稻谷熱風-真空聯合干燥工藝參數優化

張記，孟國棟，彭桂蘭，張雪峰，楊玲

(西南大學 工程技術學院，重慶，400715)

我國南方地區稻谷收獲期短且時間集中，早稻的收獲期恰逢高溫多雨的季節，收獲后的鮮稻谷含水率高，若不及時進行干燥處理，極易發生漚黃、霉變、甚至腐敗，嚴重影響稻谷的外觀、品質和口感[1-2]。由于收獲期時間集中，所以大量高水分稻谷的干燥需求和干燥設備不足的矛盾非常突出[3]。而如果一味追求較高的干燥效率又會對稻谷的品質產生較大破壞，因此，為了提高稻谷干燥效率和干后品質，降低干燥能耗，必須采用高效合理的干燥方式對稻谷進行干燥處理。

熱風和真空干燥是2種常用干燥方式，熱風-真空聯合干燥可以將2種干燥方式的優點集合起來，更好地滿足稻谷的干燥生產作業。目前，利用聯合干燥方式優化果蔬干燥品質已有較多報道[4-9]。但是對水稻這類主要糧食作物的聯合干燥研究特別是熱風-真空聯合干燥研究報道較少。

本文選取熱風溫度(X1)、熱風風速(X2)、轉換點含水率(X3)和真空溫度(X4)作為聯合干燥試驗的待優化參數組合，設計了四元二次BBD(Box-Behnken design)優化試驗。以平均干燥速率r、爆腰率b、單位能耗e為指標，建立各指標預測數學模型，并進行顯著性檢驗、方差和響應面分析。最后利用加權評分法對聯合干燥工藝參數進行綜合優化，得到聯合干燥的最優工藝參數組合，并將優化結果與熱風、真空單一干燥方式最優參數對應的指標值進行對比分析。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

宜香優品系稻谷，2018年8月10日收于重慶市巴南區。收割后手工摘除稻粒，去除干癟、破損、霉變的稻粒以及各種雜質，將稻谷混合均勻置于4 ℃的冰箱中冷藏儲存。

1.2 儀器與設備

DZF型真空干燥箱,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4.5 CFM),北京科偉永興儀器有限公司；BC-2型薄層干燥試驗臺，長春吉大儀器股份有限公司；METILERTOLEDOAL 204電子天平(精度0.000 1 g)，上海梅特勒-托利儀器有限公司；JA5002電子天平(測量精度為10 mg), 上海精天電子儀器有限公司；(P06S-10A)電力監測儀，寧波高新區新誠電子有限公司；篩網3只(10 cm×10 cm),晨興篩具總廠；聚光燈1個,廣東太格爾電源科技有限公司；放大鏡1個,得力集團有限公司；自封袋若干,河源華豐塑膠有限公司；密封箱1個,深圳市光豐塑料有限公司。

1.3 試驗設計與方法

1.3.1 四元二次BBD優化試驗

通過Design Expert 8.0.6軟件進行四元二次BBD優化試驗設計，根據前期熱風、真空單一干燥方式參數優化結果，在真空度為0.05 MPa下，選取熱風溫度(X1)，熱風風速(X2)，轉換點含水率(X3)和真空溫度(X4)作為變量因素進行試驗。每次試驗前將新鮮稻谷從冰箱中取出，攪拌均勻，隨機稱取200 g置于密封箱內30 min恢復至室溫，然后轉移至正方形篩網中(鋪層厚度約為2 cm)。按照試驗因素水平編碼首先在熱風干燥系統進行稻谷干燥試驗，待干燥至預定轉換點含水率時，迅速轉移至真空干燥系統按照真空試驗因素水平編碼繼續進行干燥，直至干燥至安全含水率13%結束[10-11]。每組試驗重復3次，數據取平均值后進行統計。試驗因素水平及編碼見表1。

表1 試驗因素水平及編碼表Table 1 Factors and levels adopted the experiment

1.3.2 指標測定與方法

(1)稻谷初始含水率的測定按照GB 5009.3—2016[12]中的直接干燥法進行測定。

(2)干基含水率Mt[13-14]，如公式(1)。

(1)

式中：Mt為物料在t時刻的干基含水率，%；mt為物料在t時刻的質量，g；mg為物料干物質質量，g。

(3)平均干燥速率r[15-16]，如公式(2)。

(2)

式中：M0為物料初始干基含水率，g/g；Mt為物料安全干基含水率，g/g；t為干燥至安全含水率所用時間，min。

(4)爆腰率b

根據GB 5496—85《糧食、油料檢驗、黃米粒及裂紋檢驗法》，從每組的3個平行試驗樣品中各隨機選出100粒稻谷，手工剝去外殼，平鋪于透明玻璃皿中(玻璃皿下放置聚光燈)，用放大鏡觀察，挑選出有裂紋的米粒數，數據取平均值即為稻谷爆腰率[17-19]。爆腰率計算公式(3)如下：

(3)

式中：b為稻谷爆腰率，%；n為有裂紋的米粒數量；N為樣本米粒總數量。

(5)單位能耗e

單位能耗是指將1 kg稻谷干燥至安全含水率時所消耗的電能。在進行每組試驗時，將熱風干燥平臺、真空干燥箱及真空泵等分別與電力監測儀連接，待試驗結束后讀出所消耗的總電能。單位能耗計算公式(4)如下[20]：

(4)

式中：e為單位能耗，kJ/kg；E為該組試驗消耗的電能，kJ；m為該組試驗試樣質量，kg。

1.4 數據統計分析

在Excel 2016軟件中進行數據的統計、整理與計算，利用Design Expert 8.0.6軟件對不同干燥方式的試驗數據進行逐步回歸、方差分析和響應面綜合優化。

2 結果與分析

根據前期單因素實驗及稻谷熱風、真空單一干燥方式參數優化結果，確定稻谷熱風-真空聯合干燥方式下各參數范圍，并將單一干燥方式優化結果列于下表2。

表2 單一干燥方式參數優化結果Table 2 Single drying method parameter optimization results

2.1 BBD試驗結果及指標模型建立

四元二次BBD試驗設計方案及指標測定結果如表3所示。利用Design Expert 8.0.6軟件對表3中的數據進行多元逐步回歸分析、方差分析和顯著性檢驗，所得分析結果如表4所示。其中平均干燥速率r、爆腰率b和單位能耗e的四元二次回歸數學模型如式5～式7所示：

(5)

(6)

(7)

表3 試驗設計及結果Table 3 Experimental design and results

2.2 模型顯著性檢驗和響應面分析

由平均干燥速率顯著性分析可知，熱風溫度、轉換點含水率、真空溫度對平均干燥速率的影響非常顯著(P<0.000 1)，熱風風速對平均干燥速率影響不顯著。熱風溫度和真空溫度越高，相應階段的干燥時間就越短，使得聯合干燥的平均干燥速率加快[21]。轉換點含水率越高，熱風干燥階段降水幅度就越小，熱風干燥速率快的優勢無法得到有效發揮，使得真空干燥階段時間變長，導致平均干燥速率降低。熱風溫度與轉換點含水率的交互作用對平均干燥速率影響非常顯著(P<0.000 1)，由圖1可知,聯合干燥的平均干燥速率隨著熱風溫度的增加而增加，隨著轉換點含水率的增加而減小。各因素對平均干燥速率的影響主次順序為：轉換點含水率(X3)>真空溫度(X4)>熱風溫度(X1)>熱風風速(X2)。

表4 顯著性檢驗及方差分析表Table 4 Significantness test and analysis of variance table

注：“*”，差異顯著(0.01

圖1 熱風溫度和轉換點含水率對平均干燥速率的影響Fig.1 Effect of hot air temperature and switching point moisture content on drying rate

由爆腰率顯著性分析可知，熱風溫度、熱風風速、轉換點含水率、真空溫度對爆腰率的影響均為非常顯著(P<0.01)。熱風溫度和熱風風速越高，熱風階段稻谷失水速率越快，導致稻谷內外應力分布不均從而造成爆腰，真空階段同理[22]。轉換點含水率越高，熱風干燥階段時間就越短，降水幅度就越小，導致稻谷爆腰的可能性就越低。熱風溫度與轉換點含水率的交互作用對爆腰率的影響非常顯著(P<0.000 1)，由圖2可知，爆腰率隨著轉換點含水率的增加而減小，隨熱風溫度的增加而增加。轉換點含水率與真空溫度的交互作用對爆腰率的影響非常顯著(P<0.01)，由圖3可知，爆腰率隨著轉換點含水率的增加而減小，隨著真空溫度的增加而增加。各因素對爆腰率的影響的主次順序為：轉換點含水率(X3)>熱風溫度(X1)>真空溫度(X4)>熱風風速(X2)。

圖2 熱風溫度和轉換點含水率對爆腰率的影響Fig.2 Effect of hot air temperature and switching point moisture content on the crackle ratio

圖3 轉換點含水率和真空溫度對爆腰率的影響Fig.3 Effect of switching point moisture content and vacuum temperature on the crackle ratio

由單位能耗顯著性分析可知，熱風風速、轉換點含水率、真空溫度對單位能耗的影響非常顯著(P<0.000 1)，熱風溫度對單位能耗影響不顯著。熱風風速越高，相應時間內帶走的熱量就越多，需要不斷加熱電阻絲來維持設定的熱風溫度，從而導致總能耗增加。由于熱風干燥能耗高于真空干燥，所以轉換點含水率越高，熱風干燥時間就越短，從而使總能耗降低。熱風風速與轉換點含水率的交互作用對單位能耗影響一般顯著(0.01熱風風速(X2)>真空溫度(X4)>熱風溫度(X1)。

圖4 熱風風速和轉換點含水率對單位能耗的影響Fig.4 Effect of hot air velocity and switching point moisture content on drying energy consumption

2.3 聯合干燥工藝參數綜合優化

為了獲得平均干燥速率高、爆腰率低、單位能耗低的最優干燥工藝參數組合，使用加權評分法，對3個指標歸一化處理消除量綱并賦予一定的權重值，得到一個綜合指標進行優化。爆腰率是稻谷干燥最為重要的指標，因此在爆腰率權重最高的情況下，可能存在的指標重要程度分別為：爆腰率b>平均干燥速率r>單位能耗e；爆腰率b>單位能耗e>平均干燥速率r；爆腰率b>單位能耗e=平均干燥速率r。本文將對這3種情況進行全面討論，各指標權重分配如表5所示(僅考慮整數)。

圖5 轉換點含水率和真空溫度對單位能耗的影響Fig.5 Effect of switching point moisture content and vacuum temperature on drying energy consumption

綜合指標計算如式(8)所示：

Y=aYr+bYb+cYe

(8)

式中：Y為綜合指標值；Yr、Yb、Ye分別為平均干燥速率、爆腰率及單位能耗的無量綱值；a、b、c分別為平均干燥速率、爆腰率及單位能耗的權重值。

不同權重比的綜合指標值分別代入Design Expert軟件進行優化，得到相應的最優工藝參數組合，按照實際試驗操作要求對其進行修正。將修正后的工藝參數代入各單指標數學模型得到平均干燥速率r、爆腰率b、單位能耗e的預測值，同時在修正后的工藝參數條件下進行驗證試驗。最優工藝參數組合、驗證試驗結果和模型預測值如表6所示。

表5 各指標權重分配Table 5 Weight distribution of indicators

由表6可以看出，爆腰率和單位能耗模型預測效果較好，平均干燥速率模型在轉換點含水率較低時預測效果較好，轉換點含水率較高時預測效果不理想。

在確保爆腰率低于單一干燥方式最優參數對應的爆腰率(7%)和單位能耗低于單一干燥方式最優參數對應的單位能耗(2 988 kJ/kg)前提下，應盡量提高聯合干燥的平均干燥速率。在此標準下，對表6中11組權重組合下的各指標試驗值進行對比分析，發現Y2(3∶6∶1)對應的最優參數條件下的指標試驗值在滿足爆腰率不超過7%且單位能耗不超過2 988 kJ/kg的前提下，其平均干燥速率達到最高(0.000 483 g/(g·min))。所以聯合干燥的最優參數組合為Y2(3∶6∶1)：X1=40 ℃、X2=0.7 m/s、X3=20.7%、X4=38.1 ℃，此時所對應的平均干燥速率為0.000 483 g/(g·min)、爆腰率為6.3%、單位能耗為2 612 kJ/kg。

表6 工藝參數組合、試驗結果和預測值Table 6 Combination of process parameters, test results and predicted values

2.4 聯合干燥與單一干燥方式對比分析

各干燥方式最優參數組合所對應的指標試驗值及其優化程度如表7所示(“+” “-”表示聯合干燥比單一干燥方式“提高” “降低”)。

由表7可知，聯合干燥的平均干燥速率比熱風干燥降低了29.5%，比真空干燥提高了33.1%；聯合干燥的爆腰率比熱風干燥降低了10%，比真空干燥降低了13.7%；聯合干燥的單位能耗比熱風干燥降低了60.1%，比真空干燥降低了12.6%。由此可見聯合干燥方式最優參數條件下的各指標試驗值均優于真空干燥方式最優參數所對應的各指標值；與熱風干燥方式最優參數所對應的各指標值相比，除了平均干燥速率較低以外，爆腰率和單位能耗均優于熱風干燥方式，尤其在單位能耗方面降低明顯。因此稻谷聯合干燥方式與稻谷單一干燥方式相比優勢明顯。

表7 不同干燥方式下最優參數單指標值比較Table 7 Comparison of single target values of optimal parameters under different drying modes

3 結論

(2)通過加權評分法對3個指標消除量綱進行綜合優化，得到平均干燥速率r、爆腰率b、干燥能耗e的最佳權重分配為3∶6∶1；最優工藝參數組合為X1=40 ℃、X2=0.7 m/s、X3=20.7%、X4=38.1 ℃，此時所對應的平均干燥速率為0.000 483 g/(g·min)、爆腰率為6.3%、單位能耗為2 612 kJ/kg。

(3)將聯合干燥方式最優參數條件下的各指標試驗值與單一干燥方式最優參數對應的指標試驗值進行對比分析，結果表明，聯合干燥的平均干燥速率比熱風干燥降低了29.5%，比真空干燥提高了33.1%；聯合干燥的爆腰率比熱風干燥降低了10%，比真空干燥降低了13.7%；聯合干燥的單位能耗比熱風干燥降低了60.1%，比真空干燥降低了12.6%。因此稻谷聯合干燥方式較稻谷單一干燥方式優勢明顯。