在多工藝目標(biāo)優(yōu)化問題中，很難做到讓每個(gè)工藝目標(biāo)都處于最優(yōu)狀態(tài)，但每個(gè)工藝目標(biāo)也不能平均對(duì)待，應(yīng)根據(jù)不同要求及實(shí)際情況對(duì)不同的工藝目標(biāo)有所側(cè)重，單工藝目標(biāo)重要程度一般以權(quán)重來體現(xiàn)，綜合工藝目標(biāo)采取權(quán)重求和的形式確定。權(quán)重通常采用1～9標(biāo)度法確定。但傳統(tǒng)的1～9標(biāo)度法確定權(quán)重計(jì)算過程復(fù)雜，且要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，文中采用模糊一致矩陣確定工藝目標(biāo)的權(quán)重，其計(jì)算簡(jiǎn)單且不需要一致性檢驗(yàn)。標(biāo)度值確定法則見表3。

表3　標(biāo)度值確定法則

基本方法是首先對(duì)工藝目標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，然后根據(jù)表3所示的0.1～0.9標(biāo)度法法則確定評(píng)分，以此構(gòu)造優(yōu)先關(guān)系矩陣（互補(bǔ)矩陣）D：

式中，dij為工藝目標(biāo)i相對(duì)于工藝目標(biāo)j的得分，其中，dij=0.5；dji=1-dij。根據(jù)優(yōu)先關(guān)系矩陣構(gòu)造模糊一致矩陣：

式中，α為用戶定義系數(shù)，滿足α≥（n-1）/2。根據(jù)權(quán)向量確定各工藝目標(biāo)的權(quán)重：

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)實(shí)際，小麥調(diào)質(zhì)4個(gè)性能指標(biāo)的重要性評(píng)分分別為d12=0.7，d13=0.8，d14=0.7，d23=0.6，d24=0.7，d34=0.7，則優(yōu)先關(guān)系矩陣為：

由于e1=2.7，e2=2.1，e3=1.8，e4=1.4，則e12=0.575，e13=0.6215，e14=0.6625，e23=0.5375，e24=0.5875，e34= 0.55，取α=2.0，則模糊一致矩陣為：

因此，權(quán)向量為P=（0.2938，0.2562，0.2375，0.2125）；由于p1+p2+p3+p4=1，故指標(biāo)的權(quán)重為W=（0.2938，0.2562，0.2375，0.2125）。

2）灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)處理

①確定原始數(shù)據(jù)序列。試驗(yàn)結(jié)果表3中每個(gè)工藝目標(biāo)下的一組數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)序列，即xi（k），分別代表出粉率、灰分β、白度γ、破損淀粉δ的原始數(shù)據(jù)序列，i=1，2，3，4，k=1，2，…，16。

②數(shù)據(jù)規(guī)范化處理。由于原始數(shù)據(jù)序列之間的量綱不同，故需要對(duì)其進(jìn)行無量綱化處理。對(duì)于效益型指標(biāo)，歸一化公式為[6]：

對(duì)于效益型指標(biāo)，歸一化公式為：

式中，yi（k）為指標(biāo)i下的第k次試驗(yàn)值的歸一化值，k=1，2，…，16。在小麥制粉效果4個(gè)性能指標(biāo)中，α、γ為效益型指標(biāo)，β、δ為成本型指標(biāo)，歸一化結(jié)果如表4。

③求數(shù)據(jù)差序列。計(jì)算公式為：

式中，y0k（k）為i工藝目標(biāo)下的理想值。文中出粉率α、灰分β、白度γ、破損淀粉δ的理想值均為1。通過計(jì)算，數(shù)據(jù)差序列如表4。

表4　原始數(shù)據(jù)處理結(jié)果

④求灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。計(jì)算公式為：

式中，ρ為分辨系數(shù)，ρ∈[0，1]，一般取ρ=0.5。研究表明，當(dāng)ρ=0.5463時(shí)，分辨率最高，故取ρ= 0.5463，通過計(jì)算，灰關(guān)聯(lián)系數(shù)ξik如表5所示。

⑤求灰色關(guān)聯(lián)度。灰色關(guān)聯(lián)度為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的加權(quán)平均值，即[5]：

通過計(jì)算，灰色關(guān)聯(lián)度γk如表5所示。

3）單工藝目標(biāo)灰關(guān)聯(lián)分析

分別針對(duì)出粉率α、灰分β、白度γ、破損淀粉δ進(jìn)行單工藝目標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)分析。由表5中各參數(shù)不同水平對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)求得針對(duì)各工藝目標(biāo)的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表6～表9所示。

表5　灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)與灰色關(guān)聯(lián)度

確定每個(gè)工藝參數(shù)的不同水平對(duì)各項(xiàng)工藝目標(biāo)的影響程度。根據(jù)灰色相關(guān)度的概念，關(guān)聯(lián)系數(shù)均值最大者為最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

針對(duì)出粉率，由表6可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A4B4C3D4；對(duì)出粉率影響由大到小的工藝參數(shù)依次為浸潤(rùn)溫度、加水量、真空度、浸潤(rùn)時(shí)間。

表6　針對(duì)出粉率的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

針對(duì)灰分，由表7可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A3B3C3D4；對(duì)灰分影響由大到小的工藝參數(shù)依次為加水量、真空度、浸潤(rùn)溫度、浸潤(rùn)時(shí)間。

表7　針對(duì)灰分的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

表8　針對(duì)白度的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

針對(duì)白度，由表8可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A4B4C4D4。對(duì)白度影響由大到小的工藝參數(shù)依次為浸潤(rùn)時(shí)間、真空度、加水量、浸潤(rùn)溫度。

表9　針對(duì)破損淀粉的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

針對(duì)破損淀粉，由表9可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A2B1C4D3。對(duì)破損淀粉影響由大到小的工藝參數(shù)依次為加水量、浸潤(rùn)溫度、真空度、浸潤(rùn)時(shí)間。

4）多工藝目標(biāo)灰關(guān)聯(lián)分析

針對(duì)出粉率α、灰分β、白度γ、破損淀粉δ進(jìn)行綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化。即對(duì)優(yōu)化對(duì)象進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，分析結(jié)果見表10。

表10　工藝參數(shù)各水平平均灰關(guān)聯(lián)度

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的性質(zhì)，其大小反映各工藝參數(shù)不同水平對(duì)多項(xiàng)工藝目標(biāo)的影響程度?；疑P(guān)聯(lián)度值最高的為對(duì)多工藝目標(biāo)綜合優(yōu)化的最優(yōu)水平。

浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)排序?yàn)椋害肁4＞γA3＞γA2＞γA1。

浸潤(rùn)溫度對(duì)綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)排序?yàn)椋害肂3＞γB2＞γB4＞γB1。

加水量對(duì)綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)排序?yàn)椋害肅3＞γC4＞γC2＞γC1。

真空度對(duì)綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)排序?yàn)椋害肈4＞γD3＞γD1＞γD2。

因此，對(duì)于綜合工藝目標(biāo)，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A4B3C3D4，即浸潤(rùn)時(shí)間50 min、浸潤(rùn)溫度40℃、加水量15%、真空度0.08 Mpa。

從表10極差還可以看出，對(duì)小麥真空調(diào)質(zhì)制粉綜合效果影響由大到小的工藝參數(shù)依次為浸潤(rùn)時(shí)間、加水量、真空度、浸潤(rùn)溫度。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述灰色關(guān)聯(lián)分析得出優(yōu)化組合為A4B3C3D4，對(duì)該優(yōu)化組進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并將驗(yàn)證結(jié)果與正交試驗(yàn)中灰色關(guān)聯(lián)度較高組A4B3C2D4（第15組）試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表11。

表11　實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

可見，優(yōu)化后的調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)使小麥出粉率提高2.10%，灰分減小2.63%，破損淀粉值下降13.10%，白度僅下降0.64%，證明優(yōu)化效果顯著。

4　結(jié)語

小麥真空調(diào)質(zhì)是一種高效、安全的調(diào)質(zhì)技術(shù)。文中提出了正交試驗(yàn)與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)優(yōu)化方法。以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，獲得了浸潤(rùn)時(shí)間、浸潤(rùn)溫度、加水量、真空度等工藝參數(shù)對(duì)出粉率、灰分、白度、破損淀粉值等小麥制粉效果的影響。通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先進(jìn)行單工藝目標(biāo)優(yōu)化，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值最大者為最優(yōu)工藝水平；然后進(jìn)行綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化，平均灰色關(guān)聯(lián)度最大者為最優(yōu)水平，得到小麥真空調(diào)質(zhì)的最佳工藝參數(shù)，取得滿意的效果。優(yōu)化后的工藝參數(shù)使制粉的出粉率提高2.10%，灰分減小2.63 %，破損淀粉值下降13.10%，白度僅下降0.64%，證明了優(yōu)化效果顯著。

[1]張亮，郭禎祥，孫宇.真空調(diào)質(zhì)時(shí)間對(duì)小麥制粉特性的影響研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2012（5）：61-63

[2]王紹文王曉曦，賈愛霞.調(diào)質(zhì)時(shí)間對(duì)中筋小麥品質(zhì)特性的影響[J].現(xiàn)代面粉工業(yè)，2011（3）：10-15

[3]王曉曦，王紹文，溫欽豪.調(diào)質(zhì)溫度對(duì)中筋小麥品質(zhì)特性的影響[J].糧食與飼料工業(yè)，2011（10）：5-9

[4]張軍鋒，史耀耀，藺小軍，等.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的葉片砂帶拋光參數(shù)優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2016，22（4）：123-126

[5]趙建社，郁子欣，周旭嬌等.基于灰色理論的鈦合金電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2015，26（14）：1877-1882

[6]舒服華，梁芳.基于灰色關(guān)聯(lián)的鋁合金板材焊接工藝參數(shù)優(yōu)化[J].特種鑄造及有色合金，2016，36（6）：580-582

TS 211.4+1

A

1674-5280（2016）05-0001-05

2016-07-07

舒服華（1967—），男，湖北武漢人，碩士，教授，主要從事輕工機(jī)械研究工作。