基于灰色关联的小麦真空调质工艺参数优化

舒服华

武汉理工大学职业技术学院武汉　430070

基于灰色关联的小麦真空调质工艺参数优化

舒服华

武汉理工大学职业技术学院武汉430070

提出一种正交试验与灰色关联分析相结合的小麦真空调质工艺参数优化方法。以正交试验为基础，获得浸润时间、浸润温度、加水量、真空度等工艺参数对出粉率、灰分、白度、破损淀粉值等小麦制粉效果的影响。通过灰色关联分析法对试验数据进行分析，进行单工艺目标优化和综合工艺目标优化，得到小麦真空调质最佳工艺参数，优化后的工艺参数使制粉的出粉率提高2.10%，灰分减小2.63%，破损淀粉值下降13.10%，白度仅下降0.64%。

小麦真空调质工艺参数制粉灰色关联优化

调质是小麦制粉前的重要工序，调质处理是对小麦进行着水、润麦处理的过程。小麦经过调质后，麦粒更加适于制粉，表皮变韧，胚乳软化，制粉过程中可以保证麸片完整，最大限度地刮净胚乳，并将其研磨到特定粗细度和加工精度，加工成适合制作某种或某类食品的小麦粉[1][2]，同时可以达到提高出粉率，降低电耗和减少设备磨损等目的。

真空调质主要利用由压差引起的水动力学机理和变形松弛现象。在真空环境下，物料整体会产生一定的膨胀，导致细胞之间产生间距增大的现象，细胞内的液体易汽化蒸发，外部浸渍液在细胞内外压力差和毛细管效应的共同作用下，更易于渗入物料结构内部[3]。与传统调质方法相比，真空低压环境的压力差作用和小麦籽粒的膨松现象有利于水分的扩散，可以快速达到调质的目的。真空环境中气压降低，氧含量会随压强降低而按比例下降。缺氧氛围有利于调质过程中抑制微生物的繁殖，减少危害食用者健康的真菌毒素的产生。真空调质工艺参数影响小麦加工的品质与产量，选择合适的工艺参数对提高小麦加工质量和效益具有重要的意义。

灰色关联度分析是一种多因素统计分析方法，它对数据的要求较低，能在很大程度上减少由于信息不对称带来的损失。本文采用正交实验与灰色关联分析相结合的方法对小麦真空调质工艺参数进行多目标优化，可解决正交试验信息不完备、数据处理粗糙等问题，提高决策的科学性。

1　试验方法

1）材料与设备

原料选用河南优质小麦品种周麦18为试验材料。试验仪器为MLU-202型布勒试验磨；WSB-IV智能白度测定仪；l0lA-3E型电热鼓风干燥箱；DZF-6050真空干燥箱；TW-4A单级旋片真空泵。

2）试验设计

影响小麦真空调质效果的因素主要有加水量、调质温度、调质时间和真空度等；衡量小麦制粉效果的指标有出粉率、灰分、白度、淀粉破损值等。试验以浸润时间（A）、浸润温度（B）、加水量（C）、真空度（D）为小麦真空调质优化工艺参数，以出粉率（α）、灰分（β）、白度（γ）、淀粉破损值（δ）为小麦加工效果优化目标，设计一个4因素4水平的正交试验，试验设计方案见表1。

3）试验方法

将原料小麦除杂、混合均匀，准确称取1000 g小麦，放入样品袋中；喷雾加水混合，封口后摇混5 min，放置在真空干燥箱内，调节温度，抽真空。加水量、温度、真空度，存放时间按试验设计方案设置。

表1　小麦真空调质工艺参数正交实验设计

调质结束后，取出小麦，放置30 min后进行磨粉，测量面粉品质参数。出粉率采用AACC方法26-21；水分采用GB 5497—1985；灰分采用GB/T 5505—2008；白度采用GB/T 12097—1989；淀粉破损值采用GB/T 9826—2008。试验结果如表2。

表2　真空调质小麦制粉效果试验数据

2　试验结果分析

灰色关联分析是一种用灰色关联度顺序来描述因素间关系的强弱、大小和次序的方法。运用灰色关联度处理正交试验结果，能够综合小麦真空调质4项工艺目标，得到优化的工艺参数组合。基本步骤是首先确定原始数据序列，对其进行灰色关联生成即量纲归一化处理，然后分别求取灰色关联系数，得到灰色关联度，最后进行优势分析[4][5]。先根据灰色关联系数进行单工艺目标优化，后根据灰色关联度进行综合目标优化。这样将多项工艺目标的优化问题转化为单项灰色关联度的优化问题，从而实现多项工艺目标的优化。

1）确定权重

在多工艺目标优化问题中，很难做到让每个工艺目标都处于最优状态，但每个工艺目标也不能平均对待，应根据不同要求及实际情况对不同的工艺目标有所侧重，单工艺目标重要程度一般以权重来体现，综合工艺目标采取权重求和的形式确定。权重通常采用1～9标度法确定。但传统的1～9标度法确定权重计算过程复杂，且要进行一致性检验，文中采用模糊一致矩阵确定工艺目标的权重，其计算简单且不需要一致性检验。标度值确定法则见表3。

表3　标度值确定法则

基本方法是首先对工艺目标的重要性进行两两比较，然后根据表3所示的0.1～0.9标度法法则确定评分，以此构造优先关系矩阵（互补矩阵）D：

式中，dij为工艺目标i相对于工艺目标j的得分，其中，dij=0.5；dji=1-dij。根据优先关系矩阵构造模糊一致矩阵：

式中，α为用户定义系数，满足α≥（n-1）/2。根据权向量确定各工艺目标的权重：

根据相关标准和生产实际，小麦调质4个性能指标的重要性评分分别为d12=0.7，d13=0.8，d14=0.7，d23=0.6，d24=0.7，d34=0.7，则优先关系矩阵为：

由于e1=2.7，e2=2.1，e3=1.8，e4=1.4，则e12=0.575，e13=0.6215，e14=0.6625，e23=0.5375，e24=0.5875，e34= 0.55，取α=2.0，则模糊一致矩阵为：

因此，权向量为P=（0.2938，0.2562，0.2375，0.2125）；由于p1+p2+p3+p4=1，故指标的权重为W=（0.2938，0.2562，0.2375，0.2125）。

2）灰色关联分析数据处理

①确定原始数据序列。试验结果表3中每个工艺目标下的一组数据为原始数据序列，即xi（k），分别代表出粉率、灰分β、白度γ、破损淀粉δ的原始数据序列，i=1，2，3，4，k=1，2，…，16。

②数据规范化处理。由于原始数据序列之间的量纲不同，故需要对其进行无量纲化处理。对于效益型指标，归一化公式为[6]：

对于效益型指标，归一化公式为：

式中，yi（k）为指标i下的第k次试验值的归一化值，k=1，2，…，16。在小麦制粉效果4个性能指标中，α、γ为效益型指标，β、δ为成本型指标，归一化结果如表4。

③求数据差序列。计算公式为：

式中，y0k（k）为i工艺目标下的理想值。文中出粉率α、灰分β、白度γ、破损淀粉δ的理想值均为1。通过计算，数据差序列如表4。

表4　原始数据处理结果

④求灰色关联系数。计算公式为：

式中，ρ为分辨系数，ρ∈[0，1]，一般取ρ=0.5。研究表明，当ρ=0.5463时，分辨率最高，故取ρ= 0.5463，通过计算，灰关联系数ξik如表5所示。

⑤求灰色关联度。灰色关联度为灰色关联系数的加权平均值，即[5]：

通过计算，灰色关联度γk如表5所示。

3）单工艺目标灰关联分析

分别针对出粉率α、灰分β、白度γ、破损淀粉δ进行单工艺目标的灰色关联分析。由表5中各参数不同水平对应的灰色关联系数求得针对各工艺目标的平均灰色关联系数，如表6～表9所示。

表5　灰色关联度系数与灰色关联度

确定每个工艺参数的不同水平对各项工艺目标的影响程度。根据灰色相关度的概念，关联系数均值最大者为最优的工艺参数组合。

针对出粉率，由表6可以看出，最佳工艺参数组合为A4B4C3D4；对出粉率影响由大到小的工艺参数依次为浸润温度、加水量、真空度、浸润时间。

表6　针对出粉率的不同水平平均灰关联系数

针对灰分，由表7可以看出，最佳工艺参数组合为A3B3C3D4；对灰分影响由大到小的工艺参数依次为加水量、真空度、浸润温度、浸润时间。

表7　针对灰分的不同水平平均灰关联系数

表8　针对白度的不同水平平均灰关联系数

针对白度，由表8可以看出，最佳工艺参数组合为A4B4C4D4。对白度影响由大到小的工艺参数依次为浸润时间、真空度、加水量、浸润温度。

表9　针对破损淀粉的不同水平平均灰关联系数

针对破损淀粉，由表9可以看出，最佳工艺参数组合为A2B1C4D3。对破损淀粉影响由大到小的工艺参数依次为加水量、浸润温度、真空度、浸润时间。

4）多工艺目标灰关联分析

针对出粉率α、灰分β、白度γ、破损淀粉δ进行综合工艺目标优化。即对优化对象进行灰色关联度分析，分析结果见表10。

表10　工艺参数各水平平均灰关联度

根据灰色关联度的性质，其大小反映各工艺参数不同水平对多项工艺目标的影响程度。灰色关联度值最高的为对多工艺目标综合优化的最优水平。

浸润时间对综合工艺指标影响的灰关联排序为：γA4＞γA3＞γA2＞γA1。

浸润温度对综合工艺指标影响的灰关联排序为：γB3＞γB2＞γB4＞γB1。

加水量对综合工艺指标影响的灰关联排序为：γC3＞γC4＞γC2＞γC1。

真空度对综合工艺指标影响的灰关联排序为：γD4＞γD3＞γD1＞γD2。

因此，对于综合工艺目标，最优工艺参数组合为A4B3C3D4，即浸润时间50 min、浸润温度40℃、加水量15%、真空度0.08 Mpa。

从表10极差还可以看出，对小麦真空调质制粉综合效果影响由大到小的工艺参数依次为浸润时间、加水量、真空度、浸润温度。

3　试验验证

根据上述灰色关联分析得出优化组合为A4B3C3D4，对该优化组进行验证试验，并将验证结果与正交试验中灰色关联度较高组A4B3C2D4（第15组）试验结果进行对比，如表11。

表11　实验结果比较

可见，优化后的调质工艺参数使小麦出粉率提高2.10%，灰分减小2.63%，破损淀粉值下降13.10%，白度仅下降0.64%，证明优化效果显著。

4　结语

小麦真空调质是一种高效、安全的调质技术。文中提出了正交试验与灰色关联分析相结合的小麦真空调质工艺参数优化方法。以正交试验为基础，获得了浸润时间、浸润温度、加水量、真空度等工艺参数对出粉率、灰分、白度、破损淀粉值等小麦制粉效果的影响。通过灰色关联分析法对试验数据进行分析，首先进行单工艺目标优化，灰色关联系数平均值最大者为最优工艺水平；然后进行综合工艺目标优化，平均灰色关联度最大者为最优水平，得到小麦真空调质的最佳工艺参数，取得满意的效果。优化后的工艺参数使制粉的出粉率提高2.10%，灰分减小2.63 %，破损淀粉值下降13.10%，白度仅下降0.64%，证明了优化效果显著。

[1]张亮，郭祯祥，孙宇.真空调质时间对小麦制粉特性的影响研究[J].农业机械，2012（5）：61-63

[2]王绍文王晓曦，贾爱霞.调质时间对中筋小麦品质特性的影响[J].现代面粉工业，2011（3）：10-15

[3]王晓曦，王绍文，温钦豪.调质温度对中筋小麦品质特性的影响[J].粮食与饲料工业，2011（10）：5-9

[4]张军锋，史耀耀，蔺小军，等.基于灰色关联分析的叶片砂带抛光参数优化[J].计算机集成制造系统，2016，22（4）：123-126

[5]赵建社，郁子欣，周旭娇等.基于灰色理论的钛合金电火花加工工艺参数优化试验[J].中国机械工程，2015，26（14）：1877-1882

[6]舒服华，梁芳.基于灰色关联的铝合金板材焊接工艺参数优化[J].特种铸造及有色合金，2016，36（6）：580-582

TS 211.4+1

A

1674-5280（2016）05-0001-05

2016-07-07

舒服华（1967—），男，湖北武汉人，硕士，教授，主要从事轻工机械研究工作。