張衛(wèi)鵬 陳浩然 范曉志 肖紅偉 鄭志安,3 巨浩羽

(1. 北京工商大學人工智能學院，北京 100048；2. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083；3. 中國農(nóng)業(yè)大學中國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展研究中心，北京 100083; 4. 河北經(jīng)貿(mào)大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050061)

茯苓(Poria cocos)，多孔菌科真菌茯苓的干燥菌核，日常食用的茯苓餅、茯苓糕皆以其為原料，目前被廣泛應用于保健品和化妝品領(lǐng)域。干燥是茯苓丁加工的主要環(huán)節(jié)，由于茯苓丁具有特殊的商品屬性，其售價與外觀緊密相關(guān)，質(zhì)地緊實、棱角分明者售價較高。但目前自然晾曬所需時間長，且易發(fā)霉變色；熏硫處理容易使其物料變性失效；持續(xù)的熱風干燥易造成茯苓丁內(nèi)外溫度、水分分布不均，導致茯苓丁破裂，降低商品屬性。間歇式熱風干燥時間通常>24 h，效率較低。

高振江等[1]提出了真空脈動干燥技術(shù)，間歇式改變真空干燥室壓力，有助于提升胡蘿卜塊的干燥速率。張壁光等[2]通過對干燥室壓力的調(diào)控，不斷打破木材表面水蒸氣分壓的平衡狀態(tài)，并實現(xiàn)干燥能量的間歇式供給，有效提高了干燥效率和干燥品質(zhì)，提出了浮壓干燥技術(shù)。適宜的間歇式干燥參數(shù)可加速物料的質(zhì)熱傳遞[3-4]，目前已被應用于葡萄[5]、檸檬片[6]、西洋參片[7]的干燥中。薛令陽等[8]設計了加熱面積約為1 m2的真空脈動干燥樣機。張衛(wèi)鵬等[9]對比了茯苓丁的熱風干燥、氣體射流干燥、紅外干燥和真空脈動干燥特性，指出了真空脈動干燥方式較優(yōu)，但尚未探明干燥條件對理化指標的影響規(guī)律，且未給出優(yōu)化的工藝參數(shù)。

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。為平衡各目標參數(shù)，凌錚錚等[10]采用隸屬度綜合評分法優(yōu)化了花生微波熱風聯(lián)合干燥工藝，但該方法主觀性強，多目標優(yōu)化誤差較大。席慧涵[11]采用多種神經(jīng)網(wǎng)絡模型優(yōu)化了馬鈴薯遠紅外干燥工藝，并指出遺傳算法具有較佳的全局尋優(yōu)能力。賈夢科[12]研究了蘋果片氣體射流干燥過程，并采用遺傳算法和隸屬度綜合評分法對干燥參數(shù)進行多目標優(yōu)化，所得到的工藝具有復水性好、維生素C含量高的特點。巨浩羽等[13]優(yōu)化了茯苓丁真空聯(lián)合傾斜式熱風干燥工藝，但該干燥方式需要真空干燥后，人工轉(zhuǎn)移料盤，再進行傾斜式熱風干燥，勞動強度大，操作不便。而針對茯苓丁真空脈動干燥，尚未有可直接用于工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)化試驗參數(shù)。

文章擬采用真空脈動干燥技術(shù)，系統(tǒng)考察干燥溫度、真空時間、常壓時間對干燥時間、單位能耗、多糖含量和破碎率的影響規(guī)律，并對比遺傳算法、隸屬度綜合評分法的多目標尋優(yōu)結(jié)果，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)化加工提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

新鮮茯苓：安徽金寨喬康藥業(yè)種植基地；

圓孔篩： BC-10型，孔徑10 mm，安徽順天機械制造有限公司；

切丁機：QDJ-1/2型，岳西縣岳工機械廠；

真空脈動干燥裝置：YZG-VD01型，南京騰飛干燥設備有限公司；

碳纖維紅外板：IR6090型，上海熱麗科技集團有限公司；

自動稱量系統(tǒng)：MIK-1100型，杭州美控自動化技術(shù)有限公司；

針型溫度傳感器；PT100型，杭州美控自動化技術(shù)有限公司；

智能電表：DTS5188型，浙江正泰電氣股份有限公司；

控制系統(tǒng)觸摸屏： MT8071iE型，威綸通科技有限公司。

1.2 茯苓丁原料的獲取

新鮮茯苓采摘后置于溫度(24±3) ℃、相對濕度(95±4)%的環(huán)境中發(fā)汗3 d[14]。去除黑褐表皮和赤茯苓，采用切丁機切制成邊長為(12.0±0.5) mm的立方體，過10 mm篩，去除破碎顆粒，每2 kg一袋，聚乙烯塑料袋密封包裝，置于3～5 ℃下冷藏備用。

1.3 真空脈動干燥裝置

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

如圖1所示，真空脈動干燥裝置由干燥室、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，干燥室通過電磁閥與外界相連。調(diào)節(jié)電磁閥開閉，可使干燥室壓力在真空和常壓狀態(tài)之間連續(xù)波動變化。真空時間、常壓時間可手動設定，時間控制精度為±5 s。干燥室壓力切換速率(75±8) kPa/min，壓力切換時間<2 min。

圖1 真空脈動干燥裝置結(jié)構(gòu)簡圖及干燥室壓力變化曲線Figure 1 Pulsed vauum dryer chart and chamberpressure change curve

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)，實時獲取茯苓丁質(zhì)量變化情況，精度為±5 g。針型溫度傳感器可插入茯苓丁內(nèi)部監(jiān)測物料溫度變化，精度為±0.1 ℃。干燥能耗由智能電表監(jiān)測?？刂葡到y(tǒng)的觸摸屏可自動顯示并存儲干燥室壓力、加熱溫度、能耗、干基含水率等參數(shù)。

1.4 響應面優(yōu)化試驗

在前期單因素試驗的基礎(chǔ)上[15]，以干燥溫度(65～85 ℃)、真空時間(4～16 min)、常壓時間(2～8 min)為影響因子，以干燥時間(y1)、單位能耗(y2)、多糖含量(y3)和破碎率(y4)為響應變量，進行中心復合響應面試驗，干燥結(jié)束后測定水溶性多糖和破碎率。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)生產(chǎn)調(diào)度情況，3個班組同時開展試驗，結(jié)果取均值。

1.5 指標測定

1.5.1 干燥時間測定 以茯苓丁干基含水率從初始值1.04 g/g降低至0.17 g/g的時間作為干燥總時間，并按式(1)計算干基含水率。

(1)

式中：

Wt——t時刻物料的干基含水率，g/g；

Mt——t時刻物料的質(zhì)量，g；

MG——干物質(zhì)質(zhì)量，g。

1.5.2 單位能耗計算方法 脫除單位質(zhì)量水分所需要的能耗按式(2)計算。

(2)

式中：

φ——單位能耗，kJ·h/kg；

Qact——干燥結(jié)束時智能電表測定的總能耗，kJ·h；

Mwater——干燥結(jié)束時物料脫水質(zhì)量，kg。

1.5.3 破碎率測定 干燥后的茯苓丁采用振動篩區(qū)分物料等級，感官評價標準：① I級品，立方體外形基本完整、質(zhì)地緊實、邊角有部分缺陷，切面有凸凹洼點或少量裂隙；② II級品，干燥過程中產(chǎn)生不完整茯苓塊、破碎的邊角顆粒等；③ III級品，篩選后殘余不規(guī)則細小碎粒及粉末、無大塊碎片。人工稱重，并按式(3)計算破碎率。

(3)

式中：

μ——破碎率，%；

mI——I級品質(zhì)量，kg；

mII——II級品質(zhì)量，kg；

mIII——III級品質(zhì)量，kg。

1.5.4 多糖含量測定 稱取0.500 g粉碎過60目(或40目)篩的樣品，于50 mL具塞離心管內(nèi)，加入25 mL去離子水，渦旋振蕩器振勻，于超聲提取器中，100 W下提取30 min，超聲起始溫度28 ℃。提取結(jié)束后，冷卻至25 ℃，過濾，將上清液移至100 mL容量瓶中，洗滌殘渣2～3次，定容，移取10 mL于離心管內(nèi)待測。具體測定方法參照文獻[16]。

1.6 多目標優(yōu)化方法

遺傳算法是通過編碼方式選擇、初始化種群確定、適應度函數(shù)和交叉變異運算，得到復雜多目標函數(shù)的最優(yōu)解。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，需結(jié)合Euclid距離，定義適應度函數(shù)[17]：

minf=∑wi(1-ki)2，

(4)

式中：

i——評價指標編號，取1～4；

wi——指標對應的權(quán)重，均為0.25；

ki——第i個響應面回歸方程計算值fact和該指標最優(yōu)值fbest的相關(guān)關(guān)系。

對于望大型(多糖含量)、望小型指標(干燥時間、單位能耗、破碎率)分別按式(5)和式(6)計算。

(5)

(6)

其中ki越趨近1，表明計算值越接近最優(yōu)解。

隸屬度函數(shù)是綜合評分優(yōu)化的基礎(chǔ)，對望大型、望小型指標隸屬度為：

(7)

(8)

Sj=∑wilj，

(9)

式中：

fmax——評價指標值對應的最大值；

fmin——評價指標值對應的最小值；

fj——第j組試驗獲取的指標值；

lj——第j組試驗的隸屬度；

Sj——第j組試驗的綜合評分值。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應面回歸模型的建立

在前期單因素試驗的基礎(chǔ)上，以干燥溫度、真空時間、常壓時間為試驗因素，以干燥時間、單位能耗、多糖含量和破碎率為響應值，進行中心復合響應面試驗設計。試驗因素水平及編碼見表1 ，試驗設計與結(jié)果見表2。

表2 響應面試驗結(jié)果及隸屬度計算結(jié)果

通過Design-Expert 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸處理，得到干燥時間(y1)、單位能耗(y2)、多糖含量(y3)、破碎率(y4)及綜合評分(S)與各因素變量的回歸方程：

y1=4 948.73-93.13A-54.4B-71.82C+0.36AB+0.61AC-1.24BC+0.49A2+1.28B2+5.33C2，

(10)

y2=3.16+0.037A+0.11B-0.50C+0.010 8BC-0.00B2+0.015C2，

(11)

y3=-14.75+0.51A+0.16B-0.55C+0.013AB-0.003A2-0.005B2+0.013C2，

y4=8.99+0.022A+0.43B-0.39C-0.002AB-0.005AC+0.34BC-0.000 28A2-0.012B2+0.017C2，

(13)

S=0.60-0.089A+0.051B-0.03C-0.12AB+0.11BC-0.022A2-0.026B2-0.018C2。

(14)

由表3可知，評價指標值y1～y4對應的回歸方程達極顯著水平(P<0.000 1)，綜合評分S值回歸方程達顯著水平(P<0.05)，表明試驗數(shù)據(jù)與回歸方程模型具有較好的擬合度。一次項A、B、C，交互項AB、AC、BC及二次項A2、B2、C2對干燥時間的影響極顯著(P<0.01)。一次項A、B、C，交互項BC及二次項B2、C2對單位能耗的影響極顯著(P<0.01)。一次項A、B、C，交互項AB及二次項A2對多糖含量的影響極顯著(P<0.01)。一次項A、B、C，交互項BC及二次項B2對破碎率的影響極顯著(P<0.01)。一次項A、B對綜合評分值S的影響極顯著(P<0.01)，一次項C和二次項A2、B2對綜合評分值S的影響顯著(P<0.05)。由F值可知，各干燥條件對綜合評分值S的影響大小依次為干燥溫度>真空時間>常壓時間。

表3 方差統(tǒng)計結(jié)果分析

2.2 影響因子交互作用分析

2.2.1 干燥時間 由圖2可知，干燥時間隨干燥溫度的增加而減小，干燥溫度越高，加熱板對物料的傳熱效率越高，溫度梯度的增加加速了內(nèi)部水分向外擴散遷移。常壓時間一定時，干燥時間隨真空時間的增加先減小后增加。真空狀態(tài)下，水分沸點降低，利于物料脫水。真空時間過短，有效真空干燥時間減少，干燥速率降低，干燥總時間對應增加；真空時間過長，茯苓丁表面的水蒸氣分壓容易與干燥室內(nèi)的水蒸氣分壓處于平衡狀態(tài)，物料表面濕度梯度降低，從而降低物料脫水效率[18]。表2數(shù)據(jù)也顯示恒真空干燥不利于茯苓丁脫水，75 ℃下，常壓時間為0時，干燥時間延長至570 min；而常壓時間為4 min時，干燥時間僅需480 min。真空時間一定時，干燥時間隨常壓時間的增加先減小后增加。常壓時間過短，干燥過程等同于恒真空干燥，會降低茯苓丁脫水效率；常壓時間過長會縮短茯苓丁有效真空干燥時間，不利于干燥速率的提升。綜上，真空時間與常壓時間合理配置，才能有效縮短干燥時間，與枸杞[19]、南瓜片[20]、大蒜[21]的結(jié)論一致。

圖2 交互作用對干燥時間的影響Figure 2 Effect of interaction on drying time

真空時間、常壓時間還會通過物料內(nèi)部溫度影響干燥速率。當常壓時間4 min、真空時間10 min、干燥溫度75 ℃時，茯苓丁內(nèi)部溫度變化曲線如圖3所示，總體呈波動上升趨勢。干燥過程中物料吸收的熱量，一部分用于水分蒸發(fā)，一部分用于物料升溫。真空干燥時，水分沸點降低，水分的急劇蒸發(fā)會帶走大部分熱量，物料內(nèi)部溫度迅速降低，不利于物料脫水[22]。此時，需要將干燥室壓力切換為常壓狀態(tài)，使吸收的熱量主要用于物料升溫，待物料溫度上升后，再切換為真空狀態(tài)，進入快速脫水階段。

圖3 茯苓內(nèi)部溫度和干燥室壓力的變化曲線Figure 3 Typical change curves of material internaltemperature and chamber pressure

2.2.2 單位能耗 由圖4可知，單位能耗隨真空時間的增加而增加，是因為真空脈動干燥裝置中，真空系統(tǒng)是主要耗電單元，真空系統(tǒng)的持續(xù)工作，特別是真空泵頻繁啟停會顯著增加能耗。單位能耗隨常壓時間的增加而增加，是因為常壓階段內(nèi)，物料脫水速率較低，會導致干燥總時間增加。而加熱系統(tǒng)在常壓階段依然會持續(xù)供電，增加能耗。因此，真空脈動干燥需要設置合理的壓力切換參數(shù)，降低單位能耗，既要降低真空泵運行時間，又要縮短干燥總時間。

圖4 真空時間與常壓時間的交互作用對單位能耗的影響

2.2.3 多糖含量 由圖5可知，干燥溫度一定時，多糖含量隨真空時間的增加而增加，可能是因為真空干燥階段物料溫度較低，且可避免與外界氧氣長時間的接觸，有利

圖5 干燥溫度與真空時間的交互作用對多糖含量的影響

于有效成分的保持。真空時間一定時，多糖含量隨干燥溫度的增加先增加后減小，干燥溫度較低時，干燥總時間較長，長時間的干燥處理容易造成物料品質(zhì)劣變；高溫干燥可有效縮短干燥總時間，但過高干燥溫度通常會導致物料表面焦糊變性。因此，干燥溫度選擇需要考慮品質(zhì)變化。

2.2.4 破碎率 由圖6可知，破碎率隨真空時間的減小而降低，可能是因為干燥前期茯苓丁含水率較高，真空時間的縮短會相應增加干燥室壓力變化的頻率；而頻繁的壓力變化可使物料內(nèi)部微觀孔道擴張收縮、甚至進一步破裂連通，從而有效緩解溫度梯度、濕度梯度不均造成的應力集中現(xiàn)象[23-24]。破碎率隨常壓時間的增加而減小，是因為常壓時間增加，干燥總時間會顯著增加，物料脫水速率降低，水分緩慢向外遷移，減緩了物料內(nèi)部水分分布不均的狀況[25-26]。

圖6 真空時間與常壓時間的交互作用對破損率的影響

2.3 多目標工藝優(yōu)化及實驗驗證

通過Design-Expert軟件對y1～y4對應的回歸方程進行單目標優(yōu)化，結(jié)果見表4。單目標優(yōu)化的干燥時間、單位能耗、破碎率最小值分別為381 min、3.51 kJ·h/kg、5.99%，多糖含量最大值為4.99 mg/g。

表4 單目標優(yōu)化結(jié)果

將單目標優(yōu)化最佳值分別代入式(4)～式(6)中得到適應度函數(shù)為：

(15)

借助Matlab軟件，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定的循環(huán)次數(shù)為信號，求取多目標優(yōu)化的最優(yōu)解。通過Design-Expert軟件對綜合評分S對應的回歸方程進行單目標優(yōu)化，得到隸屬度法優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)。遺傳算法和隸屬度法的優(yōu)化結(jié)果見表5。

表5 多目標優(yōu)化及適應度計算結(jié)果?

適應度值越小說明優(yōu)化效果越好。由表5可知，遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果較優(yōu)，優(yōu)化出的干燥溫度為80.88 ℃、真空時間為7.68 min、常壓時間為5.04 min。相比隸屬度法，遺傳算法通過升高干燥溫度，合理配置真空時間和常壓時間，盡管增加了單位能耗，但顯著縮短了干燥總時間，并提高了多糖含量。根據(jù)系統(tǒng)控制精度，將最佳工藝參數(shù)修正為干燥溫度81 ℃、真空時間7.7 min、常壓時間5.0 min，此時干燥時間為443.3 min、單位能耗為4.43 kJ·h/kg、多糖含量為3.27 mg/g、破碎率為7.42%。該工藝條件下的實測值分別為 (457±15) min、(4.48±0.27)kJ·h/kg、(3.31±0.24) mg/g、(7.18±0.53)%，干燥品質(zhì)滿足行業(yè)規(guī)范要求。因此，經(jīng)遺傳算法優(yōu)化得到的工藝參數(shù)，可滿足真空脈動干燥茯苓丁的工藝要求。

3 結(jié)論

通過響應面試驗，構(gòu)建了真空脈動干燥茯苓丁的二次多項式回歸模型，并用來分析和預測其干燥參數(shù)對干燥時間、單位能耗、多糖含量、破碎率的影響。對比遺傳算法、隸屬度綜合評分法的多目標優(yōu)化結(jié)果，遺傳算法的優(yōu)化效果最佳。真空脈動干燥茯苓丁的最佳工藝參數(shù)為：干燥溫度81 ℃、真空時間7.7 min、常壓時間5.0 min，該工藝下的干燥時間為 (457±15) min、單位能耗為(4.48±0.27) kJ·h/kg、多糖含量為(3.31±0.24) mg/g、破損率為(7.18±0.53)%，說明真空脈動具有干燥時間短、品質(zhì)好、破碎率底的優(yōu)點，可用于茯苓丁的工業(yè)化加工。盡管真空脈動干燥方法具有節(jié)能增效的優(yōu)勢，但干燥室壓力的調(diào)控仍需依靠大量試驗，設置固定干燥參數(shù)。而如何基于物料狀態(tài)變化，自動實現(xiàn)干燥參數(shù)的自適應調(diào)控是未來亟需突破的問題。

致謝：衷心感謝南京騰飛干燥裝備有限公司提供相關(guān)技術(shù)和裝備支持。

(12)

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