基于灰色關(guān)聯(lián)的小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華

武漢理工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院武漢　430070

基于灰色關(guān)聯(lián)的小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華

武漢理工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院武漢430070

提出一種正交試驗與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)優(yōu)化方法。以正交試驗為基礎(chǔ)，獲得浸潤時間、浸潤溫度、加水量、真空度等工藝參數(shù)對出粉率、灰分、白度、破損淀粉值等小麥制粉效果的影響。通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，進行單工藝目標(biāo)優(yōu)化和綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化，得到小麥真空調(diào)質(zhì)最佳工藝參數(shù)，優(yōu)化后的工藝參數(shù)使制粉的出粉率提高2.10%，灰分減小2.63%，破損淀粉值下降13.10%，白度僅下降0.64%。

小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)制粉灰色關(guān)聯(lián)優(yōu)化

調(diào)質(zhì)是小麥制粉前的重要工序，調(diào)質(zhì)處理是對小麥進行著水、潤麥處理的過程。小麥經(jīng)過調(diào)質(zhì)后，麥粒更加適于制粉，表皮變韌，胚乳軟化，制粉過程中可以保證麩片完整，最大限度地刮凈胚乳，并將其研磨到特定粗細(xì)度和加工精度，加工成適合制作某種或某類食品的小麥粉[1][2]，同時可以達到提高出粉率，降低電耗和減少設(shè)備磨損等目的。

真空調(diào)質(zhì)主要利用由壓差引起的水動力學(xué)機理和變形松弛現(xiàn)象。在真空環(huán)境下，物料整體會產(chǎn)生一定的膨脹，導(dǎo)致細(xì)胞之間產(chǎn)生間距增大的現(xiàn)象，細(xì)胞內(nèi)的液體易汽化蒸發(fā)，外部浸漬液在細(xì)胞內(nèi)外壓力差和毛細(xì)管效應(yīng)的共同作用下，更易于滲入物料結(jié)構(gòu)內(nèi)部[3]。與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)方法相比，真空低壓環(huán)境的壓力差作用和小麥籽粒的膨松現(xiàn)象有利于水分的擴散，可以快速達到調(diào)質(zhì)的目的。真空環(huán)境中氣壓降低，氧含量會隨壓強降低而按比例下降。缺氧氛圍有利于調(diào)質(zhì)過程中抑制微生物的繁殖，減少危害食用者健康的真菌毒素的產(chǎn)生。真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)影響小麥加工的品質(zhì)與產(chǎn)量，選擇合適的工藝參數(shù)對提高小麥加工質(zhì)量和效益具有重要的意義。

灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種多因素統(tǒng)計分析方法，它對數(shù)據(jù)的要求較低，能在很大程度上減少由于信息不對稱帶來的損失。本文采用正交實驗與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方法對小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化，可解決正交試驗信息不完備、數(shù)據(jù)處理粗糙等問題，提高決策的科學(xué)性。

1　試驗方法

1）材料與設(shè)備

原料選用河南優(yōu)質(zhì)小麥品種周麥18為試驗材料。試驗儀器為MLU-202型布勒試驗?zāi)?；WSB-IV智能白度測定儀；l0lA-3E型電熱鼓風(fēng)干燥箱；DZF-6050真空干燥箱；TW-4A單級旋片真空泵。

2）試驗設(shè)計

影響小麥真空調(diào)質(zhì)效果的因素主要有加水量、調(diào)質(zhì)溫度、調(diào)質(zhì)時間和真空度等；衡量小麥制粉效果的指標(biāo)有出粉率、灰分、白度、淀粉破損值等。試驗以浸潤時間（A）、浸潤溫度（B）、加水量（C）、真空度（D）為小麥真空調(diào)質(zhì)優(yōu)化工藝參數(shù)，以出粉率（α）、灰分（β）、白度（γ）、淀粉破損值（δ）為小麥加工效果優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計一個4因素4水平的正交試驗，試驗設(shè)計方案見表1。

3）試驗方法

將原料小麥除雜、混合均勻，準(zhǔn)確稱取1000 g小麥，放入樣品袋中；噴霧加水混合，封口后搖混5 min，放置在真空干燥箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度，抽真空。加水量、溫度、真空度，存放時間按試驗設(shè)計方案設(shè)置。

表1　小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)正交實驗設(shè)計

調(diào)質(zhì)結(jié)束后，取出小麥，放置30 min后進行磨粉，測量面粉品質(zhì)參數(shù)。出粉率采用AACC方法26-21；水分采用GB 5497—1985；灰分采用GB/T 5505—2008；白度采用GB/T 12097—1989；淀粉破損值采用GB/T 9826—2008。試驗結(jié)果如表2。

表2　真空調(diào)質(zhì)小麥制粉效果試驗數(shù)據(jù)

2　試驗結(jié)果分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種用灰色關(guān)聯(lián)度順序來描述因素間關(guān)系的強弱、大小和次序的方法。運用灰色關(guān)聯(lián)度處理正交試驗結(jié)果，能夠綜合小麥真空調(diào)質(zhì)4項工藝目標(biāo)，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)組合?；静襟E是首先確定原始數(shù)據(jù)序列，對其進行灰色關(guān)聯(lián)生成即量綱歸一化處理，然后分別求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，得到灰色關(guān)聯(lián)度，最后進行優(yōu)勢分析[4][5]。先根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進行單工藝目標(biāo)優(yōu)化，后根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度進行綜合目標(biāo)優(yōu)化。這樣將多項工藝目標(biāo)的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單項灰色關(guān)聯(lián)度的優(yōu)化問題，從而實現(xiàn)多項工藝目標(biāo)的優(yōu)化。

1）確定權(quán)重

在多工藝目標(biāo)優(yōu)化問題中，很難做到讓每個工藝目標(biāo)都處于最優(yōu)狀態(tài)，但每個工藝目標(biāo)也不能平均對待，應(yīng)根據(jù)不同要求及實際情況對不同的工藝目標(biāo)有所側(cè)重，單工藝目標(biāo)重要程度一般以權(quán)重來體現(xiàn)，綜合工藝目標(biāo)采取權(quán)重求和的形式確定。權(quán)重通常采用1～9標(biāo)度法確定。但傳統(tǒng)的1～9標(biāo)度法確定權(quán)重計算過程復(fù)雜，且要進行一致性檢驗，文中采用模糊一致矩陣確定工藝目標(biāo)的權(quán)重，其計算簡單且不需要一致性檢驗。標(biāo)度值確定法則見表3。

表3　標(biāo)度值確定法則

基本方法是首先對工藝目標(biāo)的重要性進行兩兩比較，然后根據(jù)表3所示的0.1～0.9標(biāo)度法法則確定評分，以此構(gòu)造優(yōu)先關(guān)系矩陣（互補矩陣）D：

式中，dij為工藝目標(biāo)i相對于工藝目標(biāo)j的得分，其中，dij=0.5；dji=1-dij。根據(jù)優(yōu)先關(guān)系矩陣構(gòu)造模糊一致矩陣：

式中，α為用戶定義系數(shù)，滿足α≥（n-1）/2。根據(jù)權(quán)向量確定各工藝目標(biāo)的權(quán)重：

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)實際，小麥調(diào)質(zhì)4個性能指標(biāo)的重要性評分分別為d12=0.7，d13=0.8，d14=0.7，d23=0.6，d24=0.7，d34=0.7，則優(yōu)先關(guān)系矩陣為：

由于e1=2.7，e2=2.1，e3=1.8，e4=1.4，則e12=0.575，e13=0.6215，e14=0.6625，e23=0.5375，e24=0.5875，e34= 0.55，取α=2.0，則模糊一致矩陣為：

因此，權(quán)向量為P=（0.2938，0.2562，0.2375，0.2125）；由于p1+p2+p3+p4=1，故指標(biāo)的權(quán)重為W=（0.2938，0.2562，0.2375，0.2125）。

2）灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)處理

①確定原始數(shù)據(jù)序列。試驗結(jié)果表3中每個工藝目標(biāo)下的一組數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)序列，即xi（k），分別代表出粉率、灰分β、白度γ、破損淀粉δ的原始數(shù)據(jù)序列，i=1，2，3，4，k=1，2，…，16。

②數(shù)據(jù)規(guī)范化處理。由于原始數(shù)據(jù)序列之間的量綱不同，故需要對其進行無量綱化處理。對于效益型指標(biāo)，歸一化公式為[6]：

對于效益型指標(biāo)，歸一化公式為：

式中，yi（k）為指標(biāo)i下的第k次試驗值的歸一化值，k=1，2，…，16。在小麥制粉效果4個性能指標(biāo)中，α、γ為效益型指標(biāo)，β、δ為成本型指標(biāo)，歸一化結(jié)果如表4。

③求數(shù)據(jù)差序列。計算公式為：

式中，y0k（k）為i工藝目標(biāo)下的理想值。文中出粉率α、灰分β、白度γ、破損淀粉δ的理想值均為1。通過計算，數(shù)據(jù)差序列如表4。

表4　原始數(shù)據(jù)處理結(jié)果

④求灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。計算公式為：

式中，ρ為分辨系數(shù)，ρ∈[0，1]，一般取ρ=0.5。研究表明，當(dāng)ρ=0.5463時，分辨率最高，故取ρ= 0.5463，通過計算，灰關(guān)聯(lián)系數(shù)ξik如表5所示。

⑤求灰色關(guān)聯(lián)度?；疑P(guān)聯(lián)度為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的加權(quán)平均值，即[5]：

通過計算，灰色關(guān)聯(lián)度γk如表5所示。

3）單工藝目標(biāo)灰關(guān)聯(lián)分析

分別針對出粉率α、灰分β、白度γ、破損淀粉δ進行單工藝目標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)分析。由表5中各參數(shù)不同水平對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)求得針對各工藝目標(biāo)的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表6～表9所示。

表5　灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)與灰色關(guān)聯(lián)度

確定每個工藝參數(shù)的不同水平對各項工藝目標(biāo)的影響程度。根據(jù)灰色相關(guān)度的概念，關(guān)聯(lián)系數(shù)均值最大者為最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

針對出粉率，由表6可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A4B4C3D4；對出粉率影響由大到小的工藝參數(shù)依次為浸潤溫度、加水量、真空度、浸潤時間。

表6　針對出粉率的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

針對灰分，由表7可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A3B3C3D4；對灰分影響由大到小的工藝參數(shù)依次為加水量、真空度、浸潤溫度、浸潤時間。

表7　針對灰分的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

表8　針對白度的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

針對白度，由表8可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A4B4C4D4。對白度影響由大到小的工藝參數(shù)依次為浸潤時間、真空度、加水量、浸潤溫度。

表9　針對破損淀粉的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

針對破損淀粉，由表9可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A2B1C4D3。對破損淀粉影響由大到小的工藝參數(shù)依次為加水量、浸潤溫度、真空度、浸潤時間。

4）多工藝目標(biāo)灰關(guān)聯(lián)分析

針對出粉率α、灰分β、白度γ、破損淀粉δ進行綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化。即對優(yōu)化對象進行灰色關(guān)聯(lián)度分析，分析結(jié)果見表10。

表10　工藝參數(shù)各水平平均灰關(guān)聯(lián)度

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的性質(zhì)，其大小反映各工藝參數(shù)不同水平對多項工藝目標(biāo)的影響程度?；疑P(guān)聯(lián)度值最高的為對多工藝目標(biāo)綜合優(yōu)化的最優(yōu)水平。

浸潤時間對綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)排序為：γA4＞γA3＞γA2＞γA1。

浸潤溫度對綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)排序為：γB3＞γB2＞γB4＞γB1。

加水量對綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)排序為：γC3＞γC4＞γC2＞γC1。

真空度對綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)排序為：γD4＞γD3＞γD1＞γD2。

因此，對于綜合工藝目標(biāo)，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A4B3C3D4，即浸潤時間50 min、浸潤溫度40℃、加水量15%、真空度0.08 Mpa。

從表10極差還可以看出，對小麥真空調(diào)質(zhì)制粉綜合效果影響由大到小的工藝參數(shù)依次為浸潤時間、加水量、真空度、浸潤溫度。

3　試驗驗證

根據(jù)上述灰色關(guān)聯(lián)分析得出優(yōu)化組合為A4B3C3D4，對該優(yōu)化組進行驗證試驗，并將驗證結(jié)果與正交試驗中灰色關(guān)聯(lián)度較高組A4B3C2D4（第15組）試驗結(jié)果進行對比，如表11。

表11　實驗結(jié)果比較

可見，優(yōu)化后的調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)使小麥出粉率提高2.10%，灰分減小2.63%，破損淀粉值下降13.10%，白度僅下降0.64%，證明優(yōu)化效果顯著。

4　結(jié)語

小麥真空調(diào)質(zhì)是一種高效、安全的調(diào)質(zhì)技術(shù)。文中提出了正交試驗與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的小麥真空調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)優(yōu)化方法。以正交試驗為基礎(chǔ)，獲得了浸潤時間、浸潤溫度、加水量、真空度等工藝參數(shù)對出粉率、灰分、白度、破損淀粉值等小麥制粉效果的影響。通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，首先進行單工藝目標(biāo)優(yōu)化，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值最大者為最優(yōu)工藝水平；然后進行綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化，平均灰色關(guān)聯(lián)度最大者為最優(yōu)水平，得到小麥真空調(diào)質(zhì)的最佳工藝參數(shù)，取得滿意的效果。優(yōu)化后的工藝參數(shù)使制粉的出粉率提高2.10%，灰分減小2.63 %，破損淀粉值下降13.10%，白度僅下降0.64%，證明了優(yōu)化效果顯著。

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TS 211.4+1

A

1674-5280（2016）05-0001-05

2016-07-07

舒服華（1967—），男，湖北武漢人，碩士，教授，主要從事輕工機械研究工作。