熱風(fēng)干燥過程相對濕度對香菇品質(zhì)的影響

李星儀，張 悅，謝永康，于賢龍，朱廣飛，高振江，肖紅偉，劉嫣紅

熱風(fēng)干燥過程相對濕度對香菇品質(zhì)的影響

李星儀，張 悅，謝永康，于賢龍，朱廣飛，高振江，肖紅偉，劉嫣紅※

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

為了研究干燥介質(zhì)相對濕度對香菇品質(zhì)的影響，該研究將計算機視覺在線檢測技術(shù)應(yīng)用于基于溫濕度過程控制的熱風(fēng)干燥技術(shù)中，利用4種不同的相對濕度控制方法對去柄香菇進行干燥：連續(xù)排濕、全程設(shè)定恒定相對濕度（全程40%，全程30%，全程20%）、階段降低相對濕度以及后期迅速降低相對濕度（30%優(yōu)化，階段降濕優(yōu)化）。利用圖像信息實時獲取香菇外觀品質(zhì)，探究了香菇干燥過程中收縮率、圓度、表面褶皺率（Ratio of Wrinkled Surface Area，RWSA）與紋理特征（對比度、能量）的變化，并利用掃描電鏡圖像上香菇細胞的長寬比表示干香菇的微觀結(jié)構(gòu)，采用氣相色譜-離子遷移譜聯(lián)用（Gas Chromatography-ion Mobolity Spectrometry，GC-IMS）技術(shù)獲取干香菇的風(fēng)味成分。研究結(jié)果表明，相對濕度對香菇細胞的收縮率、圓度、紋理特征以及結(jié)構(gòu)與復(fù)水比均有顯著性影響（< 0.05），全程40%與全程20%組分別由于其相對濕度過高與維持時間過長，導(dǎo)致干燥時間延長，香菇表面硬化程度降低，收縮率增加，圓度降低，表面褶皺增多且更細密，表面顏色對比度降低，香菇表面褶皺率達到最大值的時間與香菇復(fù)水比呈正相關(guān)關(guān)系（= 0.88），香菇表面褶皺率達到最大值的時間越晚，香菇復(fù)水比越高，通過香菇褶皺率變化可預(yù)測香菇復(fù)水比。而優(yōu)化組（30%優(yōu)化、階段降濕優(yōu)化）可縮短干燥時間，加速香菇表面硬化，保持香菇外觀品質(zhì)，雖然其干制品復(fù)水比，微觀結(jié)構(gòu)與風(fēng)味成分均不如連續(xù)排濕組，但其咀嚼度（< 0.05）與彈性更高。綜合考慮干燥時間與干香菇的品質(zhì)，優(yōu)先采用連續(xù)排濕，其次采用30%優(yōu)化的方式干燥香菇。研究結(jié)果為香菇干制工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

干燥；計算機視覺；圓度；圖像紋理；表面褶皺率；微觀結(jié)構(gòu)

0 引 言

熱風(fēng)干燥是農(nóng)產(chǎn)品干燥的主要方法之一，但因干燥過程中物料的溫度與濕度梯度相反，溫度較高的表面干燥速率遠高于物料內(nèi)部[1]，引起干燥過程中物料表面結(jié)殼，從而抑制了水分向物料表面遷移[2]。已有研究表明基于相對濕度（Relative Humidity，RH）過程控制的熱風(fēng)干燥技術(shù)可有效防止物料表面結(jié)殼，還可利用熱空氣的高焓值快速提高物料內(nèi)部溫度，從而縮短干燥時間、節(jié)約能源[3-4]。但是關(guān)于干燥介質(zhì)相對濕度對物料品質(zhì)的影響，國內(nèi)外學(xué)者得出了不同的研究結(jié)論。部分學(xué)者認(rèn)為，干燥過程中保持較高相對濕度有助于更好地保持物料品質(zhì)，如意大利面干燥過程中，較高相對濕度有助于減少裂紋的產(chǎn)生，獲得更加規(guī)則的物料形狀[5]；微波干燥、熱風(fēng)干燥過程中，較高相對濕度有助于改善胡蘿卜的色澤[6-8]。部分研究則表明干燥過程較高的相對濕度對物料品質(zhì)有不利影響，如在使用熱風(fēng)干燥時保持較高的相對濕度，茄子[7]與山藥片[9]的色差更大。相對濕度及其保留時間是影響熱風(fēng)干燥過程的主要因素[5]，但是上述研究主要集中于相對濕度對干燥結(jié)束時物料外觀品質(zhì)（顏色、形狀）的影響，關(guān)于整個干燥過程中相對濕度對物料品質(zhì)影響的研究較少。為了獲得干燥過程中相對濕度對物料外觀品質(zhì)變化的影響，Li等已將計算機視覺在線檢測技術(shù)應(yīng)用于基于溫濕度過程控制的熱風(fēng)干燥過程中，開發(fā)了一種基于局部灰度中值分割的圖像處理方法來量化香菇表面褶皺率，研究了不同相對濕度控制方法對香菇干燥過程中表面褶皺率（Ratio of Wrinkled Surface Area，RWSA）和徑向收縮率的影響[10]。相對于傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥，前期保持較高相對濕度可縮短香菇干燥時間，且香菇收縮率小、表面褶皺少，但其復(fù)水比明顯低于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥[10]。

但是上述研究還有很多不足，香菇外觀品質(zhì)與復(fù)水比以及香菇內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的關(guān)系尚不明確。并且使用香菇投影面積僅能表現(xiàn)香菇面積輪廓的變化，不能反映香菇邊緣形狀變化。目前研究過程采集到的圖像中發(fā)現(xiàn)香菇邊緣輪廓變化與干燥介質(zhì)相對濕度變化有一定的相關(guān)性。圓度是指物體的橫截面接近理論圓的程度，在機械行業(yè)中該指標(biāo)用于表示軸與孔的加工精度[11]，而新鮮香菇大多呈圓形，在干燥過程中香菇因為不均勻收縮其邊緣輪廓發(fā)生變化，形狀發(fā)生改變。本文嘗試使用圓度變化來表示香菇邊緣輪廓變化，探究相對濕度對香菇面積輪廓與邊緣輪廓的影響。表面褶皺率主要表現(xiàn)香菇整體褶皺占整個香菇表面的比例，為了表現(xiàn)整個香菇表面某點顏色與其鄰近區(qū)域顏色的分布，擬采用圖像紋理特征來表示香菇表面鄰域內(nèi)的顏色分布關(guān)系，該方法已成功用于描述蘋果[12]與蝦仁[13]干燥過程中的紋理變化。香菇復(fù)水比與其微觀結(jié)構(gòu)有一定的相關(guān)性，為了明確這一關(guān)系，需將香菇細胞變形程度量化，本文利用掃描電鏡圖像上香菇細胞的長寬比來反映細胞變形程度。

基于上述分析，本文的研究內(nèi)容如下：1）使用不同相對濕度控制方法對香菇進行熱風(fēng)干燥，利用圖像處理技術(shù)獲取香菇的收縮率、圓度、表面褶皺率與紋理特征，并探究相對濕度對香菇外觀品質(zhì)的影響及這些外觀品質(zhì)間的關(guān)系；2）探究香菇外觀品質(zhì)與復(fù)水比間的關(guān)系；3）探究香菇的微觀結(jié)構(gòu)與復(fù)水比間的關(guān)系；4）探究干燥介質(zhì)相對濕度對香菇感官品質(zhì)與風(fēng)味成分的影響。以期為香菇干制工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

從北京當(dāng)?shù)厥袌鲑徺I直徑為（60 ± 5）mm的新鮮無損香菇，于4 ℃下儲藏24 h。將不含菌柄的香菇于70 ℃下真空干燥24 h[10]，其初始濕基含水率為89.16% ± 0.15%。

1.2 主要儀器與設(shè)備

1.2.1 基于計算機視覺在線檢測和溫濕度過程控制的熱風(fēng)干燥機

自制干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，其原理為：干燥機利用溫度傳感器（型號：PT100，北京優(yōu)普斯科技中心，測量誤差為± 0.3 ℃）和濕度傳感器（型號：SHT35，瑞士Sensirion 公司，測量誤差± 1.5%）檢測干燥室內(nèi)溫度和相對濕度，采用觸摸屏和可編程中斷控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC）根據(jù)干燥室內(nèi)溫濕度對加熱管、加濕器與排濕風(fēng)機進行開/關(guān)控制，將干燥室內(nèi)溫度和相對濕度保持在目標(biāo)值范圍內(nèi)[2]。在工作過程中離心風(fēng)機將冷空氣送入進氣加熱通道，加熱后進入干燥室，通過擾流風(fēng)機擾動，熱空氣在干燥室內(nèi)循環(huán)，一部分濕熱空氣在排濕風(fēng)機開啟后被排出干燥室，一部分經(jīng)離心風(fēng)機流回進氣加熱管道實現(xiàn)余熱回收[2]。物料內(nèi)部溫度由插入式溫度傳感器（型號：PT100，北京優(yōu)普斯科技中心，測量誤差為± 0.3 ℃）測量，物料質(zhì)量由稱重傳感器（型號：SP4MC3MR型，德國Hottinger Baldwin Measurements公司，測量誤差為0.16%）測量，所有數(shù)據(jù)每10 s記錄一次，并以Excel文件的形式存儲在U盤中。

干燥機計算機視覺在線檢測裝置硬件設(shè)備包括一個帶GigE接口的工業(yè)攝像機（型號：Aca250014-gc，德國Basler公司），一個可固定焦距鏡頭（型號：M1214-MP2，日本Computar公司），兩個色溫為6500K的LED集成芯片（型號：COB -9w，中國常州燕娜電子有限公司），以及用于工業(yè)相機和光源的冷卻罩、冷卻水泵與冷卻風(fēng)機。為了防止環(huán)境光線影響圖像質(zhì)量，將工業(yè)相機單獨放置在一個冷卻罩內(nèi)，兩個光源放置在工業(yè)相機冷卻罩兩側(cè)的光源冷卻罩內(nèi)（如圖1所示），光源冷卻罩和工業(yè)相機冷卻罩底端與干燥室頂部平齊，光線照射方向與物料垂直。分別采用風(fēng)冷和水冷的方法對工業(yè)相機和光源進行冷卻，使冷卻罩內(nèi)溫度保持在50 ℃以下，保證長時間干燥時工業(yè)相機與光源處于安全工作溫度范圍內(nèi)。

1.冷卻水泵 2.冷卻水箱 3.冷卻風(fēng)機 4.干燥機外殼 5.稱重傳感器 6.稱重支架 7.溫度傳感器 8.觸摸屏 9.指示燈 10.加濕器 11.托盤支架 12.進氣加熱通道 13.離心風(fēng)機 14光源冷卻罩 15.相機冷卻罩 16.擾流風(fēng)機 17.干燥室門 18.保溫層

1.2.2 其他設(shè)備

電子天平（型號：JA21002，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司，精度0.01 g）；日立電子掃描顯微鏡（型號：SU3500，日本東京日立高科技公司）；電加熱水浴鍋（上海宜昌儀器紗篩廠）。

1.3 試驗方法

將（810 ± 2）g僅含菌蓋的香菇黑色表面朝上單層平鋪于干燥室內(nèi)如圖1所示4個位置（a、b、c和d）的料盤上，干燥室左上角a處放置（240 ± 1.5）g 香菇，其中1個用于采集圖像并獲取圖像信息，背景板距離鏡頭28 cm；左下角b處放置（240 ± 1.5）g香菇用于測量質(zhì)量；右上角c處放置（240 ± 1.5）g香菇，其中3個香菇上插有溫度傳感器，用來獲取干燥過程中物料內(nèi)部溫度[7]；為了獲得足夠的相對濕度，將剩余的香菇放置在干燥室的右下角d處。在整個干燥過程中，干燥室內(nèi)的風(fēng)速約為3.2～4.2 m/s，風(fēng)溫為60 ℃[2]。

在使用大型干燥機干燥香菇時，物料中大量水分迅速蒸發(fā)，出現(xiàn)干燥室內(nèi)相對濕度上升的現(xiàn)象，所以為模擬實際生產(chǎn)方法，本文中干燥室內(nèi)的相對濕度僅靠香菇自身蒸發(fā)的水分和排濕風(fēng)扇的開/關(guān)狀態(tài)控制，不通過外部加濕器向干燥室內(nèi)輸入濕空氣調(diào)節(jié)[7]。當(dāng)香菇的濕基含水率低于10%時停止干燥[7]。4種不同相對濕度控制方法：1）連續(xù)排濕方式：干燥過程中排濕風(fēng)機始終保持開啟狀態(tài)；2）全程設(shè)置恒定相對濕度：為確定所設(shè)相對濕度范圍依靠香菇自身水分蒸發(fā)可維持的時間，整個干燥過程中干燥室內(nèi)相對濕度范圍設(shè)定為固定值（全程40% ± 4%、全程30% ± 4%、全程20% ± 4%），在干燥室內(nèi)相對濕度達到設(shè)定上限后開啟排濕風(fēng)機，相對濕度低于下限時關(guān)閉排濕風(fēng)機[7]；3）分階段控制干燥室內(nèi)相對濕度：根據(jù)2）中試驗結(jié)果，按照全程40%、30%組設(shè)定相對濕度的維持時間來設(shè)定階段降濕組40%、30%的保持時間，其后相對濕度設(shè)定為20%；4）根據(jù)2）、3）中的試驗結(jié)果，選取其中干燥時間短且外觀品質(zhì)較好的組進行優(yōu)化試驗，并且根據(jù)2）、3）中相對濕度的保持時間結(jié)果，當(dāng)物料水分不足以使干燥室內(nèi)相對濕度維持在設(shè)定范圍后開啟排濕風(fēng)機，即為全程最優(yōu)組優(yōu)化、階段降濕優(yōu)化，詳細試驗設(shè)計見表1。每組試驗重復(fù)3次。

表1 不同相對濕度控制方式下熱風(fēng)干燥試驗設(shè)計（60 ℃）

1.4 圖像處理

1.4.1 徑向收縮率

本文采用OpenCV3.0開源函數(shù)庫對香菇進行圖像處理，處理流程如圖2所示。為了計算收縮率，首先將RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，并對其進行中值濾波去除噪聲。由于香菇放置在白色背景下，香菇表面顏色較深，其與白色背景分界明顯，所以采用Otsu自動分割方法便可獲得與真實香菇投影形狀一致的二值圖像。在二值圖像中，香菇對應(yīng)的白色區(qū)域每個像素的值為1，背景對應(yīng)的黑色區(qū)域值為0。接著進行開運算，濾除殘余噪聲或者非香菇區(qū)域?qū)?yīng)的小面積的白色斑點。由于所使用的鏡頭是固定焦距鏡頭，而焦點是背景板，所以過濾后的二值圖像的白色區(qū)域面積可計為香菇在圖像上的面積，通過圖像上香菇面積的變化來計算收縮率。白色區(qū)域每個像素的值為1，白色區(qū)域面積可通過像素計數(shù)法統(tǒng)計[14]。香菇徑向收縮率計算方法如下所示

式中A為香菇的初始投影面積，pixels；A為時刻香菇的投影面積，pixels。徑向收縮率越小，說明干燥后的香菇較新鮮香菇變形越小。相對于手動分割，自動圖像處理分割精度為99.93%[10]

1.4.2 圓度測量

圓度是指物體的橫截面接近理論圓的程度，文中使用圓度表示香菇的邊緣輪廓形狀。圖像處理方法如圖2所示，利用計算收縮率時得到的二值圖像，計算二值圖像白色區(qū)域的周長，并根據(jù)公式（2）計算香菇圓度，圓度范圍為0～1[15]，數(shù)值越大說明香菇越圓。

式中A為時刻香菇的投影面積，pixels；p為時刻香菇的輪廓周長，pixels。

1.4.3 表面褶皺率

表面褶皺率通過香菇表面褶皺的面積占整個香菇投影面積的比例來表示，表面褶皺率越小，說明干香菇表面越光滑，越為消費者所喜愛。圖像處理方法如圖2所示，利用計算收縮率時得到的二值圖像，與原始圖像進行掩膜運算，得到僅含香菇的彩色圖像，然后將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，并對灰度圖像進行平滑處理，消除香菇表面原始斑點，接著利用基于灰度均值的局部閾值分割方法將褶皺區(qū)域與非褶皺區(qū)域分隔開[10]，如圖2所示，對應(yīng)步驟的圖片中白色部分為非褶皺區(qū)域，黑色部分為褶皺區(qū)域，利用像素計數(shù)法計算白色區(qū)域的面積[10]。

式中A為時刻香菇的投影面積，pixels；A為時刻香菇表面非褶皺區(qū)域面積，pixels。相對于手動分割褶皺區(qū)域與非褶皺區(qū)域，自動圖像處理分割精度為92.80%[10]。

1.4.4 圖像紋理

文中使用基于灰度共生矩陣（Gray Level Co-occurrence Matrix，GLCM）的方法提取圖像紋理特征中的能量與對比度特征[13]。能量指返回歸一化的灰度共生矩陣中元素的平方和，反映了圖像灰度分布均勻程度和紋理粗細度，其范圍為0～1，顏色恒定圖像的能量值為1[16]，其值越大說明香菇表面褶皺分布越規(guī)律，且越細密。對比度指整個圖像之間的像素與其相鄰像素之間的強度對比度的測量值，范圍為0～(-1)2，均勻圖像的對比度為0[16]。對比度用來表示香菇表面不同區(qū)域顏色差異，其值越大，香菇表面不同區(qū)域顏色差異越明顯。如圖2所示，利用僅含香菇的灰度圖像計算不包含零值的灰度等級數(shù)，獲得不包含背景的灰度共生矩陣，消除黑色背景對紋理特征的影響[13]。之后將灰度共生矩陣歸一化處理，在預(yù)試驗中發(fā)現(xiàn)，香菇圖片上0o、45o、90o與135o方向上紋理特征無顯著性差異，所以本文中的能量與對比度紋理特征取0o方向的值，計算公式如下

式中()是歸一化處理后的灰度共生矩陣的值，是該張圖像的灰度等級數(shù)，、為灰度共生矩陣中橫、縱坐標(biāo)值。

1.5 復(fù)水比

每種控濕方式的干制品各選?。?.15 ± 0.61）g放在恒溫（40 ℃）的蒸餾水中60 min，然后瀝干20 min，測量復(fù)水后的香菇質(zhì)量[7]。復(fù)水比（Rehydration Ratio, RR）計算公式如下所示

式中m復(fù)水后香菇的質(zhì)量，g；m為干香菇的質(zhì)量，g。

注：A為香菇的初始投影面積，pixels；A為時刻香菇的投影面積，pixels。

Note:Ais the initial projected area of shiitake mushrooms, pixels;Ais the projected area of shiitake mushrooms at time, pixels.

圖2 香菇圖像處理流程圖

Fig.2 Image processing flow chart of shiitake mushroom

1.6 微觀結(jié)構(gòu)

使用SU3500日立電子掃描顯微鏡（日本東京日立高科技公司）在15 kV加速電壓下，通過掃描電鏡（放大600倍）獲得香菇菌蓋橫截面的顯微照片。利用香菇的細胞長寬比（Cell Aspect Ratio，CAR）來評估細胞變形程度，從顯微圖像中測量每個細胞的長度和寬度，并確定每張圖片中5個細胞的平均細胞長寬比[17]。

式中為香菇細胞徑向長度，pixels；為香菇細胞縱向長度，pixels。對于圓形細胞其長寬比為1。

1.7 復(fù)水后香菇的質(zhì)構(gòu)特性

將復(fù)水后的香菇切成邊長為10 mm的正方形塊狀放置在質(zhì)構(gòu)儀（Stable Micro System，TA.XT.Plus/50，英國）測試平臺上，香菇黑色面朝下，采用P36R探頭，設(shè)定測前速率為2 mm/s，測中速率2 mm/s，測后速率10 mm/s，壓縮比為50%，觸發(fā)感應(yīng)力50 N，探頭2次測定間隔時間5 s，觸發(fā)類型為自動對方形香菇塊進行壓縮試驗，獲取其硬度、彈性、咀嚼性[1]。每種控濕方式產(chǎn)生的香菇測試20次，結(jié)果取其平均值。

1.8 風(fēng)味成分檢測

將香菇干制品粉碎后過60目篩，每個樣品取0.5 g，新鮮香菇使用榨汁機破碎后取5 g，分別放置于20 mL的頂空進樣瓶中。采用氣相色譜-離子遷移譜聯(lián)用（Gas Chromatography-ion Mobolity Spectrometry，GC-IMS）技術(shù)（FlavourSpec?風(fēng)味分析儀，德國G.A.S.公司）分析風(fēng)味成分。氣相色譜條件：使用色譜柱類型：FS-SE-54-CB-1，15 m，ID：0.53 mm，柱溫60 ℃，載氣：氮氣，分析時間30 min。系統(tǒng)條件：孵育時間15 min，孵育溫度60 ℃[18]，進針溫度85 ℃。利用G.A.S.公司軟件內(nèi)置風(fēng)味成分?jǐn)?shù)據(jù)庫對香菇中風(fēng)味成分進行定性分析。香菇特征風(fēng)味成分主要包括：1-辛烯-3-醇（香菇味）、3-甲基丁醛（堅果味）等[18]，利用干香菇中的風(fēng)味成分在氣相離子遷移譜圖上峰面積與鮮香菇中相應(yīng)風(fēng)味成分的峰面積的比值表示干香菇風(fēng)味成分的相對含量。

1.9 香菇干制品的綜合評分方法

香菇干制品的綜合評分和參評指標(biāo)間的關(guān)系為：

式中a為香菇相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重；b為相應(yīng)指標(biāo)的得分[7]；=12。評分標(biāo)準(zhǔn)分為10~2分，每個等級間相差2分，根據(jù)顯著性分析結(jié)果進行打分，相同水平間使用同一分?jǐn)?shù)。結(jié)果越大評分越高的指標(biāo)與其相應(yīng)的權(quán)重為：對比度（0.10）、圓度（0.15）、復(fù)水比（0.05）、彈性（0.05）、咀嚼度（0.05）、1-辛烯-3-醇（0.05）與3-甲基丁醛（0.05）；結(jié)果越小評分越高的指標(biāo)與其相應(yīng)的權(quán)重為：收縮率（0.15）、能量（0.10）、褶皺率（0.10）、硬度（0.05）與干燥時間（0.10）[7]。

1.10 數(shù)據(jù)分析

采用MATLAB2017b進行數(shù)據(jù)處理并采用最小顯著性差異法（Least Significant Difference，LSD）進行顯著性分析（< 0.05）。香菇的圓度與紋理特征均經(jīng)過歸一化處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥室內(nèi)相對濕度變化

如圖3a所示，干燥初期設(shè)定的目標(biāo)相對濕度越高，其保持時間越短。對于整個干燥過程中不開啟排濕風(fēng)機的全程40%、30%和20%組，其可維持在目標(biāo)濕度范圍的時間分別為30、120和250 min左右，在此期間，排濕風(fēng)機間歇性開啟。之后隨著物料水分減少，干燥室內(nèi)濕度不足以達到設(shè)定目標(biāo)上限，排濕風(fēng)機一直處于關(guān)閉狀態(tài)，干燥室內(nèi)相對濕度由于干燥室的氣密性不足而緩慢下降。但是對于全程20%組，干燥初期50 min內(nèi)出現(xiàn)了排濕風(fēng)機一直開啟的狀態(tài)，這是因為在干燥初期，物料含水率高，水分大量蒸發(fā)，干燥機排濕風(fēng)機排濕能力有限，干燥室內(nèi)相對濕度不能達到設(shè)定的相對濕度下限（16%），排濕風(fēng)機便一直處于開啟狀態(tài)。從圖 3a中也可以看出，全程20%和30%組的相對濕度在50～100 min期間迅速變化，此時香菇內(nèi)部溫度升高，物料蒸發(fā)出的水分可以使干燥室內(nèi)相對濕度迅速達到目標(biāo)上限，與此同時香菇的水分蒸發(fā)量低于前50 min，干燥機的排濕風(fēng)機有能力迅速將干燥室內(nèi)濕空氣排出，相對濕度可迅速達到目標(biāo)相對濕度下限。由表2可見，全程設(shè)置恒定相對濕度組中，全程20%組的干燥時間最長，原因是其設(shè)定相對濕度維持時間過長；而全程30%的干燥時間最短，且其干制品外觀品質(zhì)較佳。根據(jù)全程40%、30%、20%組的相對濕度保持時間，進行了分階段控制濕度的方法，階段降濕組的干燥時間短，干制品外觀品質(zhì)與全程30%組無顯著性差異（> 0.05）。如圖3b所示，階段降濕組最后一階段相對濕度變化與全程20%相似，排濕風(fēng)機處于關(guān)閉狀態(tài)。因此，選擇全程30%組與階段降濕組進行優(yōu)化，當(dāng)干燥室內(nèi)相對濕度無法達到目標(biāo)相對濕度上限后，排濕風(fēng)機處于常開狀態(tài)，所以其相對濕度迅速降低。優(yōu)化組的干燥時間相對于全程40%、30%與20%組的干燥時間顯著減少（< 0.05）。這是因為開啟排濕風(fēng)機后，香菇表面空氣與干燥室內(nèi)干燥介質(zhì)水蒸氣分壓變大，增加了干燥的驅(qū)動力[3]，提高了干燥速率[10]。

2.2 香菇內(nèi)部溫度變化

在不同的相對濕度控制方法下，香菇的內(nèi)部溫度變化不同。如圖4a所示，相對于連續(xù)排濕組，干燥室內(nèi)初期相對濕度越高，香菇內(nèi)部溫度越高（如圖4a橢圓內(nèi)溫度曲線所示），這說明在干燥初期保持較高的相對濕度可以使物料內(nèi)部溫度迅速上升，相似的現(xiàn)象在循環(huán)熱風(fēng)龍眼干燥[19]以及基于溫濕度過程控制的山藥片[9]、杏子[3]和茄子[7]的熱風(fēng)干燥過程均有發(fā)現(xiàn)。對于30%優(yōu)化和階段降濕優(yōu)化組，香菇內(nèi)部溫度在保持相對濕度階段升溫曲線與其相應(yīng)的未優(yōu)化組一致，而在開啟排濕風(fēng)機后物料溫度突然降低（如圖4b橢圓內(nèi)溫度曲線所示）。當(dāng)干燥室相對濕度突然降低，香菇表面空氣流速增大[20]，香菇表面水分迅速蒸發(fā)消耗蒸發(fā)潛熱，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度降低[7]。

注：為方便對比優(yōu)化30%與全程30%組相對濕度變化的區(qū)別，故在圖b中添加了全程30%組的相對濕度變化曲線，圖a，b中全程30%組為相同數(shù)據(jù)，下同。

2.3 香菇輪廓變化

如圖5a所示，不同相對濕度控制方法下，香菇從干燥初期便開始發(fā)生收縮，這是因為香菇的邊緣較薄，相對于香菇中部更容易被加熱，細胞間的自由水很快遷移至表面并蒸發(fā)，其組織無法保持原有結(jié)構(gòu)便發(fā)生收縮[21]。不同干燥條件下，香菇收縮變化在前270 min無顯著差異（> 0.05），之后全程40%的收縮率顯著高于（< 0.05）其他組，這可能是由于其相對濕度在較長時間內(nèi)均高于其他干燥條件（如圖3），香菇處于相對濕度高的環(huán)境中，表面空氣與干燥介質(zhì)間水蒸氣分壓差小，干燥速率低[10]，表面硬化程度低，水分分布更加均勻[22]，則香菇更容易產(chǎn)生變形。而全程20%組雖然處于較低的相對濕度中，相對于全程40%組邊緣更容易硬化，增加了收縮阻力，所以其收縮率小于全程40%組，但是其干燥時間較長，也讓香菇有了更長的收縮時間[23]，所以其收縮率較全程30%組更高。而對于連續(xù)排濕組與優(yōu)化組，其最終收縮率顯著低于其他組（< 0.05），這是因為隨著相對濕度的降低，水分被迅速去除，因此干燥速率增大[10]，導(dǎo)致大量非揮發(fā)性物質(zhì)遷移至香菇表面，組織收縮加快，引起了香菇表面硬化，這反過來限制了較低相對濕度下的收縮[3]，類似現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在山楂[22]、石榴[24]的對流干燥中。

相對濕度不僅對香菇整個面積的收縮變化有顯著影響（< 0.05），并且對香菇的圓度也有影響。如圖5b所示，干燥初期30 min內(nèi)各組間的圓度無顯著性差異（> 0.05）。當(dāng)干燥進行至120 min，優(yōu)化組的排濕風(fēng)機開啟后，其香菇圓度顯著高于維持較高相對濕度的全程40%、30%與階段降濕組（< 0.05），具體數(shù)值如表2所示。這與香菇的收縮率相對應(yīng)，因為干燥室中具有較高相對濕度的干燥介質(zhì)具有較高的焓值，使香菇內(nèi)部溫度和內(nèi)部壓力升高，從而導(dǎo)致細胞膨脹，并對細胞結(jié)構(gòu)造成更大的損傷[25]，結(jié)構(gòu)變軟，在之后的干燥中更易變形。而當(dāng)干燥室內(nèi)相對濕度迅速變低或者香菇一直處于低相對濕度的環(huán)境中，香菇邊緣失水更快，容易硬化，使香菇維持其原有的形狀，類似現(xiàn)象也發(fā)生于蘋果片[26]與香菇[27]的熱風(fēng)干燥過程中。隨著干燥的進行，各組間的圓度差異越來越大，全程40%與全程30%的圓度低于其他組，而后期相對濕度變化較為接近的全程20%與階段降濕組圓度接近且大于高相對濕度組。而經(jīng)過優(yōu)化的兩組與連續(xù)排濕組其圓度保持較好，之間無顯著性差異（> 0.05）。

2.4 香菇表面變化

香菇表面褶皺從最容易失水的邊緣開始產(chǎn)生，向香菇頂部發(fā)展[10]，相對濕度對香菇表面褶皺變化趨勢存在顯著性影響，如圖6a所示，干燥開始后，連續(xù)排濕與全程20%組的香菇便處于較低相對濕度環(huán)境中，其表面自干燥初期便產(chǎn)生了褶皺。而保持恒定相對濕度組的香菇表面空氣與干燥介質(zhì)間水蒸氣分壓差較小，失水速率慢[28]，其產(chǎn)生褶皺的時間晚于低相對濕度組。雖然保持較高相對濕度可以減緩干燥初期香菇表面褶皺的產(chǎn)生，但當(dāng)香菇水分比低于0.8時（對應(yīng)干燥時間為75 min），盡管此時干燥室內(nèi)相對濕度還可以維持在設(shè)定濕度范圍內(nèi)，但其表面褶皺率依舊會迅速增加[10]，所以如圖6a所示，在75 min后全程40%、30%與階段降濕組的表面褶皺率突然迅速增加，直至達到最大值。優(yōu)化組的表面褶皺率在開啟排濕風(fēng)機迅速排濕后增大，但其褶皺終點值低于相應(yīng)的未優(yōu)化組，這是由于干燥后期迅速排濕后，香菇干燥速率增大，其表面迅速硬化，增加了收縮阻力[29]，使香菇表面難以收縮產(chǎn)生褶皺，類似現(xiàn)象也發(fā)生于利用高溫使香菇表面快速硬化的研究中[27]。與其他組不同的是連續(xù)排濕組，它的表面褶皺率緩慢增加至最大值，其增大至最大值所需要的時間顯著高于其他組（全程30%組除外），具體時間見表2。這可能是因為連續(xù)排濕組的相對濕度從始至終變化較小，香菇處于相對穩(wěn)定的環(huán)境中，細胞各向均勻緩慢的收縮，所以表面褶皺隨時間緩慢變化。而全程30%組的表面褶皺率一直處于增加狀態(tài)，因此表3中無最大褶皺率對應(yīng)的時間，這可能與香菇自身特性有關(guān)，在Subramaniam的研究中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對濕度低于30%時，不同相對濕度條件干燥后香菇的品質(zhì)無顯著差異；而當(dāng)相對濕度高于30%時，組間差異較大[30]，可以認(rèn)為30%的相對濕度對香菇有特殊的影響。

表2 不同相對濕度控制方式下香菇干燥品質(zhì)（60 ℃）

注：同一行不同字母表示不同控濕方式干燥樣品有顯著性差異（< 0.05）。

Note: Different letters in the same row indicate significant differences among samples dried using different RH control methods (< 0.05).

在此需要說明的是，圖6a中各組褶皺率達到最大值后，香菇表面并非不再變化，而是其表面褶皺加深，香菇變薄，表面褶皺率越早達到最大值，其褶皺有越充足的時間加深，香菇表面顏色越暗。而全程40%組的褶皺率在后期稍有降低，并非香菇表面褶皺在減少，而是因為香菇此時的徑向收縮較大，香菇表面褶皺變得更加細密，且褶皺更深，像素間的對比度降低，導(dǎo)致圖像處理精度下降，忽略了細小的褶皺[10]，由表2中的香菇干燥樣品圖也可以看出，全程40%組所產(chǎn)生的香菇表面更暗，褶皺更加細密，而處于低相對濕度環(huán)境下時，如連續(xù)排濕與全程20%組，香菇表面產(chǎn)生的褶皺更加粗大。如圖6b所示，香菇表面的對比度變化在干燥初期無明顯規(guī)律，而在300 min后全程40%組的對比度迅速降低，且至干燥結(jié)束時，顯著低于（< 0.05）其他組，這與其褶皺率在干燥后期圖像處理精度降低有關(guān)。干燥結(jié)束時，連續(xù)排濕與后期處于低相對濕度的全程20%、階段降濕、階段降濕優(yōu)化組的香菇表面對比度更高，說明香菇非褶皺區(qū)域與褶皺區(qū)域的顏色差異更加明顯，香菇整個表面更加明亮，由表2中的干燥樣品圖也可看出連續(xù)排濕組的香菇亮度更高。這可能是因為高相對濕度環(huán)境中的香菇初始升溫速率高，細胞破損更為嚴(yán)重[25]，更容易發(fā)生褐變，且香菇處于高濕環(huán)境中時間較長，干燥速率緩慢，加之較長的干燥時間為褐變產(chǎn)物的形成提供了充足的時間，從而導(dǎo)致香菇表面整體顏色變暗，類似的現(xiàn)象在蘋果片[31]與香蕉片[32]的干燥中均有報道。如圖6c所示，香菇圖像的能量在變大，而干燥后期不排濕組能量顯著高于（< 0.05）迅速排濕的優(yōu)化組，能量越大說明香菇表面顏色分布越均勻，但是也表明了非皺縮區(qū)域與皺縮區(qū)域的顏色更加一致，說明香菇表面色澤更暗。

圖6 不同相對濕度控制方法對香菇表面的影響

2.5 微觀結(jié)構(gòu)與復(fù)水比

香菇微觀結(jié)構(gòu)的細胞長寬比如表2所示，干燥初期維持高相對濕度的全程40%與全程30%的長寬比顯著高于（<0.05）其他組，香菇一直處于較低相對濕度環(huán)境中的連續(xù)排濕與全程20%組的長寬比最小且顯著低于其他組（< 0.05）。這說明處于低濕環(huán)境中的細胞較好的維持了其原有形狀，而相對濕度越高、處于高相對濕度環(huán)境中的時間越久，香菇細胞在縱向上變形越大。這可能是由于低的相對濕度促使香菇表面快速硬化阻礙了香菇縱向變薄，減小了細胞壓縮[33]。但是這一結(jié)果卻與Subramaniam等[30]的研究結(jié)果相反，Subramaniam等研究發(fā)現(xiàn)，相對濕度保持組較連續(xù)排濕組的細胞形態(tài)更加完整，這可能由于研究中相對濕度保持組與連續(xù)排濕組采用了不同的干燥設(shè)備所致。已有研究表明，在使用溫濕度熱風(fēng)干燥技術(shù)干燥紅薯粉絲[34]和西洋參[28]時，相對濕度保持越高，物料橫截面微觀結(jié)構(gòu)越為致密。且在使用相同溫度干燥香菇片[35]時，風(fēng)速越高，得到的香菇片孔隙率越大。

干香菇的復(fù)水比可在一定程度上表示細胞受損情況，細胞保持的越完整其復(fù)水能力越好[36]，由表2可看出，連續(xù)排濕組的香菇復(fù)水比顯著高于其他控制濕度組（< 0.05），在使用熱風(fēng)干燥技術(shù)干燥胡蘿卜[6]、茄子[7]的研究中報道了干燥時間延長和相對濕度增加對復(fù)水比的負面影響。香菇表面褶皺率達到最大值的時間與香菇復(fù)水比呈正相關(guān)關(guān)系（= 0.88），香菇表面褶皺越晚達到最大值，香菇復(fù)水比越高。這說明控制香菇緩慢產(chǎn)生褶皺可能會使香菇復(fù)水比提高。

2.6 復(fù)水香菇的質(zhì)構(gòu)特性

復(fù)水后香菇的硬度、彈性與咀嚼性如表2所示。相對濕度控制方法對硬度、彈性與咀嚼性均有顯著性影響（< 0.05）。階段降濕優(yōu)化組、30%優(yōu)化組的咀嚼性顯著高于連續(xù)排濕組（< 0.05），彈性與連續(xù)排濕組無顯著性差異（> 0.05）。階段降濕組的硬度、彈性與咀嚼性均顯著（< 0.05）低于其他組，這可能由于香菇既在干燥初期處于高相對濕度的環(huán)境中，又經(jīng)歷了干燥室內(nèi)環(huán)境濕度迅速降低的過程，但因干燥后期一直未排濕，其相對濕度高于優(yōu)化組，因此干燥緩慢，導(dǎo)致其細胞破損嚴(yán)重[7]，所以復(fù)水后組織變得柔軟，持水性差。

2.7 干香菇風(fēng)味成分分析與綜合評分

如表2所示，經(jīng)干燥后的香菇較新鮮香菇中的1-辛烯-3-醇含量均升高，說明經(jīng)過60 ℃干燥后的香菇味道更加濃郁，其中連續(xù)排濕組的1-辛烯-3-醇相對含量顯著高于（< 0.05）其他組，其他干燥初期保持較高相對濕度組的1-辛烯-3-醇相對含量雖然無顯著性差異（> 0.05），但是全程20%組的相對含量較高，說明干燥前期保持較高的相對濕度對1-辛烯-3-醇的產(chǎn)生有不利影響。新鮮香菇中含有3-甲基丁醛，連續(xù)排濕組干制品中3-甲基丁醛相對含量較新鮮香菇略有升高且顯著高于（< 0.05）其他組。除了連續(xù)排濕組之外，通過其他相對濕度控制方法得到的干香菇3-甲基丁醛相對含量低于新鮮香菇，其中30%優(yōu)化組的3-甲基丁醛相對含量較高（< 0.05），全程40%組的相對含量顯著低于（< 0.05）其他控濕組。這同樣說明了干燥香菇時保持較高相對濕度對香菇風(fēng)味成分產(chǎn)生了不利影響。由表2中綜合評分可知，綜合考慮本文中12個指標(biāo)，連續(xù)排濕工藝產(chǎn)生的香菇得分最高，30%優(yōu)化組次之。所以在干制香菇時，優(yōu)先采用連續(xù)排濕工藝，其次采用優(yōu)化的30%工藝。

3 結(jié) 論

1）相對于連續(xù)排濕組與全程設(shè)定恒定相對濕度組，階段降濕優(yōu)化組與30%優(yōu)化組在干燥后期采用連續(xù)排濕方式，可減少干燥時間。

2）相對濕度對香菇的輪廓變化有顯著影響（< 0.05），香菇的圓度變化與香菇收縮率變化對應(yīng)，香菇收縮率越大，香菇的圓度越低，香菇形狀越不規(guī)則。而階段降濕優(yōu)化與30%優(yōu)化組通過在干燥后期采用連續(xù)排濕方式，增大了香菇表面空氣與干燥介質(zhì)間的水蒸氣分壓差，加快了干燥速率，從而使香菇表面迅速硬化定形，可得到收縮率小、更接近初始形狀的干香菇。

3）相對濕度對香菇的表面褶皺率與紋理特征均有顯著影響（< 0.05）。干燥前期保持較高相對濕度使香菇表面顏色變暗，褶皺更多。而階段降濕優(yōu)化與30%優(yōu)化組通過在干燥后期采用連續(xù)排濕方式，可以促進香菇表面硬化，減少褶皺的產(chǎn)生，得到表面顏色對比度高、非褶皺區(qū)域與褶皺區(qū)域顏色差異更大的香菇，在縮短干燥時間的同時保持香菇外觀品質(zhì)。

4）相對濕度對香菇細胞的長寬比與復(fù)水比均有顯著影響（< 0.05）。處于高相對濕度環(huán)境中的香菇細胞縱向變形更大，相應(yīng)的香菇復(fù)水比更低。香菇表面褶皺率達到最大值的時間與香菇復(fù)水比呈正相關(guān)關(guān)系（=0.88）。

5）連續(xù)排濕、30%優(yōu)化與階段降濕優(yōu)化組的香菇復(fù)水后硬度、彈性與咀嚼性更高。

6）連續(xù)排濕組干制品香菇特征風(fēng)味成分相對含量更高。綜合干燥時間與干香菇品質(zhì)考慮，優(yōu)先采用連續(xù)排濕的方式干燥香菇，其次為優(yōu)化30%組工藝。

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Effects of relative humidity on the exterior quality of shiitake mushrooms () during hot air drying

Li Xingyi, Zhang Yue, Xie Yongkang, Yu Xianlong, Zhu Guangfei, Gao Zhenjiang, Xiao Hongwei, Liu Yanhong※

(,,100083,)

Here, a computer vision on-line detection system was applied to Shiitake mushrooms (Lentinus edodes) during the hot air drying with the process control of Relative Humidity (RH). Four RH controls were used, including continuous fanning, constant target RH throughout the whole process, reducing the RH at different stages, and rapidly reducing the RH at the later stage. An image processing using region segmentation was selected to on-line measure the Ratio of Wrinkled Surface Area (RWSA), in order to separate the wrinkled areas from the non-wrinkled areas on the surface of shiitake mushrooms. The roundness in the image was used to represent the shape of the edge of shiitake mushrooms. The Cell Aspect Ratio (CAR) was used to quantify the degree of deformation in a cell of shiitake mushrooms, which was calculated by the pixel length of cells along the radial and vertical direction in the microscopic image. The appearance features (contrast and energy) of shiitake mushrooms were obtained by the Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM). A measurement was made for the changes of shrinkage, roundness, RWSA, and visible texture (contrast and energy) characteristics during the drying process of shiitake mushrooms, and thereby to establish the relationship among appearance qualities, Rehydration Ratio (RR), and microstructure of shiitake mushrooms. The results showed that the RH had significant effects (< 0.05) on the appearance qualities (shrinkage, roundness, RWSA, contrast, and energy), the microstructure, and rehydration ratio of shiitake mushrooms. Compared with the continuous fanning, higher RH maintained in the drying room at the initial stage of drying, corresponding to higher internal temperature of shiitake mushrooms, while longer drying time. The higher the initial RH or the longer the RH holding time was, the lower the drying rate and surface hardening degree were. Therefore, the shiitake mushrooms were more sensitive to shrinkage and deformation. The roundness changes of shiitake mushrooms corresponded to the change of shrinkages, where the higher the shiitake mushrooms shrinkage was, the lower the roundness was, indicating the more irregular shape of shiitake mushrooms. The slow rate of surface hardening led to more wrinkles on the surface of shiitake mushrooms, and lower color contrast distribution in the neighborhood pixels on the images, indicating that the color of non-wrinkled area was close to that of wrinkled area, and the whole surface color of shiitake mushroom was darker. Meanwhile, the cell aspect ratio of shiitake mushrooms cells was larger, indicating that the deformation of cells was more serious. At the same time, the small cell pore resulted in very low rehydration ratio of shiitake mushrooms. Compared with the whole process groups, the drying time, and shrinkage were significantly (< 0.05) reduced, the roundness improved significantly (< 0.05), the RWSAs reduced (> 0.05), and the surface color of shiitake mushrooms lighter (< 0.05) in the optimized groups by turning on the dehumidification fan, when the moisture evaporation was not enough to maintain the set RH range in the drying room. The reason can be the increased differential partial pressure between the air and the surface of shiitake mushrooms, resulting in an accelerated drying rate, while rapidly hardened and shaped surface of shiitake mushrooms. However, the deformation degree of shiitake mushroom cells was not significantly (> 0.05) reduced, and there was no increase in the erehydration ratio. A positive correlation was observed between the time, when the RWSA reached the maximum and the rehydration ratio of shiitake mushrooms (= 0.88).High relative humidity had a negative effect on the flavor components of shiitake mushrooms.The best drying was continuous fanning, according to the drying time, appearance quality, sensory quality, and composition of dried shiitake mushrooms.

drying; computer vision; roundness; image texture; ratio of wrinkled surface area; microstructure drying

李星儀，張悅，謝永康，等. 熱風(fēng)干燥過程相對濕度對香菇品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(24)：281-291.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.033 http://www.tcsae.org

Li Xingyi, Zhang Yue, Xie Yongkang, et al. Effects of relative humidity on the exterior quality of shiitake mushrooms () during hot air drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 281-291. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.033 http://www.tcsae.org

2020-11-06

2020-12-09

國家重點研發(fā)項目(No. 2017YFD0400905)

李星儀，博士生，研究方向為智能干燥裝備研發(fā)。Email：bs20183070610@cau.edu.cn

劉嫣紅，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工工程。Email：liuyanhong@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.033

S226.6

A

1002-6819(2020)-24-0281-11