响应面法优化麻山药冷冻干燥工艺研究

赵丛枝等

摘要

[目的]利用真空冷冻干燥技术对麻山药进行干燥，以确定其冻干的技术指标和工艺参数。[方法]以麻山药为试验材料，以切片厚度、加热板温度、干燥室压力为响应因子，冻干能耗为响应值，采用3因素3水平的响应面分析法优化了麻山药真空冷冻干燥工艺条件。[结果]通过分析确定了各参数最佳水平，但考虑到生产的可操作性将各参数调整为物料厚度5.0～5.5 mm，加热板温度50 ℃，干燥室压力40 Pa，在此操作条件下测得的冻干能耗为（19.27±0.05）kW·h。[结论]该研究可为麻山药冻干生产提供相应的技术参数。

关键词 麻山药；冷冻干燥；干燥模型；响应面法；工艺条件

中图分类号 S632.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）11-03358-02

Abstract [Objective] Vacuum freezedrying technique was used to dry yam， so as to determine freezedrying technical indicators and parameters. [Method] With yam as the test materials， response surface methodology（RSM）was employed to optimize the process parameters of vacuum freezedrying. Slice thickness， heating plate temperature and drying chamber pressure were selected as the test influencing factors， the freezedrying energy consumption as the test indicators. [Result] The optimum condition was obtained from RSM. But considering the maneuverability of production， adjusted parameter conditions for material thickness 5.0-5.5 mm， the heating plate temperature 50 ℃， the drying chamber pressure 40 Pa， the actual measured lyophilized energy consumption in this condition is （19.27±0.05）kW·h. [Conclusion] The study can provide corresponding technique parameters for yam freezedrying production.

Key words Yam； Vacuum freezedrying； Drying model； Response surface methodology； Technological conditions

山药为薯蓣属（Dioscorea）植物，是一种1年或多年生的藤本植物，主要分布于热带和亚热带地区，全世界有600种以上，而我国有90多种[1]。近年来的研究表明，山药中含有多种营养和保健成分，可增强人体免疫力，具有降血压、抗衰老、抗癌等多种功能，经常食用能够强身健体、延缓衰老。随着人们生活水平的提高和对健康的关注，麻山药因其本身的营养价值而受到人们的喜爱，种植面积迅速增长，加之目前国外对麻山药的需求很大，国际麻山药市场货源紧张，麻山药已成为很多地区的重要经济支柱。河北蠡县种植麻山药的历史悠久，至2010年，蠡县已发展麻山药种植户2万余户，种植面积突破4 660 hm2，是全国山药种植面积最大、产量最高的区域，种植麻山药成为当地农民的重要经济来源[2]。

麻山药多以出售新鲜块茎为主，人们食用方法也主要是用来做菜或蒸煮食用。然而麻山药采收期集中，不耐长期贮存和长途运输。因此，对麻山药进行加工，提高产品的附加值、延长产品的市场供应期，具有重要的现实意义。

传统麻山药干制是烘干或晒干，对其本身保健成分的保存不利。真空冷冻干燥因其本身的优势，在近些年来发展迅速，经冻干后的制品能最大限度地保持原料的营养、形状、颜色及主要的生物活性物质，且脱水彻底，易于贮存、运输和销售[3-4]。

响应面分析法（RSM）是研究几种试验因素作用的回归分析方法，可通过对试验结果的分析找出因素的最佳组合和响应值的最优值，是解决多变量问题的一种统计方法[5-7]。

笔者利用真空冷冻干燥技术对麻山药进行干燥，

针对影响麻山药冷冻干燥的3个主要工艺参数，即加热板温度、干燥室压力和物料厚度，采用Box响应面法进行3因素3水平的试验设计，优化确定麻山药冻干的相关参数，并以冻干能耗为指标分析建立了数学模型，确定了干燥的最佳参数，为麻山药冻干生产提供相应的技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

选用蠡县麻山药为原料，运回后放入河北农业大学试验冷库，剔除有机械伤和病虫害的块根，尽量选择粗细大小均匀的作为试验样品。主要仪器设备：

LG1.5型真空冷冻干燥试验机，沈阳航天新阳速冻设备制造有限公司。

1.2 方法

将洗净的麻山药用不锈钢刀去皮，用1%VC和0.3%柠檬酸复配液进行护色，然后加热煮制10 min，沥干后切片，将麻山药片平铺在冻干盘上，每盘只铺一层物料，将料盘放入速冻库内，达到预冻温度后保持1 h，拿出快速放入干燥室内，按照各处理的预设参数进行冻干。记录干燥过程中所消耗的能耗值。各处理均重复3次。

1.3 响应面（RSM）试验设计

根据单因素试验结果，对切片厚度、加热板温度、干燥室压力3个因素进行复因子试验，以冻干能耗为响应值，设计3因素3水平响应面试验。各试验因素及相关水平设计见表1。试验所测定的冻干能耗值，是指一定重量的物料在干燥过程中所消耗的电能（kW·h）。

合因素水平，即物料切片厚度为5.27 mm，加热板温度为50.41 ℃，干燥室压力为38.71 Pa，此时冻干能耗的预测值为19.19 kW·h。

2.3 验证试验

对于真空冷冻干燥生产来说，冻干能耗是影响加工产品成本的主要指标，因此在保证产品质量的前提下，较低的生产能耗可以大大降低产品生产成本。为了检验该试验设计结果的可靠性，采用DesignExpert.软件进行了优化分析，得到了麻山药冻干最佳工艺参数。考虑到产品生产实际的可操作性，将最佳工艺参数调整为物料厚度5.0～5.5 mm，加热板温度50 ℃，干燥室压力40 Pa，并进行了验证试验以确定模型的有效性，在该条件下测得冻干能耗为（19.27±0.05）kW·h，与预测值比较接近，说明调整后的麻山药真空冷冻干燥工艺参数是可行的。

3 结论

试验利用BoxBehnken进行设计，通过响应面法对影响冻干能耗的几个因素建立了二次多项模型，模型调整系数R2Adj=0.995 9，说明该模型拟合程度良好。并用统计学方法对试验结果进行了方差分析，确定了各因素水平及交互作用对冻干能耗影响的显著程度，优化了关键因素及水平。

结合产品加工的可操作性，将最佳工艺参数调整为物料厚度5.0～5.5 mm，加热板温度50 ℃，干燥室压力40 Pa，并进行了验证试验，在此条件下实际测得的冻干能耗为（19.27±0.05）kW·h，与预测值相近。经检验证明该工艺参数是合理可靠的。

参考文献

[1]

宋永刚，胡晓波，王震宙.山药的活性成分研究概况[J].山西食品工业，2007（4）：45-48.

[2] 刘立尧，李小刚.河北蠡县麻山药特色农业产业化发展策略探讨[J].宁夏农林科技，2011，52（7）：64-65.

[3] 庄远红，刘静娜，钟文娟，等.真空冷冻干燥香蕉片的工艺研究[J].漳州师范学院学报：自然科学版，2011（1）：87-92.

[4] 肖宏伟，黄传伟，冯雁峰，等.真空冷冻干燥技术的研究现状和发展[J].医疗卫生装备，2010，31（7）：30-32.

[5] KAHRAMAN F.The use of response surface methodology for prediction and analysis of surface roughness of AISI4140 steel[J].Material and Technology，2009，43（5）：267-270.

[6] 张军伟，傅大放，彭奇均，等.响应面法优化酸水解稻秆制木糖的工艺参数[J].农业工程学报，2009，25（11）：253-257.

[7] KALIL S J，MAUGERI F，RODRIGUES M I，et al.Response surface analysis and simulation as a tool for bioprocess design and optimization[J].Process Biochemistry，2000，35（6）：539-550.