香菇Lentinus edodes又称花菇、香信、香蕈、冬菇、香菌，为侧耳科植物香蕈的子实体，作为世界第2大食用菌，在我国食用菌种植产业中占有很大比例^[1]，在民间素有“山珍”之称。香菇具有提高免疫、降血压、降血脂、降胆固醇、防癌抗癌等功效，且适合加工和烹调，受到消费者的极大青睐。当前除了直接烹调食用外，香菇还被制成香菇酱、脆片等食品^[2]。但是香菇中含有大量水分，储藏时间短，难以运输，干制香菇可以很好地解决这个问题。

干燥过程对香菇的口感和储藏稳定性有很大影响，因此研究干燥工艺显得尤为重要。目前，普遍使用的干燥加工方法为热泵干燥，此干燥方式热效率高^[3]，常用于胡萝卜^[4]、毛竹笋^[5]、红枣^[6]、杏鲍菇^[7]等果蔬，但其存在多种缺陷，如微生物以及细菌总数易超标^[4]等；真空干燥虽干燥时间长、成本高^[8]，但其干燥品质明显高于热泵干燥，故常用于对品质要求较高果蔬，如野生软枣猕猴桃^[9]、黄秋葵^[10]、雪莲果粉^[11]、桑葚^[12]等。目前，关于香菇的热泵–真空联合干燥还鲜有报道。本文将这2种干燥方式结合起来，进行分阶段干燥，期望优势互补，得到品质与真空干燥相近，能耗又低于真空干燥的干制香菇。另外，本文还利用响应面法优化香菇热泵–真空联合干燥工艺参数，建立动力学模型，并将试验结果与单一热泵干燥、单一真空干燥对比，为联合干制香菇实际生产提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

新鲜香菇购于农贸批发市场，挑选大小、菇头厚度相近且表面无明显破损的香菇作为试验样品。试验测定新鲜香菇的初始湿基含水率(w)为(89.27±1)%。简单冲洗后，放入冰箱内4 ℃条件下保存待用。

1.2 试验方法 1.2.1 工艺流程

新鲜香菇→热泵干燥(热泵干燥机：LAD-060型，徐州市海涛制冷设备有限公司)→真空干燥(真空干燥机：LABCONCO FreeZone型，上海珂淮仪器有限公司)，最终湿基含水率(w)在13%以下^[7]→测定指标。

1.2.2 确定试验因素

香菇的热泵–真空联合干燥产品品质与很多因素有关，如热泵干燥的风速、湿度、温度和真空干燥的真空度(以下简称真空度)、温度以及装载量、转换点含水率等^[13-16]。由于试验设备限制，很多参数都不可调，所以固定热泵干燥风速为1.6 m·s^–1，湿度为10%，真空干燥冷阱温度为–50 ℃。根据王安建等^[17]的研究，1 176 g·m^–2为热泵干燥的最优装载量，本试验修正固定装载量为1.2 kg·m^–2。每次试验物料质量为1.2 kg，当热泵干燥结束，转为真空干燥时，真空干燥铺料总面积为0.25 m²。

综上所述，确定热泵温度、真空度和转换点含水率为试验的3个因素，分别分析其对单位能耗、感官评分、复水比和硬度的影响。

1.2.3 单因素试验

用单因素试验法来确定因素(热泵温度、真空度和转换点含水率)的0水平。在装载量为1.2 kg·m^–2，热泵干燥风速为1.6 m·s^–1，湿度为10%，真空干燥冷阱温度为–50 ℃的条件下，分别进行试验，记录各组的4项指标。试验分为3组，共计12次联合干燥试验：

1)先进行热泵干燥，将热泵温度设置为30、40、50、60 ℃，待含水率降至55%，停止热泵干燥，转为真空干燥，设置真空度为100 Pa；

2)先进行热泵干燥，设置热泵温度为50 ℃，待含水率降至55%，停止热泵干燥，转为真空干燥，将真空度设置为50、75、100、125 Pa；

3)先进行热泵干燥，设置热泵温度为50 ℃，待含水率降至25、40、55、70%，转为真空干燥，真空度设置为100 Pa。

1.2.4 响应面优化试验设计

采用Box-Behnken Design(BBD)试验设计方法，以热泵温度(A)、真空度(B)、转换点含水率(C)为自变量，进一步研究这3个因素与联合干燥香菇产品单位能耗、感官评分、复水比和硬度的关系。试验因素水平见表1。

1.2.5 对比试验

分别进行3次单独的热泵干燥(温度49 ℃)和真空干燥试验(真空度110 Pa)，取均值得出单位能耗、感官评分、复水比和硬度，并与联合干燥进行对比。

1.3 指标测定方法 1.3.1 含水率

含水率根据GB 5009.3—2016^[18]测得，所用仪器为电热鼓风干燥箱(101-A型，上海锦昱科学仪器有限公司)。

1.3.2 单位能耗

单位能耗为香菇每损失1个单位质量水分所消耗的电能。从经济效益出发，单位能耗越小越好。根据电表读数来计算，计算公式^[19]为：

$C=3\,600({W_2}-{W_1})/M,$

(1)

式中，C为单位能耗，kJ·g^–1；W₁和W₂分别为试验开始时和结束后的电表读数，kW·h；M为干燥去除水分总质量，g。

1.3.3 复水比

复水比用质量的增加程度表示，其值越大越好。将装有蒸馏水的烧杯放入40 ℃的恒温水浴锅(HH-1型，金坛市城东超韵实验仪器厂)中，10 min后将联合干燥后的香菇样品浸没入蒸馏水30 min(料液质量比为1∶30)，快速沥干，测质量，复水比(R)计算公式^[20]为：

$R={m_{\rm f}}/{m_{\rm g}},$

(2)

式中，m_g、m_f分别为香菇复水前、后的质量，g。

1.3.4 感官评分

感官评分依据^[19-21]见表2。

1.3.5 硬度

将质构仪(TMS—PRO型，美国食品特性研究开发机构FTC)设置为TPA测量模式，测前和测后速度为8 mm·s^–1，测试最大距离为20 mm，测试速度为2 mm·s^–1，每组测10次，每次间隔时间为5 s，求平均值，得硬度指标^[22]。

1.4 数据处理

运用Excel、Spss和Design-Expert.8.05b软件对香菇热泵–真空干燥试验数据进行分析。

2 结果与分析 2.1 单因素试验 2.1.1 不同热泵温度对香菇干燥效果的影响

单因素第1组试验结果如图1所示。由图1可以看出，热泵温度从30 ℃增加到60 ℃，单位能耗和复水比显著降低，感官评分下降，硬度显著提高。温度过高，香菇的内部结构受到破坏，出现干燥不均匀现象，故在60 ℃时，香菇的感官评分和复水比下降，并且部分产品会因酶促和非酶促反应而出现褐变，产生褐色硬荚，导致硬度上升，质量变差。这与Jayaraman等^[23]的结论相符，其研究发现在干燥过程中，果蔬因内部结构遭到破坏而吸水性能减弱，复水比下降。50 ℃时的单位能耗与60 ℃时相近，而且其他3项指标明显优于后者，因此选择50 ℃作为热泵温度的0水平。

2.1.2 不同真空度对香菇干燥效果的影响

单因素第2组试验结果如图2所示。由图2可以看出，真空度从50 Pa增加到100 Pa，单位能耗下降，但增加到125 Pa时，干燥罐内的气压过小，空气过于稀薄，影响了水分传递进程，导致单位能耗显著上升；随着真空度加大，感官评分和复水比增加，硬度下降(真空度为75 Pa时，其硬度与50和100 Pa时无显著差异性，但是50和100 Pa之间差异显著)，这是因为干燥罐内气压下降，空气含量减少，减轻了香菇的氧化程度，香菇也较易形成疏松多孔的结构^[24]。虽然真空度为125 Pa时的感官评分和复水比最高，硬度小，但是单位能耗为本研究最先考虑指标，因此选择100 Pa作为真空度的0水平。

2.1.3 不同转换点含水率对香菇干燥效果的影响

单因素第3组试验结果如图3所示。由图3可以看出，随着转换点含水率的增加，单位能耗显著增大。这是因为热泵干燥的能耗远小于真空干燥，真空干燥时间越长，其单位能耗也越大；其次，转换点含水率越大，说明香菇由热泵转为真空干燥的水分比例就越大，这对感官评分、复水比和硬度都有积极的影响(各自组内都具有显著差异性)。虽然转换点含水率为70%时的复水比和感官评分都达到最高值，表面无明显硬荚，硬度小，但其单位能耗也最大，然而转换点含水率为55%时的感官评分、复水比和硬度与70%时相近且单位能耗低，因此选择55%作为转换点含水率的0水平。

2.2 香菇联合干燥工艺参数的优化

为了得到更加精确的干燥工艺条件，使用Design-Expert.8.05b软件，设计了3因素3水平响应面分析试验，试验设计及结果如表3所示。由表3可以看出，第12组试验条件下的单位能耗最低，第11组试验条件下的感官评分最高，第3组试验条件下的复水比最大，第3组试验条件下的硬度最小。

2.2.1 单响应指标回归分析

通过Design-Expert.8.05b软件，对单位能耗(Y₁)、感官评分(Y₂)、复水比(Y₃)和硬度(Y₄)进行回归分析，得到各自的二次回归方程(表4)。分析表4中的数据可知：单位能耗(Y₁)回归方程的显著性F值为42.94，对应的P_F <0.000 1，说明此模型拟合性极显著；失拟性 F_Lf为1.39，对应的 ${P_{F_{\rm Lf}}}$ 为0.368 2( ${P_{F_{\rm Lf}}}$ >0.05)，说明失拟性不显著，在试验范围内误差较小，回归模型与实际情况拟合程度很高。R²越接近1，模型拟合度越好，单位能耗(Y₁)回归方程的R²为0.982 2，表明此模型可以解释响应值98.22%的变化。综上所述，此模型方程可以很好地分析和预测单位能耗指标。同理，对其他3个模型方程进行P_F、 ${P_{F_{\rm Lf}}}$ 和R²分析，可知，这3个模型方程都可以对感官评分、复水比和硬度进行很好地预测和分析。

另外，通过比较各模型方程回归系数绝对值的大小可以得出结论：转换点含水率(C)、热泵温度(A)、真空度(B)对单位能耗(Y₁)影响的主次顺序为C > A >B；对感官评分( Y₂)影响的主次顺序为C > A > B；对复水比( Y₃)影响的主次顺序为C > A > B；对硬度( Y₄)影响的主次顺序为C > A > B。

利用Design-Expert.8.05b软件可以对相关数据进行优化，要求单位能耗(Y₁)和硬度(Y₄)在试验条件下达到最小值，感官评分(Y₂)和复水比(Y₃)在试验条件下达到最大值，各指标的单指标优化结果如表5所示。

由表5可知：较高的热泵温度，较低的真空度以及较低的转换点含水率可以降低单位能耗，当热泵温度为54.35 ℃、真空度为90.00 Pa、转换点含水率为50%时，单位能耗最低，为316.31 kJ·g^–1；较低的热泵温度，较高的真空度以及较高的转换点含水率可以提高感官评分，当热泵温度为45 ℃、真空度为110 Pa、转换点含水率为60%时，感官评分最高，为8.5；较低的热泵温度，较高的真空度以及较高的转换点含水率可以提高复水比，当热泵温度为45 ℃、真空度为110 Pa、转换点含水率为60%时，复水比最高，为2.84；较低的热泵温度，较高的真空度以及较高的转换点含水率可以减小硬度，当热泵温度为46.01 ℃、真空度为104.37 Pa、转换点含水率为60%时，硬度最低，为3.28 N。

2.2.2 综合工艺参数优化

分析表5可知，较高的热泵温度虽然可以降低单位能耗，但是不能保证高感官评分、高复水比和低硬度；真空度和转换点含水率对这4个指标也有类似的影响。所以，需对这4个指标函数进行综合优化分析，寻找最佳工艺条件。

本文以降低加工成本为主要目的，其次，考虑到干制香菇在销售过程中消费者对感官品质的要求，故单位能耗最重要，感官评分次之；复水比和硬度在评价干制产品品质中也十分重要，但略次于前2个指标。所以将这4个指标的重要性设置为4∶3∶2∶1。优化后的工艺条件为：热泵温度49.26 ℃，真空度110 Pa，转换点含水率56.48%。在此条件下，单位能耗为344.35 kJ·g^–1，感官评分为8.0，复水比为2.68，硬度为3.55 N (表5)。

为了便于实际生产，将工艺条件修正为热泵温度49 ℃，真空度110 Pa和转换点含水率56%。按照优化修正后的工艺条件进行3组平行验证试验，取平均值，测得单位能耗为345.01 kJ·g^–1，感官评分为8.3，复水比为2.72，硬度为3.61 N，与预测值相近，相对误差分别为0.19%、3.61%、1.47%和1.66%。因此，上述工艺条件可行。

2.3 香菇的单一干燥和联合干燥比较

由表6可知，联合干燥的单位能耗比真空干燥减少37.69%，但高于热泵干燥；单一热泵干燥后的香菇皱缩，边缘出现焦化，内部结构受到破坏^[25-28]，导致其感官评分低、复水比低、硬度高，而单一真空干燥和联合干燥尽可能地保证了香菇内部结构的完整，故这2种干燥方式的复水比相近且高于热泵干燥；另外，联合干燥前期为热泵干燥，热泵干燥中的美拉德反应使香菇散发出香味^[29]，再经过真空干燥，颜色和硬荚变得均匀，所以联合干燥的感官评分得以提高。

综上所述，联合干燥可以得到能耗低于真空干燥，品质与真空干燥相近的干制香菇。

3 讨论与结论

香菇在干燥过程中的水分扩散分为外扩散和内扩散，这2种扩散方式同时进行，既相辅相成，也相互制约，其扩散速度差影响着干燥品质^[30]。热泵干燥后期水分分布不均，香菇内外水分扩散速度相差较大，内部水分未能及时转移到物料表面，使表面较易形成硬荚；真空干燥的单位能耗较高，排湿效果差，设备成本决定了其规模难以扩大，但在干燥过程中内外水分分布均匀，干燥后的香菇品质较好。热泵−真空联合干燥结合了2种干燥方式的优点，降低了干燥中的内外扩散速度差，不易形成硬荚，很好地保留了香菇的色、香、味，减少了单位能耗。本试验在固定的冷阱温度、热泵风速和湿度下进行，具有一定的局限性。

本研究确定最佳联合干燥工艺为热泵温度49 ℃，真空度110 Pa和转换点含水率56%，在此条件下实测得单位能耗345.01 kJ·g^–1，感官评分8.3，复水比2.72，硬度3.61 N，与预测值相近，相对误差分别为0.19%、3.61%、1.47%和1.66%。联合干燥的单位能耗比真空干燥减少37.69%，但高于热泵干燥；其感官评分和复水比与真空干燥相近，高于热泵干燥；其硬度略大于真空干燥，小于热泵干燥。热泵干燥和真空干燥相结合，充分利用两者的优点，得到了能耗低、质量好的干制香菇。解决了热泵干燥品质不佳、真空干燥能耗高等问题，本研究可为香菇的热泵–真空联合干燥提供理论依据。