莴苣组合干燥工艺参数的响应面法优化

徐英英, 曹博涛, 袁越锦, 刘 佳, 袁月定

(1.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021； 2.宜春学院 数学与计算机科学学院， 江西 宜春 336000)

0 引言

莴苣为菊科莴苣属一年生或二年生草本植物，在我国南北方都有广泛种植.莴苣营养价值很高，含矿物质、钙、磷、铁较丰富，亦含VA、VB1、VB2、VC、尼克酸、蛋白质、脂肪、糖类、灰分及钾、镁等微量元素和食物纤维等，且美味可口，是人们日常生活中的重要蔬菜[1].但是莴苣具有不易贮藏的特点，而制成脱水蔬菜可以克服这一难题.目前，莴苣干燥的工艺形式主要有：热风干燥、微波干燥和真空(冷冻)干燥等[1-5]，而对莴苣进行热风真空组合干燥的研究报道尚不多见.

组合干燥即把2种或2种以上干燥形式组合起来使用，在不同干燥阶段采用不同的干燥方法.它可以发挥各种干燥方式的优点，实现优势互补，避免单一干燥方式所带来的缺点，达到单一干燥所不能达到的目的，组合干燥技术将是果蔬干燥领域的研究重点之一[6-10].因此，本文拟对影响莴苣热风真空组合干燥特性的因素如热风温度、中间转换点含水率、切片厚度和真空度等进行试验研究，获得莴苣热风真空组合干燥的最佳工艺参数，从而为莴苣的干制加工和相关设备的设计提供技术依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器设备

试验材料为新鲜莴苣：购于西安当地农贸市场.

仪器设备包括热风循环干燥箱、真空干燥箱、电热恒温干燥箱、恒温水浴锅、电子天平、温度计、电子秒表、滤纸、镊子、烧杯、玻璃棒等.

1.2 试验方法

1.2.1 评价指标

(1)含水率：采用烘箱常压干燥法测量，先称量取样得到的莴苣质量，然后将莴苣放入烘箱中在105 ℃的条件下烘至绝干，测量并记下此时绝干莴苣质量，则其含水率(w.b.)x为：

(1)

其中：mt为物料的绝干质量，g；mo为物料的初始质量，g.

(2)复水比：将干燥以后的莴苣浸渍在20 ℃的纯水中进行复水试验，每隔0.5 h将其从水中捞出，用滤纸除去其表面水分，称量此时莴苣的质量与复水前的质量进行比较，计算得出其复水比R为：

(2)

其中：Wo为物料的初始总质量，g；Wt为物料复水后的总质量，g.

1.2.2 试验设计

(1)试验流程：莴苣→预处理(清洗、去皮)→切片→浸渍护色→测量初始数据→热风干燥→测量中间数据→真空干燥→测量最终数据.

将莴苣去皮，清水洗净，按要求切成3 mm、5 mm、8 mm片状，然后将其浸泡在浸渍护色液中2 h.护色液由质量分数20%的葡萄糖、10%的氯化钠和水组成.莴苣片浸渍护色处理后，将其捞出，反复冲洗干净，沥干莴苣片表面的水分.然后放入热风循环干燥箱中进行干燥，热风风速为2.8 m/s，风温可调节.热风干燥一定时间后将半干的莴苣片迅速转入真空干燥箱中进行真空干燥，真空温度为50 ℃，真空度可以调节.

(2)单因素试验：选取热风温度、中间转换点含水率、切片厚度和真空度为试验因素，研究莴苣干燥特性规律；未注明的工艺条件取值如下：切片厚度5 mm，真空绝对压力60 kPa，中间转换点含水率40%，热风干燥温度70 ℃.

(3)二次回归正交旋转组合干燥试验：采用L27(34)的正交试验表，共进行27组试验，每组试验中各取已经处理好的莴苣500 g，干燥至安全含水率5%以下试验结束.以热风温度、中间转换点含水率、切片厚度及真空度为试验因素，取复水比与干燥时间为响应值进行响应面的分析试验.试验因素的水平及编码如表1所示.

表1 试验因素水平取值及编码表

2 试验结果及分析

2.1 单因素实验

2.1.1 热风温度

不同热风温度下莴苣的干燥曲线如图1所示.由图1可以看出，热风温度为70 ℃时，干燥最快，热风温度为50 ℃时，干燥最慢；随着干燥的进行，干燥曲线的斜率逐渐减小，这是因为随着干燥过程的进行，莴苣含水量逐渐减小，莴苣片内含水率与表面含水率相差越来越小，水份由里向外移动的动力逐渐变小，故干燥越来越慢.

图1 不同热风温度下莴苣的干燥曲线

2.1.2 切片厚度

不同切片厚度下莴苣的干燥曲线如图2所示.由图2可以看出，切片厚度为3 mm时，干燥最快，切片厚度为8 mm时，干燥最慢.厚度为3 mm的莴苣切片在干燥过程中的干燥曲线近乎为直线，即干燥速率近似为常数；切片厚度为5 mm和8 mm时，随着干燥时间的增加，干燥曲线逐渐变缓，即干燥速率逐渐减小.

图2 不同切片厚度下莴苣的干燥曲线

2.1.3 真空度

不同真空度下莴苣的干燥曲线如图3所示.由图3可以看出，真空度(绝对压力)为40 kPa时，干燥最快；真空度(绝对压力)为80 kPa时，干燥最慢.这主要因为在其他条件不变的情况下，真空度(绝对压力)越小，水的沸点越低，即易蒸发.

图3 不同真空度下莴苣的干燥曲线

2.1.4 中间转换点含水率

不同中间转换点含水率下莴苣的干燥曲线如图4所示.由图4可以看出，热风干燥后的中间含水率为50%时，干燥最慢；在干燥初期，中间含水率为30%的干燥速率比40%的干燥速率较快，但是在干燥后期，两者干燥速率相差不大；随着干燥的进行，干燥曲线变化逐渐缓和，干燥速率越来越小.

图4 不同中间转换点含水率下莴苣的干燥曲线

2.2 二次回归正交旋转组合试验

根据表1随机组合试验次序，所得试验结果如表2所示，表中x1、x2、x3、x4为试验因素编码值.

表2 试验设计及其结果

2.2.1 回归分析

对试验数据，运用SPSS软件[11]进行二次回归分析计算，其回归和分析结果如表3所示.经分析可知，干燥时间回归方程Y1的显著性检验P=0.002<0.01，高度显著，失拟性检验P=0.1421>0.05不显著；复水比回归方程Y2的显著性检验P=0.000 8<0.01，高度显著，失拟性检验P=0.112 6>0.05 不显著，表明所建立的回归二次模型成立.相关系数R2的值分别为0.879、0.883，表明该二模型分别可以解释其响应值87.9%、88.3%的变化，即以上模型能够对莴苣组合干燥的干燥时间和复水比进行分析和预测.

表3 回归统计分析

注：* * 表示高度显著；ns表示不显著.

2.2.2 响应面分析

图5给出了热风温度、真空度、切片厚度、中间转换点含水率4个因素中的2个取零水平时，其它2个因素对干燥时间的影响.通过观察可以发现：在试验范围，干燥时间随着热风温度的升高而减少，随着切片厚度、真空度(绝对压力值)的增加而增加，但随着中间转换点含水率的变化不大.原因是当温度越高、真空干燥压力越小、切片厚度越薄时，水分蒸发的越快，干燥时间越少.这主要是由于干燥过程中随着温度的升高莴苣水分蒸发加快，干燥速率提高；而中间转换点含水率和真空度的增大使得真空干燥时间相对延长.在试验范围内，各因素对干燥时间的影响强度次序为：切片厚度>真空度>热风温度>中间转换点含水率.

图6给出了热风温度、真空度、切片厚度、中间转换点含水率4个因素中的2个取零水平时，其它2个因素对复水比的影响.通过观察可以发现：在试验范围，复水比随着热风温度和真空度(绝对压力值)的升高而减少，随着切片厚度、中间转换点含水率的增加而增加.原因是：温度过高，使莴苣切片的表面硬化，不利于莴苣切片吸收水分，而真空干燥对莴苣切片的复水性有较好的改善.在试验范围内，各因素对复水比的影响强度次序为：热风温度切片厚度>热风温度>真空度>中间转换点含水率.

图5 干燥时间的响应曲面图

图6 复水比的响应曲面图

2.3 参数优化

由上述响应面分析可知，如果热风温度过高，虽可使干燥时间较短，但干燥后的复水性却较差；而热风温度过低，单位时间干燥速率较小，会影响干燥效率.为使干燥效率和复水比都能达到最优，本文对上述2个目标函数进行多目标非线性优化，进而找到满足这2个目标函数的最佳干燥工艺参数组合.其目标函数为：

Y1→Y1min;Y2→Y2max

(3)

约束条件为：

(4)

由数据分析软件可优化得到莴苣组合干燥的最佳工艺条件为：热风温度为50 ℃(编码值 -1.546 0)，真空度为20 kPa(编码值 -1.546 0)，切片厚度为5 mm(编码值 -0.479 3)，中间转换点含水率为40%(编码值1.546 0).此时干燥时间为12.927 1 h，复水性为3.090 6.

3 结论

莴苣在热风真空组合干燥过程中受热风温度、中间转换点含水率、切片厚度和真空度的影响较大.提高热风干燥温度有利于提高干燥速率，但对产品的质量影响较大，而真空干燥有利于提高产品质量，采用“热风-真空”组合干燥可以使两者优势互补.

利用多目标非线性优化分析法对莴苣组合干燥工艺进行综合优化，得到莴苣组合干燥的最佳工艺参数组合，即：热风温度为50 ℃，真空度为20 kPa，切片厚度为5 mm，中间转换点含水率为40%.此时干燥时间为12.927 1 h，复水性为3.090 6.

[1] 章 虹,冯宇飞,张 慜,等.莴苣微波喷动均匀干燥工艺[J].食品与生物技术学报,2012,31(4):402-410.

[2] 陈亦辉, 叶兴乾, 冯宇飞.茎用莴苣生产及干燥加工技术研究进展[J].浙江农业科学,2012,54(1):92-97.

[3] Wang Y C,Zhang M, Mujumdar A S,et al.Effect of blanching on microwave freeze drying of stem lettuce cubes in a circular conduit drying chamber[J].Journal of Food Engineering,2012,113(2):177-185.

[4] 江 玲,张 慜,孙金才.脱水莴苣片的护色工艺研究[J].干燥技术与设备,2009,7(6):266-270.

[5] Wang Y C,Zhang M,Mujumdar A S,et al.Experimental investigation and mechanism analysis on microwave freeze drying of stem Lettuce cubes in a circular conduit[J].Drying Technology,2012,30(11-12):1 377-1 386.

[6] 徐小东,崔政伟.农产品和食品干燥技术及设备的现状和发展[J].农业机械学报,2005,36(12):171-174.

[7] 秦军伟,李成华,宫元娟.果蔬分阶段组合干燥技术的研究现状[J].食品与发酵工业,2010,36(12):156-159.

[8] 袁越锦,徐英英,党新安,等.热风真空组合干燥苹果片试验研究[J].食品科技,2012,37(4):80-82,85.

[9] 李建国,赵丽娟,潘永康,等.组合干燥的应用及进展[J].化学工程,2006,34(1):8-11.

[10] 华 丽,钱 平,陈 潇,等.甘蓝的新型组合干燥工艺[J].食品与发酵工业,2011,37(12):1-5.

[11] 王 颉.试验设计与SPSS应用[M].化学工业出版社, 2007.