響應面優化對蝦太陽能干燥能耗工藝研究

郭雪霞，王偉華，劉瑜，冉國偉，張慧媛，郭海楓，王海，*

（1．農業部規劃設計研究院，北京100125；2.農業部農產品產后處理重點實驗室，北京100125；3.河北農業大學，河北保定071001）

響應面優化對蝦太陽能干燥能耗工藝研究

郭雪霞1，2，王偉華3，劉瑜1，2，冉國偉1，2，張慧媛1，2，郭海楓1，王海1，2，*

（1．農業部規劃設計研究院，北京100125；2.農業部農產品產后處理重點實驗室，北京100125；3.河北農業大學，河北保定071001）

為降低南美白對蝦太陽能干燥能耗，該研究以南美白對蝦為原料，選取太陽能干燥溫度、風速及干燥量進行單因素的基礎上，進行Box-Benhnken中心組合試驗和響應面分析法對南美白對蝦太陽能干燥能耗工藝進行優化。結果表明：干燥溫度和干燥量對干燥能耗的影響極顯著（p＜0.01），干燥風速對干燥能耗的影響顯著（p＜0.05），各因素對干燥能耗影響強弱的順序為：干燥量＞干燥溫度＞干燥風速。最佳工藝為：干燥溫度53℃，干燥風速7 m/s，干燥量為3.6 kg，在此條件下，南美白對蝦太陽能干燥能耗為9.18 kW·h（33 048 kJ）。

南美白對蝦；太陽能干燥；響應面；能耗

南美白對蝦（Penaeus vannamei）是當今世界養殖數量最高的三大優良蝦類之一，是一種高蛋白、低脂肪備受人們喜歡的海洋食品[1]。南美白對蝦營養豐富[2-3]，高蛋白低脂肪，含人體所需的8種必需氨基酸和2種半必需氨基酸，具有降血壓、降血脂、降膽固醇的作用。但是南美白對蝦高蛋白、高水分原因，在常溫下內部酶類活性較強，容易腐敗變質，貯藏期縮短[4]。而蝦干制品水分含量相對較低，不需要冷鏈貯藏，耐貯存且易攜帶[5]，因此干制成為其加工的重要方法。

目前，對蝦干燥主要集中在不同干燥方式對對蝦干燥特性和品質的影響。何學連[6]研究了冷凍干燥、真空干燥、微波干燥對白對蝦干燥特性、質構、水分活度（Aw）、白度L值、超微結構和復原率的影響。張高靜[7]開展了不同干燥技術對南美白對蝦干燥特性和產品品質影響的對比研究，分析了真空冷凍、熱風、太陽能和日光晾曬干燥對南美白對蝦營養成分、質構、色澤、感官、干燥速率、產品水分活度、收縮率和復水率的影響。王雅嬌[8-9]等研究了南美白對蝦熱風干燥工藝及干燥模型，比較了電熱熱風、太陽能和自然晾曬干燥3種干燥方式對南美白對蝦干燥特性、品質和能耗的影響。王偉華等[10]探討了實驗室太陽能干燥溫度、風速及干燥量對干燥效果的影響和中試試驗。太陽能干燥耗能問題逐步受到重視，能耗高低與干燥過程相關[11]，Doymaz，I˙brahim 等[12-13]研究了干燥溫度、風速和胡蘿卜片厚度對干燥速率影響，并建立了干燥動力學模型，對不同干燥溫度下水分擴散速率進行了描述，也對綠豆進行了薄層干燥試驗，建立了數學模型，并與不同干燥模型進行擬合分析，根據模型的決定系數（R2）、均方根誤差（RMSE）和卡方（χ2）值確定了最佳模型為page模型。Seyfi Sepik[14-15]設計了由雙通道太陽能集熱器、熱泵、太陽能光伏組件、自動控制系統和測量系統組成太陽能熱泵聯合干燥裝置，并對胡蘿卜片進行了干燥試驗，測定了其在不同溫度、風速和胡蘿卜片厚度下干燥能耗，結果表明雙通道集熱器太陽能利用率從60%提高到78%。本研究以南美白對蝦為原料，利用響應面法對太陽能干燥能耗工藝進行優化，找出南美白對蝦太陽能干燥能耗最佳工藝參數，為其工業化干燥生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

南美白對蝦：唐山市曹碑店養殖區；食鹽：市售。

1.2 儀器設備

太陽能干燥設備：張家口泰華機械廠；DY5多功能電量檢測儀：深圳多一電子有限公司；無紙記錄儀：北京中旺傳感設備公司；輻照儀（DRT-2型總輻射表）：北京天裕德科技有限公司；溫度傳感器：北京中旺傳感器設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 預處理方法

選擇外觀形態完整、大小均一，1 kg 50尾～60尾的新鮮南美白對蝦，按1 kg蝦加入2 kg3%的鹽水，煮沸時間1min，撈出后瀝干，測得初始含水量為（73±1）%。

1.3.2 太陽能干燥設備工作原理

太陽能干燥設備，外形尺寸5 m×3 m×5.5 m，由太陽能空氣集熱器（面積18m2），干燥室（干燥量1kg～40kg）和熱泵（功率2.6 kW）組成。冷空氣通過進風道進入太陽能空氣集熱器，集熱器中的集熱板通過吸熱溫度升高并將冷空氣加熱，熱空氣經風機引入干燥室，與濕物料發生熱交換，使水分蒸發，從而使物料干燥。設備示意圖見圖1。

圖1 太陽能干燥設備示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of solar drying equipment

1.3.3 單因素試驗設計

1）不同太陽能干燥溫度的試驗設計

設定干燥室溫度分別為45、55、65、75℃，風速為8 m/s，每個處理干燥量為3 kg，進行南美白對蝦干燥試驗，每1 h測定一次干基含水率并記錄耗電量，當干基含水率達到（45±1）%時，干燥結束。試驗重復3次，各處理互為對照。

2）不同太陽能干燥風速的試驗設計

設定風速分別為 4、6、8、10 m/s，干燥室溫度為55℃，每個處理干燥量為3 kg，進行南美白對蝦干燥試驗，每1 h測定一次干基含水率并記錄耗電量，當干基含水率達到（45±1）%時，干燥結束。試驗重復3次，各處理互為對照。

3）不同干燥量的試驗設計

設定干燥量為1、2、3、4 kg，干燥室溫度為55℃，風速為8 m/s，進行南美白對蝦干燥試驗，每1 h測定一次干基含水率并記錄耗電量，當干基含水率達到（45±1）%時，干燥結束。試驗重復3次，各處理互為對照。

1.3.4 響應面優化試驗設計

根據單因素試驗結果，采用Box-behnken設計三因素三水平的響應面優化太陽能干燥能耗工藝試驗，試驗設計見表1。

表1 響應面試驗因素水平設計表Table 1 Experimental factors level design of the response surface

以干燥能耗為評價指標，設南美白對蝦太陽能干燥能耗的預測模型為

1.4 試驗結果測定方法

1.4.1 水分含量測定方法

初始含水率W0的測定：使用GB/T5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》，重復測定3次。

干物質質量 m 干的測定：m干=m0×（1-W0）

式中：m干代表干物質質量，g；m0代表物料初始質量，g；W0代表物料的初始含水率，%。

干燥過程中的干基含水率Wt的計算：Wt=（mt-m干）/m干×100

式中：Wt為干燥過程中t時刻干基含水率，%；mt代表t時間的物料質量，g；m干代表干物質質量，g。

1.4.2 耗電量的測定

使用DY5電量監測儀，將其連接到交流電源插座和相應的干燥設備上進行電量測定。當干燥設備開始運行時，開始記錄電量，直至干燥結束再記錄電量。

1.5 數據處理方法

使用SPSS17.0軟件對數據差異顯著性進行分析，差異顯著性水平為0.05，試驗數據采用平均值±標準差表示，使用OriginPro8.0進行制圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 不同太陽能干燥溫度對南美白對蝦干燥能耗的影響

干燥室溫度為 45、55、65、75 ℃，風速為 8 m/s情況下，干燥溫度對南美白對蝦干燥能耗的影響見圖2。

圖2 干燥溫度對南美白對蝦干燥能耗的影響Fig.2 The effects of different drying temperature on the energy consumption of solar drying

由圖2可見，干燥第一個小時能耗較高，這是因為設備經過一晚上停歇剛開始運轉時其內部空氣溫度低、濕度高，達不到所設溫度要求，其自動開啟電加熱和熱泵除濕功能。當設備進入正常運行狀態，不同干燥溫度隨著時間的延長，單位時間能耗呈現逐漸增大趨勢，而且干燥初期緩慢增長，后期增長較快。這是因為干燥初期太陽輻照強，太陽能溫度高，基本可以滿足干燥箱能量需求，當干燥進行到一定程度時，太陽輻照減弱，太陽能溫度降低，系統自動開啟電加熱，而且干燥后期，干燥由表面水分的直接蒸發變為內部水分向外擴散，熱泵排濕時間增加，能耗較高。當風速為8 m/s，干燥量為3 kg時，溫度越高，單位時間能耗越大，當設定溫度較低為45℃時，在一定時間內，太陽能溫度滿足要求，電加熱工作時間短，隨著設定溫度升高，太陽能不能完全滿足消耗，電加熱工作時間變長。但隨著溫度升高，干燥總時間逐漸縮短，能耗減小，其中 45、55、65、75 ℃條件下，干燥總能耗分別為9.03kW·h（32508kJ）、8.56kW·h（30816kJ）、11.81kW·h（42 516 kJ）、9.21 kW·h（33 156 kJ），45 ℃與 75 ℃差異不顯著，55℃時能耗最低，與65℃能耗差異顯著（P<0.05）。由于溫度過高使產品品質降低，因此較適宜溫度范圍為45℃～55℃。

2.1.2 不同太陽能干燥風速對南美白對蝦干燥能耗的影響

干燥風速分別為 4、6、8、10 m/s，干燥室溫度為55℃情況下，干燥風速對南美白對蝦干燥能耗的影響見圖3。

圖3 干燥風速對南美白對蝦干燥能耗的影響Fig.3 The effects of different airflow rate on the energy consumption of solar drying

由圖3可見，不同干燥風速隨著干燥時間的延長，單位時間耗能呈逐步增大趨勢，初期增長緩慢，干燥后期增長較快。這是因為干燥初期太陽能充足，基本可以滿足能量需求，當干燥進行到一定程度時，太陽輻照減弱，太陽能溫度降低，系統自動開啟電加熱，而且干燥后期，干燥由表面水分的直接蒸發變為內部水分向外擴散，熱泵排濕時間增加，能耗較高。當溫度為55℃，干燥量為3 kg時，風速越大，單位時間能耗越大，總能耗也越大，其中 4、6、8、10 m/s干燥條件下，干燥總能耗分別為 8.63 kW·h（31 068 kJ）、8.84 kW·h（31 824 kJ）、9.42 kW·h（33 912 kJ）、10.63 kW·h（38 268 kJ），4 m/s與6 m/s時能耗無顯著差異，但顯著低于8 m/s和0 m/s能耗（p＜0.05）。因此較適宜風速范圍為 6 m/s～8 m/s。

2.1.3 不同干燥量對南美白對蝦干燥能耗的影響

干燥量為 1、2、3、4 kg，干燥室溫度為 55 ℃，風速為8 m/s，干燥量對南美白對蝦干燥能耗的影響如圖4所示。

圖4 干燥量對南美白對蝦干燥能耗的影響Fig.4 The effects of different drying capacity on the energy consumption of solar drying

由圖4可見，不同干燥量隨著干燥時間的增加，其單位時間能耗呈現逐漸增大趨勢，而且呈現先慢后快增長趨勢，這是因為干燥剛開始，太陽輻照強，太陽能溫度高，不需要開啟電加熱。隨著干燥的進行，太陽能溫度降低，設備將自動開啟電加熱，而且干燥由表面直接蒸發轉為內部水分擴散，干燥速率減慢，熱泵排濕時間加長。當干燥溫度為55℃，風速為8 m/s一定時，在一定范圍內，隨著干燥量增加，單位時間能耗逐漸降低。其中干燥量為1、2、3、4 kg時，總能耗分別為 26.47 kW·h（95 292 kJ）、16.00 kW·h（57 600 kJ）、10.25 kW·h（36 900 kJ）、12.54 kW·h（45 144 kJ），4 個處理之間差異顯著（p＜0.05），3 kg干燥量的能耗最低。裝載量較少時，能耗利用率低，能耗高；裝載量合適，可以充分利用能量，能耗低；轉載量較多時，物料厚度增加，傳熱傳質阻力變大，能耗高。因此較適宜的干燥量為 3 kg～4 kg。

2.2 響應面優化試驗結果

2.2.1 回歸模型的建立及方差分析

南美白對蝦太陽能干燥能耗優化Box-behnken試驗設計及結果見表2，回歸模型方差分析結果見表3。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Test design and results of response surface analysis

表3 回歸模型方差分析結果Table 3 Variance analysis of regression model

對表2的試驗數據進行回歸分析，擬合方程，得到的二次多項回歸模型為：

由表3方差分析結果可知，干燥能耗的回歸模型的F值=163.65，p＜0.01，該模型極顯著；失擬項P值=0.494 2＞0.05，失擬項不顯著，該模型穩定，因此可以利用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結果進行分析[16]。回歸模型的確定系數R2=0.995 3，校正系數R2=0.989 2，模型擬合性較好，能夠反應響應值變化，誤差較小。響應面模型的顯著性分析結果表明，X1、X3、X1X3、X12、X22和X32對干燥能耗的影響差異性極顯著（p＜0.01），X2對干燥能耗的影響差異顯著（p＜0.05），X1X2、X2X3對干燥能耗的影響不顯著。各因素干燥能耗影響強弱的順序為：X3（干燥量）＞X1（干燥溫度）＞X2（干燥風速）。

2.2.2 模型的交互項的響應面分析

根據回歸方程，做出兩因素的響應面分析圖，如圖5～圖7所示。

圖5 太陽能干燥溫度和干燥風速對干燥能耗的響應面分析Fig.5 Response surface analysis of solar drying temperature and drying airflow rate on drying energy consumption

圖6 太陽能干燥溫度和干燥量對干燥能耗的響應面分析Fig.6 Response surface analysis of drying temperature and drying capacity on drying energy consumption

由圖5～圖7可知，響應面開口向上，并且存在最低點，從最低點向邊緣逐漸上升，說明隨著各個因素的作用增大，響應值減小，當達到最低點后，各個因素的作用與響應值就成正相關，即隨著因素作用的增大，響應值增大。

圖7 太陽能干燥風速和干燥量對干燥能耗的響應面分析Fig.7 Response surface analysis of drying airflow rate and drying capacity on drying energy consumption

2.2.3 回歸模型的驗證

通過Design Expert 10.0.0響應面分析得到太陽能干燥能耗的較優工藝條件：干燥溫度為53.40℃，風速為7.43 m/s，干燥量為3.65 kg，其預測的南美白對蝦太陽能干燥能耗為8.97 kW·h（32 292 kJ）。為了驗證響應面優化方法的準確性，采用上述最優條件對試驗結果進行驗證，同時為了實際操作的簡便性，將最優工藝參數訂正為干燥溫度為53℃，風速為7 m/s，干燥量為3.6 kg，進行驗證試驗，結果測得南美白對蝦實際太陽能干燥能耗為9.18 kW·h（33 048 kJ），與預測值接近，說明應用響應面優化太陽能干燥工藝的因素是可行的。

4 結論

通過單因素試驗和響應面分析法，優化了南美白對蝦太陽能干燥能耗工藝。建立了干燥溫度X1、干燥風速X2、干燥量X3對干燥能耗的回歸模型。

確定了南美白對蝦太陽能干燥能耗工藝的最佳條件為：干燥溫度為53℃，風速為7m/s，干燥量為3.6 kg，在此條件下，南美白對蝦太陽能干燥能耗為9.18 kW·h（33 048 kJ）。

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Study on the Technology Optimization of the Solar Drying Energy Consumption in Penaeus vannamei by Response Surface Methodology

GUO Xue-xia1，2，WANG Wei-hua3，LIU Yu1，2，RAN Guo-wei1，2，ZHANG Hui-yuan1，2，GUO Hai-feng1，WANG Hai1，2，*
（1.Chinese Academy of Agricultural Engineering，Beijing 100125，China；2.Key Laboratory of Agro-Products Postharvest Handling，Ministry of Agriculture，Beijing 100125，China；3.Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，Hebei，China）

In order to reduce the solar drying energy consumption of Penaeus vannamei，the Penaeus vannamei as raw materials，on the basis of single factor test，the solar drying temperature，wind speed and drying capacity were selected for Box-Behnken design.The results showed that the effect of the drying temperature and drying capacity on the energy consumption was extremely significantly（p＜0.01），the effect of the drying airflow rate on the drying energy consumption was significantly（p＜0.05）.The order of influence of each factor on drying energy consumption was drying capacity＞drying temperature＞drying airflow rate.The optimum process was：the drying temperature 53℃，the drying airflow rat 7 m/s，the drying capacity 3.6 kg，under this condition，the energy consumption of solar energy drying of Penaeus vannamei was 9.18 kW·h（33 048 kJ）.

Penaeus vannamei；solar drying；response surface；energy consumption

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.21.018

海洋公益性行業科研專項項目（201205031-02）

郭雪霞（1978—），女（漢），高級工程師，碩士，主要從事農產品加工技術與裝備研發。

*通信作者：王海（1964—），男（漢），研究員，博士，主要從事農產品加工技術與裝備研發。

2017-03-02