基于線性功效系數法及響應面法優化扇貝柱太陽能干燥工藝

馬珞珞 劉瑜 王海 郭雪霞

摘要：為解決扇貝柱自然干制過程中耗時長、品質低的問題，利用強制對流太陽能干燥器，以扇貝柱為原料，通過單因素試驗及響應面試驗優化扇貝柱太陽能干燥工藝。采用單因素試驗考察了干燥溫度、風速及載重對扇貝柱干燥時間及品質的影響。在單因素試驗的基礎上，通過線性功效系數法結合響應面法以企業標準對扇貝柱太陽能干燥工藝進行優化。單因素試驗表明，干燥溫度50 ℃、風速5 m/s、載重1.2 kg時，扇貝柱品質較差；響應面優化最佳干燥工藝為干燥溫度32.6 ℃、風速3.1 m/s、載重1.53 kg，在此條件下扇貝柱太陽能干燥工藝綜合評分為85.30。該研究結果可為實現扇貝柱工業化干燥提供技術依據和理論支撐。

關鍵詞：扇貝柱；太陽能干燥；線性功效系數法；響應面法；綜合評分

中圖分類號：TS205.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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

基金項目：河北省重點研發計劃項目（20327219D-01）

作者簡介：馬珞珞（1997－），女，碩士，研究方向：農產品加工與貯藏。

*通信作者：郭雪霞（1978－），女，高級工程師，碩士，研究方向：農產品加工技術與裝備研發。

我國海產品資源豐富，據中國漁業統計年鑒數據顯示，2020年我國扇貝產量高達174.62萬噸。扇貝營養豐富，被列為“海產八珍”之一，其主要包括外殼、韌帶、閉殼肌、內臟及外套膜[1-2]。其中閉殼肌（扇貝柱）蛋白質含量高，是主要的食用和加工部分，深受消費者喜愛[3]。但新鮮扇貝柱含水率高，不易儲存，通常采取干燥等方式降低其水分含量，因此新鮮扇貝柱成為制作干貝的主要原料[4-5]。

目前，對于扇貝柱的干燥方法主要分為自然晾曬、烘箱干燥、熱泵干燥、真空凍干及紅外線干燥等。劉靜等[6]通過探究滲透劑預處理對扇貝熱泵干燥的影響得出，采用適宜濃度滲透劑預處理可以加快不易流動水的遷移速率。Zhu等[4]研究超聲預處理對扇貝熱泵干燥的影響得出，超聲預處理降低了總色差和硬度。Bai等[7]對扇貝進行電流體干燥試驗，結果表明，經電流體干燥處理的扇貝干燥速度快，且肌肉感官品質好，抗擠壓，耐久性高。Sui等[8]研究親水膠體涂層前處理對扇貝柱膨化干燥的影響得出，涂膜前處理可提高膨化干燥后扇貝柱的品質。

1 材料與方法

太陽能干燥是利用太陽能產生的熱量對物料進行干燥，使物料加熱脫水，通過控制溫度、濕度、風速及載重等參數達到理想的效果。太陽能由于具有可直接使用、環保的優勢，為農產品的干燥提供了有利條件[9-10]。通過企業調查發現，扇貝柱干基含水率為60%時口感較好，而目前對于扇貝柱干燥主要是參照國家標準（<干基25%）。本文以扇貝柱為原材料，采用線性功效系數法結合響應面法優化太陽能干燥工藝，得到以企業標準為終點的扇貝柱干燥最佳工藝，為扇貝柱工業化干燥方法提供了參考。

1.1 主要材料與試劑

扇貝：秦皇島南戴河李光勇水產養殖有限公司；2.5%戊二醛固定液（生物試劑）：上海源葉生物科技有限公司；無水乙醇（分析純）：天津市富宇精細化工有限公司；食鹽：市售。

1.2 主要儀器與設備

強制對流太陽能干燥器 張家口市泰華機械廠；ACS-3-A電子秤 廣東香山電子科技有限公司；SU8010生物掃描電子顯微鏡 日本日立公司；WGL-125B立式干燥箱 北京中興偉業世紀儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 預處理

將新鮮扇貝柱清洗后放于100 ℃ 3%鹽水中煮1 min[11]，瀝干水分后干燥。測定初始含水率為74%～78%（濕基）。

1.3.2 線性功效系數法

扇貝柱干燥過程中溫度高、風速大，所用干燥時間短，但干燥后產品有裂紋，口感差，食用時缺乏嚼勁，感官評分較低；而溫度低、風速低又會造成干燥時間過長，能耗較高。因此，實際干燥過程中所需干燥時間越短，得到產品的感官評分越高。由于參考指標參數大小不一，為獲得扇貝柱干燥的最佳工藝參數，可通過線性功效系數法[12]對干燥時間和感官評分進行加權分配，分配系數分別為0.3，0.7，結果用綜合評分表示。

干燥時間Y1′=1－（Y1－Y1 min）/（Y1 max－Y1 min）。

感官評分Y2′=（Y2－Y2 min）/（Y2 max－Y2 min）。

式中：Yi min（i=1，2）表示試驗中指標的最小值，Yi max（i=1，2）表示試驗中指標的最大值，Y1′表示干燥時間的最小值，Y2′表示感官評分的最大值，Y表示綜合評分的最大值。

1.3.3 單因素試驗設計

考察不同干燥溫度、風速、載重對扇貝柱干燥時間、感官評分、收縮率、復水率、微觀結構的影響。溫度設置4個水平，分別為20，30，40，50 ℃。風速設置4個水平，分別為2，3，4，5 m/s。單盤載重設置4個水平，分別為1.2，1.4，1.6，1.8 kg，干燥量為6盤，托盤面積為0.22 m2，直至扇貝柱含水率達到干基60%（通過企業調研，此時的產品咀嚼性及品質等最佳）時停止干燥。

1.3.4 響應面實驗設計

在單因素試驗的基礎上，以干燥溫度、風速、載重作為自變量，以干燥時間和感官評分加權分配后的綜合評分為響應值進行響應面試驗。響應面試驗設計見表1，感官評分表見表2。

1.3.5 水分含量的測定

初始水分含量依據GB/T 5009.3－2016。過程中水分含量依據下式計算：

Mm=（Bm－B干）/B干。

式中：Mm為m時扇貝柱的含水率，g/g；Bm為m時扇貝柱的質量，g；B干為絕干物質的質量，g。

1.3.6 收縮率

收縮率的計算公式：

r=（V－V0）/V×100%。

式中：V為干燥前測定扇貝柱體積；V0為干燥后測定扇貝柱體積。

1.3.7 復水率

復水率的計算公式：

Rf=mf/mg×100%。

式中：mf為干燥后扇貝柱在沸水中煮沸5 min后瀝干水分后稱取的質量，g；mg為干燥前扇貝柱的質量，g。

1.3.8 微觀結構[13]

將干燥后扇貝柱用手術刀切成0.5 cm3規格，加入適量4～6 ℃環境保存的2.5%戊二醛，固定24 h后，倒掉固定液，用磷酸鹽緩沖液（0.1 mol/L，pH 7.2）沖洗3次，每次10 min，然后用30%、50%、70%、80%、90%、100%乙醇依次沖洗樣品，每次10 min。將樣品臨界點干燥后噴金，在生物掃描電鏡下觀察（×1 000）。

2 結果與分析

2.1 近十年秦皇島地區10月份平均溫度變化結果

秦皇島2012－2021年10月份平均溫度變化見圖1。

2017年、2021年10月份平均溫度分別為16 ℃和19 ℃，除此之外，其他年份10月份平均溫度均在18 ℃左右。由于扇貝收獲有明顯的季節性和地域性，秦皇島地區扇貝主要在10月或10月中旬后進行收獲，加之本次試驗所用扇貝柱源于秦皇島地區，確定本次試驗溫度自20 ℃開始。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 不同干燥條件對扇貝柱干燥時間和感官評分的影響

由圖2可知，溫度越高、風速越大，干燥時間越少；隨著單盤載重量增加，干燥時間增加。這是由于溫度升高，內部水分遷移到表面的速率以及表面水分釋放至周圍環境的速率加快，且溫度高的空氣除濕能力更強[14]，縮短了干燥時間。風速提高引起干燥室內空氣流動速度提高，扇貝柱和干燥空氣之間的對流換熱和傳質系數增加，干燥速度加快[15]。載重增大時，需蒸發的水分增多，在熱量供給一定的情況下，干燥時間延長。隨著溫度、風速、載重的增加，感官評分呈現先升高后降低的趨勢。溫度為50 ℃、風速為5 m/s及載重為1.2 kg時，感官評分較低。這是由于此干燥參數下干燥速度快，內外肌纖維不能同時收縮，導致干燥后的產品開裂皺縮嚴重，外觀評分較低，影響其感官評分。

2.2.2 不同干燥條件對收縮率、復水率的影響

由圖3可知，隨著干燥溫度、風速的升高，扇貝柱的收縮率減小。這是由于扇貝柱是由橫紋肌組成的，溫度越高、風速越大，表面肌纖維干燥速度越快，同時與內部出現水分梯度差，產生內應力，出現裂縫、空隙或者蜂窩狀結構，導致內外肌纖維不能保持緊密的聯系和收縮，最終表現為收縮率小[16]。隨著干燥量增多，傳熱、傳質阻力增加，干燥強度低，內外肌纖維可以均勻性地收縮，收縮率略有增大。

復水率可以表示細胞和組織狀態破壞的程度，復水率越高，表明干制品復水后的狀態越接近新鮮制品[17]。由圖3可知，干燥溫度越高，復水率越小。說明高溫破壞了扇貝柱的結構，造成細胞彈性較小，復水較困難。風速越大，扇貝柱裂紋或裂縫越多，越易復水，表現為復水率變大。干燥量少時，干燥強度大，細胞彈性和泡脹能力略有降低，造成復水率略有減小。但干燥溫度為50 ℃、風速為5 m/s時扇貝柱耐煮性差，復水后結構已松散。

2.2.3 不同干燥條件對扇貝柱微觀組織結構的影響

由圖4～圖6可知，煮后扇貝柱組織結構濕潤飽滿，肌纖維排列緊密，質地較軟，易彎曲變形。干燥后的扇貝柱由于水分散失開始出現孔隙甚至大的裂縫，肌纖維排列散亂。溫度為50 ℃（見圖4中E）、風速為5 m/s（見圖5中E）時，出現大量的不均勻孔隙及大裂紋，肌纖維排列混亂且界限不清晰，造成干扇貝柱易散、塌腰。載重1.2 kg（見圖6中B）時干燥強度大，失水不均勻，出現少量裂縫。這是由于干燥過程中水分散失不均勻，產生內部應力，加之美拉德反應造成蛋白質聚集[18]。微觀結構結果與上述感官評價結果一致。

綜上，綜合考慮干燥參數對扇貝柱干燥時間及品質的影響，確定適宜干燥條件范圍為：溫度20～40 ℃，風速2～4 m/s，載重1.4～1.8 kg。在此基礎上進行響應面試驗確定適宜干燥工藝。

2.3 響應面優化扇貝柱太陽能干燥工藝結果

2.3.1 扇貝柱太陽能干燥響應面試驗結果

根據單因素試驗結果，選擇干燥溫度、風速、載重作為自變量，以利用線性功效系數法對干燥時間和感官評分進行加權分配后得到的綜合評分作為響應值，采用Box-Benhnken設計原理進行響應面優化試驗，試驗設計及優化結果見表3。

2.3.2 回歸模型的建立

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗數據（見表3）進行分析后，得到用于預測綜合評分（Y）的模型為：

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

二次多項回歸模型方差分析見表4。

由表4可知，回歸模型的F值為26.09，P<0.01，說明該模型顯著；失擬項的P值為0.435 2＞0.05，表明與純誤差相比不顯著，并且模型足以預測輸出。決定系數R2＝0.971 0，校正決定系數RAdj2=0.933 8，說明該模型能夠解釋93.38%的響應值變化，模型可信度高，該模型可以用來預測扇貝柱干燥后的綜合評分。

模型中一次項A、C，二次項A2、B2、C2對綜合評分的影響極顯著（P<0.01），一次項B對綜合評分的影響顯著（P<0.05）。由F值可知，3個因素對綜合評分的影響大小為溫度（A）> 載重（C）>風速（B）。

2.3.3 模型的交互項的響應面分析

由圖7中a可知，隨著干燥溫度、風速的升高，綜合評分呈現先增加后減少的趨勢，溫度對綜合評分的影響大于風速。依據方差分析中AB的P值大于0.05，說明二者對綜合評分的影響具有弱的交互性。由圖7中b可知，隨著干燥溫度、載重的增加，綜合評分呈現先增加后減少的趨勢，溫度在交互作用中的貢獻略大于載重。依據方差分析中AC的P值大于0.05，說明二者對綜合評分的影響具有弱的交互性。由圖7中c可知，隨著干燥風速的升高、載重的增加，綜合評分呈現先增加后減少的趨勢，整體波動幅度較小。依據方差分析中BC的P值大于0.05，說明二者對綜合評分的影響具有弱的交互性。

2.3.4 回歸模型的驗證

通過響應面分析得到扇貝柱太陽能干燥最優工藝條件：干燥溫度為 32.56 ℃，風速為3.11 m/s，單盤載重為1.53 kg，扇貝柱綜合評分為87.34。為檢驗響應面試驗的可靠性，結合實際試驗條件，修正參數為溫度32.6 ℃、風速3.1 m/s、載重 1.53 kg，得到實際綜合評分為 85.30，結果與理論值相近，證明模型可靠，可用于扇貝柱太陽能干燥工藝優化。

3 結果與討論

本文通過單因素試驗及響應面試驗確定了扇貝柱干燥的最佳工藝。采用單因素試驗考察了干燥溫度、風速、載重對干燥時間及品質指標的影響，確定了適宜扇貝柱太陽能干燥的參數范圍。采用線性功效系數法及響應面法優化了扇貝柱太陽能干燥工藝，得出最佳工藝條件：溫度32.6 ℃、風速3.1 m/s、載重1.53 kg，得到實際綜合評分為 85.30。本研究確定了耗時少、品質高的扇貝柱太陽能干燥工藝，為扇貝柱太陽能干燥工業化發展提供了基礎。

參考文獻：

[1]劉昌衡，孟秀梅，袁文鵬，等.即食扇貝的加工技術[J].食品研究與開發，2011，32（7）：69-71.

[2]谷曉翠.轉盤式海灣扇貝閉殼肌剝離生產線的研制[D].保定：河北農業大學，2018.

[3]李書紅，王頡，宋春風，等.不同干燥方法對即食扇貝柱理化及感官品質的影響[J].農業工程學報，2011，27（5）：373-377.

[4]ZHU Z Z， ZHAO Y， ZHANG Y X， et al. Effects of ultrasound pretreatment on the drying kinetics， water status and distribution in scallop adductors during heat pump drying[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2021，101（15）：1-9.

[5]王雅嬌，姚思遠，郭潔，等.扇貝柱熱風干燥工藝及干燥模型的研究[J].食品科技，2014，39（3）：92-96.

[6]劉靜，趙亞，石啟龍.不同滲透劑預處理對扇貝柱熱泵干燥動力學及品質特性的影響[J].食品科學技術學報，2022，40（3）：145-156.

[7]BAI Y X， YANG G J， HU Y C， et al. Physical and sensory properties of electrohydrodynamic （EHD） dried scallop muscle[J].Journal of Aquatic Food Product Technology，2012，21（3）：238-247.

[8]SUI X L， ZHAO Y， ZHANG X， et al. Hydrocolloid coating pretreatment makes explosion puffing drying applicable in protein-rich foods－a case study of scallop adductors[J].Drying Technology，2022，40（1）：50-64.

[9]高天天.基于整體式流體工質太陽能干燥器的干燥性能研究[D].南寧：廣西大學，2017.

[10]BIBIN C， KANNAN P S， DEVAN P K， et al. Performance and emission characteristics of a DI diesel engine using diestrol blends and diesel as fuel[J].International Journal of Enterprise Network Management，2019，10（2）：91-108.

[11]郭潔.扇貝柱太陽能干燥效果初探[D].保定：河北農業大學，2015.

[12]范會平，侯冰潔，符鋒，等.基于線性功效系數法的紫薯面條高效干燥技術研究[J].農產品加工，2021，4（8）：38-42，45.

[13]吳紫茼，金婧彧，馬亞娟，等.海灣扇貝柱（Argopecten irradians）干制過程中蛋白質變化對品質特性的影響[J].食品科技，2021，46（10）：115-121.

[14]MARQUEZ-RIOS E， OCAO-HIGUERA V M， MAEDA-MARTINEZ A N， et al. Citric acid as pretreatment in drying of Pacific Lion's Paw Scallop （Nodipecten subnodosus） meats[J].Food Chemistry，2009，112（3）：599-603.

[15]SHI Q L， TIAN Y， ZHU L L， et al. Effects of sodium alginate-based coating pretreatment on drying characteristics and quality of heat pump dried scallop adductors[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2019，99（10）：4781-4792.

[16]王雅嬌，郭潔，姚思遠，等.熱風風速和相對濕度對扇貝柱干燥特性及品質的影響[J].現代食品科技，2013，29（12）：2915-2920，2936.

[17]ZHANG Y W， ABATZOGLOU N. Review： fundamentals， applications and potentials of ultrasound-assisted drying[J].Chemical Engineering Research and Design，2019，154：21-46.

[18]孫麗雯，劉倩，侯麗麗，等.冷風干燥對扇貝柱品質及結構的影響[J].農產品加工（學刊），2013（12）：1-4，7.