香菇熱風干燥品質特性分析與工藝優化

孫銅生，王金志，吳慧棟，凌峰

(安徽工程大學 機械工程學院，安徽 蕪湖，241000)

香菇中的水分必須低于某一限定值時微生物的生長和繁殖才能被抑制，因此，干燥可降低香菇中的水分含量，實現長期保存[1]。香菇的干燥方法多種多樣，包括熱風干燥、微波干燥及冷凍干燥等[2]。近年來，香菇干燥研究已得到廣泛開展，張志勇等[3]研究香菇在不同微波強度下干燥時溫度與含水率的變化趨勢，提出的分段變功率微波干燥方法，使干燥均勻性與效率達到最佳水平。ARGYROPOULOS等[4]對比了熱風干燥、熱風和微波真空聯合干燥及冷凍干燥對蘑菇品質的影響，結果發現采用熱風和微波真空聯合干燥的產品色差小、孔隙率高、復水能力強。張海偉等[5]則研究了三段式微波真空冷凍干燥、冷凍干燥及熱風干燥3種干燥方式對香菇品質特性的影響，結果表明三段式微波真空冷凍干燥時長最短，其香菇干制品的復水比達到7.1，顯著高于其他二者。

目前香菇熱風干燥研究關注的重點是提高香菇干后的品質，并且盡可能提高單位能耗的產出[6]，為此需要對干燥工藝進行優化。在本研究中，將熱處理工藝中的基本方法(退火、淬火)引入熱風干燥中，產生2種新型熱風干燥工藝，稱之為變溫干燥(開始時以較高的熱風溫度干燥一定時間后，熱風溫度隨即下降到指定溫度，且干燥相同時間，此為一個干燥周期，如此循環往復)、間歇干燥(開始時熱風溫度較高，保持一定時間后停止干燥，間歇時間與干燥時間相同，緊接著又以相同溫度的熱風干燥，而后再次停止，如此循環往復)。恒溫干燥工藝則以較高溫度的熱風不停歇地進行干燥。干燥樣品的很多評價參數往往很難通過實驗過程測量得到其在任意時刻的數值，近年來，對產物性能評估的數值模擬方法得到了巨大的發展[7]，可以精確得到任意時刻參數值的大小。基于此，本文利用COMSOL Multiphysics 5.5軟件模擬恒溫干燥過程中樣品的溫度變化。以實驗為主模擬為輔，從溫度變化、色澤參數、含水率、能耗、復水率等指標上對變溫、間歇及恒溫干燥后的樣品進行綜合評估與對比。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗樣品為本地市場購買的新鮮香菇，個體之間的差異較小，有利于減少實驗過程的初始誤差，用清水沖洗干凈，放在陰涼通風處靜置24 h，以除去其表面多余的水分[8]，經處理好后的香菇樣品如圖1所示，樣品的初始含水率(干基)為880%。

圖1 新鮮香菇樣品Fig.1 Fresh Lentinus edodes samples

1.2 儀器與設備

DHG-9023A電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；DS100PE型號電子鹵素水分測定儀，武漢捷寶生物科技有限公司；WR-10基礎款色差儀，深圳市威福光電科技有限公司；實驗室用高精度電子天平，上海花潮實業有限公司；BK-033電力監控儀，慈溪科沃德電子有限公司；紅外熱成像儀，美國Fluke公司。

1.3 實驗方法

為了使實驗過程更加嚴謹，首先確定3種工藝的具體參數。變溫、間歇干燥的初始熱風溫度為60 ℃，此溫度下維持時間為30 min，隨即變溫干燥的熱風溫度降低為40 ℃，保持時間也為30 min，間歇干燥的停止干燥時間也為30 min，2種工藝以1 h為最小干燥周期，循環往復。恒溫干燥則一直以60 ℃的熱風持續進行干燥。

新鮮樣品的熱風干燥實驗在前述的電熱鼓風干燥箱中進行[9]，溫度分辨率為0.1 ℃，恒溫波動度為±1 ℃，風速保持恒定。為了排除環境條件的影響，每組實驗開始前，干燥機均運行和預熱15 min[10]。待鼓風干燥機內部達到平衡溫度后，放入圖1所示的3組香菇樣品(每組樣品12個)，分別使用變溫、間歇和恒溫3種工藝進行干燥，每組時長共計10 h。以1 h 為最小干燥周期，每隔1 h取出相同位置處的5個樣品(四周及中間各取出1個)，測量其各項參數，測量完成后將樣品按原位置放回干燥箱中繼續干燥，干燥結束后再測定樣品的復水能力。樣品恒溫干燥的數值模擬是在COMSOL Multiphysics 5.5軟件中進行的，為了盡可能地減少仿真誤差，依據鼓風干燥箱尺寸與樣品尺寸，建立了相應的數學模型，如圖2所示。

圖2 熱風干燥模型Fig.2 Hot air drying model

數值模擬中涉及到流-固耦合傳熱，系統自動將二者耦合起來，并添加非等溫流多物理場接口，在軟件中定義香菇的熱物理特性參數，熱物理特性參數見表1[3]。

表1 香菇的熱物理特性參數Table 1 Thermophysical parameters of Lentinus edodes

實際的干燥過程牽涉到一系列復雜且不可控的因素，為簡化問題，減少數值模擬的計算量與計算時間，對熱風干燥模型作如下假設[3]：(1)香菇初始溫度、含水率均勻分布，不考慮熱物理特性參數隨溫度和含水率的變化，均為常數；(2)不考慮干燥過程中水分發生的相變；(3)鼓風干燥機與外界絕熱。

4.4.1 問題：和平路路段路燈上線率只有20%，對燕子超市7號小區的話統分析發現，終端行為趨于規律性，在每天固定的時間集中做業務。相應的上下行子載波利用率占有率高，下行最高93%，上行最高62%，而最大成功接入用戶數不超過50。如下圖所示：

1.4 分析方法

1.4.1 樣品溫度變化特性

實驗過程中樣品的溫度分布可以利用紅外熱像儀獲得(變溫、間歇干燥過程中樣品的溫度分布為紅外熱像儀實拍)，也可以借助COMSOL軟件可視化，且可以得到任意時刻樣品的溫度分布情況。為了檢驗模型的精確性，選取遠離鼓風機進風口且同一位置處的樣品進行實測，對比分析了恒溫干燥的樣品在1、2、3 h的紅外實測溫度與模擬溫度，如圖3所示，圖3-a為紅外實測溫度，圖3-b為模擬溫度。由圖3結果可知二者之間的最大誤差均在8%以內，這說明仿真模型可以用于預測樣品的溫度分布規律。考慮恒溫干燥樣品的理化性質變化較為劇烈，因此借助COMSOL軟件重點研究前1 h內此工藝樣品的升溫情況。

1.4.2 樣品色澤變化

樣品的色澤參數使用WR-10基礎款色差儀測量，色澤參數的評價指標有4個，分別為紅綠度a*、黃藍度b*、亮度L*、色差度ΔE。其中紅綠度a*、黃藍度b*、亮度L*可以直接從色差儀中讀取得到，而色差度ΔE的計算如公式(1)所示：

(1)

式中：t為某一時刻干燥樣品的顏色參數，下標0表示原樣品。

a-紅外實測溫度；b-模擬溫度圖3 恒溫干燥時樣品的紅外實測溫度與模擬溫度Fig.3 Infrared measured temperature and simulated temperature of samples during constant temperature drying

1.4.3 樣品含水率變化

干燥的目的就是將香菇的含水率降低到安全范圍內[12]。實驗開始前測出樣品的初始含水率，實驗中每隔一個最小干燥周期便取出樣品，使用水分測量儀測定其含水率，為了排除測量過程中的偶然性，5個樣品均需測量，最終結果取5個樣品的平均值。

1.4.4 單位時間能耗

3種干燥工藝的能耗情況是通過電力監控儀進行監測的。實驗開始前將電力監控儀的各項數據清零，開始后以1 h的最小干燥周期為時間單位，每個周期結束后讀取并記錄各工藝的能耗情況[13]。

1.4.5 樣品復水能力

干燥過程中樣品的含水量逐漸降低，但若將其置于清水中，樣品又會再次吸收水分，含水量增加，這即為樣品的復水特性。復水特性可用復水率定量描述，吸水量除以干樣品重量為復水率[14]。樣品復水率的測定在干燥實驗結束后進行，將干燥后的樣品浸泡在溫度為 20 ℃ 的蒸餾水中足夠長時間，然后取出樣品，用紙巾擦干，并定期稱重，直至重量不再發生變化，計算復水率。

2 結果與分析

2.1 樣品的溫度變化

干燥過程中樣品的溫度變化越平緩，各處的溫差越小，熱損失越小，產物的品質就會越高，因此干燥時盡可能地使樣品各處的溫度緩慢而均勻地升高。為此，研究了3種干燥工藝對樣品表面溫度的影響，采用變溫、間歇干燥的樣品表面溫度分布是利用紅外熱成像儀在實驗過程中實拍，分別如圖4和圖5所示，采用恒溫干燥的樣品表面溫度則借助COMSOL軟件可視化，對于恒溫干燥而言，大部分的熱損傷都發生在干燥初期，因此數值模擬只需研究前1 h內樣品的溫度變化規律。

由圖4可知，在1～6 h內，每個最小干燥周期結束時，采用變溫工藝干燥的樣品最高溫度都基本控制在40 ℃以內；超過6 h后，樣品局部溫度略高于40 ℃。這是由于干燥后期，樣品內水分因遷移而減少，所需要消耗的能量減少，從而導致樣品在此期間的溫度值下降緩慢或無法下降。9個干燥周期結束時最高溫度與最低溫度差值分別為4.4、5.5、5.6、7.0、7.2、8.3、7.7、11.0、9.4 ℃。樣品溫度的平均值都能維持在低于40 ℃的水平，在36.9～38.8 ℃變化，幅度不大。總體來說，整個干燥期間溫度分布較均勻。

圖5結果表明，采用間歇工藝干燥的樣品，在整個干燥期間，樣品的平均溫度在38.0～46.3 ℃變化，變化幅度高于變溫工藝；9個干燥周期結束時最高溫度與最低溫度差值分別為9.1、9.5、10.9、13.8、7.3、13.0、11.6、7.2、13.1 ℃，差值變化波動明顯，且數值上均比變溫工藝大得多。整體來看，雖然間歇工藝干燥后溫度場分布具有一定的均勻性，但整體上不如變溫工藝。

采用恒溫工藝干燥的樣品在前一小時內的仿真溫度分布如圖6所示。最高溫度與最低溫度差值分別為28.9、27.7、25.2、22.3、19.6、17.2、14.7、12.9、11.0 ℃，香菇的溫度分布不均勻程度十分明顯。同時，各樣品之間的溫差較大，靠近進風口處樣品的溫度升高最快，等到其他樣品干燥完成后，靠近進風口處的樣品可能會由于過度干燥而出現熱損傷。

a-1 h；b-2 h；c-3 h；d-4 h；e-5 h；f-6 h；g-7 h；h-8 h；i-9 h圖4 變溫干燥時不同時刻樣品的紅外溫度分布Fig.4 Infrared temperature distribution of samples at different times during variable temperature drying

a-1 h；b-2 h；c-3 h；d-4 h；e-5 h；f-6 h；g-7 h；h-8 h；i-9 h圖5 間歇干燥時不同時刻樣品的紅外溫度分布Fig.5 Infrared temperature distribution of samples at different times during intermittent drying

a-0.1 h；b-0.2 h；c-0.3 h；d-0.4 h；e-0.5 h；f-0.6 h；g-0.7 h；h-0.8 h；i-0.9 h圖6 恒溫干燥時不同時刻樣品的仿真溫度分布Fig.6 Simulated temperature distribution of samples at different times during constant temperature drying

2.2 樣品色澤變化

色澤是消費者對一種產品最直觀的感受，也是消費者能否接受該產品的第一評價標準[15]。香菇作為一種食物，需要盡可能保持其色澤的一致性，才能保證內在的營養成分不被破壞，同時也不會影響人們的消費心理。干燥過程中樣品的色澤參數值變化情況見表2。

表2 不同時刻下樣品的色澤參數值Table 2 Color parameter values of samples at different times

將表2中的數據繪制成圖，3種工藝下樣品的L*、a*、b*、ΔE的變化趨勢分別如圖7～圖10所示。

由圖7可知，3種工藝干燥過程中香菇亮度值均呈現波動狀態，總體都呈現下降的趨勢，但采用變溫、間歇工藝干燥的樣品L*下降速度較緩慢，數值減少幅度不大，而采用恒溫工藝的樣品在干燥后期L*下降的速度較快，干燥后L*要明顯低于初始值，這說明恒溫干燥工藝會明顯降低產物的亮度值。

圖7 不同干燥工藝下樣品的L*隨時間的變化關系Fig.7 Variation of brightness value of samples with time under different drying processes

圖8 不同干燥工藝下樣品的a*隨時間的變化關系Fig.8 Variation of red-green value of samples with time under different drying processes

由圖8可以看出，采用變溫、間歇工藝干燥的樣品a*只在干燥初期略微減小，此后都基本保持穩定不變，干燥結束后a*略低于初始值；而采用恒溫工藝干燥的樣品a*在整個階段呈下降趨勢，干燥結束后a*比初始值低很多。

3組樣品的b*變化趨勢如圖9所示，3種工藝干燥過程中b*呈波動狀態，干燥結束時數值低于初始時數值。但采用變溫、間歇工藝干燥的樣品b*僅在干燥初期略微減小，此后都基本保持穩定不變；而采用恒溫工藝干燥的樣品b*在后期波動明顯，干燥結束時其數值比初始值顯著下降。

圖9 不同干燥工藝下樣品的b*隨時間的變化關系Fig.9 Variation of yellow-blue value of samples with time under different drying processes

圖10結果表明，采用變溫、間歇工藝的樣品在干燥過程中整體色澤變化較小，干燥初期色差出現最大值，分別為7.42和7.87，之后色差呈現先減小后緩慢增加的趨勢，干燥結束時色差低于最大值，數值分別為6.63和5.99，與初始值相比，ΔE增加不明顯；而采用恒溫工藝的樣品，其ΔE在干燥過程中整體上呈現明顯增大的趨勢，最大值達22.38，干燥結束時ΔE為21.97。由此可見，變溫、間歇工藝要優于恒溫工藝，可以最大限度地保留原樣品的色澤。

圖10 不同干燥工藝下樣品的ΔE隨時間的變化關系Fig.10 Variation of color difference value of samples with time under different drying processes

2.3 樣品的含水率變化

熱風干燥時在保證產品品質的同時其含水率盡可能快地降低，可以提高效率[16]，但同時過快的干燥速度會破壞物料的品質。干燥過程中樣品含水率的變化曲線如圖11所示。變溫、間歇工藝的含水率變化規律基本保持一致，且接近于直線，即恒速干燥；而恒溫工藝干燥的樣品，其含水率先快速下降之后放緩，即降速干燥，干燥結束時，樣品的含水率低于變溫、間歇工藝。這是由于在干燥過程中持續不斷地輸入高溫熱風[17-18]，也正因為此，導致了香菇干制品出現較大的色差[19]。

圖11 不同干燥工藝下樣品的含水率隨時間的變化關系Fig.11 Variation of moisture content of samples with time under different drying processes

2.4 單位時間的能耗

能耗情況是目前考察干燥方式與干燥工藝的重要指標之一，低能耗意味著生產過程中較低的成本[20]。使用電力監控儀定量分析3種干燥工藝在不同時間段內的能耗情況，得到的數據如表3所示。

表3中數據顯示間歇工藝的單位時間能耗基本上維持在一個相對穩定的水平，沒有太大的波動，單位時間的平均能耗值為0.056 kW·h，為3種工藝最低值；恒溫工藝的單位時間能耗值在小范圍內波動，最后1 h的能耗為第1 h的85%，平均能耗值為0.105 kW·h，為3種工藝最高值；變溫工藝的單位時間平均能耗值為0.083 kW·h，介于間歇、恒溫工藝之間，且后9個干燥周期的能耗值均大于第1周期，這是由于通過實驗觀察到鼓風干燥箱的溫度控制具有一定的滯后性與波動性，在從第1個周期結束開始、每個周期結束后，鼓風干燥箱都有1次由低溫升到高溫的切換，電阻絲會在一小段時間內以高于熱風溫度所需的功率運行，之后恢復穩定。

表3 不同時間段內的能耗情況 單位：kW·h

2.5 樣品的復水能力

復水能力的強弱在一定程度上反映干燥過程中香菇保持其內部結構完整性的能力。一般情況下，干燥后香菇的復水能力越強，則表示其內部結構破壞的越少。3種干燥工藝下樣品復水前后的外觀如圖12和圖13所示。

a-變溫干燥；b-間歇干燥；c-恒溫干燥圖12 復水前樣品外觀Fig.12 Appearance of samples before rehydration

a-變溫干燥;b-間歇干燥;c-恒溫干燥圖13 復水后樣品外觀Fig.13 Appearance of samples after rehydration

采用復水率來定量描述干燥后樣品復水能力的強弱，不同干燥工藝下樣品的復水率見表4。采用變溫干燥的樣品的復水率為143.65%，復水能力最強，說明變溫干燥有利于保持香菇內部結構的完整性。而采用恒溫干燥的樣品的復水率為92.59%，復水能力最差，可能原因是由于持續不間斷的干燥會使香菇內部產生較大的溫度梯度與濕度梯度，進而產生了較大的熱應力與濕應力[21]，從而破壞了內部結構。采用間歇干燥的樣品的復水率為111.63%，介于變溫、恒溫干燥之間，說明間歇干燥對改善內部結構具有一定作用。

表4 不同干燥工藝下產物的復水率Table 4 Rehydration rate of products under different drying processes

3 結論

本文研究了3種熱風干燥工藝即變溫干燥、間歇干燥及恒溫干燥對香菇品質特性的影響，研究表明,在干燥后溫度分布上，采用變溫干燥的香菇溫度分布更均勻，變化較平緩；在樣品顏色色澤上，采用變溫干燥、間歇干燥的香菇色澤參數值的變化均遠小于恒溫干燥；恒溫干燥工藝的含水率下降速度最快，但這也是造成香菇品質下降的原因；在能耗方面，間歇干燥工藝最節省能源；在復水性能方面，變溫干燥的香菇復水率最高。綜上說明在提高香菇干后品質方面，變溫干燥最佳，恒溫干燥最差，間歇干燥介于兩者之間。