胡蘿卜高速剪切粉碎工藝參數試驗*

宮元娟，張建鵬，秦軍偉

(沈陽農業大學工程學院，遼寧沈陽，110161)

胡蘿卜微粉碎后，胡蘿卜粉的孔隙率增大，比表面積也增大，具有良好的溶解性，易于人體消化吸收，可實現原料的全效利用［1-2］。胡蘿卜富含纖維素、糖分、蛋白質及其他生物活性物質，使得加工過程中抗熱性變弱、黏度增大、韌性亦增強，而使胡蘿卜的粉碎工藝變得復雜［3-5］。本文通過采用Matlab數字圖像技術計算胡蘿卜表面積收縮率，研究了其干燥特性，進而利用萬能試驗機對胡蘿卜片的物理機械特性進行分析。以不同的切片厚度、切片方式、含水率、粉碎量和粉碎時間為試驗因素，通過80目標準篩質量比為試驗指標，研究胡蘿卜高速剪切粉碎工藝參數，通過單因素試驗、正交試驗和極差優化分析，并用Matlab中stepwise逐步回歸建立數學模型與優化，確定胡蘿卜采用高速剪切粉碎工藝參數。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用胡蘿卜品種為紅芯四號，生胡蘿卜的平均濕基含水率為90%。

1.2 儀器與設備

DHG-6023A型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科技有限公司;LD-Y400A型高速萬能粉碎機，上海頂帥電器公司;JY2002型電子天平，上海雙旭電子有限公司;CM7-8102型微電子萬能試驗機，美斯特工業系統有限公司;8411型電動振篩機，上虞市一峰儀器廠。

1.3 實驗方法

1．3．1 胡蘿卜原料前處理

胡蘿卜片的制備工藝流程:

胡蘿卜→初選→清洗→去皮→切片→干燥［6］

胡蘿卜片的長寬均為20 mm×20 mm，按照不同的切片方式和切片厚度分為6組，前3組:切片方式為軸向，厚度分別為為3、5、7 mm;第4～6組:切片方式為徑向，厚度分別為3、5、7 mm。

1．3．2 胡蘿卜片的干燥特性

以不同的切片方式和切片厚度為試驗因素，以平均切片表面積收縮率最小為評價指標。利用胡蘿卜干燥前后面積變化，用以計算胡蘿卜片干燥前后面積收縮率，從而分析其干燥特性。

1．3．3 胡蘿卜片的物理機械特性

采用CM7-8102型微電子萬能試驗機對胡蘿卜片進行剪切和壓縮試驗，微電子萬能試驗機對胡蘿卜片的預加載荷力均為0．1N，刀頭下降速度為5 mm/min，以不同的切片方式、切片厚度為因素，以切片平均剪切載荷力最小為評價指標，分析胡蘿卜干片的物理機械特性［7-8］。

2 結果與分析

2.1 胡蘿卜干燥特性分析

測定胡蘿卜干燥過程中實際面積收縮率較復雜，本文采用與其相關的表面積收縮率作為指標，分析其干燥特性。面積收縮率是干燥前物料面積與干燥后物料面積差與干燥前物料面積之比［9-12］。

式中:S1，干燥前物料的面積;S2，干燥后物料的面積。

已知鮮胡蘿卜片投影面積為4 mm2，只需計算干燥后胡蘿卜片的面積。利用Matlab圖像處理功能，可以分析圖像中各個不同特征(如顏色等)點的像素的個數。每張圖片都由一定點組成，而圖片中點的個數就像素。胡蘿卜干片面積的測量過程如圖1所示。

圖1 胡蘿卜面積測量圖像Fig．1 Image of carrot area measurement

將胡蘿卜干片以白色為背景拍攝照片，如圖1-(a)所示;背景圖如圖1-(b)所示;利用差分法去除圖像的背景得到灰度圖如圖1-(c)所示;利用自動閾值法對圖像進行二值化處理得到圖1-(d)。利用Matlab程序計算出干燥后胡蘿卜片的面積，再根據面積收縮率的計算公式從而求得干燥前后的面積收縮率。計算結果如表1所示。

表1 胡蘿卜片的面積收縮率Table 1 The area shrinking rate of carrot

由表1所知，當胡蘿卜片的切片方式軸向、切片厚度為7 mm時，表面積收縮率最小為30．2%，其干燥特性最好。

2.2 胡蘿卜物理機械特性分析

以不同的切片方式、切片厚度為因素，胡蘿卜干片在微機電子萬能試驗機上對進行剪切和壓縮試驗。剪切力與位移的變化如圖2所示，壓縮力與位移的變化如圖3所示。

從圖2中可以看出，當胡蘿卜片為干燥徑向3 mm時，剪切力為1．17N。其中徑向片的平均剪切力比軸向片的小;從圖3中可以看出，當胡蘿卜片為軸向3 mm時，此時壓縮力為4．8N。其中徑向片的平均壓縮載荷小于軸向片。表明胡蘿卜的切片方式為徑向、切片厚度為3 mm時，胡蘿卜片的剪切力和壓縮力最小。

圖2 剪切力與位移Fig．2 Shear stress and displacement

圖3 壓縮力與位移Fig．3 Compressions stress and displacement

2.3 胡蘿卜高速剪切粉碎工藝參數分析

2．3．1 單因素試驗分析

分析各試驗因素與指標的關系，將復雜的多元問題轉化為一元的問題［13-14］。根據粉體粒度特性，以通過80目檢驗篩的質量百分比為評價粉碎效率指標。為確定高速剪切粉碎工藝參數，進行5項單因素試驗。試驗的技術參數如表2所示。

表2 單因素試驗參數Table 2 Single factor test parameters

切片方式對粉碎效率的影響見圖4。不同的切片方式對粉碎效率影響顯著。胡蘿卜高速剪切粉碎時，切片方式為徑向時的粉碎效率明顯優于軸向。

圖4 不同切片方式和粉碎時間對粉碎效率的影響Fig．4 Impact of different cutting method and crushing time on pulverizing efficiency

由圖4還可知，不同的粉碎時間對粉碎效率影響顯著。胡蘿卜高速剪切粉碎時，當粉碎時間由3 min增加到4 min，通過80目標準篩的質量百分比呈先增長后下降的趨勢。當粉碎時間在3．5 min左右時出現波峰，粉碎效果較好。

切片厚度對粉碎效率的影響如圖5所示。由圖5可知，胡蘿卜高速剪切粉碎時，隨著切片厚度的增加，通過80目標準篩的質量百分比在迅速下降。當切片厚度為3．5 mm左右時，粉碎效果較好。

圖5 切片厚度對粉碎效率的影響Fig．5 Impact of thickness of slice on pulverizing efficiency

含水率對粉碎效率的影響見圖6。由圖6可知，胡蘿卜高速剪切粉碎時，含水率從3%增加的7%，通過80目標準篩的質量百分比呈先增長后下降的趨勢。曲線的波峰出現在含水率為5%左右，粉碎效率較好。

粉碎量對粉碎效率的影響如圖7所示，由圖7可知，胡蘿卜高速剪切粉碎時，通過80目標準篩的質量百分比呈先增長后緩慢下降的趨勢。當粉碎量為35g左右時，粉碎效果較好。

2．3．2 胡蘿卜高速剪切粉碎正交試驗方案

分析不同的切片厚度、切片方式、含水率、粉碎量和粉碎時間因素對通過80目標準檢驗篩的粉體質量百分數的影響［15-19］。試驗因素與水平如表3所示，正交試驗方案及結果如表4所示。

圖6 含水率對粉碎效率的影響Fig．6 Impact of moisture content on pulverizing efficiency

圖7 粉碎量對粉碎效率的影響Fig．7 Impact of crushing amount on pulverizing efficiency

表3 試驗因素與水平Table 3 Test factors and levels

表4 正交試驗方案及結果Table 4 Orthogonal experiment methods and results

2．3．3 試驗結果的極差優化分析

試驗結果分析如表5所示，由R的大小可以判斷各因素的主次順序。R的值越大，表明該項因素的水平變化對試驗的指標值影響就大，從而確定影響因的素最優解［20-22］。研究結果表明，優選方案為A2B1C2D3E2。

表5 極差分析Table 5 Range analysis

2．3．4 試驗的Matlab回歸模型分析

Matlab的stepwise的逐步回歸分析可知，Intercept=β^0=-31．008 2，β^1=13．940 7，β^4=25．205 9，因B、C、E的t檢驗不顯著，經逐步回歸分析，剔除B、C、E 3個非顯著性影響因素［25］，剩下的2個因素回歸獲得的模型方程為:y^=-31．008 2+13．940 7x1+25．205 9x4，影響因素的大小順序為:x4＞x1。

模型的殘差分析及檢驗:由 Matlab中的 rcoplot命令可得出殘差分析如圖8所示。

圖8 殘差分析表Fig．8 Residual analysis table

運算結果可得:r2=0．800，F=183．868 6，P=0．000 7．因 p=0．007 ＜ 0．05，可知回歸模型 y^=-31．008 2+13．940 7x1+25．205 9x4成立，顯著性較好。由Matlab中rstool命令找出極值，并結合實際情況得出優化方案為:A2B1C2D3E2。

從殘差檢驗分析圖8可以看出，除第12個數據外，剩下的17個數據的殘差離零點均較近，且零點包含在殘差的置信區間內，表明回歸模型能良好的符合模擬原始數據，而第12個數據可視為異常點，應剔除第12組數據，剔除后，運行源程序得到修正的殘差分析如圖9所示，從而達到很好的回歸效果，表明回歸模型的顯著性較好。

圖9 修正的殘差分析表Fig．9 Correction of residual analysis table

3 結論

利用Matlab圖像處理技術分析胡蘿卜干燥前后面積收縮率，以面積收縮率為評價指標研究其干燥特性。當胡蘿卜片的切片方式軸向、切片為7 mm時，表面積收縮率最小為62．8%，其干燥特性最好。

采用微電子萬能試驗機對胡蘿卜片進行剪切和壓縮試驗，分析干燥后的胡蘿卜片的剪切和壓碎機械特性。表明胡蘿卜的切片方式為徑向、切片厚度為3 mm時，胡蘿卜片的剪切力和壓縮力最小。

胡蘿卜高速剪切粉碎的最佳工藝參數:對實驗結果進行極差優化分析和Matlab的stepwise的逐步回歸分析，確定優化方案為A2B1C2D3E2，即切片方式為徑向、切片厚度為3 mm、含水率為5%、粉碎量為40 g、粉碎時間為3．5 min時，胡蘿卜切片干燥粉碎后通過標準80目篩的質量比最高。

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