雞腿菇熱風干燥工藝參數優化

李國鵬，謝煥雄，王嘉麟,2，顏建春，魏 海，陳智鍇

(1.農業部南京農業機械化研究所，南京 210014；2.南京工程學院，南京 211167)

0 引言

毛頭鬼傘(Coprinus comatus)俗稱雞腿菇，菌桿長7～10cm，粗1～2cm，菌肉呈白色，因其形似雞腿而得名[1]。雞腿菇中含有豐富的蛋白質、脂肪、礦物質和維生素等營養成分，還含有18種氨基酸(其中，8種是人體必需氨基酸)，以及能提高機體免疫力、具有調節血糖作用的雞腿菇多糖等，其產量在中國食用菌品種中位居前6位[2-3]。雞腿菇生長速度快，生長周期短，但成熟后的子實體濕基含水率在90%左右，保鮮困難不宜貯藏，采摘后常溫下放置2～3天即出現菌柄升長、開傘、自溶以及褐變等現象，降低了雞腿菇的商品價值，喪失其食用價值[4-7]。對雞腿菇進行干燥可將其濕基含水率降低到11.5%以下，不僅能最大限度地保留新鮮雞腿菇的營養成分和風味，還能降低其水活度，抑制微生物生長，提高貯藏期[8]。

熱風干燥以熱空氣作為干燥介質，將熱量傳遞給干燥物料，同時帶走物料蒸發出來的水分，是食用菌常用的干燥方式之一[9]。研究物料的熱風干燥特性，獲取物料最佳的熱風干燥工藝參數，對提高物料熱風干燥后的產品質量及提高干燥速率都至關重要。本文以新鮮雞腿菇為研究對象，采用Box-Behnken設計實驗方案，對其進行熱風干燥實驗，研究干燥過程中熱風溫度、熱風風速和切片厚度等因素對雞腿菇干燥速率、干燥產品色差和復水比的影響，并結合綜合評分法對實驗數據進行響應面分析，得出最佳熱風干燥工藝參數。

1 材料與儀器

1.1 材料

新鮮雞腿菇購買于徐州一夜茸農場，從中挑選顏色潔白、菇體完整、大小基本一致的無損傷雞腿菇作為實驗原料。

1.2 主要儀器

KETT FD-720紅外水分儀(株式會社kett科學研究所)；CM-5分光測色計(柯尼卡美能達公司)；上海良平電子天平JY5002；HH數顯恒溫水浴鍋。

1.3 實驗裝置

本次實驗采用的熱風干燥實驗裝置由農業部南京農業機械化研究所獨立研制，具備干燥特性、干燥工藝及干燥能耗分析的功能。

2 實驗方法

2.1 實驗指標測定

2.1.1 含水率及干燥速率測定

含水率使用KETT FD-720紅外水分儀測定，測量之前通過調節旋鈕將水分儀調至水平狀態，嚴格按照使用說明進行操作，確保含水率測量結果的準確性，同一批樣品分3次測量取平均值即為本樣品含水率。干燥速率是衡量干燥快慢的重要指標，干燥速率越大，表明干燥完成時所需時間越短、干燥周期越短。在物料進行干燥時要求干燥速率越大越好。本文干燥速率用平均速率表示，定義為每100g樣品干燥前后質量之差與所用時間的比值[10]。計算公式為

其中，V為熱風干燥速率(g/min)；X0-water為物料初始濕基含水率(%)；T為物料干燥時間(min)；Xt-dry為物料干燥經過T時間后的干基含水率(%)。

2.1.2 色差測定

色差表示樣本與參考標準之間的顏色差異，雞腿菇干制品與新鮮雞腿菇的色差值越大，顏色差異越大，褐變越嚴重，因此雞腿菇干燥產品要求其色差值越小越好[11-12]。L、a、b是常用的色坐標之一，L表示明暗度，L=100表示白色，L=0表示黑色；a表示紅綠色；b表示黃藍色。用兩點顏色在色空間中的距離大小(ΔE)表示色差，計算公式為

其中，ΔL、Δa、Δb分別為所測樣本與標準的L、a、b值之差。

使用CM-5分光測色計測量色差，以新鮮雞腿菇的L、a、b值為標準。不同的光源會使顏色看起來不一樣，本次測量選用CIE規定的標準光源D65，在SCI模式下進行測量。為保證測量的均勻性與準確性，每個處理組隨機抽取3份樣品，測量時每份樣品剪成小片狀，如圖1所示。去除粉末避免干擾，用顆粒物料的測量方式進行測量，一次測量結束后將被測樣品倒出混合均勻后裝入測量容器再次進行測量，每份樣品重復10次，每個處理組總共30次測量，求其測量結果的平均值即為處理組雞腿菇干制品的最終L、a、b值。

圖1 色差測試樣本Fig.1 Measurement sample

2.1.3 復水比測定

復水比的大小反應了干制品的復水能力，復水比越大復水能力越強；反之，越弱。用干制品進行復水操作前后的質量之比表示復水比，計算公式為

其中，R為復水比；Mt為干制品進行復水操作一段時間后的質量(g)；M0為復水前干制品的質量(g)。為減小測量誤差，從每個處理組干制品中隨機抽取3份樣品進行測量，求其平均值即為該處理組雞腿菇干制品的復水比。

步驟如下：將裝有適量蒸餾水的燒杯放入40℃恒溫水浴箱中，待燒杯中蒸餾水溫度與水浴溫度一致時，將稱重后的樣品放入燒杯中浸泡30min后取出瀝干，用吸水紙吸干表面水分，再次稱量，兩次稱量結果之比即為復水比[13-14]。

2.2 實驗設計

用水將雞腿菇清洗干凈，瀝干水分后沿生長方向均勻切片，要求表面平整，如圖2所示。將切片后的雞腿菇用95℃熱水漂燙3min，然后用清水迅速冷卻。該處理可在保證雞腿菇原有組織結構完整的情況下使雞腿菇中的多酚氧化酶失活，達到護色目的[15]，待護色處理之后入箱干燥。

圖2 雞腿菇切片圖Fig.2 Coprinus comatus slice

2.2.1 單因素實驗

鑒于科研要緊扣產業、服務于產業，在實驗之前對雞腿菇的食用情況進行了調研，結果表明：日常生活中食用雞腿菇的切片厚度X3在4～11mm之間，故本次實驗確定雞腿菇的最佳切片厚度為4～11mm。在此基礎上進行單因素實驗，確定熱風溫度和風速的最佳水平點。①熱風溫度：將雞腿菇切片厚度定為7.5mm，熱風風速定為1.3m/s，分別在40、50、60、70、80℃熱風溫度下進行熱風干燥，對比干燥效果以確定溫度范圍，試驗結果如表1所示。②熱風風速：將雞腿菇切片厚度定為7.5mm，熱風溫度定為60℃，分別在0.9、1.1、1.3、1.5、1.7m/s熱風風速下進行熱風干燥，對比干燥效果以確定風速范圍，實驗結果如表2所示。

表1 不同熱風風速干燥效果對比Table 1 Comparison of effect with different hot-air rate

表2 不同熱風溫度干燥效果對比Table 2 Comparison of effect with different hot-air temperature

2.2.1.1 不同熱風風速對干燥效果的影響

由表1可知：就干燥速率而言，熱風風速越大干燥速率越大；當熱風干燥風速為1.3m/s時，雞腿菇干燥產品復水比最大且色差最小，此時干制品品質相對最好；當溫度繼續升高時，復水比將減小而色差增大，干制品質量品質降低，且熱風干燥速率增加不明顯。因此，選擇1.3m/s為熱風干燥風速的最佳水平點。

2.2.1.2 不同熱風溫度對干燥效果的影響

由表2可知：在熱風溫度為60℃時，干燥產品的復水比最大且色差最小，產品品質最好；隨著熱風溫度升高，干燥速率有所增加但不明顯，而復水比明顯減小色差明顯增大，產品品質降低。因此，選擇60℃為熱風干燥溫度的最佳水平點。

2.2.2 實驗方案設計

采用Box-Behnken設計實驗方案[16-18]，使用綜合評分法分析和響應面分析相結合的方法，分析各因子對干燥速率(Y1)、復水比(Y2)和色差(Y3)等主要指標的影響，尋求雞腿菇干燥產品各指標綜合值與3個主要因子之間的關系，確定最佳熱風干燥工藝。結合單因素實驗，確定各因子水平及編碼如表3所示。

表3 Box-Behnken設計實驗因子水平及編碼Table 3 Experimental factors and levels

2.3 統計分析

用Design-Expert 8.0.6對實驗數據進行統計分析，求解最優參數組合。

3 結果與分析

采用Box-Behnken設計實驗，實驗方案與結果如表4所示。對本次三因素三水平的17組實驗數據進行響應面分析，分析結果如表5所示。

表4 試驗方案與結果Table 4 Experimental designs and results

表5 單目標回歸模型方差分析結果Table 5 Variance analysis of factors

3.1 單目標優化與分析

3.1.1 各因素對干燥速率的影響

雞腿菇熱風干燥速率Y1與熱風溫度X1、熱風風速X2、切片厚度X3之間的回歸方程為

Y1=0.36088-8.74229×10-3X1+0.21043X2-

5.61677×10-3X3+8.668×10-5X12+6.41228×10-3X22+

8.69194×10-4X32-0.019228X2X3-1.12609×10-4X1X3

回歸模型P<0.000 1，R2=0.995 2，模型極顯著，失擬檢驗P=0.818 9，模型擬合良好。在熱風干燥速率Y1模型中，3個因子對干燥速率影響均極其顯著(P<0.01)，實驗因子對雞腿菇干燥速率影響的主次順序為切片厚度(X3)>熱風風速(X2)>熱風溫度(X1)。當物料切片厚度較小時，物料中的水分擴散到物料表面的路徑較短，有利于物料內部水分的蒸發，可以加快干燥速率，即切片厚度越小干燥速率越大；風速越大，溫度越高，水分蒸發越快，即干燥速率隨熱風溫度和風速的升高而增加。在實驗條件范圍內模型求得最優解(X1,X2,X3,Y2)=(70,1.5,4,0.348)，即熱風溫度為70℃、熱風風速為1.5m/s、切片厚度為4mm時，模型預測干燥速率Y1=0.348為最大值。各試驗因子的二次效應中，熱風溫度二次效應X1X1、切片厚度二次效應X1X1對熱風干燥速率Y1影響極其顯著(P<0.01)，熱風風速二次效應X2X2對Y1影響不顯著(P>0.05)。各因素之間的交互作用(X1X2、X1X3、X2X3)對干燥速率影響大小順序為：X2X3>X1X3>X1X3。其中，熱風風速與切片厚度的交互作用對干燥速率影響極顯著(P<0.05)，如圖3所示。

圖3 X1=60℃X2與X3交互作用對Y1的影響Fig.3 Effects of hot-air velocity and slice thickness on drying ratio

3.1.2 各因素對復水比的影響

雞腿菇干制品復水比Y2與熱風溫度(X1)、熱風風速(X2)、切片厚度(X3)之間的回歸方程為

Y2=-5.54647+0.089818X1+10.96651X2+

0.078875X3-9.81038×10-4X12-4.34884X22-

0.014088X32-1.25×10-3X1X2+

1.71857×10-3X1X3-0.012286X2X3

回歸模型P=0.000 1，R2=0.973，模型極顯著，失擬檢驗P=0.662 8，模型擬合良好。求得模型的最優解為(X1,X2,X3,Y2)=(50.44,1.21, 5.12,3.718)，即熱風溫度為50.44℃、熱風風速為1.21m/s、切片厚度為5.12mm時，模型預測復水比Y2=3.718為最大值。實驗因子對雞腿菇干制品復水比影響均極其顯著(P<0.01)，主次順序為熱風溫度(X1)>切片厚度(X3)>熱風風速(X2)。實驗結果表明：在試驗條件范圍內，雞腿菇干制品復水比隨溫度升高而減小，隨熱風風速和切片厚度的增加先增大后減小，拐點處的值與另外兩因子的大小有關；在各實驗因子的二次效應對中，熱風風速二次效應X2X2、切片厚度二次效應X3X3對干制品復水比Y2影響極其顯著(P<0.01)，熱風溫度二次效應X1X1對Y2影響顯著(P<0.05)。各因素之間的交互作用(X1X2、X1X3、X2X3)對復水比影響主次順序為X1X3>X2X3>X1X2，影響均不顯著(P>0.05)。

3.1.3 各因素對色差的影響

雞腿菇干制品色差Y3與熱風溫度(X1)、熱風風速(X2)、切片厚度(X3)之間的回歸方程為

Y3=310.50861-2.29772X1-327.4806X2+

2.25857X3-0.022534X12+124.58056X22+

0.10791X32-0.16454X1X2-5.55065×10-3X1X3+

1.00989X2X3

回歸模型P<0.000 1，R2=0.988 5，模型極顯著，失擬檢驗P=0.391 0，模型擬合良好。求得模型的最優解為(X1,X2,X3,Y3)=(56.53,1.33, 5.71,21.578)，即熱風溫度為56.53℃、熱風風速為1.33m/s、切片厚度為5.71mm時，模型預測色差值Y3=21.578為最小值。實驗因子對雞腿菇干制品色差影響均極其顯著(P<0.01)，主次順序為熱風溫度(X1)>切片厚度(X3)>熱風風速(X2)。實驗結果表明：在實驗條件范圍內，雞腿菇干制品色差隨著切片厚度的增大而增大，隨熱風溫度和風速的增加先減小后增大，拐點處的值受另外兩因子的大小影響；各實驗因子的二次效應對干燥產品色差Y3影響均極其顯著(P<0.01)。各因素之間的交互作用(X1X2、X1X3、X2X3)對復水比影響主次順序為：X2X3>X1X2>X1X3。其中，熱風風速X2與切片厚度X3的交互作用對干制品色差影響顯著(P<0.05)，如圖4所示。

圖4 X1=60℃X2與X3交互作用對Y3的影響Fig.4 Effects of hot-air velocity and slice thickness on color difference

3.1.4 單目標回歸方程優化

剔除各單目標回歸模型中不顯著回歸項，對模型Y1、Y2、Y3進行優化處理[19-21]，得優化后的模型為

Y1=0.40138-9.60306×10-3X1+0.2271X2-

0.01239X3+8.6815×10-5X12+8.70296×10-4X22-

0.019228X1X3

Y2=-6.10254+0.10108X1+10.79937X2+

0.16602X3-9.1038×10-4X12-4.34884X22-

0.014088X32

Y3=325.84018-2.55325X1-337.35273X2-

2.59161X3+0.022534X12+124.58054X22+

0.10791X32+1.00989X2X3

3.2 綜合優化與分析

由于熱風溫度X1、熱風風速X2和切片厚度X3等因子對衡量雞腿菇干制品質量的3個實驗指標的影響程度不同，每個實驗指標的最優因子組合也不同，故采用綜合評分法分析各因子對干燥速率Y1、復水比Y2和色差Y3等指標的綜合影響。根據各指標的重要性，確定干燥速率、復水比、色差的權重η1、η2、η3分別為0.4、0.3、0.3[10,22]，對實驗結果進行綜合優化，選出能使各項試驗指標盡可能最優的參數組合。另外，由于3個評價指標的數量級和量綱不同，為消除影響需要對指標Y1、Y2、Y3進行處理，將其轉換為同數量級、無量綱的指標隸屬度值[23-25]。其中，干燥速率Y1和復水比Y2偏大型指標，要求值越大越好，按式(1)計算其指標隸屬度值；色差Y3為偏小型指標，要求值越小越好，因此按式(2)計算其指標隸屬度值，公式如下

(1)

(2)

其中，Rin(i=1,2,3)為第n次試驗干燥速率Y1、復水比Y2和色差Y3的指標隸屬度值；Yimax和Yimin為指標Yi的最大值和最小值；Yin為第n次試驗指標Yi的值。計算各指標隸屬度值，結合權重按式(3)計算綜合評分值U。

(3)

其中，Un為第n次試驗指標Y1、Y2、Y3的綜合評分；ηi為實驗指標Yi的權重(η1=0.4，η2=0.3，η3=0.3)。

根據式(1)、(2)計算出各指標的隸屬度值，再根據式(3)計算加權綜合評分值，如表6所示。對綜合評分值進行優化處理，得綜合值U與各因子之間得回歸方程為

U=-10.12+0.08X1+13.32X2+0.079X3-

8.048×10-4X12-4.96X22-6.747×10-3X32+

3.74×10-3X1X2+6.133×10-4X1X3-0.07X2X3

回歸模型方差分析結果如表7所示。

表6 綜合評分Table 6 Values of comprehensive evaluation

表7 綜合值回歸模型方差分析Table 7 Variance analysis of comprehensive scores

續表7

由表7可知：切片厚度X3對雞腿菇干制品各指標的加權綜合值影響極其顯著 (P<0.01)，熱風溫度X1對其影響顯著(P<0.05)，熱風風速X2影響不顯著(P>0.05)；各因子的二次效應對綜合值影響均極其顯著(P<0.01)；各因素之間的交互作用(X1X2、X1X3、X2X3)對綜合值影響主次順序為X2X3>X1X3>X1X2；熱風風速X2與切片厚度X3的交互作用影響極其顯著(P<0.01)，另外兩項均不顯著，如圖5所示。

圖5 X1=60℃X2與X3交互作用對U的影響Fig.5 Effects of hot-air velocity and slice thickness on synthesis score

回歸模型顯著性檢驗結果表明：P<0.000 1，R2=0.994 7，模型極其顯著。失擬檢驗結果表明：P=0.674 9，模型擬合良好，此模型可以對實際值進行分析和預測。求得模型的最優解為(X1,X2,X3,U)=(53.46,1.34, 4.08,0.914)，即熱風溫度為53.46℃，熱風風速為1.34m/s、切片厚度為4.08mm時，模型預測綜合值U=0.914最大，此時干燥速率Y1=0.299g/min，復水比Y2=3.65，色差Y3=22.046。

3.3 實驗驗證

為了使驗證實驗過程中各項操作切實可行，保證實驗精度，需對工藝參數進行適當修正。取熱風溫度X1=55℃、熱風風速X2=1.35m/s、切片厚度X3=4mm進行驗證實驗。結果表明：在此干燥工藝參數組合下得到的雞腿菇干制品外觀均一且色澤均勻，有較好的復水還原性，如圖6所示。測得試驗指標Y1=0.301g/min，Y2=3.61，Y3=21.95，均接近最優解所對應的最大值。驗證結果表明：綜合優化后的雞腿菇熱風干燥工藝參數綜合考慮了干燥速率與干制品品質，在此條件下對雞腿菇進行熱風干燥既可以使干制品擁有較好的品質，同時也可以提高干燥速率，縮短干燥時間，提高生產效率。

(a) 復水前 (b) 復水后圖6 雞腿菇干制品復水前后效果圖Fig.6 Coprinus comatus picture after drying

4 結論

1)通過單目標優化與分析得出：雞腿菇熱風干燥過程中的熱風溫度、熱風風速和雞腿菇的切片厚度對雞腿菇干燥后的產品質量均有顯著影響(P<0.05)，相比于其他兩因子，切片厚度對干燥速率、復水比、色差等指標的影響均最顯著。

2)通過多指標綜合評分法與響應面分析相結合，建立了雞腿菇熱風干燥工藝加權綜合值與熱風溫度、熱風風速、切片厚度之間回歸模型，求出了模型的最優解。確定了能使各項指標都盡可能達到最優的工藝參數組合，即熱風溫度55℃，熱風風速1.35m/s，切片厚度4mm。在最佳工藝參數組合下進行驗證實驗，實驗結果與模型預測值相吻合，相對誤差低于5%，模型具有可靠性。

3)在最佳工藝參數組合下對雞腿菇進行熱風干燥，不僅可以使各項指標都盡可能達到最優，還能使雞腿菇干制品色澤均勻、外觀均一，擁有較好的感官品質。