響應面法優(yōu)化生脫殼苦蕎米色選機的工作參數(shù)

時小東 肖含磊 張國珍

[摘要]為探索苦蕎色選的最佳工藝方案，以CCD色選機為研究對象，采用Box-Behnken設計原理和響應面法，比較色選機供料量、供氣時間、靈敏度等工作參數(shù)對苦蕎色選精度和帶出比的影響。結(jié)果表明，供料量、供氣時間、靈敏度對色選精度有極顯著影響，影響程度為靈敏度>供料量>供氣時間;供氣時間對帶出比影響不顯著，而靈敏度和供料量對帶出比具有顯著影響。苦蕎色選最優(yōu)工作參數(shù)組合為供料量30，供氣時間18ms，靈敏度34，對應的色選精度為80.79%、帶出比為2.41，驗證值與模型預測值相對一致。結(jié)果表明，該優(yōu)化參數(shù)適用于苦蕎不良品分選，可以為優(yōu)化苦蕎色選機的工作參數(shù)提供參考。

[關鍵詞]苦蕎;色選機;響應面法;工作參數(shù)

中圖分類號：S226.5 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202008

苦蕎（Fagopyrum tataricum （L.）Gaertn）為蓼科（Polygonaceae）蕎麥屬（Fagopyrum）一年生或多年生雙子葉草本植物，是一種食藥兩用的特色雜糧作物，其營養(yǎng)豐富、保健功效強、經(jīng)濟價值高、開發(fā)前景廣闊[1]?？嗍w富含淀粉、脂肪、礦物質(zhì)、膳食纖維和維生素等營養(yǎng)成分，并且含有其他糧食作物沒有或少有的生物黃酮類（蘆丁、槲皮素、山奈酚等）活性成分[2]。隨著生活水平的提高和全民健康觀念的增強，兼具營養(yǎng)與保健功效于一身的苦蕎及其加工制品越來越受關注，逐漸成為人們喜愛的健康食品之一。

苦蕎殼具有較強的韌性，且殼與仁之間無間隙，造成苦蕎脫殼的難度極大[3]。生產(chǎn)中大多通過水熱處理等方式進行苦蕎脫殼，但該技術容易造成苦蕎營養(yǎng)和活性成分的損失，嚴重阻礙了苦蕎產(chǎn)品的開發(fā)和利用[4]。隨著分子生物學研究和加工技術的發(fā)展，推動了苦蕎在易脫殼品種選育和精深加工方面的發(fā)展[5]。成都大學等單位通過育種技術培育了易脫殼的苦蕎品種——米蕎1號，該品種無需經(jīng)過熟化等處理工藝就可直接生脫殼，是少有的苦蕎專用加工品種，為開發(fā)無營養(yǎng)損失苦蕎米及高品質(zhì)產(chǎn)品加工提供了原料[6]。但在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，苦蕎直接生脫殼后會不可避免地出現(xiàn)籽粒殘缺、殼未完全脫凈、雜質(zhì)等混雜情況，難以保證苦蕎米的質(zhì)量。

色選機的發(fā)明和應用能有效地解決混雜問題，保證苦蕎米的質(zhì)量。色選機利用特殊識別鏡頭捕捉物料表面某些成分的信息，與標準信號對比分析出物料的品質(zhì)優(yōu)劣，具有效率高、節(jié)約人力、無破壞等優(yōu)點[7-8]。色選機已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)，對提高農(nóng)作物等原料質(zhì)量等級發(fā)揮了重要的作用，如大米、花生、茶葉等[9-11]。CCD色選機以圖像傳感技術為核心，可對正在高速運動的物體進行抓攝，所得圖像質(zhì)量良好，極大地提高了色選精度和效率[12-13]。由于苦蕎生脫殼米品種及珍珠米產(chǎn)品屬于新興苦蕎產(chǎn)品，因此在其CCD色選工藝和操作規(guī)范方面尚未展開深入的研究。

本研究以CCD雜糧色選機為對象，對生脫殼后的米蕎1號進行色選處理，根據(jù)中心組合試驗設計方法對影響色選效率的工作參數(shù)進行響應面試驗研究，分別以精度和帶出比作為響應指標優(yōu)化苦蕎色選工作參數(shù)，為進一步推廣應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本研究選取米蕎1號作為試驗材料。米蕎1號是目前少有的生脫殼苦蕎品種，具有較強的應用代表性。

1.2 儀器與設備

CCD色選機：配有柯蒂斯無油空氣壓縮機，合肥泰禾光電科技股份有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 響應面試驗

根據(jù)Box-Behnken設計原理，選取供料量X1、供氣時間X2和靈敏度X3為自變量，以精度Y1和帶出比Y2為評價指標，設置3因素3水平的二次回歸正交試驗設計方案。響應面試驗設計因素和水平如表1所示。

1.3.2 項目測定

精度是指含有異色顆粒的被選物料經(jīng)過色選后，其正常物料顆粒的含量。雜糧色選機工作完成后，記錄苦蕎籽正品質(zhì)量和物料總質(zhì)量，兩者比值即為色選精度Y1。帶出比Y2是指物料經(jīng)色選后，其不良品質(zhì)量與帶出的正品物料顆粒質(zhì)量之比。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6軟件分析考察因素和評價指標之間的二次多項回歸方程模型，并對各因素的相關性和交互效應等進行統(tǒng)計分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken設計原理，共得到17個試驗點，包括5個零點試驗。試驗方案和結(jié)果如表2所示，精度Y1范圍為24.20%～76.70%，帶出比Y2介于0.28～2.50。

2.2 回歸模型擬合與顯著性分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，得到精度Y1和帶出比Y2對供料量X1、供氣時間X2、靈敏度X3的二次多項回歸方程如下：

Y1=69.84-7.50X1-1.56X2-19.26X3-1.87X1X2-0.18X1X3-0.40X2X3-3.67X12+0.70X22-15.55X32 ? ? ? ? ?（1）

Y2=1.24-0.55X1-0.070X2-0.71X3-0.052X1X2+0.4 X1X3+0.078X2X3+0.006X12+0.10X22-0.25X32 ? ? ? ? ?（2）

對回歸方程進行方差分析（如表3～表4所示），色選精度Y1模型和帶出比Y2模型的P值均小于0.01，表明回歸方程描述的評價指標和自變量模型顯著性極好。兩個模型的相關系數(shù)R2分別為0.998 7和0.984 1，表明評價指標的變化來源于所選自變量，該模型能夠描述試驗結(jié)果。因此該模型可以預測與分析苦蕎色選工作參數(shù)。

2.3 單因素對精度和帶出比的影響分析

各考察單因素對精度Y1和帶出比Y2的影響可通過回歸模型方差分析中的P值和F值進行衡量。由表3可知，單因素中供料量X1、供氣時間X2、靈敏度X3對精度的P值均小于0.01，表明3個因素對精度產(chǎn)生極顯著影響。3個因素對精度的F值分別為543.15、23.57、3 582.80，可推測對精度影響程度的大小為靈敏度>供料量>供氣時間。由表4可知，單因素中供料量X1、靈敏度X3對帶出比的P值均小于0.01，表明供料量和靈敏度對精度產(chǎn)生極顯著影響;而供氣時間X2對帶出比的P值為0.172 3，表明供氣時間對帶出比不存在顯著性影響。由F值的大小可推測，3個因素對帶出比影響大小順序為靈敏度>供料量>供氣時間。

2.4 交互因素對響應值的響應面分析

以精度為響應值時，交叉項供料量X1和供氣時間X2的P值小于0.01，具有極顯著的交互作用，其他因素之間的交互作用不顯著。以帶出比為響應值時，交叉項供料量X1和靈敏度X3的交互作用極顯著，其他因素之間的交互作用不顯著。

響應面三維圖可直觀反映出各因素交互作用對響應值的影響，進而推測出響應值的最佳方案。供料量X1、供氣時間X2、靈敏度X3中兩因素交互作用對苦蕎色選精度影響的響應面三維圖如圖1所示。圖1（a）是靈敏度X3為40時，供料量X1和供氣時間X2對精度Y1交互作用的響應面圖，由圖可以看出，供料量減少能夠增加苦蕎色選精度，而供氣時間增加有利于苦蕎色選精度。圖1（b）是供氣時間為15ms時，供料量X1和靈敏度X3對精度Y1交互作用的響應面圖，由圖可知，供料量為70時，色選精度隨靈敏度的降低而逐漸增加;靈敏度為30時，色選精度隨供料量的增加而逐漸降低。圖1（c）是供料量為50時，供氣時間X2和靈敏度X3對精度Y1交互作用的響應面圖，由圖可知，當供氣時間為12ms時，隨靈敏度增加，色選精度呈現(xiàn)出先迅速升高而后緩慢降低的變化趨勢;當靈敏度為30時，精度隨供氣時間的增加而緩慢降低。色選精度最大值時，供氣時間為12ms，靈敏度為30～35。

供料量X1、供氣時間X2、靈敏度X3中兩因素交互作用對苦蕎色選帶出比X2影響的響應面三維圖如圖2所示。圖2（a）為靈敏度X3為40時，供料量X1和供氣時間X2對帶出比Y2交互作用的響應面圖，由圖可以看出，供料量減少能夠增加苦蕎色帶出比，而供氣時間的變化對帶出比影響不大。圖2（b）為供氣時間為15ms時，供料量X1和靈敏度X3對帶出比Y2交互作用的響應面圖，由圖可知，供料量為30時，帶出比Y2隨靈敏度的降低而逐漸增加;當靈敏度恒定時，帶出比Y2隨供料量的降低而逐漸增加，且靈敏度越小，帶出比增加越明顯。圖2（c）為供料量為50時，供氣時間X2和靈敏度X3對帶出比Y2交互作用的響應面圖，由圖可知，隨靈敏度的增加，帶出比Y2呈現(xiàn)降低趨勢;當靈敏度為30時，帶出比Y2隨供氣的時間增加而降低。

隨著供料量的降低，苦蕎籽粒在供料滑槽中的均勻度得以提高，對正品的誤選減少，進而色選精度和帶出比有所提高;當供氣時間延長，產(chǎn)生的空氣壓力足夠吹出更多品質(zhì)不良的籽粒，最終增加色選精度和帶出比;而當靈敏度增加時，能夠在一定程度上獲得更優(yōu)質(zhì)籽粒，但同時會導致廢料中的優(yōu)質(zhì)籽粒數(shù)量增加，從而影響最終的正品得率。

2.5 模型驗證

采用Design-Expert軟件對各參數(shù)進行優(yōu)化，得到苦蕎色選最佳工作參數(shù)，即供料量為30，供氣時間18，靈敏度為33.86，預測色選精度為80.79，帶出比為2.41。綜合考慮色選機設置可行性，得出優(yōu)化最佳方案為供料量為30、供氣時間為18、靈敏度為34，并對優(yōu)化最佳方案進行驗證。

如表5所示，模型預測最佳方案下精度為77.25、帶出比為2.84，表明驗證結(jié)果與模型預測結(jié)果相吻合，該參數(shù)組合可作為苦蕎色選最佳方案。色選后出料中的不良品多為癟?；蛎摎埲绷?，可進一步通過過篩方法進行剔除。

3 結(jié) 論

采用響應面法對苦蕎米CCD色選機進行工作參數(shù)研究，以供料量、供氣時間和靈敏度為因素指標，精度和帶出比為響應指標，建立了相應指標的預測模型，并確定了各因素和交互作用對響應指標的影響作用?？嗍w色選工作參數(shù)對精度和帶出比影響程度順序從大到小依次均為靈敏度、供料量、供氣時間;以精度為響應值時，供料量X1和供氣時間X2之間的交互作用顯著;以帶出比為響應值時，供料量X1和靈敏度X3之間的交互作用極顯著?？嗍w色選機最優(yōu)工作方案為供料量為30、供氣時間18ms、靈敏度為33，驗證結(jié)果表明驗證值與模型預測值相一致，可用于苦蕎色選作業(yè)。本研究以米蕎1號為試驗對象，其脫殼正品在色澤、形態(tài)等方面與不良品差別較小，進而增加了色選的難度和效果。本試驗以米蕎及其他生脫殼苦蕎品種為試驗對象，通過對苦蕎米CCD色選機進行參數(shù)微調(diào)而獲得最佳工作方案，為苦蕎色選技術進一步優(yōu)化提供理論基礎和科學依據(jù)。

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