全 文 ：2 0 0 6年 4月 农 业 机 械 学 报 第 37卷 第 4期
响应曲面法优化气体射流冲击锥栗脱壳工艺
林　海　高振江
　　【摘要】　为了优化锥栗气体射流冲击脱壳工艺 ,采用响应曲面法分析了冲击温度 ( 163～ 197℃ )、加热时间
( 109～ 311 s)及气流速度 ( 6. 68～ 9. 73 m /s)对于脱壳锥栗品质 (失水率、脱壳率、色泽 L* 值 )的影响 ,并建立了相应
的预测模型。方差分析的结果表明:冲击温度、加热时间及气流速度对于失水率、脱壳率和色泽 L* 值这三项指标都
有着极为显著的影响。优化所得的较优工艺参数为: 冲击温度 179℃ ,加热时间 278 s,气流速度 7. 83 m /s。对应的失
水率、脱壳率及色泽L*值的预测值分别为: 4. 14% 、 86. 95%和 58. 65。经试验证明: 应用响应曲面法所得到的脱壳工
艺参数是可行的。
关键词: 锥栗　脱壳工艺　气体射流冲击　响应曲面法　优化
中图分类号: TS225. 35 文献标识码: A
Optimization of Air-impingement Shelling forCastanea Henryi Using
Response Surface Methodology
Lin Hai　 Gao Zhenjiang
(China Agricultural University )
Abstract
The objectiv e of the study was to deriv e optimum condi tions fo r castanea henryi shelling by
using air-impingement shel ling technolog y. Response surface methodolog y w as employed to
analy ze the effects o f impingement tempera ture ( 163～ 197℃ ) , heating time ( 109～ 311 s) and
airf low rate ( 6. 68～ 9. 73 m /s) on the rate o f wa ter lo ss, shelling rate and L* value. The
prediction models w ere also established. The analy sis of v ariance revealed that impingement
tempera ture, heating time and airf low rate signi ficant ly ( 99. 9% confidence lev el ) af fected
response variables. Optimum condi tions obtained w ere 179℃ of impingement tempera ture, 278 s
o f hea ting time and 7. 83 m /s o f airf low rate. Values predicted by the models for the rate o f w ater
lo ss, shelling ra te and L* under optimized condi tions w ere 4. 14% , 86. 95% and 58. 65
respectiv ely. These va lues w ere experimentally v eri fied, and good ag reement betw een
experimental and predicted values w as obtained.
Key words　 Castanea henryi , Shelling , Air-impingement , Response surface methodolog y,
Optimization
收稿日期: 2004 12 10
林　海　中国农业大学工学院　硕士生 , 100083　北京市
高振江　中国农业大学工学院　教授　博士生导师
　　引言
锥栗 (castanea henryi )属于壳斗科栗属 ,果肉细
嫩香甜 ,富含蛋白质、脂肪、维生素 C和多种矿物
质 [1 ] ,深受广大消费者的青睐。 而就锥栗的加工而
言 ,除了糖炒锥栗等少数产品外 ,大都需要以脱壳为
加工前提。 至今对锥栗脱壳技术的研究虽有报
道 [2～ 3 ] ,但都还有待于进一步完善。由中国农业大学
工学院所研制的气体射流冲击板栗脱壳机很好地解
决了板栗脱壳的难题 ,经过分析发现:若对此项技术
中的可控参数进行适当的改进和优化 ,便可将其用
于锥栗的加工生产。
评价脱壳锥栗品质的主要指标有:脱壳率、失水
率和色泽L* 值。关于加热过程中栗果的水分损失情
况已有多位学者做过研究 [ 4～ 8] ,但试验温度大都不
超过 110℃ ,这与本文所研究的温度范围相差很多 ,
而且所采用的加热方式也与本文有很大的区别。关
于加热过程中锥栗色泽的变化情况的研究还鲜有报
道。
响应曲面法 ( response surface methodolog y)是
20世纪 90年代初西方所兴起的一种试验统计方法。
它囊括了试验设计、建模、检验模型的合适性、寻求
最佳组合条件等众多试验和统计技术。通过对过程
的回归拟合和响应曲面、等值线的绘制 ,可方便地求
出相应于各因素水平的响应值 [ 9]。
本文将采用响应曲面法对气体射流冲击锥栗脱
壳工艺进行分析和优化。
1　试验材料及方法
1. 1　原料
试验所用锥栗由福建省南平市政和县提供 ,采
收时间为当年 9月份。采后的锥栗经筛选、清洗后置
于温度和相对湿度分别为 ( 0± 1)℃ [10 ]和 ( 96± 2)%
的冰箱内冷藏备用。
1. 2　锥栗的脱壳
首先 ,利用自行研制的 3BKJ 300型锥栗划口
机进行划口。从中选取外形大小一致 ,划口深度合适
的锥栗作为试验对象。 本试验所用样品均质量及湿
基含水率分别为 ( 6. 25± 0. 25) g和 48. 4% ,每组试
处理取样品 50颗 ,总质量为 ( 305± 1. 0) g。
锥栗脱壳所采用的设备为中国农业大学工学院
自行研制的 3QC J10 00型气体射流冲击板栗脱壳
机。其冲击室的结构如图 1所示。其主要原理是利用高
速热气流冲击栗果表面造成栗仁表层水分迅速蒸发 ,
红衣内部的压力迅速增加而达到脱壳的效果 [ 11]。
图 1　冲击室结构示意图
Fig. 1　 Schematic o f processing chamber
1.锥栗　 2.冲击气流　 3.喷嘴　 4.冲击室
5.支撑网　 6.摆动托盘
　 试验参数的设定如表 1所示。 每组试验前应先
将脱壳机设定到指定的温度 ,并等待一段时间以便
使其温度达到稳定状态。
表 1　试验因素水平编码表
Tab. 1　 Coding of levels of factors
水平
编码
因素
冲击温度
A /℃
加热时间
B /s
气流速度
C /m· s- 1
- 1. 682 163 109 6. 68
- 1 170 150 7. 30
0 180 210 8. 21
1 190 270 9. 11
1. 682 197 311 9. 73
1. 3　失水率的测定
失水率 Y 1的计算公式描述如下
Y 1= [ (Mi - Mo ) /Wi ]× 100% ( 1)
式中　Mi—— 未进行脱壳前锥栗的水分含量 , g
Mo——脱壳后锥栗的水分含量 , g
Wi——锥栗的鲜质量 , g
称质量所使用的天平为美国奥豪斯公司生产的
SPS402F型便携式天平。
1. 4　脱壳率的测定
脱壳率的测定在失水率测定之后进行。 经过高
温气体射流冲击处理后锥栗的状态大体可分为
3类:完全脱壳 (表现为栗仁与红衣及外壳分离 )、脱
壳但有红衣黏附 (表现为外壳虽已与栗仁分离 ,但红
衣仍黏附在栗仁表面 )、无法脱壳 (表现为外壳与红
衣、栗仁紧密结合 )。 采用综合加权法对这 3个指标
进行单一化处理 ,将所得出的单一指标作为评价脱
壳率的依据。其中 , 3个指标的权值分别为 0. 7、 0. 05
和 0. 25。
1. 5　色泽的测定
脱壳后的锥栗待其冷却后进行表面色泽的测
定。 采用 CIELAB系统中参数色泽 L*值 ( 0 < L* <
100)来表示 ,L*值越小 ,表示颜色的亮度越低 ,褐变
越严重 ; L* 值大 ,表示锥栗的色泽好 [12 ]。测定所使用
的仪器为英国 Tintometer公司生产的 RT100型光
谱色度仪。
1. 6　试验的设计及数据分析
假设失水率 Y1、脱壳率 Y2及色泽 L* 值 Y3分别
与冲击温度 (喷嘴处冲击气流的温度 ) A、加热时间B
和气流速度 (喷嘴处气流速度 )C存在如下的函数关
系: Y= f ( A ,B ,C ) ,并采取响应曲面法中的中心复
合设计法进行试验设计。选取冲击温度 A、加热时间
B和气流速度 C为自变量 ( independent va riable) ,
分别以 X 1、X 2、X 3来表示 ,并按表 1所示进行编码。
假设由最小二乘法拟合的二次多项式为
72 农　业　机　械　学　报 2 0 0 6年　
Yi= Ui0+ Ui 1X 1+ Ui11X 21+ Ui2X 2+ Ui 22X 22+ Ui3X 3+
Ui33X 23+ Ui 12X 1X 2+ Ui13X 1X 3+ Ui23X 2X 3 ( 2)
式中　Ui 0—— 常数项
Ui 1、Ui2、Ui3——线性项系数
Ui12、Ui 13、Ui23——交互项系数
Ui11、Ui 22、Ui33——二次项系数
为确定方程的各项系数 ,至少需要进行 20组试
验 ,试验安排和结果如表 2所示。
表 2　试验设计及结果表
Tab. 2　Exper imental design and results
试验
次序 X 1 X 2 X 3
响应
失水率 Y 1 /% 脱壳率 Y2 /% 色泽 L* 值 Y3
1 1 - 1 1 2. 78 49. 24 61. 09
2 0 - 1. 682 0 1. 78 4. 99 65. 27
3 1. 682 0 0 3. 45 80. 36 57. 88
4 1 1 - 1 4. 36 87. 39 58. 57
5 0 0 0 3. 05 67. 89 61. 50
6 - 1 - 1 - 1 1. 90 15. 29 66. 16
7 0 0 0 2. 91 67. 43 60. 47
8 0 0 - 1. 682 2. 52 56. 15 63. 82
9 0 0 0 3. 08 68. 37 60. 25
10 - 1 1 - 1 3. 35 74. 39 60. 76
11 0 0 1. 682 3. 34 69. 83 58. 14
12 0 1. 682 0 5. 12 94. 51 56. 81
13 - 1. 682 0 0 2. 65 47. 15 63. 44
14 1 1 1 4. 84 96. 17 55. 57
15 0 0 0 3. 11 68. 20 60. 14
16 1 - 1 - 1 2. 24 42. 38 63. 55
17 0 0 0 3. 20 67. 90 60. 06
18 - 1 1 1 3. 82 82. 90 58. 40
19 - 1 - 1 1 2. 29 21. 501 63. 40
20 0 0 0 3. 21 67. 24 60. 44
2　结果与讨论
2. 1　回归模型
采用回归分析中的向后法 ( backw ard)来寻求
预测模型的最简方程 ,所有显著性概率小于 0. 05的
项都将被剔除。表 3给出了所得到的在试验范围内
的失水率、脱壳率、色泽 L* 值 3个响应的预测模型
(以编码值为自变量 )。从预测模型可以看出:冲击温
度、加热时间、气流速度 3个因素对于 3个响应都具
有显著的影响 (对 L* 值而言 ,只有主效应的影响是
显著的 )。失拟性检验的结果说明: 在试验范围内 ,预
测值与实测值拟合得很好。模型的显著性检验的结
果说明: 3个模型都是极显著的 ( 0. 1%水平 )。3个模
型的 R2a分别为 0. 982 8、 0. 999 7和 0. 972 1,这说明 3
个模型分别可以解释其响应值 98. 28%、 99. 97%和
97. 21%的变化。
表 3　回归分析表
Tab. 3　 Analysis of regression for three response variables
响应变量 预测模型 失拟性检验
F1
显著性检验
F2
R2a
失水率 Y1 /% Y1= 3. 05+ 0. 31X 1+ 0. 94X 2+ 0. 24X 3+ 0. 14X 22+ 0. 15X 1X 2 1. 14ns 217. 97* * * 0. 982 8
脱壳率 Y2 /% Y2= 67. 83+ 10. 03X 1- 1. 37X
2
1+ 26. 58X 2- 6. 32X 22+ 3. 91X 3
- 1. 64X 23- 3. 57X 1X 2+ 0. 53X 2X 3
0. 93ns 8 205. 79* * * 0. 999 7
色泽 L* 值 Y3 Y3= 60. 79- 1. 41X 1- 2. 57X 2- 1. 47X 3 0. 71ns 221. 62* * * 0. 972 1
　　注: ns不显著 ; * * * 在 0. 1%水平下显著
73　第 4期 林海 等 : 响应曲面法优化气体射流冲击锥栗脱壳工艺
　　以上这些都表明通过试验所获得的预测模型是
满足要求的。
2. 2　响应曲面
图 2给出了冲击温度、加热时间和气流速度 3因
素之一取零水平时 ,其他 2因素对于失水率的影响。
通过观察可以发现: 在试验范围内 ,失水率随冲击温
度、加热时间和气流速度的增加而增加 ,且 3个因素
中对于失水率的影响最大的是加热时间 ,冲击温度
次之 ,气流速度的影响最小。
图 2　失水率的响应曲面
Fig. 2　 Response surface o f th e rate o f wa ter lo ss
( a ) Y1= f (A ,B , 8. 21)的响应曲面　 ( b) Y 1= f (A , 210,C )的响应曲面　 ( c) Y 1= f ( 180,B , C )的响应曲面
　　　图 3给出了冲击温度、加热时间和气流速度 3因
素之一取零水平时 ,其他 2因素对于脱壳率的影响。
从图中可以看出: 在试验范围内 ,脱壳率随冲击温
度、加热时间和气流速度的增加而增加 ,且加热时间
对于脱壳率的影响要明显强于冲击温度和气流速
度 ,冲击温度的影响又明显强于气流速度。
图 3　脱壳率的响应曲面
Fig. 3　 Response surface o f the shelling r ate
( a ) Y2= f (A ,B , 8. 21)的响应曲面　 ( b) Y 2= f (A , 210,C )的响应曲面　 ( c) Y 2= f ( 180,B , C )的响应曲面
　　　图 4给出了冲击温度、加热时间和气流速度 3因
素之一取零水平时 ,其他 2因素对于L* 值的影响。从
图中可以看出 ,在试验范围内 ,L* 值与冲击温度、加
热时间和气流速度呈线性关系 ,且当其中的任意 2
个因素为常数时 ,L* 值都随着第 3个因素的增加而
降低 ,即栗仁表面的色泽变暗。导致栗仁表面色泽变
暗的原因有多种:一方面 ,较高的冲击温度 ,会使栗
仁表层发生熟化 ,使其颜色由最初的浅黄色逐渐转
变为深黄色 ;另一方面 ,加热过程中也会伴有一定程
度的褐变的发生。褐变可分为酶促褐变和非酶褐变 ,
由于本试验中加热温度远高于酶的失活温度 ,所以
可以基本排除酶促褐变发生的可能性。 而对于非酶
褐变 ,就试验而言主要是美拉德反应所导致的褐变。
由于美拉德反应的褐变程度受到加热温度和时间的
影响 ,因此应尽可能地降低冲击温度、缩短加热时
间。此外 ,若冲击温度超过 200℃ ,就会伴有焦糖化褐
变的发生 [13 ] ,因此冲击温度应控制在 200℃以内。在
试验范围内 , 3个因素中对于 L* 值的影响最大的是
加热时间 ,冲击温度次之 ,气流速度的影响最小。
74 农　业　机　械　学　报 2 0 0 6年　
图 4　色泽 L*值的响应曲面
Fig. 4　 Response surface of th e L*
( a ) Y3= f (A ,B , 8. 21)的响应曲面　 ( b) Y 3= f (A , 210,C )的响应曲面　 ( c) Y 3= f ( 180,B , C )的响应曲面
　
2. 3　参数优化
L*值作为衡量脱壳锥栗色泽品质的一项指标 ,
在试验范围内要求它的值越大越好。对于失水率 ,由
于面对的最终产品对象不同 ,对其要求也有所差异 ,
本文要求其越小越好。若失水率过大 ,一方面会造成
锥栗产品的口感变差 ;另一方面也会增加锥栗质量
的损失 ,降低锥栗的商品性。而对于脱壳率 ,希望其
越高越好。 因此所设定的优化目标为: L* 值和脱壳
率在试验范围内越大越好 ( L* > 58,脱壳率大于
80% ) ,而失水率在试验范围内越小越好 (失水率小
于 5% )。
选取冲击温度、加热时间及气流速度变化区间
分别为 153～ 197℃ , 109～ 311 s和 6. 68～ 9. 73 m /s,
利用期望函数法 ( desi rability function)进行寻优 ,
得到的优化工艺条件为:冲击温度为 179℃、加热时
间为 278 s、气流速度为 7. 83 m /s,而与此相对应的
利用预测模型所得到的失水率、脱壳率及色泽 L*值
的情况如表 4所示。
表 4　优化工艺条件下的预测值及试验值
Tab. 4　 Prediction values and experimental values at
optimum conditions
响应变量 预测值 试验值±标准差
失水率 Y 1 /% 4. 14 4. 22± 0. 28 ( 6. 64% )
脱壳率 Y 2 /% 86. 95 86. 05± 3. 50 ( 4. 07% )
色泽 L* 值 Y3 58. 65 58. 97± 1. 74 ( 2. 95% )
　　注:括号内为变异系数
从表 4可以看到 ,在优化工艺条件下 ,利用预测
模型得到的失水率、脱壳率和色泽 L* 值都满足要求。
2. 4　模型的验证
在得到优化工艺条件后 ,利用此工艺条件进行
模型的验证试验。若试验的观察值同模型的预测值
相接近 ,则可认为模型是合适的。表 4列出了优化工
艺条件下的预测值和试验值。其中 ,所列出的试验值
为 3次重复试验观察值的平均值。可以看出 ,每一指
标的预测值与其相应的试验值都是相当接近的。 因
此 ,可以认为利用优化所得到的预测模型是合适的 ,
所得到的优化工艺也是可行的。
3　结束语
首次将响应曲面法用于气体射流冲击锥栗脱壳
工艺的优化 ,获得了良好的结果。 得出了失水率、脱
壳率及色泽L*值 3个指标在试验范围内的预测模型
(以编码值为自变量 ) ,分别为
Y1= 3. 05+ 0. 31X 1+ 0. 94X 2+ 0. 24X 3+
0. 14X 22+ 0. 15X 1X 2
Y2= 67. 83+ 10. 03X 1- 1. 37X 21+ 26. 58X 2-
6. 32X
2
2+ 3. 91X 3 - 1. 64X
2
3 - 3. 57X 1X 2+ 0. 53X 2X 3
Y 3= 60. 79- 1. 41X 1- 2. 57X 2- 1. 47X 3
通过优化又得到了如下脱壳工艺: 冲击温度为
179℃、加热时间为 278 s、气流速度为 7. 83 m /s,相
应的失水率、脱壳率及 L*的预测值分别为: 4. 14% 、
86. 95%和 58. 65。试验检验表明 ,该优化工艺是可行
的。
本研究也可为板栗和锥栗脱水、干燥的加工提
供参考。
参 考 文 献
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(下转第 67页 )
75　第 4期 林海 等 : 响应曲面法优化气体射流冲击锥栗脱壳工艺
表 3　不同工艺制取油脂的品质
Tab. 3　 Character istics of oil with dif ferent
processing methods
A B C D E
酸价 /mg g- 1 3. 98 0. 91 0. 98 1. 01 0. 91
碘价 /g I· ( 100 g ) - 1 113. 37 117. 29 108. 47 118. 02 115. 39
　　注: A- 传统压榨油 (取自海拉尔三岔河油厂 ) ,采用传统压榨方法榨取的
菜籽油 ; B- 挤压膨化不脱壳菜籽油 1; C- 挤压膨化不脱壳菜籽油 2; D-挤压
膨化脱壳菜籽油 1; E-挤压膨化脱壳菜籽油 2。
　　可以看出传统压榨菜籽油的酸价高于挤压膨化
菜籽油 ,这是由于挤压油的加热温度较低 ,加热时间
较短且加热均匀 ,油脂的水解酸败发生较少 ,所以游
离脂肪酸的酸价低。 3种加工工艺油的碘价值变化
不大 ,为 108. 47～ 118. 02 g I /100 g。
对不同预处理工艺获得的毛油在 60℃烘箱中加
热 10 d进行加速氧化处理。从图 4可以看出 ,传　　
统轧胚工艺油的稳定性不如挤压膨化工艺油。而且
脱壳挤压油的稳定性略好于不脱壳挤压油。
图 4　不同预处理工艺对油脂稳定性的影响曲线
Fig. 4　 Influence o f rapeseed oil stability in
different technologies
3　结论
( 1)挤压膨化预处理工艺参数对菜籽油的酸价
及油脂氧化稳定性都有较大的影响 ,但对碘值影响
不大。
( 2)从榨笼挤出的脱壳菜籽油的油脂氧化稳定
性好于传统压榨菜籽油和挤压不脱壳菜籽油。
参 考 文 献
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