通用旋转组合设计在苹果冷冻干燥中的应用

通用旋转组合设计在苹果冷冻干燥中的应用

苹果的细腻、酥脆、多汁、芳香、酸甜、合适的营养成分。具有清热明火、解渴、利尿止泻的功效。然而，由于苹果高含量高、营养成分丰富，一些机器受到机械损伤和微生物感染的影响，失去了商品的价值和加工质量。通过冷冷冻干燥技术加工苹果，可减少其养分损失，组织损伤降至最低限额。苹果的原始颜色、香气、味道和形状的保持可以极大地减少，并且很容易运输和储存。但真空冻干干燥的设备投资费用较大,设备的操作成本较高,这导致了冻干食品的生产成本较高,大大限制了真空冷冻干燥技术在食品中的应用,因此,文章通过实验研究了苹果真空冷冻干燥工艺参数(干燥室压力、物料厚度、加热板温度)对生产率和耗电量的影响,目的在于探索真空冷冻干燥机理,促进我国食品冻干业的发展,试验的结果对生产实践具有指导意义。1材料和方法1.1吸光度真空冷冻冻干燥机:北京博医康技术公司,FD-5型真空冷冻干燥机。用于苹果的预冻及冷冻干燥。真空干燥机:上海精宏实验设备有限公司,DZF-6090型真空干燥机。用于测量苹果的含水率。电子天平:沈阳杰龙仪器有限公司,EP6102C。用于测量苹果质量。热电偶温度计:北京博医康技术公司,用来测量苹果的共晶点温度。1.2苹果的预处理试验用市售红富士苹果,其干燥工艺为:购买→分选→清洗→切块冻结→升华干燥→解析干燥→包装。试验前对苹果进行预处理,将其用洗涤剂清洗后,用清水冲洗干净,去芯,切片,然后装盘,将测温探头插入果片中心,放入冷冻仓进行预冻结。试验指标为单位时间内的生产率和单位质量的耗电量。1.3次回归拟合方程建立根据单因素试验及分析,确定干燥室压力x1,物料厚度x2和加热板温度x3作为试验因素,将单位时间内的生产率和单位质量的耗电量作为试验指标。采用二次回归通用旋转组合设计试验,因素水平编码如表1所示。对各因素取值作线性变换:根据三因素五水平二次回归正交试验设计,安排20次试验,试验结果见表2。根据试验结果,利用计算机求解得出编码空间生产率和耗电量与影响因素间关系的回归数学模型如下。其中x1、x2、x3、y1、y2分别代表干燥室压力、物料厚度、加热板温度、生产率、耗电量。对正交实验结果进行方差分析和显著性检验。对式(1),查F表,F0.1(4,5)=3.52>F拟=2.01。说明回归方程拟合得好,F0.05(9,10)=3.02<F回=4.98,说明方程显著;对式(2),F0.005(10,6)=10.25>F拟,说明回归方程拟合得好,F0.100(14,16)=1.94<F回,说明方程显著。方差分析得出,各指标回归方程在各自的因子水平上是显著的,试验数据与回归数学模型拟合性好。2物料厚度、加热板温度和生产率综合公式(1)～(2),并对其回归系数进行方差分析及t检验可知:物料厚度对生产率的影响最大,其次是干燥室压力,加热板温度对生产率影响最小;物料厚度对耗电量的影响最大,其次是干燥室压力,而加热板温度对耗电量影响最小。2.1压力对物料含水率的影响根据回归方程(1),x1因子对生产率的影响,把其余因素固定在零水平上,即x2=x3=0,则式(1)简化为:根据式(3),x1因子对生产率的影响如图1所示。同理得x1因子对耗电量的影响如图2所示。从图1和图2中,可以看出在20Pa～120Pa之间,随压力的增加,生产率和耗电量下降,在120Pa～140Pa之间,随压力的增加,生产率和耗电量缓慢上升。这主要是干燥室压力对冷冻干燥过程具有双重作用,当压力较低时,物料干燥层的有效导热系数较小,而干燥层中的有效传质系数较大,有利于传质;反之,当压力较高时,物料干燥层的有效导热系数较大,而干燥层中的有效传质系数较小,有利于传热。故生产中,为了节约生产成本,应适当的增大干燥室压力,但又不能太高,压力太高,物料会起气泡、坍塌,而达不到真空冷冻干燥的工艺要求。2.2xe-p3模型根据回归方程(1),x1因子对生产率的影响,把其余因素固定在零水平上,即x1=x3=0,则式(1)简化为:根据式(4),x2因子对生产率的影响如图1所示。同理得x2因子对耗电量的影响如图2所示。从图2和图4中,物料厚度对单位面积生产率和耗电量的影响最显著,单位面积生产率随着物料厚度的增加而增加,耗电量随着物料厚度的增加而下降,这主要是厚度增加以后,明显减少了冻干的次数。故生产中在满足冷冻干燥的条件下,可以取较大的物料厚度,以节省成本。2.3加热板温度的影响根据回归方程(1),x3因子对生产率的影响,把其余因素固定在零水平上,即x3=x2=0,则式(1)简化为:根据式(4),x3因子对生产率的影响如图1所示。同理得x3因子对耗电量的影响如图2所示。加热板温度对物料的生产率有着明显的影响,见图5,随着加热板加热温度的升高,干燥速率加快,冻干所需的时间减少,因此,单位面积生产率随之增加,但不能为了提高生产率而使加热温度太高。高的加热温度在升华阶段会使苹果断裂而塌陷,在解析阶段会使苹果崩解而变性。苹果冻干过程中升华所需要的能量主要由加热板提供,加热板温度的高低直接影响苹果冻干时间的长短。当加热板温度在10℃~30℃时,随着温度的升高,升华速率加快,升华阶段所需的时间降低,导致耗电量也随着减少,当温度超过30℃时,随着温度升高,耗电量也逐渐升高。2.4优化和分析工艺参数从上面分析的过程中可以看到,影响真空冷冻干燥机单位面积生产率和耗电量的因素很多,需通过优化的方法找出其最佳性能指标下的工况参数。2.4.1目标函数的确定生产率在对应的约束条件下应达到最大值、耗电量应达到最小值。即满足miny1,miny2,为多目标决策问题。2.4.2合同规定生产率、耗电量两个指标的值应大于零,其对应的试验因素编码值限制在试验设计的范围内取值。2.4.3苹果冻干工艺参数优化根据已建立的回归数学模型,利用多目标决策理论及非线性优化方法,利用计算机规划求解分析方法,对模型(6)进行优化求解,利用牛顿法,通过100次叠代,得出苹果冻干的最佳工艺参数为干燥室压力25Pa、物料厚度12mm、加热板温度36.5℃。3正交试验设计1)对苹果进行真空冷冻干燥,确定了最佳工艺参数,对提高冻干效率和降低冻干苹果成本提供了理论依据。2)通过试验分析,确定了影响苹果的试验指标的主次关系依次为物料厚度、冻干室压力和加热板温度。3)通过3因素5水平的通用旋转组合设计,研究了冻干室压力、物料厚度和加热板温度等因素对生产率和耗电量两个指标的影响