基于遺傳算法的苦瓜片氣體射流沖擊干燥工藝優(yōu)化

薛珊，趙武奇，高貴田，吳忠，張建

(陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安，710119)

基于遺傳算法的苦瓜片氣體射流沖擊干燥工藝優(yōu)化

薛珊，趙武奇*，高貴田，吳忠，張建

(陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安，710119)

為了得到苦瓜片氣體射流沖擊干燥的最佳工藝，該研究利用響應(yīng)面建立了復(fù)水比、VC含量、色差和單位能耗等指標(biāo)與干燥工藝參數(shù)(風(fēng)溫、風(fēng)速和切片厚度)的回歸方程，并結(jié)合遺傳算法建立綜合目標(biāo)函數(shù)，將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個綜合目標(biāo)，最后進(jìn)行綜合優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化的苦瓜片的氣體射流沖擊干燥的最佳工藝為：風(fēng)溫58.5 ℃，風(fēng)速11 m/s, 切片厚度3 mm，研究結(jié)果為苦瓜片實(shí)際干燥時工藝參數(shù)的選擇提供參考。

苦瓜片；氣體射流沖擊干燥；遺傳算法；工藝優(yōu)化

苦瓜(MomordicacharantiaL.)為葫蘆科苦瓜屬一年生攀緣草本植物，含苦瓜皂苷、多糖、三萜、甾類、生物堿、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、維生素及微量元素等多種營養(yǎng)成分，有“藥用蔬菜”之稱[1-6]。新鮮苦瓜的含水量較高，不易貯存，脫水干制是延長其貯藏期的有效方式[7]。目前苦瓜脫水干制應(yīng)用較多的是熱風(fēng)干燥，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資相對較低，操作簡單，但也存在干燥速率慢，能耗相對較高，產(chǎn)品品質(zhì)欠佳等不足[8]；而相比于熱風(fēng)干燥，氣體射流沖擊干燥[9-14]具有干燥速率快，能源利用率高，干燥產(chǎn)品品質(zhì)好的特點(diǎn)。本試驗(yàn)將氣體射流沖擊技術(shù)應(yīng)用于苦瓜片的干燥，考察不同風(fēng)溫、風(fēng)速、切片厚度對產(chǎn)品復(fù)水比，VC含量，色差(△E)及單位能耗的影響，利用響應(yīng)面建立各指標(biāo)與干燥條件(風(fēng)溫、風(fēng)速、切片厚度)的回歸方程，并結(jié)合遺傳算法[15]，將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個綜合目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

新鮮苦瓜(品種為賽碧綠F1)購買于壽光市農(nóng)圣莊園農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，樣品的平均干基濕含量為95.3%(烘干法105 ℃，24 h測定)。

主要試劑有：2.6-二氯靛酚鈉，成都市科龍化工試劑廠(分析純)；抗壞血酸，成都市科龍化工試劑廠(分析純)；草酸，天津市天力化學(xué)試劑有限公司(分析純)。

1.2 主要儀器與設(shè)備

氣體射流沖擊干燥機(jī)，陜西師范大學(xué)食品工程實(shí)驗(yàn)室自制，其結(jié)構(gòu)原理見參考文獻(xiàn)[11]；BS224S型電子天平，北京賽多利斯系統(tǒng)有限公司；AVM-03型風(fēng)速計，泰儀電子工業(yè)股份有限公司；海爾 BCD-210G/C電冰箱，青島海爾股份有限公司；GZX-9146MBE型普通熱風(fēng)干燥箱，上海博訊事業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；HHW-21CU-600型電熱恒溫水槽，上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；NS800分光測色儀，深圳市三思馳科技有限公司；DDS 460型單向電子式電表，上海東風(fēng)電表廠。

1.3 干燥試驗(yàn)設(shè)計

(1)物料處理：挑選無蟲害、無機(jī)械損傷，外形整齊的新鮮苦瓜，去蒂，從中間縱向切成兩半，去籽；按照試驗(yàn)要求切片，每個試驗(yàn)組的苦瓜片用量為150 g，待苦瓜片干燥至含水率約為6%時停止干燥，所有試驗(yàn)平行重復(fù)3次，最后取其平均值。

(2)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計：筆者在正式試驗(yàn)前進(jìn)行了大量的預(yù)試驗(yàn)，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了影響氣體射流沖擊干燥產(chǎn)品品質(zhì)及單位能耗較大的試驗(yàn)因素為風(fēng)溫、切片厚度和風(fēng)速；以復(fù)水比(y1)、維生素C含量(y2)、色差(y3)和單位能耗(y4)為響應(yīng)值，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)，建立各響應(yīng)值與干燥條件(風(fēng)溫、切片厚度、風(fēng)速)的回歸方程，響應(yīng)面因素水平如表1所示。

表1 響應(yīng)面因素水平編碼表

(3)綜合工藝優(yōu)化設(shè)計：由于y1、y2、y3、y4都有各自最優(yōu)條件下的參數(shù)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，各單個優(yōu)化目標(biāo)下的工藝參數(shù)不盡相同，為求某一綜合工藝參數(shù)，即在取得較高產(chǎn)品品質(zhì)的同時能耗還能把單位能耗控制在較低水平，故定義綜合目標(biāo)函數(shù)minf如下[16]：

minf=∑wiei

(1)

式中wi為第i指標(biāo)的目標(biāo)權(quán)重，且∑wi=1，這里權(quán)重系數(shù)的分配為w1=0.2，w2=0.3，w3=0.2，w4=0.3；ei為第i個指標(biāo)相對于綜合目標(biāo)值的偏差量，這里用歐幾里得距離來表示[13]：

ei=(1-ki)2

(2)

式中，ki為第i個指標(biāo)的回歸方程與該指標(biāo)單獨(dú)最優(yōu)值的比值：

(3)

(注：如果期望某指標(biāo)取得較小值，則此時ki就為該指標(biāo)的最優(yōu)值與該指標(biāo)的回歸方程的比值)?？梢?，ki越趨近于1時，說明所得結(jié)果越接近于第i個目標(biāo)的最優(yōu)值。

1.4 指標(biāo)的測定

1.4.1 復(fù)水比的測定[17]

取17個250 mL燒杯，分別加入150 mL蒸餾水，放入電熱恒溫水槽中，待溫度上升到60 ℃時，稱取各試驗(yàn)條件下的苦瓜干制品1 g分別放入上述燒杯中，水溫控制在60 ℃，每隔15 min撈出樣品置于網(wǎng)篩上瀝水3 min，然后稱重，隨后繼續(xù)按上述方法反復(fù)進(jìn)行4次試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。復(fù)水比公式為：

Rf=Gf/Gg

(4)

其中，Rf為復(fù)水比；Gf為樣品復(fù)水后瀝干的質(zhì)量(g)；Gg為干制品樣品的質(zhì)量(g)。

1.4.2 維生素C含量的測定

2,6-二氯靛酚滴定法測定[18]。

1.4.3 色澤的測定

(5)

1.4.4 單位能耗的測定[20]

單位能耗表示從物料中脫除單位質(zhì)量的水分所消耗的能量，是衡量干燥工藝中能耗消耗的一個重要指標(biāo)，單位能耗的計算公式如下：

(6)

試驗(yàn)裝置接有單箱電表，能耗通過電表測量，每次試驗(yàn)開始時和試驗(yàn)結(jié)束時分別記錄電表的讀數(shù)，2次讀數(shù)之差即為本次實(shí)驗(yàn)所消耗的能耗。

1.5 數(shù)據(jù)處理

響應(yīng)面的設(shè)計及分析采用Design Expert軟件，綜合目標(biāo)值的計算及優(yōu)化利用Matlab7.0求解，顯著性水平取0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，對表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，可得各考察指標(biāo)的回歸方程如下：

y1=-26.758 06+1.103 65A+1.571B-2.329 75C+0.006 375AB+0.017 5AC+0.026 25BC+0.010 657A2-0.098 937B2+0.049 187C2

(7)

y2=-4 040.146 37+83.725 2A+333.574 25B+174.979 5C+0.318 75AB-1.143 75AC-1.563 75BC-0.748 58A2-16.283 37B2-7.09 713C2

(8)

y3=55.419 12-2.261 1A+6.946B-0.638 5C+0.000 625AB+0.019AC+0.119 37BC+0.020 18A2-0.371 1B2-0.336 75C2

(9)

y4=163.077 87-2.540 97A-12.693 37B+4.337 12C+0.014 625AB-0.082 625AC-0.267 5BC+0.019 905A2+0.560 75B2+0.950 75C2

(10)

各指標(biāo)的方差分析如表3所示，所得各指標(biāo)的回歸方程均極顯著(P< 0.000 1)，決定系數(shù)均超過0.98，而調(diào)整決定系數(shù)均大于0.97，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與所得回歸方程具較好的擬合度，而C.V(%)都小于4，說明所得回歸方程對指標(biāo)能進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測。

同時，從表3可知，交互項(xiàng)中AC對復(fù)水比、VC含量、單位能耗的交互作用顯著；BC對單位能耗的影響顯著，分別如圖1、圖2、圖3、圖4所示。從圖1可知隨著風(fēng)溫的升高，切片厚度的增加，產(chǎn)品復(fù)水比減小，這可能是因?yàn)轱L(fēng)溫越高，苦瓜片在干燥過程中內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重；而切片厚度的增加減小了物料的比表面積，增加了外部水分進(jìn)入物料中心的距離，復(fù)水時水分進(jìn)入的難度增加，復(fù)水能力有所降低。由圖2可知， 在固定風(fēng)溫不變時，VC含量隨著切片厚度的增加而增加，這可能是因?yàn)槲锪虾穸鹊脑黾邮沟梦锪显诟稍飼r，物料內(nèi)部的溫度上升較慢，VC損失相對較少；而VC的含量隨著風(fēng)溫的升高而先增加后減少，這可能因?yàn)樵谳^低溫度下干燥時，干燥時間較長，VC損失較多，而在較高風(fēng)溫干燥時，VC含量減少是因?yàn)閂C高溫下很快發(fā)生了分解。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

表3 各指標(biāo)方差分析表

圖1 AC交互作用對復(fù)水比的影響圖Fig.1 Effects of AC mutual interaction on rehydration ratio

圖2 AC交互作用對VC含量的影響Fig.2 Effects of AC mutual interaction on VC conten

從圖3可知，在固定風(fēng)溫不變時，單位能耗隨著切片厚度的增加而增加，這是因?yàn)槲锪锨衅穸鹊脑黾訙p小了物料的比表面積，且干燥時物料內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移至物料表面的距離增加，導(dǎo)致干燥速率減小，干燥時間延長；而在固定切片厚度時，單位能耗隨著風(fēng)溫的增加有減少的趨勢，這是因?yàn)楦稍镲L(fēng)溫越高，在相同時間內(nèi)物料中水分子獲得能量越多，水分子運(yùn)動越劇烈，干燥速率越大，縮短了干燥時間，但在實(shí)際干燥時還需考慮風(fēng)溫對產(chǎn)品品質(zhì)的影響以綜合考慮確定合適的干燥風(fēng)溫。從圖4可知，在固定切片厚度時，單位能耗的隨著風(fēng)速的增加有先減小而后增加的趨勢，這可能是因?yàn)樵谝欢L(fēng)速范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，干燥速率增大，縮短了干燥時間，節(jié)藥了能耗；而當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加時，可能有一部分能耗未被充分利用而浪費(fèi)，導(dǎo)致單位能耗有增加的趨勢。

圖3 AC交互作用對單位能耗的影響Fig.3 Effects of AC mutual interaction on unit energy consumption

圖4 BC交互作用對單位能耗的影響Fig.4 Effects of BC mutual interaction on unit energy consumption

2.2 單個指標(biāo)的最優(yōu)解

利用Design Expert軟件對各個指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化處理，得到各指標(biāo)的最優(yōu)解及相應(yīng)條件下的工藝參數(shù)，并按所得工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表4所示。由表4可知， 單目標(biāo)優(yōu)化值與驗(yàn)證值的相對誤差的絕對值均在5%以內(nèi)，說明在試驗(yàn)條件下，所得4個回歸方程可信，可用于相應(yīng)指標(biāo)的預(yù)測。

2.3 綜合優(yōu)化

將方程(6)、(7)、(8)、(9)代入方程(1)中有：

(11)

結(jié)合A、B、C的取值范圍，利用Matlab7.0中的遺傳算法求解，得到f函數(shù)最佳值適應(yīng)度的變化和平均值的變化曲線如圖5所示，并根據(jù)軟件計算結(jié)果得到綜合優(yōu)化工藝參數(shù)為：A=58.462 ℃，B=11.051 m/s，C=3.075 mm，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證(為便于實(shí)際操作取A=58.5 ℃,B=11 m/s,C=3 mm)，結(jié)果如表5所示。由表5可知，綜合優(yōu)化下的各指標(biāo)值與各指標(biāo)的單獨(dú)最優(yōu)值有差異，而造成這種差異原因是因?yàn)榫C合優(yōu)化同時考慮了產(chǎn)品的品質(zhì)和單位能耗，在獲得較好產(chǎn)品的同時還能把單位能耗控制在較低水平。

表4 單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果及相應(yīng)的工藝參數(shù)

圖5 f函數(shù)最佳適應(yīng)度的變化和平均值的的變化曲Fig.5 The change curves of the optimal solution and average of f function

目標(biāo)單目標(biāo)優(yōu)化值綜合優(yōu)化值相對誤差的絕對值/%復(fù)水比8.998.0811.26VC含量/[mg·(100g)-1]493.70442.9811.45色差ΔE20.4723.0111.04單位能耗/(kJ·g-1)16.5318.5410.84

3 結(jié)論

本試驗(yàn)先利用響應(yīng)面建立了各指標(biāo)與工藝參數(shù)的回歸方程，再用遺傳算法將多個目標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個綜合目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了產(chǎn)品品質(zhì)較好，單位能耗較低的苦瓜片氣體射流沖擊干燥工藝參數(shù)為：風(fēng)溫為A=58.5 ℃,B=11 m/s,C=3 mm。將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化一個綜合目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，不僅同時考慮了不同干燥條件對多個指標(biāo)的影響，還可避免多個指標(biāo)取得最優(yōu)值時工藝參數(shù)不盡相同的問題，供實(shí)際生產(chǎn)時參考。

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Optimization of drying process of sliced bitter melon in air-impinged jet dryer using genetic algorithm

XUE Shan, ZHAO Wu-qi*, GAO Gui-tian, WU Zhong, ZHANG Jian

(College of Food Engineering and Nutrition Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

In order to obtain the best drying process of sliced bitter melon dried by Air-impingement jet dryer, the regression equations between inspection indexes(rehydration ratio, the Vc content, color difference, unit energy consumption)and drying conditions (air- temperature, air-velocity , slice thickness) were established. The multi index comprehensive objective function was established with genetic algorithm. Finally, the integrated optimization of processing parameters were determined by transiting multi-objective into a comprehensive goal. The results show that the optimization processing parameters were: air-temperature of 58.5℃, air-velocity 11 m/s and slice thickness 3 mm. The results provided the reference for best processing parameters for drying of sliced bitter melon.

bitter melon slices; air-impingement jet drying; genetic algorithm; process optimization

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201705029

碩士研究生(趙武奇副教授為通訊作者，E-mail：zwq65@163.com)。

陜西省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與攻關(guān)項(xiàng)目(2016NY-188)

2016-09-18，改回日期：2016-11-18