基于线性功效系数法及响应面法优化扇贝柱太阳能干燥工艺

马珞珞 刘瑜 王海 郭雪霞

摘要：为解决扇贝柱自然干制过程中耗时长、品质低的问题，利用强制对流太阳能干燥器，以扇贝柱为原料，通过单因素试验及响应面试验优化扇贝柱太阳能干燥工艺。采用单因素试验考察了干燥温度、风速及载重对扇贝柱干燥时间及品质的影响。在单因素试验的基础上，通过线性功效系数法结合响应面法以企业标准对扇贝柱太阳能干燥工艺进行优化。单因素试验表明，干燥温度50 ℃、风速5 m/s、载重1.2 kg时，扇贝柱品质较差；响应面优化最佳干燥工艺为干燥温度32.6 ℃、风速3.1 m/s、载重1.53 kg，在此条件下扇贝柱太阳能干燥工艺综合评分为85.30。该研究结果可为实现扇贝柱工业化干燥提供技术依据和理论支撑。

关键词：扇贝柱；太阳能干燥；线性功效系数法；响应面法；综合评分

中图分类号：TS205.1      文献标志码：A     文章编号：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

基金项目：河北省重点研发计划项目（20327219D-01）

作者简介：马珞珞（1997－），女，硕士，研究方向：农产品加工与贮藏。

*通信作者：郭雪霞（1978－），女，高级工程师，硕士，研究方向：农产品加工技术与装备研发。

我国海产品资源丰富，据中国渔业统计年鉴数据显示，2020年我国扇贝产量高达174.62万吨。扇贝营养丰富，被列为“海产八珍”之一，其主要包括外壳、韧带、闭壳肌、内脏及外套膜[1-2]。其中闭壳肌（扇贝柱）蛋白质含量高，是主要的食用和加工部分，深受消费者喜爱[3]。但新鲜扇贝柱含水率高，不易储存，通常采取干燥等方式降低其水分含量，因此新鲜扇贝柱成为制作干贝的主要原料[4-5]。

目前，对于扇贝柱的干燥方法主要分为自然晾晒、烘箱干燥、热泵干燥、真空冻干及红外线干燥等。刘静等[6]通过探究渗透剂预处理对扇贝热泵干燥的影响得出，采用适宜浓度渗透剂预处理可以加快不易流动水的迁移速率。Zhu等[4]研究超声预处理对扇贝热泵干燥的影响得出，超声预处理降低了总色差和硬度。Bai等[7]對扇贝进行电流体干燥试验，结果表明，经电流体干燥处理的扇贝干燥速度快，且肌肉感官品质好，抗挤压，耐久性高。Sui等[8]研究亲水胶体涂层前处理对扇贝柱膨化干燥的影响得出，涂膜前处理可提高膨化干燥后扇贝柱的品质。

1 材料与方法

太阳能干燥是利用太阳能产生的热量对物料进行干燥，使物料加热脱水，通过控制温度、湿度、风速及载重等参数达到理想的效果。太阳能由于具有可直接使用、环保的优势，为农产品的干燥提供了有利条件[9-10]。通过企业调查发现，扇贝柱干基含水率为60%时口感较好，而目前对于扇贝柱干燥主要是参照国家标准（<干基25%）。本文以扇贝柱为原材料，采用线性功效系数法结合响应面法优化太阳能干燥工艺，得到以企业标准为终点的扇贝柱干燥最佳工艺，为扇贝柱工业化干燥方法提供了参考。

1.1 主要材料与试剂

扇贝：秦皇岛南戴河李光勇水产养殖有限公司；2.5%戊二醛固定液（生物试剂）：上海源叶生物科技有限公司；无水乙醇（分析纯）：天津市富宇精细化工有限公司；食盐：市售。

1.2 主要仪器与设备

强制对流太阳能干燥器 张家口市泰华机械厂；ACS-3-A电子秤 广东香山电子科技有限公司；SU8010生物扫描电子显微镜 日本日立公司；WGL-125B立式干燥箱 北京中兴伟业世纪仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 预处理

将新鲜扇贝柱清洗后放于100 ℃ 3%盐水中煮1 min[11]，沥干水分后干燥。测定初始含水率为74%～78%（湿基）。

1.3.2 线性功效系数法

扇贝柱干燥过程中温度高、风速大，所用干燥时间短，但干燥后产品有裂纹，口感差，食用时缺乏嚼劲，感官评分较低；而温度低、风速低又会造成干燥时间过长，能耗较高。因此，实际干燥过程中所需干燥时间越短，得到产品的感官评分越高。由于参考指标参数大小不一，为获得扇贝柱干燥的最佳工艺参数，可通过线性功效系数法[12]对干燥时间和感官评分进行加权分配，分配系数分别为0.3，0.7，结果用综合评分表示。

干燥时间Y1′=1－（Y1－Y1 min）/（Y1 max－Y1 min）。

感官评分Y2′=（Y2－Y2 min）/（Y2 max－Y2 min）。

式中：Yi min（i=1，2）表示试验中指标的最小值，Yi max（i=1，2）表示试验中指标的最大值，Y1′表示干燥时间的最小值，Y2′表示感官评分的最大值，Y表示综合评分的最大值。

1.3.3 单因素试验设计

考察不同干燥温度、风速、载重对扇贝柱干燥时间、感官评分、收缩率、复水率、微观结构的影响。温度设置4个水平，分别为20，30，40，50 ℃。风速设置4个水平，分别为2，3，4，5 m/s。单盘载重设置4个水平，分别为1.2，1.4，1.6，1.8 kg，干燥量为6盘，托盘面积为0.22 m2，直至扇贝柱含水率达到干基60%（通过企业调研，此时的产品咀嚼性及品质等最佳）时停止干燥。

1.3.4 响应面实验设计

在单因素试验的基础上，以干燥温度、风速、载重作为自变量，以干燥时间和感官评分加权分配后的综合评分为响应值进行响应面试验。响应面试验设计见表1，感官评分表见表2。

1.3.5 水分含量的测定

初始水分含量依据GB/T 5009.3－2016。过程中水分含量依据下式计算：

Mm=（Bm－B干）/B干。

式中：Mm为m时扇贝柱的含水率，g/g；Bm为m时扇贝柱的质量，g；B干为绝干物质的质量，g。

1.3.6 收缩率

收缩率的计算公式：

r=（V－V0）/V×100%。

式中：V为干燥前测定扇贝柱体积；V0为干燥后测定扇贝柱体积。

1.3.7 复水率

复水率的计算公式：

Rf=mf/mg×100%。

式中：mf为干燥后扇贝柱在沸水中煮沸5 min后沥干水分后称取的质量，g；mg为干燥前扇贝柱的质量，g。

1.3.8 微观结构[13]

将干燥后扇贝柱用手术刀切成0.5 cm3规格，加入适量4～6 ℃环境保存的2.5%戊二醛，固定24 h后，倒掉固定液，用磷酸盐缓冲液（0.1 mol/L，pH 7.2）冲洗3次，每次10 min，然后用30%、50%、70%、80%、90%、100%乙醇依次冲洗样品，每次10 min。将样品临界点干燥后喷金，在生物扫描电镜下观察（×1 000）。

2 结果与分析

2.1 近十年秦皇岛地区10月份平均温度变化结果

秦皇岛2012－2021年10月份平均温度变化见图1。

2017年、2021年10月份平均温度分别为16 ℃和19 ℃，除此之外，其他年份10月份平均温度均在18 ℃左右。由于扇贝收获有明显的季节性和地域性，秦皇岛地区扇贝主要在10月或10月中旬后进行收获，加之本次试验所用扇贝柱源于秦皇岛地区，确定本次试验温度自20 ℃开始。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 不同干燥条件对扇贝柱干燥时间和感官评分的影响

由图2可知，温度越高、风速越大，干燥时间越少；随着单盘载重量增加，干燥时间增加。这是由于温度升高，内部水分迁移到表面的速率以及表面水分释放至周围环境的速率加快，且温度高的空气除湿能力更强[14]，缩短了干燥时间。风速提高引起干燥室内空气流动速度提高，扇贝柱和干燥空气之间的对流换热和传质系数增加，干燥速度加快[15]。载重增大时，需蒸发的水分增多，在热量供给一定的情况下，干燥时间延长。随着温度、风速、載重的增加，感官评分呈现先升高后降低的趋势。温度为50 ℃、风速为5 m/s及载重为1.2 kg时，感官评分较低。这是由于此干燥参数下干燥速度快，内外肌纤维不能同时收缩，导致干燥后的产品开裂皱缩严重，外观评分较低，影响其感官评分。

2.2.2 不同干燥条件对收缩率、复水率的影响

由图3可知，随着干燥温度、风速的升高，扇贝柱的收缩率减小。这是由于扇贝柱是由横纹肌组成的，温度越高、风速越大，表面肌纤维干燥速度越快，同时与内部出现水分梯度差，产生内应力，出现裂缝、空隙或者蜂窝状结构，导致内外肌纤维不能保持紧密的联系和收缩，最终表现为收缩率小[16]。随着干燥量增多，传热、传质阻力增加，干燥强度低，内外肌纤维可以均匀性地收缩，收缩率略有增大。

复水率可以表示细胞和组织状态破坏的程度，复水率越高，表明干制品复水后的状态越接近新鲜制品[17]。由图3可知，干燥温度越高，复水率越小。说明高温破坏了扇贝柱的结构，造成细胞弹性较小，复水较困难。风速越大，扇贝柱裂纹或裂缝越多，越易复水，表现为复水率变大。干燥量少时，干燥强度大，细胞弹性和泡胀能力略有降低，造成复水率略有减小。但干燥温度为50 ℃、风速为5 m/s时扇贝柱耐煮性差，复水后结构已松散。

2.2.3 不同干燥条件对扇贝柱微观组织结构的影响

由图4～图6可知，煮后扇贝柱组织结构湿润饱满，肌纤维排列紧密，质地较软，易弯曲变形。干燥后的扇贝柱由于水分散失开始出现孔隙甚至大的裂缝，肌纤维排列散乱。温度为50 ℃（见图4中E）、风速为5 m/s（见图5中E）时，出现大量的不均匀孔隙及大裂纹，肌纤维排列混乱且界限不清晰，造成干扇贝柱易散、塌腰。载重1.2 kg（见图6中B）时干燥强度大，失水不均匀，出现少量裂缝。这是由于干燥过程中水分散失不均匀，产生内部应力，加之美拉德反应造成蛋白质聚集[18]。微观结构结果与上述感官评价结果一致。

综上，综合考虑干燥参数对扇贝柱干燥时间及品质的影响，确定适宜干燥条件范围为：温度20～40 ℃，风速2～4 m/s，载重1.4～1.8 kg。在此基础上进行响应面试验确定适宜干燥工艺。

2.3 响应面优化扇贝柱太阳能干燥工艺结果

2.3.1 扇贝柱太阳能干燥响应面试验结果

根据单因素试验结果，选择干燥温度、风速、载重作为自变量，以利用线性功效系数法对干燥时间和感官评分进行加权分配后得到的综合评分作为响应值，采用Box-Benhnken设计原理进行响应面优化试验，试验设计及优化结果见表3。

2.3.2 回归模型的建立

利用Design Expert 8.0.6软件对试验数据（见表3）进行分析后，得到用于预测综合评分（Y）的模型为：

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

二次多项回归模型方差分析见表4。

由表4可知，回归模型的F值为26.09，P<0.01，说明该模型显著；失拟项的P值为0.435 2＞0.05，表明与纯误差相比不显著，并且模型足以预测输出。决定系数R2＝0.971 0，校正决定系数RAdj2=0.933 8，说明该模型能够解释93.38%的响应值变化，模型可信度高，该模型可以用来预测扇贝柱干燥后的综合评分。

模型中一次项A、C，二次项A2、B2、C2对综合评分的影响极显著（P<0.01），一次项B对综合评分的影响显著（P<0.05）。由F值可知，3个因素对综合评分的影响大小为温度（A）> 载重（C）>风速（B）。

2.3.3 模型的交互項的响应面分析

由图7中a可知，随着干燥温度、风速的升高，综合评分呈现先增加后减少的趋势，温度对综合评分的影响大于风速。依据方差分析中AB的P值大于0.05，说明二者对综合评分的影响具有弱的交互性。由图7中b可知，随着干燥温度、载重的增加，综合评分呈现先增加后减少的趋势，温度在交互作用中的贡献略大于载重。依据方差分析中AC的P值大于0.05，说明二者对综合评分的影响具有弱的交互性。由图7中c可知，随着干燥风速的升高、载重的增加，综合评分呈现先增加后减少的趋势，整体波动幅度较小。依据方差分析中BC的P值大于0.05，说明二者对综合评分的影响具有弱的交互性。

2.3.4 回归模型的验证

通过响应面分析得到扇贝柱太阳能干燥最优工艺条件：干燥温度为 32.56 ℃，风速为3.11 m/s，单盘载重为1.53 kg，扇贝柱综合评分为87.34。为检验响应面试验的可靠性，结合实际试验条件，修正参数为温度32.6 ℃、风速3.1 m/s、载重 1.53 kg，得到实际综合评分为 85.30，结果与理论值相近，证明模型可靠，可用于扇贝柱太阳能干燥工艺优化。

3 结果与讨论

本文通过单因素试验及响应面试验确定了扇贝柱干燥的最佳工艺。采用单因素试验考察了干燥温度、风速、载重对干燥时间及品质指标的影响，确定了适宜扇贝柱太阳能干燥的参数范围。采用线性功效系数法及响应面法优化了扇贝柱太阳能干燥工艺，得出最佳工艺条件：温度32.6 ℃、风速3.1 m/s、载重1.53 kg，得到实际综合评分为 85.30。本研究确定了耗时少、品质高的扇贝柱太阳能干燥工艺，为扇贝柱太阳能干燥工业化发展提供了基础。

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