响应面法优化山药粉的护色工艺

张贞贞，陆启玉，王晶晶，牛巧娟

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450001）

响应面法优化山药粉的护色工艺

张贞贞，陆启玉*，王晶晶，牛巧娟

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450001）

以鲜山药为原料，采用热风干燥法制备山药粉。在单因素实验的基础上，通过响应面法研究了柠檬酸、抗坏血酸、植酸、氯化钙4因素对山药粉白度的影响，可以得出热风干燥法制备山药粉的最优护色工艺条件为：柠檬酸浓度1.28%、L-抗坏血酸浓度0.05%，植酸浓度0.12%，氯化钙浓度0.3%，山药粉的实际甘茨白度为23.56。实验研究表明，以甘茨白度作为山药粉色泽评判的指标，并用响应面法对山药护色工艺的优化合理可行，为山药粉护色工艺提供一定的理论支持。

山药，热风干燥，响应面法，甘茨白度

山药是薯蓣科薯蓣属植物的块茎，是我国卫生部公布的具有药食兼用的植物之一。山药中主要营养成分包括水、淀粉、多糖（粘液质和糖蛋白）、蛋白质及其他微量成分组成。研究表明，山药中的多糖及无机元素有助于调节和增强免疫功能，粗纤维、淀粉（糖）能调整和促进肠胃功能，淀粉酶具有调整和降低血糖的功能，山药多糖具有调整机理和抗衰老作用，且山药还具有调节血脂和抗肿瘤的作用[1-3]。山药因水分含量大（普通山药水分最高可达90%）、易褐变、易断等特点而不利于长期保存和运输，所以为了储藏和运输方便，一般把山药做成山药片或山药粉。在加工中防止山药切片发生褐变是制作山药粉的关键因素。在过去的干制过程中主要以硫熏和亚硫酸盐浸泡来防止褐变，现研究发现含硫制品可以影响人体对钙的吸收，还能刺激人的肠胃[2]。因此现在广泛的开展无硫护色剂的研究。

在查阅相关文献中发现，研究中多以山药的褐变度、PPO抑制作用或多酚氧化酶残留活性的吸光值作为评判标准[3-6]，而在实际的实验中发现，护色剂的添加不仅影响山药粉的褐变度，还影响其色泽的红度值和黄度值，这与赵喜亭、王会珍、李明军叙述的次氯酸钠会使铁棍山药片变红褐色一致[5]，所以需要找出一个新的指标来对山药粉的色泽作整体的评价。真空冷冻干燥因干制过程避免了与氧气的接触，所以制作出的山药粉最接近其真实色泽，测得其甘茨白度为54.47，大于小麦粉的46.34，说明山药本身的色泽是比小麦粉更白的颜色，而白度值作为小麦粉 、淀 粉 的 色 泽 评 价 指 标 已 经 成 为 行 业 的 共 识[7-10]。王治畿研究表明应用甘茨公式表达的最白和最不白的数字范围较其他表达公式宽，测定结果与目视一致[11]，所 以 本 实 验 尝 试 用 甘 茨 白 度 作 为 山 药 粉 色 泽的评价指标，色泽白度值越高，说明其对山药粉的护色效果也越好。并且在山药粉的生产加工中主要以热风干燥为主，所以把甘茨白度（是CIE白度委员会在1986年正式公布出版的白度公式）作为指标，优化热风干燥法制备山药粉的护色工艺具有重要的意义。

本研究以山药为原料，采用热风干燥方法，以甘茨白度为指标考察柠檬酸、植酸、抗坏血酸、氯化钙4个因素对山药粉色泽的影响，通过响应面法分析对实验条件进行优化，确定热风干燥法制备山药粉的最佳护色工艺方案。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

山药 产地：河南商丘，购于郑州莲花市场，新鲜山药置于4℃冰柜内冷藏保存备用[12]；柠檬酸 分析纯，洛阳市化学试剂厂；抗坏血酸、氯化钙 分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；植酸（含量≥70.0%） 国药集团化学试剂有限公司，为生化试剂。

ML204电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；FW-200高速万能粉碎机 北京中兴伟业仪器有限公司；WSC-S测色色差计 上海仪电物理光学仪器有限公司；DHG-9036A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 山药粉的制备 将山药从4℃冰柜内拿出，快速洗净削皮，切成4mm左右厚薄片，以每片加入20mL护色液的比例对山药片护色2h，护色后放入电热恒温干燥箱中烘干至恒重，其水分含量在9%以下，取出自然晾至室温后用万能粉碎机粉碎，过80目，因山药在磨粉时，有近一半的山药粉不能过80目，为了使结果更精确，未过80目的颗粒用研体研磨过80目装袋保存（注：所使用仪器和设备均为不锈钢或玻璃材质）。

1.2.2 山药甘茨白度的测定 按照WSC-S测色色差仪测定方法测出山药粉的白度值。

1.2.3 护色剂对山药粉影响的单因素实验 将山药切成4mm厚薄片，分别仅以0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的柠檬酸浓度作为护色液，按方法1.2.1在60℃的电热恒温干燥箱中干燥至恒重，制备山药粉，后按照1.2.2测定甘茨白度，确定柠檬酸对山药粉色泽的影响。按照上述方法，分别仅以0%、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%的抗坏血酸浓度，仅以0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%的植酸浓度，仅以0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的氯化钙浓度作为护色液，制备山药粉，测定甘茨白度，确定抗坏血酸、植酸、氯化钙对山药粉色泽的影响。

1.2.4 山药护色的响应面实验设计 在单因素实验结果的基础上，根据Box-Benhnken的中心组合设计原理，以柠檬酸、植酸、抗坏血酸、氯化钙四个因素为自变量，甘茨白度为响应值，设计了四因素三水平共29个实验点的响应面分析实验，其中24析因实验，最后5个为中心实验。其因素水平分析选取见表1。采用Design-Expert 8.05b软 件 中 的Box-Benhnken 进 行 响应面法的设计和分析。

1.2.5 数据统计与分析 在SPSS 17.0软件中进行单因素数据的处理和分析。

表1 响应面分析实验因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experment

2 结果与分析

2.1 山药粉热风干燥用护色剂的单因素实验

2.1.1 柠檬酸浓度对山药粉甘茨白度的影响 柠檬酸浓度对山药粉甘茨白度的影响实验结果如图1所示。

图1 柠檬酸浓度对甘茨白度的影响Fig.1 Effect of citric acid concentration on the Ganz whiteness

由图1可知，当柠檬酸浓度从0%～1.2%时，甘茨白度随着浓度的增加逐渐增加，而当柠檬酸的浓度上升到1.6%～2.0%时，甘茨白度逐渐下降。其原因主要是柠檬酸加入降低了山药内部的酸性，同时柠檬酸中的三个羧基螯合PPO中的铜离子，进而抑制PPO的活性，进而改善山药的色泽，但当其过量加入时导致山药粉白度的降低，主要是其色泽偏黄而不是褐变加深，分析其原因可能是过低的pH导致了其组分化学性质发生了变化而导致其变黄。综合考虑确定最佳柠檬酸浓度为1.2%。

2.1.2 L-抗坏血酸浓度对山药粉白度的影响 L-抗坏血酸浓度对山药粉甘茨白度的影响实验结果如图2所示。

图2 不同的抗坏血酸浓度对甘茨白度的影响Fig.2 Effect of L-ascorbic acid concentration on the Ganz whiteness

由图2可知，当抗坏血酸浓度由0%～0.08%时，甘茨白度逐渐增强，而由0.08%～0.16%时呈现急剧下滑趋势，而后又有稍微的回升趋势。分析其原因可能是，一方面在护色过程中L-抗坏血酸促使邻醌转变为酚类物质，造成了酚类物质的聚集，而酚类物质在热风干燥过程中随着水分的挥发转移到物品表面与氧气反应生成红色物质[13]；另一方面是L-抗坏血酸在干燥过程中与氧气反应而逐渐被消耗，减弱了其抑制作用，最终导致了山药色泽变差。但是因为L-抗坏血酸在鲜切片护色时可以消耗水中的氧和抑制在加其他护色剂的条件下还能发生的褐变反应，并且多项研究表明抗坏血酸对PPO的抑制效果很好，在山药鲜切片护色的研究中也证实抗坏血酸的效果最好，同时研究中也证明抗坏血酸与柠檬酸混合使用具有增效作用[14-22]，所以综合考虑加入L-抗坏血酸，其最佳浓度为0.08%。

2.1.3 植酸对山药粉白度的影响 植酸浓度对山药粉甘茨白度的影响实验结果如图3所示。

图3 不同的植酸浓度对甘茨白度的影响Fig.3 Effect of Phytic acid concentration on the Ganz whiteness

由图3可知，当植酸浓度从0%～0.15%时，甘茨白度逐渐增加，而当植酸浓度达到0.15%～0.25%，白度变化趋于平稳。其可以抑制山药粉褐变的原因与柠檬酸类似，都是通过降低pH和与金属发生螯合作用而抑制PPO的活性，进而改变山药粉的色泽。确定植酸的最佳浓度为0.15%。

2.1.4 氯化钙对山药粉白度的影响 由图4可知，甘茨白度在0%～0.2%，呈现逐渐增高的趋势，0.2～0.5%先降低后升高至平稳的趋势。氯化钙护色作用可能是钙离子与山药细胞壁上的果胶酸反应生成果胶酸钙，从而保持细胞膜结构的完整性和稳定性，阻止底物与酶类接触，降低酶褐变程度，并且钙盐与其他褐变抑制剂结合对褐变有增效作用。其变化趋势与范文广研究的钙离子对多酚氧化酶的活性抑制规律相一致，且其最佳浓度与赵喜亭研究的最佳浓度0.25%基本一致，这进一步证明甘茨白度应用与山药褐变的可行性[5，23]。综合考虑氯化钙的最佳浓度为0.2%。

图4 不同的氯化钙浓度对甘茨白度的影响Fig.4 Effect of Calcium chloride concentration on the Ganz whiteness

2.2 响应面优化山药粉护色工艺

2.2.1 实验结果

表2 Box-Benhnken实验设计与结果Table 2 Design and result of Box-Benhnken experiment

2.2.2 响应面结果分析 参考王灵昭[24]对响应面进行手动优化，响应面的三次回归显著性分析见表3，响应面分析图见图5。

由表3可知，该实验的模型非常显著（p＜0.0001＜0.01），失拟项（p=0.9647＞0.05）不显著，表明此模型可以用于山药粉甘茨白度的预测。同时软件分析的相关系数R2=0.9721，其矫正决定系数R2adj=0.9291，表明该模型拟合度较好，实验误差小，模型是合适的，其回归方程可以较好的描述各因素与响应值之间的关系，即可以用该模型来确定最佳护色条件。

表3 三次响应面回归模型方差分析表Table 3 ANOVA for response surface cubic model analysis of variance table

在此回归模型中一次项A、B和D，二次项A2、B2、D2、BC及三次项A2B、C2D、CD2对山药甘茨白度对影响是显著的（p＜0.05）。

而一次项C、二次项C2对结果影响不显著，交互项（AB、AC 、B2C、AC2、CD）对结果影响也都不显著（p＞0.05）。

采用Design-Expert 8.0程序对表2响应值与各个因素进行回归拟合后，可得到响应值Y和各因子（A、B、C、D）之间的三次多元方程：

由图5可知，当柠檬酸与氯化钙浓度一定时，山药粉白度值随抗坏血酸和植酸浓度的增加呈现先增加后下降的趋势。其3D图呈抛物线状，并且有顶点。

通过用Design-Expert 8.0软件对经手动优化后的回归方程进行求解，通过软件的最优值预测可得甘茨白度的最佳护色条件为：柠檬酸浓度1.284%、L-抗坏血酸浓度0.0548%，植酸浓度0.117%，氯化钙浓度0.3%，在此条件下，山药的白度值可达23.8808。由于实验的可操作性，将最佳护色条件修正为柠檬酸浓度1.28%、L-抗坏血酸浓度0.05%，植酸浓度0.12%，氯化钙浓度0.3%，在此条件下进行5次平行实验，测得山药粉的甘茨白度为23.56，和理论预测值相差1.36%，说明经手动优化后的回归方程可以很准确的预测热风干燥法制备山药粉的白度值。

图5 抗坏血酸浓度B与植酸浓度C对山药甘茨白度Y的影响Fig.5 Effect of ascorbic acid concentration B and phytic acid concentration C on the Ganz witerness of the yam powder Y

3 结论

通过单因素实验分析可知，甘茨白度预测的最佳护色剂浓度与其他文献中描述的最佳浓度基本一致，说明甘茨白度可以应用于评价山药粉色泽的判定。通过回归分析和验证实验表明，此方法合理可行。热风干燥法制备山药粉的最佳护色工艺为：柠檬酸浓度1.28%、L-抗坏血酸浓度0.05%，植酸浓度0.12%，氯化钙浓度0.3%，此条件下测得山药粉的实际甘茨白度为23.56。

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Optimization of color protection process for yam powder by response surface methodology

ZHANG Zhen-zhen，LU Qi-yu*，WANG Jing-jing，NIU Qiao-juan（School of Food Science&Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

The yam powder was prepared by the hot hair drying.The study mainly focused on the relationship of citric acid，ascorbic acid，phytic acid calcium chloride and the whiteness of yam powder，through the method of response surface methodology.The optimum conditions of drying by hot air were：citric acid concentration 1.28% ，ascorbic acid concentration 0.05% ，phytic acid concentration 0.12% ，calcium chloride concentration 0.3% ，under the condition，the Ganz whiteness of the yam powder was 23.56.The results showed that：the optimization of color protection process for yam powder by response surface methodology was reasonable with the Indicator of Ganz whiteness.That was providing a theoretical support for color protection of yam powder.

yam；hot air drying；response surface methodology；Ganz whiteness

TS219

B

1002-0306（2014）20-0336-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.20.065

2014－01－20

张贞贞（1988-），女，硕士研究生，研究方向：食品资源与开发利用。

* 通讯作者：陆启玉（1956-），男，博士，教授，主要从事食品工程与品质控制方面的研究。

国家科技支撑计划课题（2012BAD37B04）。