蚕豆冷冻-真空干燥工艺的优化*

张芳，张永茂，张海燕，康三江

(甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所，甘肃 兰州，730070)

蚕豆(vicia faba)含有丰富的营养物质，100 g 鲜蚕豆的膳食纤维达1 200 mg，钾351 mg，钠31.7 mg，钙16 mg，磷224 mg，铁2.6 mg，镁78 mg，胡萝卜素0.26 mg，硫胺素0.12 mg，核黄素0.09 mg，尼克酸1.6 mg，抗坏血酸11 mg 等［1］。由于我国对蚕豆的研究还不够深入，特别是蚕豆高附加值产品的研究不够，产品种类少，生产规模小。寻找和开发新的天然的蚕豆保健休闲食品将有重要意义［2］。

冷冻-压差脱水膨化工艺生产果品蔬菜脆片的方法［3］是甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所的一项专利技术，该技术将冷冻技术与真空干燥技术有机结合，应用该技术生产的蚕豆脆片，在解决了真空油炸果蔬脆片含油量高、不易贮存、含有丙烯酰胺致癌物等问题的同时，仍保留了原蚕豆绝大部分风味、色泽和营养成分、口感酥脆，产品绿色天然。

真空冷冻干燥技术近年来在国内得到广泛的应用，但其产品在国际市场的价格是热风干燥食品的4～6 倍［4］，主要原因是真空冷冻干燥的成本是热风干燥的4 ～8 倍，加拿大Ratti［5］从产品收缩率、动力学和玻璃化转变温度的角度，对热风干燥和真空冷冻干燥在食品中的应用做了总结性评价，并指出真空冷冻干燥高额的生产成本使其在食品加工行业中应用较少，热风干燥产品的收缩率较大，产品质量较低，同时指出以后的发展趋势是联合干燥。目前，蚕豆非油炸冷冻-真空干燥加工方面的研究与应用鲜有报道。本研究以蚕豆为原料，采用中心组合实验设计，采用响应面分析法(RSM)［6］对影响蚕豆冷冻-真空干燥工艺的关键因素进行优化研究，以期确定最佳的干燥蚕豆工艺，生产出高品质蚕豆干燥产品。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器与设备

1.1.1 材料

蚕豆，产地甘肃兰州。

1.1.2 仪器设备

DHG-9140 型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司;果蔬压差膨化成套设备，天津市勤德新材料科技有限公司;CR-400/410 色差计，日本美能达公司;JSM-5600LV 低真空扫描电子显微镜，日本电子光学公司。

1.2 实验方法

1.2.1 蚕豆冷冻-真空干燥工艺流程

鲜蚕豆→去荚、去皮→清洗→烫漂→沥干→冷冻→解冻-冷冻调整水分含量→均湿→冷冻→真空膨化干燥→包装

1.2.2 操作要点

将去荚后的蚕豆粒清洗，沸水烫漂120 s，冷却，将蚕豆解冻-冷冻调整至所需的水分含量后，置于-27(±1)℃的冰箱中冷冻备用。再入真空膨化干燥设备内进行不同处理的真空干燥，使蚕豆最终含水率小于6%，后进行包装。

1.2.3 指标分析测定方法

1.2.3.1 水分测定方法

参照GB/T5009.3 -2010 食品中水分的测定［7］。

1.2.3.2 色泽测定方法

利用色彩色差计，以仪器白板色泽为标准，依CIELAB 表色系统测量蚕豆的明度指数L*。L*称为明度指数。L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色。产品评价L*值越大，产品颜色鲜亮，色泽越好。

1.2.3.3 膨化度的测定

采用比容法。用超细石英砂填埋的方法测定膨化产品的体积。测量仪器自制，误差小于0.2 mL，取平均值。

式中:V 为膨化后的体积，mL;V0膨化前的体积，mL。

1.2.3.4 电镜扫描

样品采用溅射镀膜法对样品进行表面镀金，表面镀金的样品置于扫描电镜下观察。

1.2.4 优化实验设计

在前期单因素实验的基础上，将原料经过冷冻后进行真空干燥。冷冻-真空干燥蚕豆是一个多因素作用的复杂过程，故采用中心组合设计方法，以影响产品质量的原料冷冻后含水率(X1)、真空干燥温度(X2)与真空脱水时间(X3)作为因素，将产品含水率(Y1)、膨化度(Y2)、色泽作为响应值(Y3)，通过统计分析得出真空干燥过程中工艺参数对膨化效果的影响，设计如表1 所示。

表1 因素水平编码表Table 1 Coding of factors and levels

1.2.5 统计分析

采用Design-Expert7.1.6 软件对实验数据进行处理分析及响应面分析。

2 结果与分析

优化实验设计所得结果见表2，应用Design-Expert 7.1.6 软件，对表2 中的数据进行多元回归拟合并优化出20 组实验安排，并选用模型对所得数据进行回归分析。

表2 实验设计与结果Table 2 Experimental designs and results

2.1 回归方程及其参数分析

以X1、X2、X3为自变量，产品含水率Y1、膨化度Y2、明度指数值Y3为响应值，应用Design-Expert 7.1.6 软件，对表2 中的数据进行回归拟合分析，回归系数及显著性分析见表3。得到各个因素与产品水分含量Y1、膨化度Y2、明度指数Y3指标之间的多元二次回归方程式如下:

表3 回归系数及显著性分析Table 3 Significance analysis of regression coefficient

由方差分析Y1Y2Y3可以得出，Y1模型P ＜0.000 1，Y2模型P ＜0.000 1，Y3模型P ＜0.000 1，说明该模型及其显著，各方程的决定系数R2值＞0.95，说明预测值和实验值之间有较好的相关性，模型拟合程度较好，此方程在本实验中有意义，可用该方程对产品含水率、真空干燥温度、真空脱水时间条件下蚕豆脆片的产品含水率、膨化度、明度指数值进行预测。进行显著性检验可知，实验所建立的模型中，X1、X2、X3、X22、X32在蚕豆的真空干燥中对产品含水率的影响均达到极显著水平，X1X2、X1X3、X2X3、X12、X1X2、X1X3对产品含水率的影响显著;X1X3、X12、X22、X32在蚕豆的真空干燥中对膨化度的影响均达到极显著水平，X1、X2、X3、X1X2在蚕豆的压差脱水中对膨化度的影响显著;X12、X22、X32在蚕豆的真空干燥中对明度指数的影响均达到极显著水平，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3对明度指数的影响显著。方差分析结果表明，原料冷冻后含水率、真空干燥温度和真空脱水时间对产品含水率影响均极显著。各因素对产品含水率Y1影响程度依次为:原料冷冻后含水率、真空脱水时间和真空干燥温度。各因素对产品膨化度Y2影响均极显著，影响程度依次为:原料冷冻后含水率、真空干燥温度和真空脱水时间。各因素对产品色泽Y3影响显著，影响程度依次为:真空脱水时间、真空干燥温度和原料冷冻后含水率。

2.2 各工艺参数的响应面分析

2.2.1 三因素对膨化产品含水率的影响

图1 中a、b、c 分别为原料冷冻后含水率(X1)和真空干燥温度(X2)、原料冷冻后含水率(X1)和真空脱水时间(X3)以及真空干燥温度(X2)和真空脱水时间(X3)对产品含水率(Y1)的交互作用的响应面分析图。由图1 可以看出，随着X1、X2、X3的升高，产品含水率呈下降趋势。

图1 三因素对膨化产品含水量的影响Fig.1 Effect of three factors on the water content of expanded products

2.2.2 三因素对膨化产品膨化度的影响

图2 中a、b、c 分别为原料冷冻后含水率(X1)和真空干燥温度(X2)、原料冷冻后含水率(X1)和真空脱水时间(X3)以及真空干燥温度(X2)和真空脱水时间(X3)对产品膨化度(Y2)的交互作用的响应面分析图。由图2 可知，随着X1、X2、X3的升高，膨化度逐渐增加，直到最高点，但当X1、X2、X3继续升高超过实验所取代中心值时，膨化度随着因素增大而逐渐下降，说明原料冷冻后含水率、真空干燥温度及真空脱水时间过高或过低时，蚕豆脆片均不能较好地膨化。

2.2.3 三因素对膨化产品色泽的影响

图3 中a、b、c 分别为原料冷冻后含水率(X1)和真空干燥温度(X2)、原料冷冻后含水率(X1)和真空脱水时间(X3)以及真空干燥温度(X2)和真空脱水时间(X3)对产品色差值(Y3)的交互作用的响应面分析图。由图3 可知，色差值随着X1、X2、X3的升高逐渐减小，当各因子继续升高超过实验所取代中心值时，色差值随着因素增大而增大，色泽变差，说明X1、X2、X3相互作用均会有一个最优编码组合使产品色泽最佳。

图2 三因素对膨化产品膨化度的影响Fig.2 Effect of three factors on the puffing rates of expanded products

图3 三因素对膨化产品色泽的影响Fig.3 Effect of three factors on the color of expanded products

2.3 冷冻-真空干燥工艺的优化

通过中心组合实验结果分析可知，随着蚕豆原料冷冻含水率的降低，产品含水率Y1几乎线性升高，膨化度Y2、色泽Y3变化呈先升高后降低趋势。对Y3、Y2、Y1进行优化，确定色泽Y3＞78.33、膨化度Y2＞2.13、含水率Y1＜5.62%，综合考虑3 个指标的回归模型，确定优化工艺参数范围:原料冷冻后含水率为50%，真空干燥温度为85℃，真空脱水时间为120 min。按照优化工艺进行验证实验，结果表明，膨化产品的色泽Y3＞78.33、膨化度Y2＞2.13、含水率Y1＜5.62%，说明采用Central Composite Design 的模型优化得到的干燥工艺参数准确可靠，具有实用价值。

2.4 蚕豆冷冻-真空脱水膨化前后组织结构变化

从图4 看出，蚕豆鲜样组织内含有很多淀粉粒，组织结构比较致密，而冷冻-真空干燥后产品淀粉已糊化且充分膨胀，有蜂窝状的超微结构，通过冷冻处理，自由水结成冰，产品的基本结构已经形成，因此，真空干燥对其结构的影响较小，组织结构几乎没有发生皱缩、塌陷，冷冻-真空干燥后的蚕豆形态较好。

3 结论

图4 蚕豆冷冻-真空脱水膨化前后的扫描电子显微镜图片Fig.4 Scanning electron micrographs of freeze-vacuum drying and fresh Vicia faba

(1)采用中心组合实验设计及响应面分析方法优化了蚕豆冷冻-真空干燥工艺，并建立了蚕豆冷冻-真空干燥的二次多项式数学模型。结果表明，原料冷冻后含水率、真空干燥温度、真空脱水时间对冷冻真空干燥产品含水率、膨化度和色泽有显著的影响。

(2)各因素的交互作用显著地影响产品的各质量指标。

(3)蚕豆冷冻-真空干燥优化的工艺参数为:蚕豆原料冷冻后含水率为50%，真空干燥温度为85℃，真空干燥时间为120 min。

［1］ 李爱萍，郑开斌，蔡宣梅. 蚕豆的利用价值［J］. 粮油食品科技，2009，9(4):45 -46.

［2］ 吴广辉，毕韬韬. 蚕豆的开发利用［J］. 粮油加工，2010(4):115 -117.

［3］ 张永茂，张芳，黄铮，等. 冷冻-压差脱水膨化工艺生产果 品 蔬 菜 脆 片 的 方 法 ［P ］ .CN，ZL200910002869.9.2011 -12 -07.

［4］ 童军茂，马玉林. 我国冻干食品的现状和前景展望［J］. 粮油及食品机械，2001(3):5 -7.

［5］ Ratti C. Hot air and freeze-drying of high-value foods:a review［J］.Journal of Food Engineering，2001(49):311 -319.

［6］ 费荣昌. 实验设计与数据处理［M］. 无锡:江南大学出版社，2011:59 -63.

［7］ GB 5009.3 -2010［S］. 食品中水分的测定方法.