油菜籽真空干燥工藝優化

黎斌，彭桂蘭，羅傳偉，邱光應，楊玲

(西南大學 工程技術學院,重慶,400715)

油菜籽真空干燥工藝優化

黎斌，彭桂蘭*，羅傳偉，邱光應，楊玲

(西南大學 工程技術學院,重慶,400715)

為了提高油菜籽的干燥速率，降低其單位能耗，采用真空干燥技術對油菜籽干燥工藝進行考察。采用三元二次回歸旋轉組合設計方法對油菜籽工藝參數進行優化試驗，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。通過軟件優化得到最佳工藝參數組合為：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，與單目標優化所得最優值接近，模型可靠。

油菜籽；干燥；真空；干燥速率；能耗；響應面

油菜(rapeseed)是全球范圍內四大油料作物(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區[2]。由于新收油菜籽含水率大約15%～30%，并具有親水性質，容易吸潮導致發熱、酸敗和霉變的特性[3]，造成油菜籽的損失浪費,因此在收貨時節很有必要對新收油菜籽進行干燥處理，通過人工干燥作業使油菜籽含水率達到安全儲藏水平，保證其品質穩定以及延長其安全儲藏時間。

國外一些學者應用真空干燥技術對香蕉、蘋果等果蔬干制品進行研究[4-6]，SYARIEF[7]、SADOWSKA[8]等用真空干燥方法對油菜籽進行薄層干燥特性研究，并建立該試驗品種的薄層干燥數學模型。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、品質下降。GAWRYSIAK-WITULSKA等[10]、THAKOR[11]等對油菜籽的主要評價指標包括含水率、發芽率、色澤等進行了深入研究。國內對油菜籽干燥工藝的研究也逐漸增多[12-14]。

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

1材料與方法

1.1 試驗材料

油菜籽：甘藍型油菜籽(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?。核∮筒俗褳樯珴删鶆?、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：溫度過高會導致籽料內部油脂溢出，干燥最高溫度≤70 ℃[15]。

(4)貯藏：油菜籽溫度≤環境溫度+5 ℃。

1.4 試驗設計

前期試驗選取真空度(X1)、物料厚度(X2)、倉內 溫度(X3)分別進行單因素試驗。試驗結果表明，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組合設計原理對真空度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的影響進行研究，得到工藝優化參數。各個因素的水平設置及編碼如下表1。

表1 三元二次回歸旋轉組合設計因素水平編碼表

1.5 試驗方法

1.5.1 初始含水率的測定

根據《油料水分及揮發物含量測定》(GB/T 14489.1—2008)規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為平底盒質量，g；m1為油菜籽樣品初始質量(含平底盒)，g；m2為油菜籽樣品干燥后質量(含平底盒)，g。重復測量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，是衡量經濟性和工藝性的一項重要指標，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，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為該組樣品質量，kg。

1.5.4 綜合指標

參照加權評分法[18]，賦予2個指標一定的權重指數將干燥速率Y1、單位能耗Y2兩個獨立指標進行結合，將雙目標非線性優化轉化為單目標線性優化，進而進行綜合優化計算得到綜合優化工藝優化參數組合。優化方程如下：

S=η1Y1+η2Y2

(4)

式中：S為綜合評價函數，η1和η2非別為與之對應的干燥速率(Y1)、單位能耗(Y1)的加權系數，η1+η2=1?？紤]到單目標函數各自量綱差異，采用線性功效系數法將各自的目標函數轉換為無量綱函數再進行綜合優化。

1.6 數據統計分析

采用SPSS 20.0對數據進行回歸處理，采用Design-Expert 8.0.6對數據進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

按照表1試驗設計進行試驗，采用三元二次回歸旋轉組合設計，試驗結果如表2。

表2 試驗設計及結果

2.2 油菜籽干燥速率與單位能耗的單目標優化分析

2.2.1 干燥速率優化結果分析

參照表1的試驗設計對表2中的試驗結果利用SPSS 20.0進行線性擬合，建立干燥速率Y1關于真空度(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)

對回歸方程進行顯著性檢驗和可信度分析得結果如表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。對回歸模型進行殘差正態檢驗，結果近似服從正態分布，進一步驗證了模型的可靠性(圖1)。

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

通過SPSS 20.0對表2中試驗數據進行處理，結果如表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，以氣液兩態的形式穿過水分-空氣界面向四周擴散[19]。溫度過高(>75 ℃)，會造成油脂的溢出，導致品質下降[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

系數值回歸系數F值標準誤差自由度P值顯著性常數項-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 單位能耗單目標優化結果分析

根據表1中的試驗設計和表2的試驗結果，利用SPSS 20.0進行線性擬合，得出單位能耗Y2關于真空度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)

對回歸方程進行可信度分析和顯著性檢驗，結果如表5和表6。

表5 回歸方程可信度分析

由表5可知，關于能耗Y2的回歸數學模型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。對方程進行殘差檢驗，結果表明該模型殘差分布近似服從正態分布，模型可靠(圖3)。

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

系數值回歸系數F值標準誤差自由度P值顯著性常數項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 單目標優化處理

通過Design-Expert 8.0.6軟件對表2試驗結果進行單目標優化處理，結果見表7。

表7 單目標函數優化結果

從表7可以看出，當真空度為-0.069 2 MPa、物料厚度取1.59 cm、倉內溫度取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中最優值；油菜籽真空干燥單位能耗最優工藝參數組合為：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 多目標工藝參數綜合優化及分析

為了獲得油菜籽干燥工藝的優化參數組合，對雙目標函數進行線性加權分配?？紤]到兩指標的量綱差異，對單目標模型進行消除量綱處理，將兩目標函數轉化成無量綱函數，再進行綜合優化。令：

S=η1Y1+η2Y2

(7)

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

采用Design-Expert 8.0.6軟件對雙目標函數進行綜合優化處理，得到優化方程如下：

(8)

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析得到油菜籽優化干燥工藝參數組合為：X1=-0.066 2 MPa, X2=1.521 cm,X3=36.25 ℃。對組合參數進行適當修正得到最終優化組合參數組合為：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，與單目標優化所得最優值接近，具有實際應用參考價值。

3 結論

(1)本試驗選取干燥溫度、物料厚度、真空度作為考察因素，采用三元二次旋轉回歸組合設計方法對油菜籽的干燥速率、單位能耗進行考察。試驗結果表明，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，干燥速率越小的結論，驗證了本試驗結果；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行消除量綱處理，得到最佳工藝參數組合為：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。

[1] 王漢中.我國油菜產業發展的歷史回顧與展望[J].中國油料作物學報，2010,32(2)：300-302.

[2] 張芳，程勇，谷鐵城，等.我國油菜種業發展現狀及對策建議[J].中國農業科技導報，2011,13(4)：15-22.

[3] 廖慶喜，舒彩霞.微波干燥油菜籽機理分析研究[J].糧油加工與食品機械，1999(4)：15-16.

[4] FIGIEL A. Drying kinetics and quality of vacuum-microwave dehydrated garlic cloves and slices[J].Journal of Food Engineering .2009,94(1)：98-104.

[5] GIRI S K,PRASAD S.Optimization of microwave-vacuum drying of button mushroom using response-surface methodology[J].Drying Technology,2007,25(5):901-911.

[6] FERNANDO W J N, LOW H C, AHMAD A L.Dependence of the effective diffusion coefficient of moisture with thickness and temperature in convective drying of sliced materials: A study on slices of banana,cassava and pumpkin[J]. Journal of Food Engineering,2011,102(4):310-316.

[7] CHEN C, JAYAS D S. Dynamic equilibrium moisture content for grain drying[J].Canadian Agricultureal Engineering.1998. 40(4):299-303.

[8] SADOWSKA J. Drying conditions and processability of dried rapeseed[J]. Journal of Science of Food and Agriculture. 1996.72(2):257-262.

[9] 李詩龍.油菜籽的物理特性淺析[J].中國油脂，2005,30(2)-0017-04.

[10] GAWRYSIAK-WITULSKA, SIGER M A, NOGALA-KALUCKA M. Degradation of Tocopherols During Near-ambient Rapeseed Drying. Journal of Food Lipids[J]. 2009.16(14):524-539.

[11] THAKOR N J, SOKHANSANJ S. Mass and dimensional changes of single canola kernels during drying[J].Journal of Food Engineering. 1999.40(3):153-160.

[12] 丁超，屠康，楊國峰，等.響應面法優化油菜籽熱風薄層干燥工藝[C].中國農業工程學會2011年學術年會論文集:2011.

[13] 楊玲.甘藍型油菜籽熱風干燥傳熱傳質特性及模型研究[D].重慶：西南大學，2014：45-56.

[14] 李詩龍.中國油脂.油菜籽的物理特性淺析[J].中國油脂，2005,30(2)：17-20.

[15] 劉婷婷，袁建.油菜籽儲藏期間色澤變化與品質指標相關性分析[J].糧食儲藏, 2013，32(2).

[16] GB/T 14489.1—2008.油料 水分及揮發物含量測定[S].

[17] KOURIS D M, MAROULIS Z B. Transport properties in the drying of solids[M].In handbook of in 2dustrial drying edited by a S Mujumdar. New York:Marcel Dekker Inc,1995.113-160.

[18] 田維娜,明建,曾凱芳.采用響應曲面法研究熱處理對鮮切荸薺色澤的影響[J].食品科學,2009,30(8):291-296.

[19] ARUN S M. Handbok of Industrial Drying(3rdedition)[M].New York:CRS Press,2006.

[20] 謝奇珍，劉進.我國油菜籽干燥技術的現狀及發展趨勢[J]. 中國油脂, 2005,30(5):18-21.

[21] PATIL B G, WARD G T. Heated air drying of rapeseed[J]. Agricultural Mechanisation in Aisa,1989, 21(4):89-95.

[22] 李詩龍.中國油脂.油菜籽的物理特性淺析[J].中國油脂，2005,30(2)：7-12.

[23] 付浩華，包李林.油菜籽自薄層真空干燥技術的研究[J]. 糧油食品科技.2011,19(3):11-16.

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)。

國家自然科學基金項目(31301575)

2016-04-12，改回日期：2016-05-17