通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)在蘋果冷凍干燥中的應(yīng)用

通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)在蘋果冷凍干燥中的應(yīng)用

蘋果的細(xì)膩、酥脆、多汁、芳香、酸甜、合適的營養(yǎng)成分。具有清熱明火、解渴、利尿止瀉的功效。然而，由于蘋果高含量高、營養(yǎng)成分豐富，一些機(jī)器受到機(jī)械損傷和微生物感染的影響，失去了商品的價(jià)值和加工質(zhì)量。通過冷冷凍干燥技術(shù)加工蘋果，可減少其養(yǎng)分損失，組織損傷降至最低限額。蘋果的原始顏色、香氣、味道和形狀的保持可以極大地減少，并且很容易運(yùn)輸和儲(chǔ)存。但真空凍干干燥的設(shè)備投資費(fèi)用較大,設(shè)備的操作成本較高,這導(dǎo)致了凍干食品的生產(chǎn)成本較高,大大限制了真空冷凍干燥技術(shù)在食品中的應(yīng)用,因此,文章通過實(shí)驗(yàn)研究了蘋果真空冷凍干燥工藝參數(shù)(干燥室壓力、物料厚度、加熱板溫度)對(duì)生產(chǎn)率和耗電量的影響,目的在于探索真空冷凍干燥機(jī)理,促進(jìn)我國食品凍干業(yè)的發(fā)展,試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。1材料和方法1.1吸光度真空冷凍凍干燥機(jī):北京博醫(yī)康技術(shù)公司,FD-5型真空冷凍干燥機(jī)。用于蘋果的預(yù)凍及冷凍干燥。真空干燥機(jī):上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司,DZF-6090型真空干燥機(jī)。用于測量蘋果的含水率。電子天平:沈陽杰龍儀器有限公司,EP6102C。用于測量蘋果質(zhì)量。熱電偶溫度計(jì):北京博醫(yī)康技術(shù)公司,用來測量蘋果的共晶點(diǎn)溫度。1.2蘋果的預(yù)處理試驗(yàn)用市售紅富士蘋果,其干燥工藝為:購買→分選→清洗→切塊凍結(jié)→升華干燥→解析干燥→包裝。試驗(yàn)前對(duì)蘋果進(jìn)行預(yù)處理,將其用洗滌劑清洗后,用清水沖洗干凈,去芯,切片,然后裝盤,將測溫探頭插入果片中心,放入冷凍倉進(jìn)行預(yù)凍結(jié)。試驗(yàn)指標(biāo)為單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)率和單位質(zhì)量的耗電量。1.3次回歸擬合方程建立根據(jù)單因素試驗(yàn)及分析,確定干燥室壓力x1,物料厚度x2和加熱板溫度x3作為試驗(yàn)因素,將單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)率和單位質(zhì)量的耗電量作為試驗(yàn)指標(biāo)。采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn),因素水平編碼如表1所示。對(duì)各因素取值作線性變換:根據(jù)三因素五水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),安排20次試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,利用計(jì)算機(jī)求解得出編碼空間生產(chǎn)率和耗電量與影響因素間關(guān)系的回歸數(shù)學(xué)模型如下。其中x1、x2、x3、y1、y2分別代表干燥室壓力、物料厚度、加熱板溫度、生產(chǎn)率、耗電量。對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。對(duì)式(1),查F表,F0.1(4,5)=3.52>F擬=2.01。說明回歸方程擬合得好,F0.05(9,10)=3.02<F回=4.98,說明方程顯著;對(duì)式(2),F0.005(10,6)=10.25>F擬,說明回歸方程擬合得好,F0.100(14,16)=1.94<F回,說明方程顯著。方差分析得出,各指標(biāo)回歸方程在各自的因子水平上是顯著的,試驗(yàn)數(shù)據(jù)與回歸數(shù)學(xué)模型擬合性好。2物料厚度、加熱板溫度和生產(chǎn)率綜合公式(1)～(2),并對(duì)其回歸系數(shù)進(jìn)行方差分析及t檢驗(yàn)可知:物料厚度對(duì)生產(chǎn)率的影響最大,其次是干燥室壓力,加熱板溫度對(duì)生產(chǎn)率影響最小;物料厚度對(duì)耗電量的影響最大,其次是干燥室壓力,而加熱板溫度對(duì)耗電量影響最小。2.1壓力對(duì)物料含水率的影響根據(jù)回歸方程(1),x1因子對(duì)生產(chǎn)率的影響,把其余因素固定在零水平上,即x2=x3=0,則式(1)簡化為:根據(jù)式(3),x1因子對(duì)生產(chǎn)率的影響如圖1所示。同理得x1因子對(duì)耗電量的影響如圖2所示。從圖1和圖2中,可以看出在20Pa～120Pa之間,隨壓力的增加,生產(chǎn)率和耗電量下降,在120Pa～140Pa之間,隨壓力的增加,生產(chǎn)率和耗電量緩慢上升。這主要是干燥室壓力對(duì)冷凍干燥過程具有雙重作用,當(dāng)壓力較低時(shí),物料干燥層的有效導(dǎo)熱系數(shù)較小,而干燥層中的有效傳質(zhì)系數(shù)較大,有利于傳質(zhì);反之,當(dāng)壓力較高時(shí),物料干燥層的有效導(dǎo)熱系數(shù)較大,而干燥層中的有效傳質(zhì)系數(shù)較小,有利于傳熱。故生產(chǎn)中,為了節(jié)約生產(chǎn)成本,應(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃蟾稍锸覊毫?但又不能太高,壓力太高,物料會(huì)起氣泡、坍塌,而達(dá)不到真空冷凍干燥的工藝要求。2.2xe-p3模型根據(jù)回歸方程(1),x1因子對(duì)生產(chǎn)率的影響,把其余因素固定在零水平上,即x1=x3=0,則式(1)簡化為:根據(jù)式(4),x2因子對(duì)生產(chǎn)率的影響如圖1所示。同理得x2因子對(duì)耗電量的影響如圖2所示。從圖2和圖4中,物料厚度對(duì)單位面積生產(chǎn)率和耗電量的影響最顯著,單位面積生產(chǎn)率隨著物料厚度的增加而增加,耗電量隨著物料厚度的增加而下降,這主要是厚度增加以后,明顯減少了凍干的次數(shù)。故生產(chǎn)中在滿足冷凍干燥的條件下,可以取較大的物料厚度,以節(jié)省成本。2.3加熱板溫度的影響根據(jù)回歸方程(1),x3因子對(duì)生產(chǎn)率的影響,把其余因素固定在零水平上,即x3=x2=0,則式(1)簡化為:根據(jù)式(4),x3因子對(duì)生產(chǎn)率的影響如圖1所示。同理得x3因子對(duì)耗電量的影響如圖2所示。加熱板溫度對(duì)物料的生產(chǎn)率有著明顯的影響,見圖5,隨著加熱板加熱溫度的升高,干燥速率加快,凍干所需的時(shí)間減少,因此,單位面積生產(chǎn)率隨之增加,但不能為了提高生產(chǎn)率而使加熱溫度太高。高的加熱溫度在升華階段會(huì)使蘋果斷裂而塌陷,在解析階段會(huì)使蘋果崩解而變性。蘋果凍干過程中升華所需要的能量主要由加熱板提供,加熱板溫度的高低直接影響蘋果凍干時(shí)間的長短。當(dāng)加熱板溫度在10℃~30℃時(shí),隨著溫度的升高,升華速率加快,升華階段所需的時(shí)間降低,導(dǎo)致耗電量也隨著減少,當(dāng)溫度超過30℃時(shí),隨著溫度升高,耗電量也逐漸升高。2.4優(yōu)化和分析工藝參數(shù)從上面分析的過程中可以看到,影響真空冷凍干燥機(jī)單位面積生產(chǎn)率和耗電量的因素很多,需通過優(yōu)化的方法找出其最佳性能指標(biāo)下的工況參數(shù)。2.4.1目標(biāo)函數(shù)的確定生產(chǎn)率在對(duì)應(yīng)的約束條件下應(yīng)達(dá)到最大值、耗電量應(yīng)達(dá)到最小值。即滿足miny1,miny2,為多目標(biāo)決策問題。2.4.2合同規(guī)定生產(chǎn)率、耗電量兩個(gè)指標(biāo)的值應(yīng)大于零,其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)因素編碼值限制在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)取值。2.4.3蘋果凍干工藝參數(shù)優(yōu)化根據(jù)已建立的回歸數(shù)學(xué)模型,利用多目標(biāo)決策理論及非線性優(yōu)化方法,利用計(jì)算機(jī)規(guī)劃求解分析方法,對(duì)模型(6)進(jìn)行優(yōu)化求解,利用牛頓法,通過100次疊代,得出蘋果凍干的最佳工藝參數(shù)為干燥室壓力25Pa、物料厚度12mm、加熱板溫度36.5℃。3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)1)對(duì)蘋果進(jìn)行真空冷凍干燥,確定了最佳工藝參數(shù),對(duì)提高凍干效率和降低凍干蘋果成本提供了理論依據(jù)。2)通過試驗(yàn)分析,確定了影響蘋果的試驗(yàn)指標(biāo)的主次關(guān)系依次為物料厚度、凍干室壓力和加熱板溫度。3)通過3因素5水平的通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì),研究了凍干室壓力、物料厚度和加熱板溫度等因素對(duì)生產(chǎn)率和耗電量兩個(gè)指標(biāo)的影響