黎斌，彭桂蘭，羅傳偉，邱光應(yīng)，楊玲

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

油菜籽真空干燥工藝優(yōu)化

黎斌，彭桂蘭*，羅傳偉，邱光應(yīng)，楊玲

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

為了提高油菜籽的干燥速率，降低其單位能耗，采用真空干燥技術(shù)對油菜籽干燥工藝進(jìn)行考察。采用三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法對油菜籽工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗，選取真空度(X1)，物料厚度(X2)，溫度(X3)作為試驗因子分別考察其對干燥速率(Y1)、能耗(Y2)的影響并建立回歸模型。結(jié)果表明：因子對干燥速率的影響排序為：溫度(X3)>真空度(X1)>物料厚度(X2)；對單位能耗的影響主次為，真空度(X1)>溫度(X3)>物料厚度(X2)；真空度和物料厚度的交互作用對油菜籽干燥速率的影響極其顯著，當(dāng)物料厚度在0.92～1.23 cm,真空度在-0.07～0.045 MPa時油菜籽干燥速率最高。通過軟件優(yōu)化得到最佳工藝參數(shù)組合為：X1=-0.066 MPa,X2=1.5 cm,X3=36.0 ℃，此時干燥速率為0.423 g/min,單位能耗為85.197 kJ/kg，與單目標(biāo)優(yōu)化所得最優(yōu)值接近，模型可靠。

油菜籽；干燥；真空；干燥速率；能耗；響應(yīng)面

油菜(rapeseed)是全球范圍內(nèi)四大油料作物(大豆、油菜、向日葵、花生)之一，在世界油料作物中占有重要地位[1]。我國油菜種植分為冬油菜和春油菜兩大產(chǎn)區(qū)[2]。由于新收油菜籽含水率大約15%～30%，并具有親水性質(zhì)，容易吸潮導(dǎo)致發(fā)熱、酸敗和霉變的特性[3]，造成油菜籽的損失浪費(fèi),因此在收貨時節(jié)很有必要對新收油菜籽進(jìn)行干燥處理，通過人工干燥作業(yè)使油菜籽含水率達(dá)到安全儲藏水平，保證其品質(zhì)穩(wěn)定以及延長其安全儲藏時間。

國外一些學(xué)者應(yīng)用真空干燥技術(shù)對香蕉、蘋果等果蔬干制品進(jìn)行研究[4-6]，SYARIEF[7]、SADOWSKA[8]等用真空干燥方法對油菜籽進(jìn)行薄層干燥特性研究，并建立該試驗品種的薄層干燥數(shù)學(xué)模型。油菜籽油脂含量大約38%～45%[9],不合理的工藝處理易使油菜籽在干燥過程中造成油分損失、品質(zhì)下降。GAWRYSIAK-WITULSKA等[10]、THAKOR[11]等對油菜籽的主要評價指標(biāo)包括含水率、發(fā)芽率、色澤等進(jìn)行了深入研究。國內(nèi)對油菜籽干燥工藝的研究也逐漸增多[12-14]。

本文選取甘藍(lán)型油菜籽，采用三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計進(jìn)行試驗，對真空干燥過程中不同水平的真空度、物料厚度、溫度對甘藍(lán)型油菜籽干燥速率、能耗的影響進(jìn)行研究。采用線性加權(quán)法將多目標(biāo)非線性優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)非線性優(yōu)化進(jìn)行綜合優(yōu)化計算，以期得到干燥速率快、能耗低的最優(yōu)工藝參數(shù)。

1材料與方法

1.1 試驗材料

油菜籽：甘藍(lán)型油菜籽(高芥酸D2品系)，取自重慶市油菜工程中心，收于2015年5月。人工去除大雜、小雜和輕雜，及破裂、發(fā)芽、生霉、顏色青綠和顆粒較小的油菜籽籽粒，獲得色澤均勻、顆粒飽滿的油菜籽實驗材料。

1.2 儀器與設(shè)備

DZF型真空干燥箱(-0.09～-0.1 MPa)，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4.5CFM)，北京科偉永興儀器有限公司；JA5002電子天平(測量精度為10 mg)，上海精天電子儀器有限公司；2101A型控電王，慈溪市源創(chuàng)電器。

1.3 油菜籽真空干燥工藝流程及操作要點

1.3.1 工藝流程

油菜籽→風(fēng)選(去除輕雜、重雜)→篩選(去除大雜、小雜)→磁選(去除鐵雜)→并肩泥的清選→干燥→貯藏

1.3.2 操作要點

(1)原料選取：所取油菜籽為色澤均勻、籽粒飽滿、色澤青綠、無破損的油菜籽籽粒。

(2)清理篩選：人工去除雜物、鐵屑等。

(3)干燥溫度：溫度過高會導(dǎo)致籽料內(nèi)部油脂溢出，干燥最高溫度≤70 ℃[15]。

(4)貯藏：油菜籽溫度≤環(huán)境溫度+5 ℃。

1.4 試驗設(shè)計

前期試驗選取真空度(X1)、物料厚度(X2)、倉內(nèi) 溫度(X3)分別進(jìn)行單因素試驗。試驗結(jié)果表明，溫度和真空度對干燥速率和能耗具有顯著影響，物料厚度對干燥速率以及能耗的影響較小。本試驗采用三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計原理對真空度X1、物料厚度X2、溫度X3三個因子對油菜籽干燥速率Y1和單位能耗Y2的影響進(jìn)行研究，得到工藝優(yōu)化參數(shù)。各個因素的水平設(shè)置及編碼如下表1。

表1 三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計因素水平編碼表

1.5 試驗方法

1.5.1 初始含水率的測定

根據(jù)《油料水分及揮發(fā)物含量測定》(GB/T 14489.1—2008)規(guī)定的方法測量油菜籽的含水率[16]。初始含水率按公式(1)計算：

(1)

式中：W為濕基含水率，%w.b.；m0為平底盒質(zhì)量，g；m1為油菜籽樣品初始質(zhì)量(含平底盒)，g；m2為油菜籽樣品干燥后質(zhì)量(含平底盒)，g。重復(fù)測量3次取其平均值，計算測得油菜籽樣品濕基含水率為8%。將油菜籽樣品混合均勻，將其人工增濕至濕基含水率18%[17]。將處理后的樣品裝入自封袋在4 ℃電子恒溫箱中每隔2 h進(jìn)行1次人工晃動以保證水分均勻，放置48 h待用。

1.5.2 干燥速率的計算

干燥速率是指干燥質(zhì)量與油菜籽干燥至安全含水率(≤8%)時所用時間的比值，能夠反映出不同干燥條件下油菜籽的干燥速率，是衡量經(jīng)濟(jì)性和工藝性的一項重要指標(biāo)，干燥速率按公式(2)計算：

(2)

式中：DR為干燥速率，%d.b/min；Δm為樣品干燥至安全儲藏含水率時減少的質(zhì)量，g；ΔT為樣品干燥至安全儲藏含水率所需時間，min。

1.5.3 單位能耗的計算

單位能耗是指每千克油菜籽干燥至安全含水率時所耗電能，將真空干燥箱以及真空泵分別與2101A型控電王串聯(lián)，每組實驗完畢后讀出能耗。單位能耗按公式(3)計算：

(3)

式中：UN為單位能耗，kJ/kg；N為該組試驗所耗電能，kJ；m為該組樣品質(zhì)量，kg。

1.5.4 綜合指標(biāo)

參照加權(quán)評分法[18]，賦予2個指標(biāo)一定的權(quán)重指數(shù)將干燥速率Y1、單位能耗Y2兩個獨立指標(biāo)進(jìn)行結(jié)合，將雙目標(biāo)非線性優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)線性優(yōu)化，進(jìn)而進(jìn)行綜合優(yōu)化計算得到綜合優(yōu)化工藝優(yōu)化參數(shù)組合。優(yōu)化方程如下：

S=η1Y1+η2Y2

(4)

式中：S為綜合評價函數(shù)，η1和η2非別為與之對應(yīng)的干燥速率(Y1)、單位能耗(Y1)的加權(quán)系數(shù)，η1+η2=1?？紤]到單目標(biāo)函數(shù)各自量綱差異，采用線性功效系數(shù)法將各自的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為無量綱函數(shù)再進(jìn)行綜合優(yōu)化。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，采用Design-Expert 8.0.6對數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

按照表1試驗設(shè)計進(jìn)行試驗，采用三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，試驗結(jié)果如表2。

表2 試驗設(shè)計及結(jié)果

2.2 油菜籽干燥速率與單位能耗的單目標(biāo)優(yōu)化分析

2.2.1 干燥速率優(yōu)化結(jié)果分析

參照表1的試驗設(shè)計對表2中的試驗結(jié)果利用SPSS 20.0進(jìn)行線性擬合，建立干燥速率Y1關(guān)于真空度(X1)、物料厚度(X2)、溫度(X3)三個因素的二次多項式回歸模型如下：

(5)

對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗和可信度分析得結(jié)果如表3。

表3 回歸方程可信度分析

由表3可得：回歸方程顯著性P值遠(yuǎn)小于0.01且R2=0.986，可見回歸方程擬合程度很好。對回歸模型進(jìn)行殘差正態(tài)檢驗，結(jié)果近似服從正態(tài)分布，進(jìn)一步驗證了模型的可靠性(圖1)。

圖1 干燥速率殘差正態(tài)分布圖Fig.1 The normal plot of residuals for drying rate

通過SPSS 20.0對表2中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表4。

由表4可知，影響油菜籽干燥速率的主次因素依次為：溫度(X3)>真空度(X1)>物料厚度(X2)。其中溫度對油菜籽干燥速率的影響極其顯著(P<0.000 1)，溫度的增加，油菜籽顆粒表面游離水分汽化，以氣液兩態(tài)的形式穿過水分-空氣界面向四周擴(kuò)散[19]。溫度過高(>75 ℃)，會造成油脂的溢出，導(dǎo)致品質(zhì)下降[20]；真空度對其干燥速率的影響顯著(0.01

圖2 真空度和物料厚度對油菜籽干燥速率的影響Fig.2 Effects of vacuum degree and material thickness on drying rate of rapeseed

系數(shù)值回歸系數(shù)F值標(biāo)準(zhǔn)誤差自由度P值顯著性常數(shù)項-0131622002100043??X1-115686120013100329?X206406656E?4001310979X3-3183E?3407700131<00001??X1×X224541310017100279?X1×X300642064001710443X2×X3-4977E?3239001710153X21-432851180013103036X22-011832800131000102??X234873E?50290013106045

注：*.差異顯著(0.01

2.2.2 單位能耗單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)表1中的試驗設(shè)計和表2的試驗結(jié)果，利用SPSS 20.0進(jìn)行線性擬合，得出單位能耗Y2關(guān)于真空度X1、物料厚度X2、溫度X3三個因素的二次多項式回歸模型如下式：

(6)

對回歸方程進(jìn)行可信度分析和顯著性檢驗，結(jié)果如表5和表6。

表5 回歸方程可信度分析

由表5可知，關(guān)于能耗Y2的回歸數(shù)學(xué)模型R2=0.992且顯著性P<0.01，可見模型擬合程度很高，且可信度極高。對方程進(jìn)行殘差檢驗，結(jié)果表明該模型殘差分布近似服從正態(tài)分布，模型可靠(圖3)。

圖3 單位能耗殘差正態(tài)分布圖Fig.3 The normal plot of residuals for unit energy consumption

系數(shù)值回歸系數(shù)F值標(biāo)準(zhǔn)誤差自由度P值顯著性常數(shù)項4303157791066100018??X143665393738707100001??X268734093710103585X3-104262017710100012??X1×X245128101692410048?X1×X358950019924100032??X2×X3-0920029924106026X2135281824276688101277X22-79420053698108225X23014589698100137?

注：*.差異顯著(0.01

由表6可知，各因素對油菜籽干燥單位能耗的影響強(qiáng)度次序為：真空度(X1)>溫度(X3)>物料厚度(X2)。真空度對油菜籽真空干燥的單位能耗影響極顯著(P<0.01)，真空度越大，干燥速率越大，單位能耗越低；溫度對單位能耗的影響極其顯著(P<0.01)，在真空度和物料厚度一定的情況下，溫度越高，單位能耗越高；溫度的二次疊加效應(yīng)對油菜籽干燥單位能耗的影響顯著(0.01

圖4 真空度與溫度對油菜籽單位能耗的影響Fig.4 Effect of vacuum degree and temperature on Unit energy consumption

圖5 真空度與物料厚度對油菜籽單位能耗的影響Fig.5 Effect of vacuum degree and material thickness on Unit energy consumption

2.2.3 單目標(biāo)優(yōu)化處理

通過Design-Expert 8.0.6軟件對表2試驗結(jié)果進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化處理，結(jié)果見表7。

表7 單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

從表7可以看出，當(dāng)真空度為-0.069 2 MPa、物料厚度取1.59 cm、倉內(nèi)溫度取30.19 ℃時，油菜籽干燥速率Y1取得最大值為0.487 g/min，高于表2中最優(yōu)值；油菜籽真空干燥單位能耗最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：真空度-0.058 6 MPa、物料厚度1.47 cm、溫度38.27 ℃，此時油菜籽干燥單位能耗Y2為89.196 kW/kg，在此條件下所獲得最低單位能耗值低于表2中最低值，但不利于干燥速率Y1。

2.3 多目標(biāo)工藝參數(shù)綜合優(yōu)化及分析

為了獲得油菜籽干燥工藝的優(yōu)化參數(shù)組合，對雙目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行線性加權(quán)分配?？紤]到兩指標(biāo)的量綱差異，對單目標(biāo)模型進(jìn)行消除量綱處理，將兩目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成無量綱函數(shù)，再進(jìn)行綜合優(yōu)化。令：

S=η1Y1+η2Y2

(7)

式中：S是綜合評價函數(shù)，η1是油菜籽干燥速率Y1的加權(quán)比重取η1=0.6。η2是油菜籽干燥單位能耗Y2的加權(quán)比重，取η2=0.4。其中η1+η2=1。

采用Design-Expert 8.0.6軟件對雙目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化處理，得到優(yōu)化方程如下：

(8)

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析得到油菜籽優(yōu)化干燥工藝參數(shù)組合為：X1=-0.066 2 MPa, X2=1.521 cm,X3=36.25 ℃。對組合參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正得到最終優(yōu)化組合參數(shù)組合為：X1=-0.066 MPa,X2=1.5 cm,X3=36 ℃。此時干燥速率為0.423 g/min,單位能耗為85.197 kJ/kg，與單目標(biāo)優(yōu)化所得最優(yōu)值接近，具有實際應(yīng)用參考價值。

3 結(jié)論

(1)本試驗選取干燥溫度、物料厚度、真空度作為考察因素，采用三元二次旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計方法對油菜籽的干燥速率、單位能耗進(jìn)行考察。試驗結(jié)果表明，溫度對油菜籽干燥速率影響最顯著，真空度次之，物料厚度對其無影響。付浩華[23]等人在對油菜籽薄層真空干燥研究中得出真空度越大，干燥速率越小的結(jié)論，驗證了本試驗結(jié)果；真空度對油菜籽的單位能耗影響極其顯著(P<0.01)，溫度對其影響顯著(0.01

(2)通過綜合評價法對干燥速率和單位能耗進(jìn)行消除量綱處理，得到最佳工藝參數(shù)組合為：真空度-0.066 MPa，物料厚度1.5 cm，溫度36 ℃；此時干燥速率為0.423 g/min，單位能耗為85.197 kJ/kg，接近各自最佳值，模型可信度較高。

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Optimization of rapeseed vacuum drying technology parameter by response surface methodology

LI Bin, PENG Gui-lan*, LUO Chuan-wei, QIU Guang-yin, YANG Ling

(College of Engineering and Technology，southwest university，Chongqing 400715，China)

The vacuum drying technology was adopted to improve the drying rate and decrease the energy consumption for rapeseed drying technology. The experiment was designed by three factors quadratic design of rotary combination. Taking vacuum degree (X1), material thickness (X2) and temperature (X3) as testing factors and drying rate (Y1), unit energy consumption (Y2) as target parameters, the study investigated those three factors on the two target parameters. The results showed the order of three factors on rapeseed drying rate were: temperature, vacuum and temperature. The effects of three factors on unit energy consumption in an order of temperature，vacuum degree and material thickness；The effects of three factors on unit energy consumption was in an order of vacuum degree, temperature and material thickness. The interaction of vacuum degree and temperature had a great influence on drying rate, the optimum value was obtained at thickness from 0.92 cm to 1.23 cm and vacuum from -0.07 MPa to -0.045 MPa. The optimal parameters of vacuum drying condition is: vacuum -0.066 MPa, material thickness 1.5 cm and temperature 36 ℃. The drying rate optimum value was 0.423 g/min, the unit energy consumption was 85.197 kJ/kg. These values were close to the perspective optimal value.

rapeseed; drying; drying rate; energy consumption; response surface

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.20161219

碩士研究生(彭桂蘭教授為通訊作者，E-mail:pgl602@163.com)。

國家自然科學(xué)基金項目(31301575)

2016-04-12，改回日期：2016-05-17