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真空聯(lián)合傾斜式熱風(fēng)干燥茯苓丁的響應(yīng)面試驗及多目標優(yōu)化

2021-04-22 14:21:34巨浩羽鄭志安趙士豪趙海燕張衛(wèi)鵬高振江肖紅偉
中草藥 2021年8期
關(guān)鍵詞:破碎率熱風(fēng)茯苓

巨浩羽,鄭志安,趙士豪,趙海燕,張衛(wèi)鵬,高振江,肖紅偉

真空聯(lián)合傾斜式熱風(fēng)干燥茯苓丁的響應(yīng)面試驗及多目標優(yōu)化

巨浩羽1,鄭志安2*,趙士豪1,趙海燕3,張衛(wèi)鵬4,高振江2,肖紅偉2

1. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050061 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083 3. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)工商管理學(xué)院,河北 石家莊 050061 4. 北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院,北京 100048

探索茯苓丁真空干燥+傾斜式熱風(fēng)聯(lián)合干燥過程中,真空溫度、切換水分比、熱風(fēng)溫度及其交互作用對干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率的影響,以期得到干燥時間短、品質(zhì)好、能耗低的茯苓丁干燥工藝參數(shù)。以茯苓丁為原料,當(dāng)真空干燥到某一含水率時再進行傾斜式熱風(fēng)干燥;選取真空干燥溫度(1,65~85 ℃)、切換水分比(2,70%~90%)、熱風(fēng)干燥溫度(3,65~85 ℃)為因素,設(shè)計Box-Behnken響應(yīng)面試驗,分析影響各指標的主次因素及各因素間的交互作用,建立干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率的二次回歸模型。構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù),分別用綜合評分法、遺傳算法、NSGA-II法進行優(yōu)化,通過比較3種優(yōu)化方法的結(jié)果,得到最佳工藝參數(shù)并加以驗證。影響干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率的主次排序為2>3>1、2>1>3、3>2>1、2>3>1。建立的干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率回歸模型具有統(tǒng)計學(xué)意義(<0.001),可用于對茯苓丁聯(lián)合干燥評價指標的分析和預(yù)測。綜合評分法優(yōu)化結(jié)果為真空溫度65.12 ℃、切換水分比70.07%、熱風(fēng)溫度74.19 ℃,該條件下干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為330.4 min、4.13 kJ·h/kg、3.52 mg/g、4.48%;遺傳算法優(yōu)化結(jié)果為:真空溫度82.23 ℃、切換水分比81.10%、熱風(fēng)溫度69.04 ℃,該條件下干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為245.27 min、2.01 kJ·h/kg、3.32 mg/g、23.05%;NSGA-II算法優(yōu)化結(jié)果為真空溫度65.04 ℃、切換水分比70%、熱風(fēng)溫度70.96 ℃,該條件下干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為340.86 min、4.22 kJ·h/kg、3.87 mg/g、4.21%。以適應(yīng)度為評價指標,可得出NSGA-II算法優(yōu)化結(jié)果最好。NSGA-II算法可用于茯苓丁真空干燥+傾斜式熱風(fēng)干燥工藝的多目標優(yōu)化,從Pareto集合中選取的較佳工藝參數(shù)并進行修正;確定最佳條件為真空溫度65 ℃、切換水分比70%、熱風(fēng)溫度71 ℃,該工藝條件下的干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為(335±13)min、(4.28±0.32)kJ·h/kg、(3.82±0.31)mg/g、(4.33±0.35)%。優(yōu)化后的聯(lián)合干燥工藝總體上具有干燥時間短、單位能耗低、多糖含量高、破碎率低等優(yōu)點,節(jié)能增效作用顯著,可為茯苓丁的工業(yè)化加工提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

茯苓??;干燥;真空干燥;傾斜式熱風(fēng)干燥;聯(lián)合干燥;單位能耗;破碎率;多糖;多目標優(yōu)化;適應(yīng)度函數(shù)

茯苓為多孔菌科茯苓屬真菌茯苓(Schw.) Wolf的菌核,常寄生于松樹根部,是傳統(tǒng)常用中藥材。其性味甘甜、平;歸心、腎、脾、肺經(jīng);具有利水滲濕、健脾和胃、寧心安神的功效。茯苓的主要化學(xué)成分有茯苓多糖、茯苓酸等物質(zhì),茯苓多糖具有明顯的抗腫瘤作用,茯苓酸有助于睡眠延長效應(yīng),改善睡眠的作用[1-3]。

干燥是茯苓加工的重要環(huán)節(jié),《中國藥典》2020年版規(guī)定,茯苓藥材的含水率不得超過18.0%,浸出物不得少于2.5%[4]。目前茯苓的干燥方式有自然晾曬、熱風(fēng)干燥、氣體射流沖擊干燥、真空脈動干燥、中短波聯(lián)合氣體射流干燥方式等。許甜甜[5]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度高于60 ℃時,茯苓多糖含量有降低趨勢,40~60 ℃干燥時,茯苓藥效較好,但干燥時間較長。張衛(wèi)鵬等[4,6]對比研究了自然晾曬、熱風(fēng)干燥、氣體射流干燥、中短波聯(lián)合氣體射流沖擊和真空脈動干燥條件下茯苓的干燥特性和品質(zhì),結(jié)果表明,真空脈動與自然晾曬破碎率明顯偏低,而氣體射流干燥茯苓丁破碎率最高,約大于60%;中短波紅外聯(lián)合氣體射流的茯苓丁破碎率比氣體射流干燥技術(shù)低約18%。自然晾曬干燥方式所需時間長,且易發(fā)霉變色,且熏硫處理容易使其物料變性失效;熱風(fēng)干燥易造成茯苓丁內(nèi)外溫度、水分分布不均,導(dǎo)致茯苓丁的“破裂”,降低商品屬性;氣體射流沖擊干燥技術(shù),對流換熱系數(shù)高、干燥速度快,但表面易結(jié)殼,噴嘴與物料相對位置固定,有裝載量小、干燥不均的缺陷。因此,探討合適的茯苓丁干燥技術(shù),解決干燥過程中存在的干燥時間長和干燥品質(zhì)變差的問題具有重要意義。

Zhang等[7]和Jaramillo等[8]基于Bigot’s體積收縮模型研究發(fā)現(xiàn),真空干燥茯苓丁形態(tài)完整。當(dāng)含水率降至某一值時,體積形態(tài)會穩(wěn)定不變,此時增加干燥強度,或采用聯(lián)合干燥技術(shù),會提高干燥效率,同時也不會顯著增加茯苓丁破碎率。真空干燥技術(shù)是利用低壓水沸點較低的特性,加速物料脫水,在中藥材加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它可以隔絕氧氣,最大程度保護物料原有結(jié)構(gòu)和形狀,兼顧外觀和內(nèi)在品質(zhì)[9-10]。此外,熱風(fēng)干燥技術(shù)因其設(shè)備簡單、成本低而廣泛應(yīng)用于中藥的干燥加工中[11-12]。相對于現(xiàn)有的熱風(fēng)干燥技術(shù),傾斜式熱風(fēng)干燥(本實驗簡稱熱風(fēng)干燥)還具有裝載量大、干燥均勻的優(yōu)點,已逐漸應(yīng)用于果蔬干燥加工中[13]。而關(guān)于茯苓的分段組合干燥技術(shù)的文獻報道較少,故本研究擬基于真空聯(lián)合熱風(fēng)干燥技術(shù),以期提高茯苓的干燥效率和品質(zhì)。

茯苓丁干燥加工涉及效率、能耗、品質(zhì)等諸多指標,一味追求高效或高品質(zhì)并不可行。為優(yōu)化真空聯(lián)合熱風(fēng)干燥技術(shù),茯苓的干燥品質(zhì)的評價涉及多目標尋優(yōu)的過程。隸屬度綜合評分法、遺傳算法、帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法(nondominated sorting genetic algorithm II,NSGA-II算法)皆為常用的多指標尋優(yōu)方法[14-17]。但有關(guān)茯苓丁多目標優(yōu)化報道的文獻較少,尚未有可直接用于工業(yè)化生產(chǎn)的實驗參數(shù)。因此,為解決茯苓丁工業(yè)化加工技術(shù)手段匱乏、品質(zhì)差的問題。本實驗采用真空干燥技術(shù)聯(lián)合傾斜式熱風(fēng)干燥技術(shù),系統(tǒng)探究真空溫度、切換水分比、熱風(fēng)溫度對干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率的影響規(guī)律,并對比隸屬度綜合評分法、遺傳算法、NSGA-II算法的多目標尋優(yōu)結(jié)果。綜合評價法3種多目標優(yōu)化方法效果的基礎(chǔ)上,確定最佳工藝參數(shù)。以期獲得效率、能耗、品質(zhì)俱佳的工藝參數(shù),為茯苓工業(yè)化加工提供理論參考和技術(shù)依據(jù)。

1 儀器與材料

1.1 原料獲取

新鮮茯苓采摘于安徽金寨,經(jīng)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院鄭志安副教授鑒定為茯苓(Schw.) Wolf。茯苓采收后置于溫度為(24±3)℃,相對濕度(95±4)%的環(huán)境中,發(fā)汗3 d后。如圖1所示,人工一次去皮,剝除茯苓黑褐表皮;二次去皮剝除赤茯苓。再采用切丁機(岳西縣岳工機械廠)先切制成厚度為12 mm的茯苓片,再切制成邊長為(12.0±0.5)mm的立方體茯苓丁,備用。將切制的新鮮茯苓丁,過篩(孔徑10 mm,安徽順天機械制造有限公司),去除破碎顆粒,2 kg/袋,聚乙烯塑料袋密封包裝,置于3~5 ℃條件下冷藏,備用。

1-新鮮茯苓 2-一次去皮 3-二次去皮 4-茯苓片 5-茯苓丁

1.2 干燥裝備

采用NT-V501真空干燥裝置和NT-H101傾斜式熱風(fēng)干燥裝置(南京騰飛干燥裝備有限公司)進行干燥實驗,干燥裝置均安裝有電能表,可實時記錄能耗數(shù)據(jù)。NT-V501真空干燥裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示,真空干燥裝置由干燥室、冷凝系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)5部分組成。加熱系統(tǒng)由碳纖維紅外板供熱,料架底部安裝有自動稱量系統(tǒng)(杭州美控自動化技術(shù)有限公司),實時獲取茯苓丁質(zhì)量變化情況,精度為±5 g;當(dāng)干燥設(shè)定含水率時,自動停機并閃爍警示燈。干燥能耗由智能電表(浙江正泰電氣股份有限公司)監(jiān)測??刂葡到y(tǒng)的觸摸屏(威綸通科技有限公司)可自動顯示并存儲干燥室壓力、加熱溫度、能耗、干基含水率,以及設(shè)定的試驗條件等參數(shù)。

1-真空箱 2-控制箱 3-傳感器接口 4-電源接口 5-壓力傳感器接口 6-單向閥 7-冷凝器機組 8-真空泵 9-電磁閥 10-手動球閥 11-料架

NT-H101傾斜式熱風(fēng)干燥具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要由電加熱管、干燥室、離心風(fēng)機、帶有噴嘴的氣流分配室、以及自動控制部分組成。熱空氣在高壓離心風(fēng)機的作用下,通過出風(fēng)通道將具有一定溫濕度與流速的熱氣流輸送至氣流分配室,其中內(nèi)置有多個噴嘴的噴管組固定于氣流分配室與干燥室之間。熱氣流在氣流分配室的流場耦合作用下,經(jīng)噴嘴以均勻流速水平地沖擊料架上多排傾斜放置的物料。與此同時控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定參數(shù)實時調(diào)節(jié)干燥室內(nèi)的溫度變化,當(dāng)干燥室溫度小于預(yù)設(shè)值時,電加熱管工作;干燥室溫度大于預(yù)設(shè)值時,電加熱管停止工作,從而實現(xiàn)物料的快速干燥。干燥過程物料質(zhì)量變化通過等時取樣稱重獲取。

1-離心風(fēng)機 2-電加熱管 3-氣流分配室 4-噴嘴 5-傾斜式料盤 6-控制系統(tǒng)

1.3 茯苓丁干燥加工過程

將茯苓丁單層平鋪于料盤中進行干燥,裝載密度(3.5±0.1)kg/m2。結(jié)合企業(yè)(安徽喬康藥業(yè)有限公司)日常生產(chǎn)調(diào)度,3個班組同時開展實驗。先按設(shè)定溫度進行真空干燥,當(dāng)茯苓丁達到設(shè)定的切換含水率時,警示燈自動閃爍報警。人工轉(zhuǎn)移料盤進進行傾斜式熱風(fēng)干燥,直至干燥結(jié)束。

2 方法

2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在真空干燥單因素試驗(溫度65、75、85 ℃)和熱風(fēng)干燥單因素(溫度65、75、85 ℃,風(fēng)速4 m/s)實驗的基礎(chǔ)上,以真空干燥溫度(1,65~85 ℃)、切換水分比(2,65%~85%)、熱風(fēng)干燥溫度(3,65~85 ℃)為影響因子,以干燥時間(1)、單位能耗(2)、多糖含量(3)、破碎率(4)為響應(yīng)變量,進行Box-Behnken設(shè)計(BBD)響應(yīng)面實驗,響應(yīng)面因素水平及編碼如表1所示。取3個重復(fù)測定的平均值作為實驗結(jié)果,干燥結(jié)束后測定水溶性多糖含量和破碎率。

表1 響應(yīng)面因素水平

2.2 指標測定方法

2.2.1 茯苓丁的水分比(moisture ratio,MR) 不同時間MR的計算可簡化為公式(1)計算[18]。

MR=/0 (1)

M為時刻的干基含水率,0為初始干基含水率

其中干基含水率的計算方法為

=(-)/(2)

W為干燥任意時刻的總質(zhì)量,為絕干物質(zhì)質(zhì)量

2.2.2 茯苓丁破碎率測定 參考GB-T4857.5-1992《包裝運輸件》破碎率測定標準,采用孔徑為8 mm的振動篩進行區(qū)分完整和破碎顆粒。破碎率()的計算公示如下。

=crack/total (3)

total為干燥樣品的總質(zhì)量,crack為破碎樣品的質(zhì)量

2.2.3 多糖含量測定方法 茯苓多糖的提取采用超聲波提取法,原料預(yù)處理方法如下,稱取0.5 g粉碎過60目(或40目)篩的樣品,精確到0.001 g,置于50 mL具塞離心管內(nèi),加入25 mL去離子水(料液比1∶50),同時使用渦旋振蕩器振搖,使之混合。將樣品置于超聲提取器中(100 W)提取30 min,超聲起始溫度為28 ℃。提取結(jié)束后,冷卻至25 ℃,濾過,將上清液移至100 mL量瓶中,洗滌殘渣2~3次,用水定容,移取10 mL于離心管內(nèi)待測。具體測定方法見文獻報道[19]。

2.2.4 單位能耗()計算方法 脫除單位質(zhì)量水分所需要的能耗計算公式如下。

=act/water (4)

act為干燥結(jié)束時電表測定能耗,water為干燥結(jié)束時物料脫水質(zhì)量

2.3 多目標優(yōu)化方法

2.3.1 適應(yīng)度函數(shù)的建立 因相關(guān)評判指標(干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率)的量綱和參數(shù)變化范圍存在較大差異。評判結(jié)合Euclid距離評判干燥工藝與最優(yōu)干燥參數(shù)之間的差異,定義適應(yīng)度函數(shù)如公式(5)所示[20]。適應(yīng)度函數(shù)值()越小,表明優(yōu)化后的干燥工藝參數(shù)與理論最優(yōu)值越 接近。

min=Σw(1-k)2(5)

min為使取最小值,為評價指標編號,取值1~4;w為指標對應(yīng)的權(quán)重,為避免主觀喜好影響評判結(jié)果,權(quán)重取相同值,均為0.25;k為第個響應(yīng)面回歸方程計算值act和該指標最優(yōu)值best的相關(guān)關(guān)系

對于望大型指標(多糖含量)、望小型指標(干燥時間、單位能耗、破碎率)的計算分別如公式(6)、(7)所示。式中k的值越趨近1,表明計算值越接近最優(yōu)解。

k=act/beat(6)

k=best/act(7)

2.3.2 綜合評分法 隸屬度函數(shù)是綜合評分優(yōu)化的基礎(chǔ),望大型指標、望小型指標隸屬度計算公式分別如下。

l=(f-min)/(max-min) (8)

l=(max-f)/(max-min) (9)

Swl(10)

max為評價指標值對應(yīng)的最大值,min為評價指標值對應(yīng)的最小值,f為第組試驗獲取的指標值,l為第組試驗的隸屬度,S為第組試驗的綜合評分值,w為指標對應(yīng)的權(quán)重,同公式(5),均為0.25

2.3.3 遺傳算法 該算法是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機搜索算法,具有良好的全局搜索性能,減少了限于局部最優(yōu)解的風(fēng)險,適用于并行處理,搜索不依賴于梯度信息。具體流程如圖4所示,該方法通過編碼方式選擇、初始化種群確定、適應(yīng)度函數(shù)和交叉變異運算,得到復(fù)雜多目標函數(shù)的最優(yōu)解。

2.3.4 NSGA-II算法 該算法與單目標優(yōu)化問題只提供1個最優(yōu)解不同,目標優(yōu)化問題將提供1組點(稱為Pareto最優(yōu)集),表示沖突目標之間的權(quán)衡解。NSGA-II算法是解決多目標優(yōu)化問題最有力的方法之一。具體操作是基于BBD試驗獲取的二次回歸模型構(gòu)建的多目標優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù),并基于干燥參數(shù)調(diào)整范圍確定約束條件,最后在MATLAB中編寫NSGA-II算法代碼,對多目標優(yōu)化問題進行建模求解。具體流程如圖5所示,該算法引入了快速非支配排序算法、精英策略、采用擁擠度和擁擠度比較算子,降低了算法的計算復(fù)雜度,使得Pareto最優(yōu)解前沿中的個體能均勻地擴展到整個Preto域,保證了種群的多樣性[16]。

圖4 遺傳算法流程圖

圖5 NSGA-II算法流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗結(jié)果分析

真空干燥和熱風(fēng)干燥在不同干燥溫度下茯苓丁的干燥特性曲線如圖6-A、B所示。不同干燥方式下,溫度對于干燥時間均有顯著性影響,提高干燥溫度均有利于縮短干燥時間。當(dāng)干燥溫度均為65、75、85 ℃時,真空干燥干燥時間分別約為650、500、350 min,熱風(fēng)干燥分別約為325、215、150 min。同等溫度下,熱風(fēng)干燥比真空干燥時間分別縮短了46.20%、57.00%、57.14%。熱風(fēng)干燥效率顯著高于真空干燥效率。這可能是因為熱風(fēng)干燥過程中,由于高速氣流連續(xù)沖擊茯苓丁表面,造成表面快速失水結(jié)殼,內(nèi)外水分分布不均,進而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,引起茯苓丁破碎,如圖6中附圖所示。而破碎的茯苓丁顆粒又進一步加速了物料失水。類似作用也會導(dǎo)致玉米裂紋[21]、稻谷爆腰[22]現(xiàn)象的發(fā)生。

圖6 真空干燥(A)和熱風(fēng)干燥(B)結(jié)果

相比熱風(fēng)干燥茯苓丁,真空干燥茯苓丁外形緊實均勻。農(nóng)產(chǎn)品物料體積收縮通??蓜澐譃榫€性收縮和非線性收縮階段。在線性收縮階段,水分大量脫除,物料體積比與水分比成線性關(guān)系。隨著干燥進行,部分物料顆粒開始凝固。當(dāng)達到臨界水分比時,進入非線性收縮階段[23]。體積收縮也變慢,直至固定不變。通常來講,對應(yīng)臨界水分比,物料體積變化存在一個臨界值,達到該臨界值后,物料收縮過程幾乎全部完成,不再受干燥失水過程的影響。利用真空干燥技術(shù)穩(wěn)定茯苓丁外形,當(dāng)達到該臨界水分比后切換干燥方式,采用傾斜式熱風(fēng)干燥增強干燥強度。有可能提高干燥全過程干燥速率,有效縮短干燥時間,并降低茯苓丁破速率。

不同干燥條件下的單位能耗、多糖含量、破碎率如圖7-A~C所示。2種干燥方式下,干燥溫度對單位能耗均有顯著影響,真空干燥能耗顯著高于熱風(fēng)干燥;且溫度越高,單位能耗越低。一方面是因為真空干燥箱功率大于熱風(fēng)干燥箱功率;另一方面因為真空裝置的真空泵、熱風(fēng)裝置的風(fēng)機持續(xù)恒定功率運行,盡管升高溫度會增加發(fā)熱元件功耗,但溫度升高,可有效縮短干燥時間,進而降低總能耗。也就是說,真空階段干燥能耗和總的干燥時間是決定單位能耗的主要影響因素。

由圖7-B可知,真空干燥茯苓多糖含量顯著高于熱風(fēng)干燥,且升高干燥溫度會降低多糖含量,這可能是真空干燥有效降低氧氣濃度,有利用有效成分的保持,而干燥溫度過高會加劇有效成分的降解劣變。劉文山[24]研究表明,茯苓70 ℃熱風(fēng)干燥會顯著降低茯苓品質(zhì),茯苓丁破碎率也明顯增高,損耗增加。中醫(yī)學(xué)也認為高溫烘干也容易使茯苓帶有“火性”,會影響茯苓的排濕利尿等藥效作用[25]。

不同干燥條件下茯苓丁的破碎率如圖7-C所示。干燥方式和溫度對于破碎率均有顯著性影響。真空干燥茯苓丁破碎率為4%~5%,但熱風(fēng)風(fēng)干燥,茯苓丁破碎率為45%~63%,且隨熱風(fēng)干燥溫度升高而升高,主要是因為熱風(fēng)干燥溫度升高,加劇了茯苓丁內(nèi)外水分、溫度分布不均的情況。

3.2 響應(yīng)面回歸模型的建立

BBD試驗共17組試驗點,中心試驗重復(fù)4次用來估計試驗誤差。具體試驗結(jié)果、各指標隸屬度值、綜合評分指標如表2所示。其中干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率變化范圍分別為172~343 min、1.24~4.04 kJ·h/kg、0.45~1.25 mg/g、3.79%~44.20%。用Design Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸處理,得到1、2、3、4與1、2、3的回歸方程分別為1=1 988.11-71-16.42-11.963+0.027 512+0.0113+0.01512+0.05522+0.05832,2=0.995,adj2=0.989,pre2=0.941,變異系數(shù)1.90%;2=37.98-0.391-0.812+0.443+2.5×10?312-1.0×10?413+1.25×10?423+9.98×10?412+3.32×10?322-3.03×10?332,2=0.989,adj2=0.970,pre2=0.901,變異系數(shù)5.22%;3=35.73-0.0451-0.752+0.0693+1.7×10?312+4.1×10?413-2.15×10?323-2.65×10?312+4.85×10?322-2.0×10?332,2=0.993,adj2=0.985,pre2=0.940,變異系數(shù)3.20%;4=11.93-0.701-2.632+0.253-1.0×10?412+3.0×10?413-1.63×10?323+4.92×10?312+0.03×10?322-7.93×10?432,2=0.999,adj2=0.999,pre2=0.998,變異系數(shù)0.79%。方程1~4的2分別為0.995、0.989、0.993、0.999,表明模型擬合、預(yù)測精度均較高,可用于茯苓丁聯(lián)合干燥工藝的分析和預(yù)測。

不同字母a~d表示不同干燥條件下差異性顯著(顯著性P<0.05),相同字母表示差異不顯著

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果及隸屬度計算結(jié)果

以評價指標為響應(yīng)值,對BBD試驗得到的數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合建模,使用方差分析法分析模型,各評價指標方差分析結(jié)果如表3所示。

由方差統(tǒng)計結(jié)果可知,4個指標的回歸方程均極顯著(<0.001),失擬項均不顯著,表明試驗數(shù)據(jù)與回歸方程模型具有較好的擬合度。

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果

通過比較表3中均方值,影響干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率工藝參數(shù)主次排序為2>3>1、2>1>3、3>2>1、2>3>1。其中,1、2、3對干燥時間的影響均達極顯著水平(<0.001);1、2對單位能耗的影響達到極顯著水平 (<0.001),3、交互作用項12對單位能耗的影響達到顯著水平(<0.05);3、交互作用項13對多糖含量影響達到極顯著水平(<0.001),交互作用項12、23對多糖含量影響達到顯著水平(<0.05);2對破碎率影響達極顯著水平(<0.001)。

3.3 影響因子交互作用分析

交互項對指標的影響分別如圖8、9所示。各圖是由響應(yīng)值與各試驗因子構(gòu)成的曲面圖,顯示了1、2、33個影響因子,任意1個變量取零水平時,其余2個變量對考察指標的影響。

結(jié)合圖8-A、C可知,隨著切換水分比的降低,干燥時間急劇增加。一方面是因為切換水分比越低,需要的真空干燥時間越長。另一方面,前期真空干燥時間越長,茯苓丁形態(tài)固化效果越好,后期熱風(fēng)干燥引起的破速率也越低,內(nèi)部水分遷移速率變慢,熱風(fēng)干燥時間相應(yīng)延長,導(dǎo)致總干燥時間增加。切換水分比一定時,干燥時間隨真空干燥溫度、熱風(fēng)干燥溫度的升高而降低,與單因素試驗結(jié)果一致。由圖9-A可知,單位能耗主要隨切換水分比、真空干燥溫度的降低而增加。這主要是真空干燥時間延長,真空機組長時間運行導(dǎo)致的。因此,茯苓聯(lián)合干燥工藝需考慮單位能耗。圖9-B可知,與單因素結(jié)果相一致,多糖含量均隨真空干燥溫度、熱風(fēng)干燥溫度降低而增加。表明長時間的真空干燥、低溫?zé)犸L(fēng)干燥有助于茯苓丁品質(zhì)提升。破碎率是評價茯苓丁品質(zhì)好壞的重要指標。如圖9-C顯示,破碎率隨切換水分比的降低而降低,表明切換水分比的優(yōu)化是調(diào)控茯苓丁破碎率的關(guān)鍵。

A~C分別為真空干燥溫度75 ℃、切換水分比80%、熱風(fēng)干燥溫度75 ℃時,x1x2、x2x3、x1x3交互項對干燥時間的影響

A~C分別為熱風(fēng)干燥溫度75 ℃、切換水分比80%、真空干燥溫度75 ℃時,x1x2、x2x3、x1x3交互項對單位能耗、多糖含量、破碎率的影響

3.4 多目標工藝優(yōu)化

3.4.1 適應(yīng)度函數(shù)的建立 通過Design Expert軟件對回歸方程進行單目標優(yōu)化,結(jié)果如表4所示,單目標優(yōu)化的干燥時間、單位能耗、破碎率最小值分別為171.3 min、1.28 kJ·h/kg、3.64%,多糖含量最大值為4.46 mg/g。

將干燥時間(1)、單位能耗(2)、多糖含量(3)、破碎率(4)的單目標優(yōu)化最佳值,帶入式方程(5)中得到優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù)。

min=0.25[(1-171.3/1)2+(1-1.28/2)2+(1-3/ 4.46)2+(1-3.64/4)2] (11)

表4 單目標優(yōu)化結(jié)果

3.4.2 綜合評分法優(yōu)化結(jié)果 通過多元回歸擬合,得到綜合評分(,表2)和真空干燥溫度(1)、切換水分比(2)和熱風(fēng)干燥溫度(3)的相關(guān)關(guān)系,如下式所示。

=?2.557+0.0361+0.0542-0.0173-1.3×10?412+3.13×10?413-1.69×10?423-2.88×10?412-1.82×10?422+3.45×10?532(12)

相關(guān)方差分析如表5所示,的回歸方程極顯著(<0.001),失擬項不顯著(>0.05)說明此回歸方程比較可靠,可用于對值的分析預(yù)測。由值可知,各因素對綜合品質(zhì)值的影響大小依次為1>2>3。

應(yīng)用Design-Expert軟件對回歸方程(12)進行優(yōu)化分析求解,得到綜合評分法優(yōu)化的最佳工藝參數(shù),優(yōu)化結(jié)果為真空溫度65.12 ℃、切換水分比70.07%、熱風(fēng)溫度74.19 ℃,該條件下干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為330.4 min、4.13 kJ·h/kg、3.52 mg/g、4.48%(表6)。

3.4.3 遺傳算法優(yōu)化結(jié)果 取群體數(shù)量60,交叉概率0.6,變異概率0.06,通過選擇、交叉、變異操作形成新種群。遺傳算法的終止以設(shè)定的循環(huán)次數(shù)為信號,所求的最優(yōu)解為當(dāng)前種群的最佳個體。優(yōu)化結(jié)果為真空溫度82.23 ℃、切換水分比81.10%、熱風(fēng)溫度69.04 ℃,該條件下干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為245.27 min、2.01 kJ·h/kg、3.32 mg/g、23.05%(表6)。

表5 綜合評分S值響應(yīng)面回歸模型方差分析

表6 綜合評分法、遺傳算法及NSGA-II算法優(yōu)化的Pareto集

3.4.4 NSGA-II算法優(yōu)化結(jié)果 基于NSGA-II算法在建立的響應(yīng)面模型內(nèi)尋最優(yōu)解,設(shè)置種群規(guī)模為40,遺傳代數(shù)為200,交叉概率0.9,變異概率0.1,得到的最優(yōu)成型工藝參數(shù)如表6所示。在大多數(shù)情況下類似于單目標優(yōu)化的最優(yōu)解在多目標問題中是不存在的,只存在Pareto最優(yōu)解,它只是可以接受的“不壞”的解,而且是1個解集。若1個多目標問題存在最優(yōu)解,則該最優(yōu)解一定是Pareto最優(yōu)解。優(yōu)化結(jié)果為真空溫度65.04 ℃、切換水分比70%、熱風(fēng)溫度70.96 ℃,該條件下干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為340.86 min、4.22 kJ·h/kg、3.87 mg/g、4.21%。

相比綜合評分法、遺傳算法,該多目標優(yōu)化策略能夠較好地實現(xiàn)多目標優(yōu)化任務(wù)。因此,針對特定工業(yè)應(yīng)用場景,可以從Pareto最優(yōu)解集中挑出1個或部分解作為所求多目標優(yōu)化問題的最優(yōu)解。可便于茯苓丁工業(yè)化生產(chǎn)過程中,根據(jù)實際生產(chǎn)需求,靈活兼顧各個評判指標,得出問題的最優(yōu)決策方案。

3.4.5 優(yōu)化結(jié)果分析及實驗驗證 結(jié)合式(5),得到綜合評分法、遺傳算法、NSGA-II算法優(yōu)化結(jié)果的適應(yīng)度值。如表6所示,適應(yīng)度值越小說明優(yōu)化效果越好。參考相關(guān)法規(guī)[26-28]要求,茯苓丁破碎率要求≤10%。由結(jié)果可知,遺傳算法優(yōu)化結(jié)果最差;綜合評分法得出的1號方法,以及NSGA-II算法優(yōu)化的3~7號方案滿足標準要求,且NSGA-II算法得出的3號方案最優(yōu)。NSGA-II算法優(yōu)化出的真空溫度、切換水分比、熱風(fēng)溫度分別為65.04 ℃、70%、70.96 ℃;對應(yīng)的干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為340.86 min、4.22 kJ·h/kg、3.87 mg/g、4.21%。盡管遺傳算法對應(yīng)的干燥時間較短,但茯苓丁破碎率高達20%,不能滿足實際生產(chǎn)需求。相比前2種優(yōu)化算法,NSGA-II算法通過合理配置真空溫度、切換水分比、熱風(fēng)溫度,盡管增加了干燥時間和單位能耗,但提高了多糖含量并降低了破碎率,滿足藥材加工企業(yè)品質(zhì)至上的需求,以及相關(guān)生產(chǎn)規(guī)范標準。NSGA-II獲取的最優(yōu)工藝,相比同等條件下的65 ℃真空干燥,時間縮短約48%,單位能耗縮短39%,但多糖含量、破碎率與真空干燥類似。

根據(jù)系統(tǒng)控制精度,將最佳工藝參數(shù)修正為真空溫度65 ℃、切換水分比70%、熱風(fēng)溫度71 ℃,該工藝條件下的干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率分別為(335±13)min、(4.28±0.32) kJ·h/kg、(3.82±0.31)mg/g、(4.33±0.35)%。理論優(yōu)化值在實驗值范圍內(nèi)。所以,經(jīng)NSGA-II算法優(yōu)化得到的工藝參數(shù),可滿足茯苓丁干燥加工的工藝要求。

4 討論

本研究研究了真空聯(lián)合傾斜式熱風(fēng)干燥單因素試驗對茯苓丁干燥特性的影響,并考察了真空溫度、切換水分比、熱風(fēng)溫度及其交互作用對干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率的影響。采用綜合評分法、遺傳算法、NSGA-II算法對結(jié)果進行優(yōu)化,并進行試驗驗證。

單因素實驗干燥表明,干燥時間與干燥方式和干燥溫度緊密相關(guān),相同干燥溫度下,真空干燥時間長于熱風(fēng)干燥。真空干燥茯苓丁外形完整,脫水過程,且存在體積變化臨界點。隨著干燥進行,部分物料顆粒開始凝固,物料體積變化存在一個臨界值,達到該臨界值后,物料收縮過程幾乎全部完成,不再受干燥失水過程的影響。此時采用傾斜式熱風(fēng)干燥不會增加茯苓破碎率。真空干燥方式多糖含量較高,真空和熱風(fēng)高溫干燥均會降低多糖含量。破速率是茯苓丁加工品質(zhì)的重要評判指標。單因素試驗條件下,真空溫度對破碎率無顯著性影響,但破碎率隨熱風(fēng)溫度的升高而升高。

基于響應(yīng)面試驗結(jié)果,構(gòu)建二次多項式回歸方程模型,模型擬合精度均達極顯著水平(<0.000 1),可用來分析和預(yù)測干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率指標。構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù),通過綜合評分出分法、遺傳算法、NSGA-II算法最優(yōu)工藝的適應(yīng)度值得分別為0.235、0.283、0.222。結(jié)果表明,NSGA-II算法優(yōu)化結(jié)果最優(yōu),且優(yōu)化的Pareto集合具有多樣性,能很好滿足實際生產(chǎn)需求。因此,真空聯(lián)合傾斜式熱風(fēng)干燥茯苓丁,具有顯著的節(jié)能增效作用,可用于茯苓丁的干燥加工。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Response surface design and multi-objective optimization ofcubes drying by vacuum combined inclined hot air

JU Hao-yu1, ZHENG Zhi-an2, ZHAO Shi-hao1, ZHAO Hai-yan3, ZHANG Wei-peng4, GAO Zhen-jiang2, XIAO Hong-wei2

1. College of Bioscience and Engineering, Hebei University of Economics and Business, Shijiazhuang 050061, China 2. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China 3. College of Business Administration, Hebei University of Economics and Business, Shijiazhuang 050061, China 4. College of Artificial Intelligence, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China

To investigate the vacuum temperature (1) switching moisture ratio (2), hot air temperature (3) and their interaction on drying time, unit energy consumption, polysaccharide content and crushing rate in the process of "vacuum drying + inclined hot air" combined drying of. Therefore, the drying process parameters ofwith short drying time, good quality and low energy consumption were achieved.Takingcube as raw material, when the vacuum drying reaches a certain moisture content, the inclined hot air drying is carried out; The factors of vacuum drying temperature (65—85 ℃), switching moisture ratio (70%—90%) and hot air drying temperature (65—85 ℃) are selected to design Box-Behnken response surface test was used to analyze the primary and secondary factors influencing the indexes and the interaction among them. The quadratic regression model of drying time, unit energy, polysaccharide content and crushing rate were established. The fitness function was constructed and optimized by comprehensive scoring method, genetic algorithm and NSGA-II method respectively. By comparing the results of the three optimization methods, the optimal process parameters were obtained and verified.The order of influencing drying time, unit energy consumption, polysaccharide content and crushing rate was2>3>1,2>1>3,3>2>1,2>3>1. The regression model of drying time, energy consumption per unit, polysaccharide content and crushing rate was statistically significant (< 0.001), which could be used to analyze and predict the evaluation index ofcube combined drying. The optimal process parameters were optimized by comprehensive scoring method as follows: vacuum temperature 65.12 ℃, moisture ratio 70.07%, hot air temperature 74.19 ℃. Under this circumstance, the drying time, unit energy consumption, polysaccharide content and crushing rate was 330.4 min, 4.13 kJ·h/kg, 3.52 mg/g and 4.48%, respectively. The process parameters optimized by genetic algorithm was as follows: vacuum temperature 82.23 ℃, switching water ratio 81.10% and hot air temperature 69.04 ℃. And the drying time, unit energy consumption, polysaccharide content and crushing rate was 245.27 min, 2.01 kJ·h/kg, 3.32 mg/g and 23.05%, respectively. NSGA-II algorithm optimized the optimal process parameters as follows: vacuum temperature 65.04 ℃, switching moisture ratio 70%, hot air temperature 70.96 ℃, under which the drying time, unit energy consumption, polysaccharide content, crushing rate were 340.86 min, 4.22 kJ·h/kg, 3.87 mg/g and 4.21%, respectively. Taking fitness value as the evaluation index, the NSGA-II algorithm optimization can be considered as the best result.NSGA-II algorithm can be used for the multi-objective optimization of “vacuum drying + inclined hot air” drying process ofcubes, and the better process parameters selected from Pareto set are modified. The optimal conditions are determined as follows: vacuum temperature 65 ℃, switching moisture ratio 70%, hot air temperature 71 ℃. The drying time, unit energy consumption, polysaccharide content and crushing rate were (335 ± 13) min, (4.28 ± 0.32) kJ·h/kg, (3.82 ± 0.31) mg/g, (4.33 ± 0.35)%, respectively. The optimized combined drying process has the advantages of short drying time, low energy consumption per unit, high polysaccharide content, low crushing rate, and significant energy saving and synergistic effect, which can provide theoretical basis and technical support for the industrial processing of.

cubes; drying; vacuum drying; inclined hot air drying; combined drying; unit energy consumption; crushing rate; polysaccharide; multi-objective optimization; fitness function

R283.6

A

0253 - 2670(2021)08 - 2294 - 12

10.7501/j.issn.0253-2670.2021.08.012

2021-01-20

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金資助項目(CARS-21);河北省自然科學(xué)基金資助項目(C2020207004);河北省高等學(xué)??茖W(xué)技術(shù)研究項目(QN2021054);北京市自然科學(xué)基金項目(6204035);北京市教委組織部優(yōu)秀人才項目(2018000020124G034)

巨浩羽,博士,講師,研究方向為中藥材干燥技術(shù)與裝備。E-mail: ju56238@163.com

鄭志安,男,副教授,博士,研究方向為要從事農(nóng)業(yè)機械工程、農(nóng)業(yè)工程技術(shù)集成模式、中藥材加工機械化等方面的研究。E-mail: zhengza@cau.edu.cn

[責(zé)任編輯 鄭禮勝]

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