基于線性功效系數(shù)法及響應(yīng)面法優(yōu)化扇貝柱太陽能干燥工藝

馬珞珞 劉瑜 王海 郭雪霞

摘要：為解決扇貝柱自然干制過程中耗時(shí)長、品質(zhì)低的問題，利用強(qiáng)制對流太陽能干燥器，以扇貝柱為原料，通過單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化扇貝柱太陽能干燥工藝。采用單因素試驗(yàn)考察了干燥溫度、風(fēng)速及載重對扇貝柱干燥時(shí)間及品質(zhì)的影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過線性功效系數(shù)法結(jié)合響應(yīng)面法以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對扇貝柱太陽能干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化。單因素試驗(yàn)表明，干燥溫度50 ℃、風(fēng)速5 m/s、載重1.2 kg時(shí)，扇貝柱品質(zhì)較差；響應(yīng)面優(yōu)化最佳干燥工藝為干燥溫度32.6 ℃、風(fēng)速3.1 m/s、載重1.53 kg，在此條件下扇貝柱太陽能干燥工藝綜合評分為85.30。該研究結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)扇貝柱工業(yè)化干燥提供技術(shù)依據(jù)和理論支撐。

關(guān)鍵詞：扇貝柱；太陽能干燥；線性功效系數(shù)法；響應(yīng)面法；綜合評分

中圖分類號：TS205.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1000-9973（2023）05-0104-06

Abstract： In order to solve the problems of long time-consuming and low quality in the natural drying process of scallop column， with scallop column as the raw material， the solar drying process of scallop column is optimized by single factor test and response surface test using forced convection solar dryer. The effects of drying temperature， wind speed and loading weight on the drying time and quality of scallop column are investigated by single factor test. On the basis of single factor test， the solar drying process of scallop column is optimized by linear efficiency coefficient method combined with response surface method according to the enterprise standard. The single factor test shows that the quality of scallop column is poor when the drying temperature is 50 ℃， the wind speed is 5 m/s and the loading weight is 1.2 kg. The optimal drying process optimized by response surface method is as follows： drying temperature is 32.6 ℃， wind speed is 3.1 m/s and loading weight is 1.53 kg. Under such conditions， the comprehensive score of scallop column by solar drying process? is 85.30. The results can provide technical basis and theoretical support for industrial drying of scallop column.

Key words： scallop column; solar drying; linear efficiency coefficient method; response surface method; comprehensive score

收稿日期：2022-10-22

基金項(xiàng)目：河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20327219D-01）

作者簡介：馬珞珞（1997－），女，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

*通信作者：郭雪霞（1978－），女，高級工程師，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備研發(fā)。

我國海產(chǎn)品資源豐富，據(jù)中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，2020年我國扇貝產(chǎn)量高達(dá)174.62萬噸。扇貝營養(yǎng)豐富，被列為“海產(chǎn)八珍”之一，其主要包括外殼、韌帶、閉殼肌、內(nèi)臟及外套膜[1-2]。其中閉殼肌（扇貝柱）蛋白質(zhì)含量高，是主要的食用和加工部分，深受消費(fèi)者喜愛[3]。但新鮮扇貝柱含水率高，不易儲存，通常采取干燥等方式降低其水分含量，因此新鮮扇貝柱成為制作干貝的主要原料[4-5]。

目前，對于扇貝柱的干燥方法主要分為自然晾曬、烘箱干燥、熱泵干燥、真空凍干及紅外線干燥等。劉靜等[6]通過探究滲透劑預(yù)處理對扇貝熱泵干燥的影響得出，采用適宜濃度滲透劑預(yù)處理可以加快不易流動(dòng)水的遷移速率。Zhu等[4]研究超聲預(yù)處理對扇貝熱泵干燥的影響得出，超聲預(yù)處理降低了總色差和硬度。Bai等[7]對扇貝進(jìn)行電流體干燥試驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)電流體干燥處理的扇貝干燥速度快，且肌肉感官品質(zhì)好，抗擠壓，耐久性高。Sui等[8]研究親水膠體涂層前處理對扇貝柱膨化干燥的影響得出，涂膜前處理可提高膨化干燥后扇貝柱的品質(zhì)。

1 材料與方法

太陽能干燥是利用太陽能產(chǎn)生的熱量對物料進(jìn)行干燥，使物料加熱脫水，通過控制溫度、濕度、風(fēng)速及載重等參數(shù)達(dá)到理想的效果。太陽能由于具有可直接使用、環(huán)保的優(yōu)勢，為農(nóng)產(chǎn)品的干燥提供了有利條件[9-10]。通過企業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，扇貝柱干基含水率為60%時(shí)口感較好，而目前對于扇貝柱干燥主要是參照國家標(biāo)準(zhǔn)（<干基25%）。本文以扇貝柱為原材料，采用線性功效系數(shù)法結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化太陽能干燥工藝，得到以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為終點(diǎn)的扇貝柱干燥最佳工藝，為扇貝柱工業(yè)化干燥方法提供了參考。

1.1 主要材料與試劑

扇貝：秦皇島南戴河李光勇水產(chǎn)養(yǎng)殖有限公司；2.5%戊二醛固定液（生物試劑）：上海源葉生物科技有限公司；無水乙醇（分析純）：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；食鹽：市售。

1.2 主要儀器與設(shè)備

強(qiáng)制對流太陽能干燥器 張家口市泰華機(jī)械廠；ACS-3-A電子秤 廣東香山電子科技有限公司；SU8010生物掃描電子顯微鏡 日本日立公司；WGL-125B立式干燥箱 北京中興偉業(yè)世紀(jì)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 預(yù)處理

將新鮮扇貝柱清洗后放于100 ℃ 3%鹽水中煮1 min[11]，瀝干水分后干燥。測定初始含水率為74%～78%（濕基）。

1.3.2 線性功效系數(shù)法

扇貝柱干燥過程中溫度高、風(fēng)速大，所用干燥時(shí)間短，但干燥后產(chǎn)品有裂紋，口感差，食用時(shí)缺乏嚼勁，感官評分較低；而溫度低、風(fēng)速低又會造成干燥時(shí)間過長，能耗較高。因此，實(shí)際干燥過程中所需干燥時(shí)間越短，得到產(chǎn)品的感官評分越高。由于參考指標(biāo)參數(shù)大小不一，為獲得扇貝柱干燥的最佳工藝參數(shù)，可通過線性功效系數(shù)法[12]對干燥時(shí)間和感官評分進(jìn)行加權(quán)分配，分配系數(shù)分別為0.3，0.7，結(jié)果用綜合評分表示。

干燥時(shí)間Y1′=1－（Y1－Y1 min）/（Y1 max－Y1 min）。

感官評分Y2′=（Y2－Y2 min）/（Y2 max－Y2 min）。

式中：Yi min（i=1，2）表示試驗(yàn)中指標(biāo)的最小值，Yi max（i=1，2）表示試驗(yàn)中指標(biāo)的最大值，Y1′表示干燥時(shí)間的最小值，Y2′表示感官評分的最大值，Y表示綜合評分的最大值。

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考察不同干燥溫度、風(fēng)速、載重對扇貝柱干燥時(shí)間、感官評分、收縮率、復(fù)水率、微觀結(jié)構(gòu)的影響。溫度設(shè)置4個(gè)水平，分別為20，30，40，50 ℃。風(fēng)速設(shè)置4個(gè)水平，分別為2，3，4，5 m/s。單盤載重設(shè)置4個(gè)水平，分別為1.2，1.4，1.6，1.8 kg，干燥量為6盤，托盤面積為0.22 m2，直至扇貝柱含水率達(dá)到干基60%（通過企業(yè)調(diào)研，此時(shí)的產(chǎn)品咀嚼性及品質(zhì)等最佳）時(shí)停止干燥。

1.3.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以干燥溫度、風(fēng)速、載重作為自變量，以干燥時(shí)間和感官評分加權(quán)分配后的綜合評分為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1，感官評分表見表2。

1.3.5 水分含量的測定

初始水分含量依據(jù)GB/T 5009.3－2016。過程中水分含量依據(jù)下式計(jì)算：

Mm=（Bm－B干）/B干。

式中：Mm為m時(shí)扇貝柱的含水率，g/g；Bm為m時(shí)扇貝柱的質(zhì)量，g；B干為絕干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.3.6 收縮率

收縮率的計(jì)算公式：

r=（V－V0）/V×100%。

式中：V為干燥前測定扇貝柱體積；V0為干燥后測定扇貝柱體積。

1.3.7 復(fù)水率

復(fù)水率的計(jì)算公式：

Rf=mf/mg×100%。

式中：mf為干燥后扇貝柱在沸水中煮沸5 min后瀝干水分后稱取的質(zhì)量，g；mg為干燥前扇貝柱的質(zhì)量，g。

1.3.8 微觀結(jié)構(gòu)[13]

將干燥后扇貝柱用手術(shù)刀切成0.5 cm3規(guī)格，加入適量4～6 ℃環(huán)境保存的2.5%戊二醛，固定24 h后，倒掉固定液，用磷酸鹽緩沖液（0.1 mol/L，pH 7.2）沖洗3次，每次10 min，然后用30%、50%、70%、80%、90%、100%乙醇依次沖洗樣品，每次10 min。將樣品臨界點(diǎn)干燥后噴金，在生物掃描電鏡下觀察（×1 000）。

2 結(jié)果與分析

2.1 近十年秦皇島地區(qū)10月份平均溫度變化結(jié)果

秦皇島2012－2021年10月份平均溫度變化見圖1。

2017年、2021年10月份平均溫度分別為16 ℃和19 ℃，除此之外，其他年份10月份平均溫度均在18 ℃左右。由于扇貝收獲有明顯的季節(jié)性和地域性，秦皇島地區(qū)扇貝主要在10月或10月中旬后進(jìn)行收獲，加之本次試驗(yàn)所用扇貝柱源于秦皇島地區(qū)，確定本次試驗(yàn)溫度自20 ℃開始。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 不同干燥條件對扇貝柱干燥時(shí)間和感官評分的影響

由圖2可知，溫度越高、風(fēng)速越大，干燥時(shí)間越少；隨著單盤載重量增加，干燥時(shí)間增加。這是由于溫度升高，內(nèi)部水分遷移到表面的速率以及表面水分釋放至周圍環(huán)境的速率加快，且溫度高的空氣除濕能力更強(qiáng)[14]，縮短了干燥時(shí)間。風(fēng)速提高引起干燥室內(nèi)空氣流動(dòng)速度提高，扇貝柱和干燥空氣之間的對流換熱和傳質(zhì)系數(shù)增加，干燥速度加快[15]。載重增大時(shí)，需蒸發(fā)的水分增多，在熱量供給一定的情況下，干燥時(shí)間延長。隨著溫度、風(fēng)速、載重的增加，感官評分呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。溫度為50 ℃、風(fēng)速為5 m/s及載重為1.2 kg時(shí)，感官評分較低。這是由于此干燥參數(shù)下干燥速度快，內(nèi)外肌纖維不能同時(shí)收縮，導(dǎo)致干燥后的產(chǎn)品開裂皺縮嚴(yán)重，外觀評分較低，影響其感官評分。

2.2.2 不同干燥條件對收縮率、復(fù)水率的影響

由圖3可知，隨著干燥溫度、風(fēng)速的升高，扇貝柱的收縮率減小。這是由于扇貝柱是由橫紋肌組成的，溫度越高、風(fēng)速越大，表面肌纖維干燥速度越快，同時(shí)與內(nèi)部出現(xiàn)水分梯度差，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫、空隙或者蜂窩狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致內(nèi)外肌纖維不能保持緊密的聯(lián)系和收縮，最終表現(xiàn)為收縮率小[16]。隨著干燥量增多，傳熱、傳質(zhì)阻力增加，干燥強(qiáng)度低，內(nèi)外肌纖維可以均勻性地收縮，收縮率略有增大。

復(fù)水率可以表示細(xì)胞和組織狀態(tài)破壞的程度，復(fù)水率越高，表明干制品復(fù)水后的狀態(tài)越接近新鮮制品[17]。由圖3可知，干燥溫度越高，復(fù)水率越小。說明高溫破壞了扇貝柱的結(jié)構(gòu)，造成細(xì)胞彈性較小，復(fù)水較困難。風(fēng)速越大，扇貝柱裂紋或裂縫越多，越易復(fù)水，表現(xiàn)為復(fù)水率變大。干燥量少時(shí)，干燥強(qiáng)度大，細(xì)胞彈性和泡脹能力略有降低，造成復(fù)水率略有減小。但干燥溫度為50 ℃、風(fēng)速為5 m/s時(shí)扇貝柱耐煮性差，復(fù)水后結(jié)構(gòu)已松散。

2.2.3 不同干燥條件對扇貝柱微觀組織結(jié)構(gòu)的影響

由圖4～圖6可知，煮后扇貝柱組織結(jié)構(gòu)濕潤飽滿，肌纖維排列緊密，質(zhì)地較軟，易彎曲變形。干燥后的扇貝柱由于水分散失開始出現(xiàn)孔隙甚至大的裂縫，肌纖維排列散亂。溫度為50 ℃（見圖4中E）、風(fēng)速為5 m/s（見圖5中E）時(shí)，出現(xiàn)大量的不均勻孔隙及大裂紋，肌纖維排列混亂且界限不清晰，造成干扇貝柱易散、塌腰。載重1.2 kg（見圖6中B）時(shí)干燥強(qiáng)度大，失水不均勻，出現(xiàn)少量裂縫。這是由于干燥過程中水分散失不均勻，產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，加之美拉德反應(yīng)造成蛋白質(zhì)聚集[18]。微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果與上述感官評價(jià)結(jié)果一致。

綜上，綜合考慮干燥參數(shù)對扇貝柱干燥時(shí)間及品質(zhì)的影響，確定適宜干燥條件范圍為：溫度20～40 ℃，風(fēng)速2～4 m/s，載重1.4～1.8 kg。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)確定適宜干燥工藝。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化扇貝柱太陽能干燥工藝結(jié)果

2.3.1 扇貝柱太陽能干燥響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇干燥溫度、風(fēng)速、載重作為自變量，以利用線性功效系數(shù)法對干燥時(shí)間和感官評分進(jìn)行加權(quán)分配后得到的綜合評分作為響應(yīng)值，采用Box-Benhnken設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)果見表3。

2.3.2 回歸模型的建立

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表3）進(jìn)行分析后，得到用于預(yù)測綜合評分（Y）的模型為：

Y=83.32+15.09A+6.95B－9.85C－3.39AB－1.39AC+2.96BC－29.69A2－22.74B2－14.24C2。

二次多項(xiàng)回歸模型方差分析見表4。

由表4可知，回歸模型的F值為26.09，P<0.01，說明該模型顯著；失擬項(xiàng)的P值為0.435 2＞0.05，表明與純誤差相比不顯著，并且模型足以預(yù)測輸出。決定系數(shù)R2＝0.971 0，校正決定系數(shù)RAdj2=0.933 8，說明該模型能夠解釋93.38%的響應(yīng)值變化，模型可信度高，該模型可以用來預(yù)測扇貝柱干燥后的綜合評分。

模型中一次項(xiàng)A、C，二次項(xiàng)A2、B2、C2對綜合評分的影響極顯著（P<0.01），一次項(xiàng)B對綜合評分的影響顯著（P<0.05）。由F值可知，3個(gè)因素對綜合評分的影響大小為溫度（A）> 載重（C）>風(fēng)速（B）。

2.3.3 模型的交互項(xiàng)的響應(yīng)面分析

由圖7中a可知，隨著干燥溫度、風(fēng)速的升高，綜合評分呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，溫度對綜合評分的影響大于風(fēng)速。依據(jù)方差分析中AB的P值大于0.05，說明二者對綜合評分的影響具有弱的交互性。由圖7中b可知，隨著干燥溫度、載重的增加，綜合評分呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，溫度在交互作用中的貢獻(xiàn)略大于載重。依據(jù)方差分析中AC的P值大于0.05，說明二者對綜合評分的影響具有弱的交互性。由圖7中c可知，隨著干燥風(fēng)速的升高、載重的增加，綜合評分呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，整體波動(dòng)幅度較小。依據(jù)方差分析中BC的P值大于0.05，說明二者對綜合評分的影響具有弱的交互性。

2.3.4 回歸模型的驗(yàn)證

通過響應(yīng)面分析得到扇貝柱太陽能干燥最優(yōu)工藝條件：干燥溫度為 32.56 ℃，風(fēng)速為3.11 m/s，單盤載重為1.53 kg，扇貝柱綜合評分為87.34。為檢驗(yàn)響應(yīng)面試驗(yàn)的可靠性，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件，修正參數(shù)為溫度32.6 ℃、風(fēng)速3.1 m/s、載重 1.53 kg，得到實(shí)際綜合評分為 85.30，結(jié)果與理論值相近，證明模型可靠，可用于扇貝柱太陽能干燥工藝優(yōu)化。

3 結(jié)果與討論

本文通過單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面試驗(yàn)確定了扇貝柱干燥的最佳工藝。采用單因素試驗(yàn)考察了干燥溫度、風(fēng)速、載重對干燥時(shí)間及品質(zhì)指標(biāo)的影響，確定了適宜扇貝柱太陽能干燥的參數(shù)范圍。采用線性功效系數(shù)法及響應(yīng)面法優(yōu)化了扇貝柱太陽能干燥工藝，得出最佳工藝條件：溫度32.6 ℃、風(fēng)速3.1 m/s、載重1.53 kg，得到實(shí)際綜合評分為 85.30。本研究確定了耗時(shí)少、品質(zhì)高的扇貝柱太陽能干燥工藝，為扇貝柱太陽能干燥工業(yè)化發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

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