茯苓丁真空脉动干燥特性及多目标优化

张卫鹏 陈浩然 范晓志 肖红伟 郑志安,3 巨浩羽

(1. 北京工商大学人工智能学院，北京 100048；2. 中国农业大学工学院，北京 100083；3. 中国农业大学中国农业机械化发展研究中心，北京 100083; 4. 河北经贸大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050061)

茯苓(Poria cocos)，多孔菌科真菌茯苓的干燥菌核，日常食用的茯苓饼、茯苓糕皆以其为原料，目前被广泛应用于保健品和化妆品领域。干燥是茯苓丁加工的主要环节，由于茯苓丁具有特殊的商品属性，其售价与外观紧密相关，质地紧实、棱角分明者售价较高。但目前自然晾晒所需时间长，且易发霉变色；熏硫处理容易使其物料变性失效；持续的热风干燥易造成茯苓丁内外温度、水分分布不均，导致茯苓丁破裂，降低商品属性。间歇式热风干燥时间通常>24 h，效率较低。

高振江等[1]提出了真空脉动干燥技术，间歇式改变真空干燥室压力，有助于提升胡萝卜块的干燥速率。张壁光等[2]通过对干燥室压力的调控，不断打破木材表面水蒸气分压的平衡状态，并实现干燥能量的间歇式供给，有效提高了干燥效率和干燥品质，提出了浮压干燥技术。适宜的间歇式干燥参数可加速物料的质热传递[3-4]，目前已被应用于葡萄[5]、柠檬片[6]、西洋参片[7]的干燥中。薛令阳等[8]设计了加热面积约为1 m2的真空脉动干燥样机。张卫鹏等[9]对比了茯苓丁的热风干燥、气体射流干燥、红外干燥和真空脉动干燥特性，指出了真空脉动干燥方式较优，但尚未探明干燥条件对理化指标的影响规律，且未给出优化的工艺参数。

茯苓丁干燥加工涉及效率、能耗、品质等诸多指标，一味追求高效或高品质并不可行。为平衡各目标参数，凌铮铮等[10]采用隶属度综合评分法优化了花生微波热风联合干燥工艺，但该方法主观性强，多目标优化误差较大。席慧涵[11]采用多种神经网络模型优化了马铃薯远红外干燥工艺，并指出遗传算法具有较佳的全局寻优能力。贾梦科[12]研究了苹果片气体射流干燥过程，并采用遗传算法和隶属度综合评分法对干燥参数进行多目标优化，所得到的工艺具有复水性好、维生素C含量高的特点。巨浩羽等[13]优化了茯苓丁真空联合倾斜式热风干燥工艺，但该干燥方式需要真空干燥后，人工转移料盘，再进行倾斜式热风干燥，劳动强度大，操作不便。而针对茯苓丁真空脉动干燥，尚未有可直接用于工业化生产的优化试验参数。

文章拟采用真空脉动干燥技术，系统考察干燥温度、真空时间、常压时间对干燥时间、单位能耗、多糖含量和破碎率的影响规律，并对比遗传算法、隶属度综合评分法的多目标寻优结果，以期获得效率、能耗、品质俱佳的工艺参数，为茯苓工业化加工提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

新鲜茯苓：安徽金寨乔康药业种植基地；

圆孔筛： BC-10型，孔径10 mm，安徽顺天机械制造有限公司；

切丁机：QDJ-1/2型，岳西县岳工机械厂；

真空脉动干燥装置：YZG-VD01型，南京腾飞干燥设备有限公司；

碳纤维红外板：IR6090型，上海热丽科技集团有限公司；

自动称量系统：MIK-1100型，杭州美控自动化技术有限公司；

针型温度传感器；PT100型，杭州美控自动化技术有限公司；

智能电表：DTS5188型，浙江正泰电气股份有限公司；

控制系统触摸屏： MT8071iE型，威纶通科技有限公司。

1.2 茯苓丁原料的获取

新鲜茯苓采摘后置于温度(24±3) ℃、相对湿度(95±4)%的环境中发汗3 d[14]。去除黑褐表皮和赤茯苓，采用切丁机切制成边长为(12.0±0.5) mm的立方体，过10 mm筛，去除破碎颗粒，每2 kg一袋，聚乙烯塑料袋密封包装，置于3～5 ℃下冷藏备用。

1.3 真空脉动干燥装置

1. 真空箱 2. 控制箱 3. 传感器接口 4. 电源接口 5. 压力传感器接口 6. 单向阀 7. 冷凝器机组 8. 真空泵 9. 电磁阀 10. 手动球阀 11. 料架

如图1所示，真空脉动干燥装置由干燥室、冷凝系统、加热系统、真空系统、控制系统5部分组成，干燥室通过电磁阀与外界相连。调节电磁阀开闭，可使干燥室压力在真空和常压状态之间连续波动变化。真空时间、常压时间可手动设定，时间控制精度为±5 s。干燥室压力切换速率(75±8) kPa/min，压力切换时间<2 min。

图1 真空脉动干燥装置结构简图及干燥室压力变化曲线Figure 1 Pulsed vauum dryer chart and chamberpressure change curve

加热系统由碳纤维红外板供热，料架底部安装有自动称量系统，实时获取茯苓丁质量变化情况，精度为±5 g。针型温度传感器可插入茯苓丁内部监测物料温度变化，精度为±0.1 ℃。干燥能耗由智能电表监测。控制系统的触摸屏可自动显示并存储干燥室压力、加热温度、能耗、干基含水率等参数。

1.4 响应面优化试验

在前期单因素试验的基础上[15]，以干燥温度(65～85 ℃)、真空时间(4～16 min)、常压时间(2～8 min)为影响因子，以干燥时间(y1)、单位能耗(y2)、多糖含量(y3)和破碎率(y4)为响应变量，进行中心复合响应面试验，干燥结束后测定水溶性多糖和破碎率。将茯苓丁单层平铺于料盘中进行干燥，装载密度(3.5±0.1) kg/m2。结合企业生产调度情况，3个班组同时开展试验，结果取均值。

1.5 指标测定

1.5.1 干燥时间测定 以茯苓丁干基含水率从初始值1.04 g/g降低至0.17 g/g的时间作为干燥总时间，并按式(1)计算干基含水率。

(1)

式中：

Wt——t时刻物料的干基含水率，g/g；

Mt——t时刻物料的质量，g；

MG——干物质质量，g。

1.5.2 单位能耗计算方法 脱除单位质量水分所需要的能耗按式(2)计算。

(2)

式中：

φ——单位能耗，kJ·h/kg；

Qact——干燥结束时智能电表测定的总能耗，kJ·h；

Mwater——干燥结束时物料脱水质量，kg。

1.5.3 破碎率测定 干燥后的茯苓丁采用振动筛区分物料等级，感官评价标准：① I级品，立方体外形基本完整、质地紧实、边角有部分缺陷，切面有凸凹洼点或少量裂隙；② II级品，干燥过程中产生不完整茯苓块、破碎的边角颗粒等；③ III级品，筛选后残余不规则细小碎粒及粉末、无大块碎片。人工称重，并按式(3)计算破碎率。

(3)

式中：

μ——破碎率，%；

mI——I级品质量，kg；

mII——II级品质量，kg；

mIII——III级品质量，kg。

1.5.4 多糖含量测定 称取0.500 g粉碎过60目(或40目)筛的样品，于50 mL具塞离心管内，加入25 mL去离子水，涡旋振荡器振匀，于超声提取器中，100 W下提取30 min，超声起始温度28 ℃。提取结束后，冷却至25 ℃，过滤，将上清液移至100 mL容量瓶中，洗涤残渣2～3次，定容，移取10 mL于离心管内待测。具体测定方法参照文献[16]。

1.6 多目标优化方法

遗传算法是通过编码方式选择、初始化种群确定、适应度函数和交叉变异运算，得到复杂多目标函数的最优解。因相关评判指标(干燥时间、单位能耗、多糖含量、破碎率)的量纲和参数变化范围存在较大差异，需结合Euclid距离，定义适应度函数[17]：

minf=∑wi(1-ki)2，

(4)

式中：

i——评价指标编号，取1～4；

wi——指标对应的权重，均为0.25；

ki——第i个响应面回归方程计算值fact和该指标最优值fbest的相关关系。

对于望大型(多糖含量)、望小型指标(干燥时间、单位能耗、破碎率)分别按式(5)和式(6)计算。

(5)

(6)

其中ki越趋近1，表明计算值越接近最优解。

隶属度函数是综合评分优化的基础，对望大型、望小型指标隶属度为：

(7)

(8)

Sj=∑wilj，

(9)

式中：

fmax——评价指标值对应的最大值；

fmin——评价指标值对应的最小值；

fj——第j组试验获取的指标值；

lj——第j组试验的隶属度；

Sj——第j组试验的综合评分值。

2 结果与分析

2.1 响应面回归模型的建立

在前期单因素试验的基础上，以干燥温度、真空时间、常压时间为试验因素，以干燥时间、单位能耗、多糖含量和破碎率为响应值，进行中心复合响应面试验设计。试验因素水平及编码见表1 ，试验设计与结果见表2。

表2 响应面试验结果及隶属度计算结果

通过Design-Expert 软件对试验数据进行回归处理，得到干燥时间(y1)、单位能耗(y2)、多糖含量(y3)、破碎率(y4)及综合评分(S)与各因素变量的回归方程：

y1=4 948.73-93.13A-54.4B-71.82C+0.36AB+0.61AC-1.24BC+0.49A2+1.28B2+5.33C2，

(10)

y2=3.16+0.037A+0.11B-0.50C+0.010 8BC-0.00B2+0.015C2，

(11)

y3=-14.75+0.51A+0.16B-0.55C+0.013AB-0.003A2-0.005B2+0.013C2，

y4=8.99+0.022A+0.43B-0.39C-0.002AB-0.005AC+0.34BC-0.000 28A2-0.012B2+0.017C2，

(13)

S=0.60-0.089A+0.051B-0.03C-0.12AB+0.11BC-0.022A2-0.026B2-0.018C2。

(14)

由表3可知，评价指标值y1～y4对应的回归方程达极显著水平(P<0.000 1)，综合评分S值回归方程达显著水平(P<0.05)，表明试验数据与回归方程模型具有较好的拟合度。一次项A、B、C，交互项AB、AC、BC及二次项A2、B2、C2对干燥时间的影响极显著(P<0.01)。一次项A、B、C，交互项BC及二次项B2、C2对单位能耗的影响极显著(P<0.01)。一次项A、B、C，交互项AB及二次项A2对多糖含量的影响极显著(P<0.01)。一次项A、B、C，交互项BC及二次项B2对破碎率的影响极显著(P<0.01)。一次项A、B对综合评分值S的影响极显著(P<0.01)，一次项C和二次项A2、B2对综合评分值S的影响显著(P<0.05)。由F值可知，各干燥条件对综合评分值S的影响大小依次为干燥温度>真空时间>常压时间。

表3 方差统计结果分析

2.2 影响因子交互作用分析

2.2.1 干燥时间 由图2可知，干燥时间随干燥温度的增加而减小，干燥温度越高，加热板对物料的传热效率越高，温度梯度的增加加速了内部水分向外扩散迁移。常压时间一定时，干燥时间随真空时间的增加先减小后增加。真空状态下，水分沸点降低，利于物料脱水。真空时间过短，有效真空干燥时间减少，干燥速率降低，干燥总时间对应增加；真空时间过长，茯苓丁表面的水蒸气分压容易与干燥室内的水蒸气分压处于平衡状态，物料表面湿度梯度降低，从而降低物料脱水效率[18]。表2数据也显示恒真空干燥不利于茯苓丁脱水，75 ℃下，常压时间为0时，干燥时间延长至570 min；而常压时间为4 min时，干燥时间仅需480 min。真空时间一定时，干燥时间随常压时间的增加先减小后增加。常压时间过短，干燥过程等同于恒真空干燥，会降低茯苓丁脱水效率；常压时间过长会缩短茯苓丁有效真空干燥时间，不利于干燥速率的提升。综上，真空时间与常压时间合理配置，才能有效缩短干燥时间，与枸杞[19]、南瓜片[20]、大蒜[21]的结论一致。

图2 交互作用对干燥时间的影响Figure 2 Effect of interaction on drying time

真空时间、常压时间还会通过物料内部温度影响干燥速率。当常压时间4 min、真空时间10 min、干燥温度75 ℃时，茯苓丁内部温度变化曲线如图3所示，总体呈波动上升趋势。干燥过程中物料吸收的热量，一部分用于水分蒸发，一部分用于物料升温。真空干燥时，水分沸点降低，水分的急剧蒸发会带走大部分热量，物料内部温度迅速降低，不利于物料脱水[22]。此时，需要将干燥室压力切换为常压状态，使吸收的热量主要用于物料升温，待物料温度上升后，再切换为真空状态，进入快速脱水阶段。

图3 茯苓内部温度和干燥室压力的变化曲线Figure 3 Typical change curves of material internaltemperature and chamber pressure

2.2.2 单位能耗 由图4可知，单位能耗随真空时间的增加而增加，是因为真空脉动干燥装置中，真空系统是主要耗电单元，真空系统的持续工作，特别是真空泵频繁启停会显著增加能耗。单位能耗随常压时间的增加而增加，是因为常压阶段内，物料脱水速率较低，会导致干燥总时间增加。而加热系统在常压阶段依然会持续供电，增加能耗。因此，真空脉动干燥需要设置合理的压力切换参数，降低单位能耗，既要降低真空泵运行时间，又要缩短干燥总时间。

图4 真空时间与常压时间的交互作用对单位能耗的影响

2.2.3 多糖含量 由图5可知，干燥温度一定时，多糖含量随真空时间的增加而增加，可能是因为真空干燥阶段物料温度较低，且可避免与外界氧气长时间的接触，有利

图5 干燥温度与真空时间的交互作用对多糖含量的影响

于有效成分的保持。真空时间一定时，多糖含量随干燥温度的增加先增加后减小，干燥温度较低时，干燥总时间较长，长时间的干燥处理容易造成物料品质劣变；高温干燥可有效缩短干燥总时间，但过高干燥温度通常会导致物料表面焦糊变性。因此，干燥温度选择需要考虑品质变化。

2.2.4 破碎率 由图6可知，破碎率随真空时间的减小而降低，可能是因为干燥前期茯苓丁含水率较高，真空时间的缩短会相应增加干燥室压力变化的频率；而频繁的压力变化可使物料内部微观孔道扩张收缩、甚至进一步破裂连通，从而有效缓解温度梯度、湿度梯度不均造成的应力集中现象[23-24]。破碎率随常压时间的增加而减小，是因为常压时间增加，干燥总时间会显著增加，物料脱水速率降低，水分缓慢向外迁移，减缓了物料内部水分分布不均的状况[25-26]。

图6 真空时间与常压时间的交互作用对破损率的影响

2.3 多目标工艺优化及实验验证

通过Design-Expert软件对y1～y4对应的回归方程进行单目标优化，结果见表4。单目标优化的干燥时间、单位能耗、破碎率最小值分别为381 min、3.51 kJ·h/kg、5.99%，多糖含量最大值为4.99 mg/g。

表4 单目标优化结果

将单目标优化最佳值分别代入式(4)～式(6)中得到适应度函数为：

(15)

借助Matlab软件，取群体数量60，交叉概率0.6，变异概率0.06，通过选择、交叉、变异操作形成新种群。遗传算法的终止以设定的循环次数为信号，求取多目标优化的最优解。通过Design-Expert软件对综合评分S对应的回归方程进行单目标优化，得到隶属度法优化的最佳工艺参数。遗传算法和隶属度法的优化结果见表5。

表5 多目标优化及适应度计算结果†

适应度值越小说明优化效果越好。由表5可知，遗传算法的优化结果较优，优化出的干燥温度为80.88 ℃、真空时间为7.68 min、常压时间为5.04 min。相比隶属度法，遗传算法通过升高干燥温度，合理配置真空时间和常压时间，尽管增加了单位能耗，但显著缩短了干燥总时间，并提高了多糖含量。根据系统控制精度，将最佳工艺参数修正为干燥温度81 ℃、真空时间7.7 min、常压时间5.0 min，此时干燥时间为443.3 min、单位能耗为4.43 kJ·h/kg、多糖含量为3.27 mg/g、破碎率为7.42%。该工艺条件下的实测值分别为 (457±15) min、(4.48±0.27)kJ·h/kg、(3.31±0.24) mg/g、(7.18±0.53)%，干燥品质满足行业规范要求。因此，经遗传算法优化得到的工艺参数，可满足真空脉动干燥茯苓丁的工艺要求。

3 结论

通过响应面试验，构建了真空脉动干燥茯苓丁的二次多项式回归模型，并用来分析和预测其干燥参数对干燥时间、单位能耗、多糖含量、破碎率的影响。对比遗传算法、隶属度综合评分法的多目标优化结果，遗传算法的优化效果最佳。真空脉动干燥茯苓丁的最佳工艺参数为：干燥温度81 ℃、真空时间7.7 min、常压时间5.0 min，该工艺下的干燥时间为 (457±15) min、单位能耗为(4.48±0.27) kJ·h/kg、多糖含量为(3.31±0.24) mg/g、破损率为(7.18±0.53)%，说明真空脉动具有干燥时间短、品质好、破碎率底的优点，可用于茯苓丁的工业化加工。尽管真空脉动干燥方法具有节能增效的优势，但干燥室压力的调控仍需依靠大量试验，设置固定干燥参数。而如何基于物料状态变化，自动实现干燥参数的自适应调控是未来亟需突破的问题。

致谢：衷心感谢南京腾飞干燥装备有限公司提供相关技术和装备支持。

(12)

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