王鶴，慕松，李天聰，吳俊，謝亞星，陳星名，劉帥帥

（寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川 750021）

枸杞是寧夏的特色產品，除少量用于鮮食和加工原料外，大部分用于干制[1]。在常溫條件下，枸杞極易因微生物和酶的作用導致腐爛變質，難以久藏，使其貨架期大大縮短。如將新鮮枸杞加工成干制品，則可以很好地延長產品貨架期，同時還可降低保存和運輸成本。自然晾曬干燥周期長、易受污染且受環(huán)境因素影響劇烈，有效成分損失較大，干燥品質極不穩(wěn)定，易出現(xiàn)腐爛、焦黑、褐變和糖分溢出等現(xiàn)象；熱風干燥雖能滿足工業(yè)化生產需求，但干燥耗時較長，一般為72 h，枸杞營養(yǎng)成分散失多，能源利用率低且污染環(huán)境，采用微波干燥能大大提高枸杞的干燥速率。

國內外許多研究人員采用微波間歇干燥方法對馬尾松、花椒、巴西堅果、菠菜和胡蘿卜等物料進行干燥研究，并取得了較好效果。實踐證明，微波間歇干燥與傳統(tǒng)的干燥方法相比，不僅加熱時間短、干燥成本較低、而且能有效避免因過熱而燒傷農產品，保證干燥品質[2]。迄今為止，關于枸杞微波間歇干燥的相關研究尚未見到，因此有必要對其進行深入研究。

本文對枸杞微波間歇干燥進行了以微波功率、脈沖比、微波介入時枸杞含水率、風速為影響因素，以干燥速率、單位質量能耗以及干燥品質為響應指標的響應面法中心組合試驗，根據試驗結果得到微波功率、脈沖比、微波介入時含水率和風速與干燥工藝綜合得分的關系模型，基于此模型對干燥中各因素進行了分析并得出枸杞微波間歇干燥的最佳工藝參數(shù)，研究結果為枸杞微波間歇干燥裝置的設計提供理論依據[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本次實驗選用的枸杞為寧杞1號，采摘地點為寧夏回族自治區(qū)銀川市西夏區(qū)豐慶溝枸杞種植園，枸杞初始含水率為78%～80%，采摘后的枸杞置于4 ℃的保鮮柜中儲存。

1.2 儀備

圖1 ORW.S-R型智能微波熱風聯(lián)合干燥實驗工作站Fig.1 ORW.S-R intelligent microwave hot air combined drying experimental workstation

圖2 智能微波熱風聯(lián)合干燥系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent microwave hot air combined drying system

本文采用到的儀器設備有：DHG-9030型電熱鼓風干燥烘箱(上海恒一科學儀器有限公司）；ORW.S-R型智能微波熱風聯(lián)合干燥實驗工作站（南京澳潤微波科技有限公司）；JA21002型電子精密天平(上海恒平電子天平有限公司)。智能微波熱風聯(lián)合干燥實驗工作站其外部結構如圖1所示，微波爐經過改進可自動控制微波接通與關閉時間；電子天平和溫度傳感器均與PLC連接，通過自編的應用程序在顯示屏上實時顯示目前質量和溫度并記錄。

微波熱風聯(lián)合干燥實驗工作站的設備結構示意圖如圖2所示。

1.3 實驗方法

試驗設計運用響應面設計理論，響應面設計方法能用較少的試驗去估算一階、二階與一階具交互作用項之多項式模式設計分析模型[4]。根據相關文獻和多因素試驗方法，選取微波功率、微波脈沖比、微波介入時枸杞含水率、風速進行響應面的分析試驗。微波功率（W），微波脈沖比，初始含水率（%），風速（m/s）如公式（1）進行編碼[5]。

式中，zj為自然變量（編碼值）；xj為規(guī)范變量（實際值）；xj0為因素的零水平；Δj為因素的變化間距[13]。

以干燥功率x1、脈沖比x2、風速x3和初始含水率x4作為試驗因素，以干燥速率v、單位質量能耗e和感官品質Q為考核指標進行響應面組合設計[6]。根據前期單因素試驗中風速對干燥速率的影響試驗結果知，枸杞微波干燥時，為保證水分的及時排出，干燥過程中需一直通風；由于枸杞的果實為漿果，其糖分主要貯存在果實的薄壁細胞內，并且外表皮上無氣孔器的分布[7]，當枸杞含水率較高時由于微波功率較大易造成內部升溫太快導致果皮破裂糖分溢出，影響干燥感官品質；通過前期微波加熱枸杞預試驗知：當干燥量在200～400 g之間時，在功率250 W時枸杞均出現(xiàn)焦化和糖分溢出等現(xiàn)象嚴重，在功率200 W時枸杞除個別發(fā)黃以外感官品質較好，在功率150 W時感官品質較好但是速率太慢能耗較大，因此考慮到感官品質、速率、以及單位質量能耗制定實驗功率為三個階段（180 W、200 W、220 W）；所以我們采取前期熱風處理將枸杞含水率降至30%、40%和50%三個階段時介入微波干燥。

1.4 微波間歇干燥工藝指標

1.4.1 微波間歇脈沖比[8]（Pulse Ratio）

按公式（2）進行計算。

式中：Te-微波接通時間；Th-微波間歇時間。

1.4.2 干燥平均速率v（g/s）

干燥平均速率是反映干燥快慢的指標，其值越大則干燥一定量枸杞所需的時間越短[9]。干燥平均速率v如式（3）計算：

式中，ΔM 為干燥至安全含水率時枸杞減少的質量，g；ΔT為枸杞干燥至安全含水率所用的總時間，其值等于微波接通總時間與間歇總時間之和，s。

1.4.3 單位質量能耗e（J/g）

單位質量能耗是指脫去每克水的耗能量，它反映干燥過程的能量損耗，其值應越小越好[10]。單位質量能耗e如式（4）計算：

式中，P為微波功率，W；ΔT2為微波接通的總時間，s。

1.4.4 綜合指標

運用隸屬度的綜合評分法將干燥總平均速率、單位質量能耗和感官品質得分3項指標對枸杞干燥工藝進行綜合評分。干燥平均速率和感官盤品質得分隸屬度如工式（5）計算：

式中，ci為指標值；cmin為指標最小值；cmax為指標最大值。

按照式（6）對三項指標得隸屬度數(shù)值進行綜合計算得干燥工藝得綜合品質得分

式中，lv為干燥速率隸屬度；le為能耗隸屬度；lQ為感官品質隸屬度；a、b、c為各指標權重。

本文考慮以感官品質為主要指標，干燥總平均速率和單位質量能耗為次要指標，于是取a=0.3，b=0.3，c=0.4。在具體應用中可根據不同要求取相應的權重，只需滿足a+b+c=1即可[11]。

1.4.5 數(shù)據統(tǒng)計分析

確定干燥功率x1、脈沖比x2、風速x3和初始含水率x4的水平及編碼見表1。

表1 試驗因子水平Table 1 Levels of experimental factors

利用Design-Expert軟件對實驗進行Box-Behnken Design設計，通過該軟件對所得結果進行擬合，通過分析R2得到枸杞的干燥模型，決定系數(shù)R2如式（7）所示：

式中，MRpre,i為利用模型預測綜合得分；MRexp,i為干燥實驗實際得分；MRpre,mean為實驗實測評分平均值；N為實驗數(shù)據點的個數(shù)。

2 結果與分析

2.1 試驗設計方案及結果

根據響應面法設計理論，設定干燥功率x1、脈沖比x2和風速x3初始含水率x4試驗4個因素水平，以干燥平均速率v、單位質量能耗e和感官品質Q為考核指標進行響應面組合設計，通過隸屬度的綜合評分法對枸杞微波間歇干燥的工藝進行響應面分析[12]。表2為響應面試驗設計與試驗結果。

多元Box-Behnken Design回歸擬合[13]，得到綜合得分s對其影響的關鍵因子（微波功率x1、脈沖比x2和風速 x3初始含水率）的二次多項式回歸模型如式（8）所示：

風速（C2），均為差異極顯著影響因素（p<0.01）。失擬項為差異顯著影響因素（p<0.05）[21]。

該模型的純誤差的均方值較小為0.000907，說明此型有效，應用響應面法優(yōu)化枸杞微波間歇干燥工藝可行。由綜合品質得分S的回歸系數(shù)檢驗值F[16]可知，各因素對枸杞微波間歇干燥綜合因素影響的大小依次為：干燥功率（A）>初始含水率（D）>脈沖比（B）>風速（C）。

表2 試驗設計及其結果Table 2 Experimental design and results

表3 二次響應面回歸模型方差分析Table 3 The quadratic response surface regression model analysis of variance

注：**，p<0.01為差異季顯著；*，p<0.05為差異顯著。

2.2 枸杞微波間歇干燥工藝最優(yōu)條件的設定及模型驗證

根據回歸方程和擬合模型，通過 Design-Expert軟件對實驗數(shù)據進行二次響應面回歸分析，由此作出響應面圖和等高線圖（圖 3～8）每個響應面與等高線是對其中2個因素進行分析，另外兩個因素在零水平，通過觀察響應面圖的形狀可以直觀反應各因素對響應值的影響[17]，分析微波功率、脈沖比、風速和初始含水率對枸杞微波間歇干燥工藝綜合得分S的影響，并找到各影響因素在提取過程中相互影響關系，在所在范圍圈內存在極值，即存在響應面最高點，并總結規(guī)律得到枸杞微波間歇干燥最優(yōu)工藝參數(shù)[18]。

由圖3響應面圖可知當風速為0.7 m/s、初始含水率為40%時，脈沖比在1.8時，微波功率為210～216 W左右達到響應面峰值，該條件下綜合得分達到極值。并且微波功率較低隨著微波功率增大，綜合得分升高明顯，因此可得在功率小于210 W時隨著功率升高綜合品質得分顯著升高，在210～216W時綜合得分到達峰值，而脈沖比響應面曲線相對平緩，由此驗證前文所得結論微波功率的影響因素大于脈沖比影響因素。

圖4 脈沖比為1.67初始含水率40%時微波功率和風速對枸杞微波間歇干燥綜合得分的影響Fig.4 Effects of the microwave power and wind speed on the comprehensive scores of microwave intermittent drying of Chinese wolfberry with pulse ratio of 1.67 and initial moisture content of 40%

由圖4響應面圖可知當脈沖比為1.67、初始含水率為40%時，風速為0.7 m/s，微波功率在210～216 W之間會達到峰值，在該條件下綜合得分S達到極值。由圖3中響應面圖可知風速影響作用相對于微波功率較小，當風速大于0.7 m/s時，風速越大則綜合得分越低，并且風速越大單位質量能耗越大，所以為了增大干燥速率降低干燥能耗不易采用較大得風速。

圖5 脈沖比為1.67風速為0.7 m/s時微波功率和初始含水率對枸杞微波間歇干燥綜合得分的影響Fig.5 Effects of the microwave power and initial moisture content on the comprehensive scores of microwave intermittent drying of Chinese wolfberry with pulse ratio of 1.67 and wind speed of 0.7 m/s

由圖5響應面圖可知當脈沖比為1.67、風速為0.7 m/s，初始含水率在48%～50%，微波功率在210～216 W之間會達到峰值，且該條件下綜合得分較高。由響應圖分析知初始含水率曲線相對微波功率曲線較平緩，初始含水率的綜合得分相對于微波功率對綜合得分影響較小，在48%～50%左右時相對綜合得分較高。

圖6 微波功率200 W初始含水率40%時脈沖比和風速對枸杞微波間歇干燥綜合分的影響Fig.6 Effects of the pulse ratio and wind speed on the comprehensive scores of microwave intermittent dryingof Chinese wolfberry with microwave power of 200 W and initial moisture content of 40%

由圖6響應面圖得在微波功率200 W、初始含水率為40%，風速為0.7 m/s，脈沖比為1.8左右時響應面圖綜合得分到達峰值，由圖5中脈沖比曲線與風速曲線對比可知，脈沖比影響因素大于風速的影響因素。

圖7 微波功率200 W風速為0.7 m/s時脈沖比和初始含水率對枸杞微波間歇干燥綜合得分的影響Fig.7 Effects of the pulse ratio and initial moisture content on the comprehensive scores of microwave intermittent drying of Chinese wolfberry with microwave power of 200 W and wind speed of 0.7 m/s

由圖7響應面圖可知在微波功率200 W時、風速為0.7 m/s時，初始含水率48%～50%時達到峰值，脈沖比1.8時左右綜合得分最高，并對比脈沖比響應面曲線與初始含水率響應面曲線得知初始含水率影響因素大于脈沖比影響因素。

圖8 微波功率200 W脈沖比1.67時風速和初始含水率對枸杞微波間歇干燥綜合得分的影響Fig.8 Effects of the wind speed and initial moisture content on the comprehensive scores of microwave intermittent drying of Chinese wolfberry with microwave power of 200 W and pulse ratio of 1.67

由圖8響應面圖得在微波功率200 W時、脈沖比1.67時，綜合分的隨著初始含水率降低而減小，綜合得分在風速為0.7 m/s時得分到達峰值，并對比風速響應面曲線與初始含水率響應面曲線可知初始含水率影響因素大于風速影響因素。

綜合圖3～8可得枸杞微波間歇干燥在初始條件：微波功率為210～216 W，脈沖比1.8，風速為0.7 m/s，初始含水率48%～50%時綜合品質得分相對較高。并且綜合圖3～8結論可驗證各因素對枸杞微波間歇干燥綜合因素影響的大小依次為：干燥功率>初始含水率>脈沖比>風速。

2.3 工藝條件優(yōu)化和驗證試驗

應用Design-Expert軟件對回歸方程模型（式8）進行優(yōu)化分析求解，并且通過響應面圖分析結論得到枸杞微波間歇干燥最優(yōu)工藝參數(shù)：微波功率為210～216 W，脈沖比為1.8，風速為0.7 m/s，初始含水率48%～50%，此時綜合品質得分相對較高.

為了驗證模型得可靠性，采用上述最優(yōu)工藝參數(shù)（微波功率210 W，脈沖比1.8，風速0.7 m/s，初始含水率50%）進行試驗驗證，試驗驗證結果綜合得分為0.785，相比于（表2試驗設計及其結果）最大值0.746較高。因此，該工藝條件符合枸杞微波間歇干燥工藝要求，且利用響應面法通過Design-Expert軟件得到枸杞微波間歇干燥最優(yōu)工藝參數(shù)真實可靠。

3 結論

3.1 根據響應面法進行枸杞微波間歇干燥試驗結果得出，各因素對枸杞微波間歇干燥綜合因素影響的大小依次為：干燥功率>初始含水率>脈沖比>風速。

3.2 通過響應面法建立了微波功率、脈沖比、風速、初始含水率的二次多項式回歸方程，得到了枸杞微波間歇干燥得最佳干燥工藝參數(shù)。經過試驗驗證，微波功率210～216 W，脈沖比1.8，風速0.7 m/s，初始含水率 48%～50%左右時時得到最大綜合品質得分為0.785，與理論預測值基本符合。因此，利用響應面法得到枸杞微波間歇干燥最優(yōu)工藝參數(shù)真實可靠。

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