响应面法优化罗非鱼片热泵-微波联合干燥工艺参数

响应面法优化罗非鱼片热泵-微波联合干燥工艺参数

0微波干燥和联合干燥相结合干燥是一种常见的农业和海雕加工技术。目前,水产品的传统干燥方法主要为日光干燥和热风干燥。其中日光干燥由于受外界条件限制,并且卫生条件差,生产效率低,因此产品的品质和附加值低。而热风干燥由于干燥温度较高,干燥时间长,并且会引起产品品质的变化使其品质降低,还会导致细菌的大量滋生。利用热泵对海产品进行干燥,在中国一些地区已得到成功应用。利用热泵干燥海产品,相对于其他干燥方式可以节能近50%,可大幅度提高产品品质及附加值,使其达到美国、日本的同类产品质量标准。微波干燥具有干燥速率快、生产效率高、对环境无污染等优点,近年来得到了迅速发展。近年来热泵干燥、微波干燥及联合干燥等干燥方式被广泛研究和应用。联合干燥是利用各种干燥方式的优点,将两种或多种干燥方式优势互补,分阶段进行的一种复合干燥技术,可避免了单一干燥方式中干燥效率低、产品品质差的缺点,具有可最大程度地保留物料原有的品质和色泽的特点。本研究采用前期热泵干燥后期微波干燥的联合模式干燥罗非鱼片,分别以干燥能耗和产品复水率为试验指标,采用响应面分析法优选罗非鱼片热泵-微波联合干燥工艺参数,以期提高干燥效率和产品品质,从而为联合干燥罗非鱼片的应用提供有益参考。1材料和方法1.1电子天平的设备自制热泵干燥装置;美的微波炉MK823ESJ-PA,广东美的集团有限公司;JA2003型电子天平,上海沪粤明科学仪器有限公司;HHS-21-4型恒温水浴锅,杭州汇尔仪器设备有限公司;210mm干燥器。1.2工艺1.2.1工艺鲜罗非鱼→预处理(去头尾、去内脏、去鱼鳞)→取2片鱼片→去鱼皮→漂洗→用滤纸吸取表面水分→热泵干燥→微波干燥→成品包装1.2.2肉的制备将新鲜罗非鱼5000g左右经去头尾、去内脏、去鱼鳞处理,清洗干净,直接从鱼脊骨上方取肉切片,两侧各取一片。鱼片取好后,进行去皮处理,控制鱼片大小为110mm×90mm×4mm,清水漂洗,用滤纸吸去表面水分,初始含水率为78%。1.3测量1.3.1剩余含水量的测量采用GB/T14769常压干燥法,将罗非鱼片放入105℃的恒温烘箱中进行干燥,恒质量后称质量,计算湿基含水率,计算公式为:1.3.2滤纸反复吸干复水是指将干燥的产品浸泡在一定温度的水中,吸水后恢复其干燥前状态的过程。复水后的产品要用滤纸反复吸干产品表面的水分,然后称质量。其测量的程序为:称取干制罗非鱼片(M1)→放入40℃恒温水浴锅→复水→取出并滤干→除去表面水分→称质量(M1),计算公式为:复水率(%)=M2M2-M1×100%1.3.3能量测量热泵干燥装置和微波干燥箱电源连接有单相电度表,记录试验开始前与结束后电表读数,两数相减即为本次试验能耗。1.4优化工艺参数的方法1.4.1固定组合试验中参数的确定方法基于预备试验,采用观察和比较分析方法,依据不同干燥阶段影响因素的特征的不同,将部分因素固定下来,重点研究其它主要影响因素。1.4.2零度法确定各因素的零度采用单因素法确定热泵干燥温度、转换点含水率、微波功率影响因素的零水平。1.4.3罗非鱼片联合干燥工艺参数的优化以干燥能耗Y1(kW·h)和产品复水率Y2(%)为试验指标,以热泵干燥温度X1、转换点含水率X2、微波功率X3三因素为自变量,利用DesignExpert软件,设计三因素三水平响应面优化试验,寻找罗非鱼片干燥所需能耗和产品复水率与所选3个因素之间的变化关系,从而优化联合干燥工艺参数。1.4.4数据处理与分析利用Excel2000统计分析数据并绘图,采用DesignExpert7.0统计分析软件进行响应面分析和方差分析(ANOVA),差异P<0.05为显著水平。2结果与分析2.1干燥时间对含水率的影响影响罗非鱼片热泵-微波联合干燥特性和品质的因素很多,主要有热泵干燥温度、热泵干燥介质流速、微波干燥功率、微波干燥时间和热泵-微波联合干燥的转换点参数等。由预备试验得知,干燥前期,风速对含水率变化的影响与普通热风干燥相似,风速越大,含水率变化越快。干燥后期,风速对含水率变化的影响随风速的增大而变小。分析其原因,主要是由于干燥后期进入了内部扩散控制的降速阶段,表面汽化速率的大小对干燥速率的影响已经不占主导地位,因而风速对含水率变化的影响变小。所以试验选取3.0m/s风速进行前期热泵干燥,以提高前期干燥速率。由预备试验的结果可知,在微波功率为252W、单次间歇时间为1min的条件下,单次干燥时间为1min时,鱼片保持了鱼肉特有的味道和口感,肉质具有韧性。单次干燥时间为1.5min、2.0min时,随着单次干燥时间的延长,产品的口感逐渐变硬,失去了鱼肉特有的鲜味,色泽也开始变黄。因而本试验选取后期微波单次干燥时间为1min,单次间歇时间为1min。由此确定热泵干燥风速以及微波单次干燥时间和单次间歇时间作为组合试验的固定参数,热泵干燥温度、微波干燥功率和热泵-微波联合干燥的转换点参数3个因素作为组合设计试验的自变量。2.2微波功率对罗非鱼片性能的影响在鱼片厚度为4mm、干燥风速为3.0m/s时,分别设定热泵干燥温度为30、35、40℃进行单因素试验。热泵干燥温度越高,干燥速率越快。水产品原料是热敏性物料,当干燥温度过高时,蛋白质严重变性,色泽变焦黄,质地变硬,产品平整性较差等。为保持罗非鱼片较好的品质,采用低温干燥方式,选取热泵干燥温度35℃作为零水平。单因素试验表明,4mm厚的罗非鱼片经35℃热泵干燥,其含水率由75%降至40%,需6h,而要将鱼片含水率继续降为15%,则至少还需要一倍的时间。如果在后期改为微波干燥,在252W微波功率下只需要处理不到10min的时间就可以达到目标。当含水率约达40%时,难以通过提高风速强化热泵干燥速率,因此,选取含水率为40%作为热泵-微波联合干燥的转换点的零水平。在前期热泵干燥阶段,取热泵干燥温度为35℃,风速为3.0m/s,当含水率降至40%时转为微波干燥,微波功率分别设为252、538、700W。每次干燥时间为1min,间歇干燥时间为1min。试验表明,含水率变化和干燥速率随微波功率的增加而增大。当微波功率一定时,鱼片的复水率随复水时间的延长而升高;当复水时间相等时,鱼片的复水率随微波功率的增加而降低。当微波功率为252W时,鱼片的复水性能最好。当微波功率为539W、700W时,罗非鱼片的色泽焦黄,质地较硬,品质较差。因此选取微波功率252W作为零水平。基于确定的影响因素零水平,设计三因素三水平响应面优化试验。因素水平编码如表1。2.3响应面结果分析采用DesignExpert7.0统计分析软件设计了三因素三水平共17个试验点的响应面分析试验,以能耗和复水率为响应值,试验方案及结果如表2所示。试验号13-17为中心试验,其余为非中心试验,中心点试验重复5次,用于估计试验误差。根据表2试验结果,用DesignExpert7.0统计分析软件进行多元回归分析,可以看出各具体试验因子对响应值的影响不是简单的线性关系。经回归拟合后,试验因子对响应值的影响可用回归方程表示为:2.3.1各因素交互作用的影响根据回归方程(1)给出能耗的响应面分析图,如图1所示。图1综合反映了各因素的交互作用对干燥过程中能耗的影响。从图中可以看出,转换含水率与热泵温度的交互作用以及微波功率与转换含水率的交互作用对能耗的影响显著,比较而言,微波功率与热泵温度的交互作用对能耗的影响并不显著。2.3.2各因素的交互作用对地震保险复水率的影响根据回归方程(2)给出复水率的响应面分析图,如图2所示。图2综合反映了各因素的交互作用对鱼片复水率的影响。从图中可以看出,各因素的交互作用对鱼片复水率均有一定的影响,但并不显著。在试验水平范围内转换含水率对复水率的影响不大,复水率随热泵温度的升高及微波功率的增大均呈先增大后减小的趋势。2.4反应2的分散分析2.4.1回归模型的建立能耗回归模型方程方差分析如表3所示。如表3所示,对能耗模型Y1=f(X1,X2,X3)进行方差分析,三个因素的交叉项X1X2、X2X3及二次项X12、X22对试验指标有显著或极显著的影响,其余各项不显著,剔除不显著项,得到的模型方程为:Y1=10.62+1.40X1X2+0.68X2X3+0.98X12+2.60X22。回归模型的决定系数R2为0.9547,达到了较好的水平。通过对模型的失拟性检验可以看出,失拟项不显著(P>0.05)。决定系数和失拟性检验两项结果表明,该模型和实际情况拟合程度高,因而可用此模型对干燥能耗与热泵干燥温度、转换含水率、微波功率之间的变化关系进行分析和预测。2.4.2各变量对模型的影响复水率回归模型方程方差分析如表4所示。如表4所示,对复水率模型Y2=f(X1,X2,X3)进行方差分析,一次项X2、X3、二次项X12、X32对试验指标有显著或极显著的影响,其余各项不显著。剔除不显著项,得到的模型方程为:Y2=55.84-3.97X2-4.13X3-7.48X12-4.86X32。回归模型的决定系数R2为0.9287,说明模型的回归性是极显著的,达到了较好的水平。通过对模型的失拟性检验,可以得出,失拟项不显著(P>0.05)。决定系数和失拟性检验两项结果表明,该模型和实际情况拟合程度高,因而可用此模型对产品复水率与热泵干燥温度、转换含水率、微波功率之间的变化关系进行分析和预测。2.5试验因素回归模型的建立随机取3组试验条件以外的数据重新进行验证,分别测定干燥过程的能耗及产品的复水率。把3组试验因素数据代入回归模型得模拟值,并与实际试验测试值相比较,结果如表5。由表5可以看出,三组验证试验的试验值与相应模型预测值的相对误差绝对值均小于5%,说明回归模型基本反应了罗非鱼片联合干燥所需能耗及产品复水率与所选三个因素之间的变化关系。2.6微波能耗计算为确定各因素的最佳取值,利用DesignExpert7.0软件对数据进行分析,得出回归模型的最佳解决方案,在热泵干燥风速为3.0m/s,微波单次干燥时间为1min,单次间歇时间为1min时,能耗的优化参数为:热泵干燥温度为34.34℃,转换点含水率为42.12%,微波功率为131.69W,能耗的最小估计值为10.55kW/h;复水率的优化参数为:热泵干燥温度为33.87℃,转换点含水率为30%,微波功率为201.43W,复水率的最大估计值为59.44%。2.7联合干燥罗非鱼片与热泵干燥条件的比较在热泵干燥风速为3.0m/s、微波单次干燥时间为1min和单次间歇时间为1min的条件下,在热泵中(温度T=35℃)干燥至39%的含水率,再用微波(功率252W,取微波炉功率档)干燥至15%含水率,记录干燥时间,测定罗非鱼片复水率,并与相同工况(温度和风速)热泵干燥的时间和复水率比较。结果表明,联合干燥所用时间(4.9h)比热泵干燥时间(15h)缩短了2/3多。联合干燥罗非鱼片复水40min,复水率达到57.40%,比热泵干燥的复水率(39.16%)增加46.5%。这是因为微波具有选择性加热的特性和水的介电常数较大,蛋白质对微波的吸收能力比水小得多,微波干燥对蛋白质的影响要比其他干燥方式小。微波干燥时间短,干燥过程产品品质变化较小。3能耗及复水率优化1)以热泵干燥温度、联合干燥转换点含水率和微波干燥功率为自变量,以干燥能耗、产品复水率为因变量,通过三因素三水平响应面优化试验,给出干燥能耗和产品复水率随热泵干燥温度、联合干燥转换点含水率和微波干燥功率变化的回归模型,验证试验的试验值与回归模型预测值的误差绝对值均低于5%,说明回归模型较好地反映了罗非鱼片联合干燥所需能耗及产品复水率与所选3个因素之间的变化关系。2)在热泵干燥风速为3.0m/s,微波单次干燥时间为1min,单次间歇时间为1min的工艺条件下,最小能耗的优化参数为:热泵干燥温度为34.34℃,转换点为42.12%,