楊伊琳， 丁俊雄， 吳小華*， 王鵬， 孫東亮， 于馨堯，張振濤， 李棟

（1.北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617； 2.中國科學院理化技術(shù)研究所，北京 100190；3.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083）

香菇（Lentinus edodes）也稱香蕈，屬于口蘑科香菇屬的一種腐生性真菌，肉質(zhì)鮮美，富含多種營養(yǎng)成分，食藥兩用，具有調(diào)節(jié)免疫力、降血糖、抗腫瘤等保健功能和藥用價值[1-6]。香菇起源于我國，是久負盛名的珍貴食用菌[7-8]。新鮮香菇含水量較大，在常溫下易腐爛變質(zhì)，影響其商品價值。干燥可去除新鮮香菇體內(nèi)大部分水分，抑制微生物的生長，延長儲存時間，增加產(chǎn)品的附加值[9]。

優(yōu)化干燥工藝不但利于儲存加工，而且能增加特殊的香味，提高其商業(yè)價值。優(yōu)化干燥工藝的溫度、風速、單位載荷量、相對濕度等參數(shù)主要在于提高干燥效率和干燥后產(chǎn)品的品質(zhì)，但在干燥過程中，干燥效率與產(chǎn)品品質(zhì)往往不能兼得。響應曲面法多用于開發(fā)、改進和優(yōu)化試驗，陳新瑤等[10]通過響應曲面法優(yōu)化猴頭菇粗多糖的提取工藝，發(fā)現(xiàn)最佳工藝條件為提取時間3.8 h，液料比25 mL·g-1，提取溫度81 ℃；黎斌等[11]以干燥速率和干燥能耗作為優(yōu)化目標，在油菜籽的真空干燥過程中運用響應曲面法建立了預測效果較好的回歸模型，對油菜籽的真空干燥工藝參數(shù)進行優(yōu)化；Zhang等[12]利用響應面法優(yōu)化了茯苓干燥的2個階段的工藝，發(fā)現(xiàn)兩級真空和紅外輔助空氣沖擊干燥是節(jié)能和生產(chǎn)高質(zhì)量茯苓干的有效方法；Shrivastava等[13]使用響應面法優(yōu)化噴霧干燥參數(shù)生產(chǎn)奶油蘋果果肉粉，在入口溫度為135 ℃、出口溫度為75 ℃、麥芽糊精含量為150 g·L-1、水分含量為5%的情況下，獲得了最大粉末產(chǎn)量148 g·L-1。熵值法[14]作為客觀的權(quán)重分析方法，根據(jù)優(yōu)化目標對系統(tǒng)整體變化的影響來確定優(yōu)化目標的權(quán)重，采用該方法對香菇熱風干燥的優(yōu)化目標進行權(quán)重賦值，有效提高了預測的精度，也克服了單目標優(yōu)化的缺陷。

已有研究一般都選用干燥溫度、風速以及單位載荷量作為干燥參數(shù)對熱風干燥進行優(yōu)化，但相對濕度影響物料表面水分蒸發(fā)，對外部擴散阻力具有顯著影響，本文深入研究了相對濕度對色差、水溶性蛋白含量和干燥時間的影響。同時由于干燥工藝參數(shù)的優(yōu)化中對感官品質(zhì)的評分和單目標綜合成多目標使用主觀打分和賦權(quán)，會存在較大的主觀影響因素，并且所選擇的評價指標不夠全面，得到的最佳干燥工藝不夠完善，需要進一步對香菇熱風干燥工藝進行均衡研究得到最優(yōu)干燥參數(shù)。本研究以干燥時間、干香菇色差、水溶性蛋白含量為考察指標，采用熵值法對3個單目標進行綜合加權(quán)評分，通過響應曲面法建立香菇熱風干燥多目標綜合評分優(yōu)化模型，旨在優(yōu)化香菇干燥工藝參數(shù)，為干香菇品質(zhì)的提升提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 香菇樣品 新鮮香菇購自北京市大興區(qū)生鮮超市，個體完整，直徑5～7 cm，高度2.5 cm左右，平均質(zhì)量為16 g。將挑選好的新鮮香菇剪去菇柄，清洗并瀝干水分后，放入4 ℃的冷藏箱內(nèi)儲存?zhèn)溆?，初始含水率約為83.1%。

1.1.2 試劑及試驗儀器 蛋白質(zhì)含量檢測試劑盒，北京盒子生工科技有限公司；石油醚，天津化學分析有限公司。GWS-125AF型恒溫恒濕干燥箱，上海環(huán)競實驗設(shè)備廠；BSM-220型分析天平，上海卓精電子科技公司，精度為0.000 1；XY-110MW型鹵素水分測定儀，幸運電子設(shè)備有限公司；3nh-NR110型色差儀，三恩時科技有限公司；SP-2500型紫外-可見光分光光度計，上海光譜儀器有限公司；TW-200型粉碎機、HR/T16M型高速冷凍離心機、DZKW-4型雙四孔數(shù)顯恒溫水浴鍋，北京中興偉業(yè)世紀儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 單因素試驗設(shè)計 將預處理好的新鮮香菇均勻地平鋪在托盤上，菌蓋向上，每組工況下依次干燥50、100、150和200 g樣品，試驗在恒溫恒濕干燥箱中完成。香菇熱風干燥過程中每隔30 min取出樣品，采用分析天平（BSM-220）稱量后迅速放回干燥箱中繼續(xù)干燥，整個過程不超過1 min[15]。本研究設(shè)計4組試驗，固定參數(shù)：干燥溫度55 ℃，相對濕度35%，風速4 m·s-1，單位載荷量6 kg·m-2；變化參數(shù)設(shè)置方案見表1。

表1 香菇水分比熱風干燥試驗方案Table 1 Test plan for the moisture ratio of lentinus edodes to hot air drying

1.2.2 響應曲面試驗設(shè)計 在單因素試驗基礎(chǔ)上，選定干燥溫度為50 ℃，選取相對濕度（X1）、風速（X2）以及單位載荷量（X3）3個因素，采用三因素三水平的響應曲面試驗對色差（Y1）、水溶性蛋白含量（Y2）、干燥時間（Y3）進行優(yōu)化，利用Design-Expert 11.0軟件對香菇熱風干燥的Box-Behnken試驗結(jié)果進行試驗設(shè)計與分析，當優(yōu)化目標模型的P值小于0.05、決定系數(shù)R2大于0.8時，表明模型擬合較好[16]，可以為香菇干燥提供理論指導，試驗設(shè)計如表2所示。

表2 響應曲面工藝參數(shù)與水平Table 2 Response surface technology parameter and level

1.3 香菇熱風干燥品質(zhì)性狀測定

干香菇的品質(zhì)主要包括感官品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)。其中感官品質(zhì)一般包括干香菇的色差、硬度、復水比等；營養(yǎng)品質(zhì)一般包括干香菇的水溶性蛋白含量、脂肪含量以及總糖含量等[17]。本文以干香菇色差、水溶性蛋白含量為響應值。

1.3.1 色差測定 使用色差儀測定干香菇的色差值，通過公式（1）計算色差[18-19]。L值代表顏色亮度，取值范圍為1～100，L值越大，表示香菇表面亮度越高；a值代表紅綠色差指標，取值范圍為-60～+60，正值為紅色，負值為綠色；b值代表黃藍色差指標，取值范圍為-60～+60，正值為黃色，負值為藍色。

式中，ΔE為干香菇色差；L*0、a*0、b*0為新鮮香菇的色澤值；L、a、b為干香菇的色澤值。

1.3.2 水溶性蛋白含量的測定 使用考馬斯亮藍法測定香菇水溶性蛋白含量[20]，隨機選取3顆干香菇樣品進行粉碎并過60目篩；取0.1 g香菇樣品加入離心管內(nèi)，最后將離心（50 r·min-1，10 min）條件得到的上層清液進行過濾，在過濾液中加入5 mL的考馬斯亮藍溶液；混合均勻后倒入比色皿，利用紫外可見分光光度計測定595 nm吸光度，對照標準曲線求得干香菇水溶性蛋白含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPASS軟件進行統(tǒng)計學分析，通過Design Expert 11軟件對回歸模型進行優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥參數(shù)對干燥特性的影響

2.1.1 干燥參數(shù)對干香菇色差的影響 從圖1可以看出，干香菇色差隨相對濕度的增大而減?。划斚鄬穸葹?5%時，色差最大，為5.92。香菇顏色總色差ΔE與水分含量呈極顯著負相關(guān)，水分含量越高，色差越小，香菇質(zhì)量越優(yōu)。隨著風速的增大，色差減小。當風速為2 m·s-1時，干香菇色差最大，為5.44。干香菇色差隨單位載荷量的變化不顯著。上述結(jié)果表明影響干香菇色差的因素依次為相對濕度、風速和單位載荷量。

圖1 不同干燥參數(shù)下干香菇的色差Fig.1 Color difference of dry Lentinus edodes under drying parameters

2.1.2 干燥參數(shù)對干香菇水溶性蛋白含量的影響 從圖2可以看出，當相對濕度為35%時，干香菇水溶性蛋白含量最低，為31.65 mg·g-1。整體來看，相對濕度較大時，水溶性蛋白含量減少。干燥風速越大，濕度下降越快。在干燥風速為5 m·s-1時，干香菇水溶性蛋白的含量最高。單位載荷量越大，水溶性蛋白含量越小。上述結(jié)果表明影響干香菇水溶性蛋白含量的因素依次為風速、相對濕度和單位載荷量。

圖2 不同干燥參數(shù)下香菇的水溶性蛋白含量Fig.2 Water-soluble protein content of Lentinus edodes under different drying parameters

2.2 干燥參數(shù)對香菇干燥速率的影響

2.2.1 相對濕度對干燥速率的影響 由圖3可知，當相對濕度為25%時，整體為降速干燥；當相對濕度為30%～40%時，干燥速率先增大后減小，且30%的初始干燥速率高于35%和40%。

圖3 不同相對濕度下香菇的干燥速率Fig.3 Drying rate of Lentinus edodes under different relative humidity

2.2.2 風速對干燥速率的影響 從圖4可以看出，當風速為3、5 m·s-1時，整體為降速干燥；當風速為2、4 m·s-1時，干燥速率先增大后減小。其中，風速為5 m·s-1時，香菇在干燥初期的干燥速率最大，下降的速度較其他風速快，到干燥中后期（5 h后）其干燥速率反而最小。

圖4 不同風速下香菇的干燥速率Fig.4 Drying rate of Lentinus edodes under different wind speeds

2.2.3 單位載荷量對干燥速率的影響 從圖5可以看出，當單位載荷量為2～4 kg·m-2時，整體為降速干燥；當單位載荷量為6～8 kg·m-2時，干燥速率先增大后減小，表明影響干燥時間的因素依次為單位載荷量、相對濕度和風速。

圖5 不同單位載荷量下香菇的干燥速率Fig.5 Drying rate of Lentinus edodes under different unit load

2.3 響應曲面優(yōu)化分析

響應曲試驗結(jié)果見表3。

表3 響應曲面試驗條件及結(jié)果Table 3 Response surface experimental conditions and results

2.3.1 優(yōu)化目標回歸模型建立 計算香菇色差、水溶性蛋白含量、干燥時間的回歸系數(shù)，建立的二次回歸模型方程如下。

香菇色差、水溶性蛋白含量、干燥時間的回歸方程及分析如表4所示。可以看出，色差的回歸模型擬合較好。X1、X2、X3的P值小于0.05，表明相對濕度、風速和單位載荷量對干香菇色差的影響比較顯著，且X1、X2和X3的F值分別為18.95、9.75和7.28，表明影響干香菇色差的因素依次為相對濕度、風速和單位載荷量。

表4 香菇色差回歸方程系數(shù)及方差分析Table 4Mushroomcolor difference regression equation coefficient and variance analysis table

水溶性蛋白含量的模型符合要求。其中，X1、X1X2、X22和X32的P值小于0.05，表明相對濕度、風速和單位載荷量對干香菇水溶性蛋白含量的影響比較顯著，且不是簡單的線性關(guān)系。X1、X2和X3的F值為2.21、7.44和1.48，表明影響干香菇水溶性蛋白含量的因素依次為風速、相對濕度和單位載荷量。

干燥時間的模型符合要求。其中，X1、X2、X3的P值小于0.05，表明相對濕度、風速和單位載荷量對干香菇色差的影響比較顯著，且X1、X2和X3的F值為13.14、13.14和19.91，表明影響干燥時間的因素依次為單位載荷量、相對濕度和風速。

2.4 香菇熱風干燥響應曲面分析

2.4.1 干燥參數(shù)對色差的響應曲面分析 如圖6所示，當相對濕度和風速均升高時，或單位載荷量減小且相對濕度增大時，或單位載荷量減小且風速增大時，干香菇色差減小。

圖6 干燥參數(shù)對色差的響應曲面Fig.6 Response surface of drying parameters to color difference

2.4.2 干燥參數(shù)對水溶性蛋白的響應曲面分析如圖7所示，表明相對濕度較低、單位載荷量較小時，干香菇水溶性蛋白含量較高。風速對干香菇水溶性蛋白含量的影響非線性。

圖7 干燥參數(shù)對水溶性蛋白含量的響應曲面Fig.7 Response surface of drying parameters to water-soluble protein content

2.4.3 干燥參數(shù)對干燥時間的響應曲面分析 如圖8所示，表明當相對濕度增加且風速減小時，或單位載荷量和相對濕度增大時，或單位載荷量增大且風速減小時，干燥時間增大。

圖8 干燥參數(shù)對干燥時間的響應曲面Fig.8 Response surface of drying parameters to drying time

2.4.4 單目標優(yōu)化結(jié)果分析 分別以色差、水溶性蛋白含量和干燥時間為單目標，通過Design Expert 11軟件對回歸模型進行優(yōu)化，所得單目標優(yōu)化結(jié)果及對應的工藝參數(shù)如表5所示，在相對濕度為33.58%、風速為5 m·s-1、單位載荷量為4 kg·m-2的工藝下，色差最小為3.301；在相對濕度為33.80%、風速為3 m·s-1、單位載荷量為8 kg·m-2的工藝下，水溶性蛋白含量最高為55.02 mg·g-1；在相對濕度為27.69%、風速為4.8 m·s-1、單位載荷量為4 kg·m-2的工藝下，干燥時間最短，為12.57 h。

表5 單目標優(yōu)化結(jié)果Table 5 Model regression validation data

2.5 多目標優(yōu)化分析

本研究采用熵值法[20]對香菇熱風干燥的優(yōu)化目標進行了權(quán)重賦值。從表5可以看出，單目標優(yōu)化結(jié)果所對應的工藝參數(shù)值并不一致，為得到最佳干燥工藝參數(shù)，采用熵值法需對優(yōu)化目標進行權(quán)重賦值，進行多目標優(yōu)化，通過綜合評分得到最佳干燥工藝參數(shù)。

2.5.1 優(yōu)化目標權(quán)重賦值 在香菇熱風干燥參數(shù)優(yōu)化的過程中，干香菇色差和干燥時間越小越好，水溶性蛋白含量越大越好。因此，將干香菇水溶性蛋白含量作為正向目標，干香菇色差和干燥時間作為逆向目標，對優(yōu)化目標進行無量綱化。為消除物理量不同所造成的影響，使無量綱化的數(shù)據(jù)有意義，并消除零值的影響，需在不破壞原有內(nèi)在規(guī)律的前提下，對無量綱化后的數(shù)據(jù)整體移動，使Xij=Xij+a，且a值需小，本文取a為0.000 1[21]。最終確定色差、水溶性蛋白含量以及干燥時間的權(quán)重分別為0.23、0.50和0.27。

2.5.2 綜合評分回歸模型的建立與優(yōu)化 根據(jù)上述權(quán)重，對表5的結(jié)果進行綜合評分，通過響應曲面法對綜合評分建立回歸方程。利用Design-Expert 11軟件基于得到的綜合評分（Y4）建立回歸模型（式5）。

對香菇綜合評分的回歸方程進行分析，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯⒌哪Ｐ头弦?。其中，X22、X32的P值小于0.05，表明相對濕度、風速和單位載荷量對綜合評分影響規(guī)律不一致。

表6 香菇綜合評分回歸方程系數(shù)及方差Table 6 Mushroom drying time regression equation coefficient and variance analysis table

綜合評分取最大值0.791時，香菇色差為3.58、可溶性蛋白含量為46.39 mg·g-1、干燥時間為12.5 h，對應的香菇熱風干燥的工藝參數(shù)為相對濕度27.1%、風速5 m·s-1以及單位載荷量4 kg·m-2。

2.5.3 驗證結(jié)果分析 選取綜合評分最高時所對應的干燥工藝參數(shù)進行試驗驗證（表7），并將試驗結(jié)果與響應曲面預測值進行對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，試驗結(jié)果與模型預測值的相對誤差均小于7.4%，平均相對誤差為6.6%，表明回歸模型預測效果較好，根據(jù)綜合評價得出的最佳干燥工藝參數(shù)可以為香菇熱風干燥實際生產(chǎn)理論指導。

表7 試驗值與預測值對比Table 7 Comparison of experimental value and predicted value

3 討論

本研究通過單因素試驗得到在相對濕度為33.58%、風速為5 m·s-1、單位載荷量為4 kg·m-2的工藝參數(shù)下，色差最小為3.301；在相對濕度為33.80%、風速為3 m·s-1、單位載荷量為8 kg·m-2的工藝參數(shù)下，水溶性蛋白含量最高為55.02 mg·g-1；在相對濕度為27.69%、風速為4.8 m·s-1、單位載荷量為4 kg·m-2的工藝下，干燥時間最短為12.57 h。色差、水溶性蛋白含量、干燥時間的最佳工藝并不一致，但其均是香菇熱風干燥工藝的重要指標。因此，通過熵值法對三者加權(quán)，確定香菇熱風干燥的最佳工藝參數(shù)。

首先，將色差作為單目標進行試驗，發(fā)現(xiàn)在相對濕度25%～40%范圍內(nèi)，干香菇色差隨相對濕度的增大而減小。較低的相對濕度導致干燥初期香菇脫水較快，外表面皺縮較嚴重，從而干香菇表面變黃變褐。在風速2～5 m·s-1、單位載荷量2～8 kg·m-2范圍內(nèi)，干香菇色差隨風速的增大而減小，隨單位載荷量的增大而增大。風速變小或單位載荷量增加，均會導致干燥時間延長，加劇了美拉德反應及抗壞血酸降解在內(nèi)的一系列化學反應，不斷生成黃褐色的物質(zhì)，從而導致干香菇色差增大。

其次，將水溶性蛋白含量作為單目標進行試驗，發(fā)現(xiàn)在相對濕度25%～40%范圍內(nèi)，相對濕度較高時，水溶性蛋白質(zhì)含量減少，Katayama等[22]用葡萄糖與魚肉肌原纖維蛋白質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)美拉德反應會降低水溶性蛋白的含量。水溶性蛋白含量隨相對濕度的減小而增大，是因為香菇在旱脅迫條件下，會抑制細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成與降解，但會合成一些水溶性蛋白來調(diào)節(jié)細胞滲透壓以抵抗干旱脅迫。干旱脅迫時，細胞內(nèi)脯氨酸大量累積，脯氨酸與蛋白質(zhì)相互作用可增加蛋白質(zhì)的水溶性[23]。單位載荷量越大，水溶性蛋白含量越小，可能是單位密度的增加和接觸面的減少降低了蛋白質(zhì)的溶解性，水溶性蛋白含量減小。干燥前期，隨著水分的持續(xù)蒸發(fā)，水分越少，蛋白質(zhì)相對含量就越高，因此風速為5 m·s-1時初始水分下降最快，顯示水溶性蛋白含量最高；到了中后期，隨著水分的蒸發(fā)，也會裹挾部分水溶蛋白流失[24]，后期干燥時間越長，水溶性蛋白損失越多，這可能是因為香菇長時間處于熱風環(huán)境下，水溶性蛋白受熱變性含量減少，形成大分子量的不溶性蛋白質(zhì)，但水溶性蛋白易于吸收消化，所以在干燥過程中，應盡量減少水溶性蛋白的損失[25]。

最后，在相對濕度為30%～40%、風速為2和4 m·s-1、單位載荷量為6～8 kg·m-2的條件下，初始水分蒸發(fā)速率并不是最快，主要原因是初期樣品表面溫度等于或低于周圍空氣的露點溫度，水蒸氣在表面發(fā)生凝結(jié)，增大了外部擴散阻力，隨干燥過程進行，當內(nèi)部擴散阻力等于外部擴散阻力時干燥速率增加到最大值隨后開始下降[26]。在相對濕度25%～40%范圍內(nèi)，干燥時間隨相對濕度增加而增大，主要是因為環(huán)境相對濕度越大，環(huán)境與物料之間的濕度梯度越小，使得傳質(zhì)推動力減小，水分蒸發(fā)速率降低，物料需要更長時間達到目標含水量[27]。在風速2～5 m·s-1范圍內(nèi)，風速越大，干燥時間越短，干燥過程中的平均速率越快，歸因于干燥早期（表皮尚未產(chǎn)生褶皺時）較大的風速增強了樣品內(nèi)的水傳輸現(xiàn)象[28]；當風速最大為5 m·s-1時，香菇干燥初期的干燥速率達到最大，下降的速度較其他風速也快，到中后期（5 h后）其干燥速率反而最小，可能是由于較高的風速會加快香菇表面的水分蒸發(fā)，香菇表面濕度降低，增大了濕度梯度，有利于內(nèi)部水分向香菇表面遷移，因此早期干燥速率較快；當內(nèi)部水分的遷移速率小于表面水分的蒸發(fā)速率時，香菇表面就會變得干燥，形成一層“硬殼”，從而導致水分蒸發(fā)量減小，阻礙了內(nèi)部水分的遷移速率，干燥速率降低。單位載荷量越大，干燥速率越小，干燥時間越長，表明堆放密度的增加對干燥效率產(chǎn)生負面影響，導致干燥時間延長。這是由于堆放密度增加導致孔隙強度降低，因此空氣通道不足，無法將水分從密度較大的樣品中帶走[29]。

本研究顯示，相對濕度、風速、單位載荷量是影響香菇熱風干燥效率和干香菇產(chǎn)品品質(zhì)的3個重要因素，并采用熵值法確定了干香菇色差、水溶性蛋白含量和干燥時間在綜合評分中的權(quán)重分別為0.23、0.50和0.27，通過三因素三水平的Box-Behnken響應曲面試驗得到香菇干燥模型，確定相對濕度27.1%、風速5 m·s-1以及單位載荷量4 kg·m-2為最佳工藝參數(shù)，此工藝下預測干香菇色差為3.58、可溶性蛋白含量為46.39 mg·g-1、干燥時間為12.5 h。并將此工藝下試驗結(jié)果與模型預測結(jié)果進行對比，相對誤差最大僅為7.4%，表明利用響應曲面法建立的干燥工藝綜合評價模型可用于香菇熱風干燥工藝預測，為香菇干燥提供理論指導。