响应面法优化番木瓜渗透脱水工艺

李辉等

摘 要 以糖液浓度（40%～60%）、渗透脱水温度（30 ℃～60 ℃）和浸渍时间（2～8 h）为因素，以失水率（WL）和固形物增加率（SG）为响应变量，采用响应面法优化番木瓜的渗透脱水条件。根据响应面（Box-Behnken）试验设计进行试验，以失水率最大和固形物增加率最小为指标对渗透脱水过程进行优化。结果表明，番木瓜渗透脱水的最佳工艺参数为：糖液浓度60%、温度52.95 ℃、浸渍时间7.33 h。

关键词 番木瓜；渗透脱水；响应面；优化

中图分类号 S668.2 文献标识码 A

Abstract Osmotic dehydration conditions of papaya pieces were optimized using response surface methodology. The independent process variables for osmotic dehydration process were sucrose concentration（40%-60%）， process temperature （30-60 ℃） and immersion time（2-8 h）and the response variables were water loss（WL） and solid gain（SG）. The experiments were conducted according to response surface methodology（Box-Behnken） design. The osmotic dehydration process was optimized for maximum water loss and minimum solid gain. The results showed that the optimum conditions of osmotic dehydration for papaya pieces were 60% sucrose concentration， 52.95 ℃ process temperature and 7.33 h immersion time.

Key words Papaya （Carica papaya L.）；Osmotic dehydration；Response surface methodology；Optimization

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.028

番木瓜（Carica papaya L.）又称木瓜、乳瓜和万寿果，在许多热带、亚热带国家和地区均有种植。中国主要分布在台湾、广东、海南、广西和福建等省区[1]。番木瓜果实营养丰富，富含维生素、矿物质及抗氧化物质等，并具有健胃消食、减轻肠胃胀气、利尿、化痰和美白等多重功效，所以又被称为“百益之果”和“水果之王”[2-3]。但番木瓜果实不耐贮藏，采后容易遭受机械损伤、失水、冷害、病害和虫害等，从而造成巨大的经济损失。

渗透脱水是一种预处理的方式，是把果蔬浸在高渗溶液中，利用植物细胞和高渗溶液之间的高渗透压使水分部分脱除的过程。在此过程中，水分会从植物组织中扩散到溶液中，同时溶液中的部分溶质也会扩散到植物组织中。渗透脱水是一种潜在的生产高品质产品的保藏方法之一。由于脱水是在较低的温度下，水没有发生相变，从而可以降低能耗。此外，渗透脱水还可以降低果蔬的水分活度、减少营养物质的损失和延长货架期。尽管在脱水过程中可能有部分物质，如糖、有机酸、矿物质和盐等，通过细胞膜扩散到渗透液中而造成营养物质的损失，但这是微不足道的。渗透脱水受许多因素的影响，如渗透剂的类型和浓度、渗透温度、时间、溶液的搅拌或循环、料液比、食品物料的厚度和预处理的方式等。已有学者对苹果[4]、猕猴桃[5]、香蕉[6]和菠萝[7]等水果的渗透脱水工艺进行了研究，但关于番木瓜渗透脱水的研究还未见报道。

本研究以新鲜番木瓜为原料，分析糖液浓度、渗透脱水温度和浸渍时间对脱水率（water loss，WL）和固形物增加率（solid gain，SG）的影响，并对番木瓜渗透脱水工艺参数进行优化，以期为番木瓜的产业化加工提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

番木瓜：生理成熟的“台农二号”番木瓜果实，购于福建省漳州市沃尔玛超市。选择大小均匀、色泽一致、质地结实的番木瓜果实进行试验。番木瓜经清洗、去皮后，沿纵轴切成两半，用不锈钢平底勺将内部的种子去掉，剩下果肉，再用不锈钢刀将果肉切成5 cm ×1 cm×1 cm的条状。

白砂糖：食品级，购于福建省漳州市沃尔玛超市。

试验仪器及设备：HH-4型恒温水浴锅（常州国华电器有限公司）、CP2102型电子天平（奥豪斯仪器（上海）有限公司）、DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 初始含水率的测定 将切分好的番木瓜条切碎，用称量瓶称取5.0 g，每个试样称取3份，置于恒温鼓风干燥箱中，在105 ℃进行干燥，每隔1 h取出称重，直至前后2次质量相差小于2 mg，即为恒重。湿基含水率/%=（干燥前重量-干燥后重量）/干燥前重量×100。

1.2.2 渗透脱水工艺流程 将切好的番木瓜条浸入预先配制好的糖液中，在30、45、60 ℃分别浸渍2、5、8 h。每次试验时，将50 g番木瓜条放入500 mL盛有250 mL糖液的烧杯中（物料与糖液之比统一为1 ∶ 5），放入恒温水浴锅进行保温。烧杯上加盖密封，以防止渗透液水分的蒸发。每隔30 min用玻璃棒搅拌1次。到预定时间后，将番木瓜条迅速捞出，用蒸馏水轻轻地冲洗掉表面糖液，并用滤纸轻轻地擦干表面水分。然后将番木瓜条进行称重，并在70 ℃的恒温鼓风干燥箱中干燥，测定其渗透后的含水率。重复3次。

1.2.4 试验设计 采用响应面（Box-Behnken）试验设计方法研究番木瓜的渗透脱水过程。经过前期的预实验，选取糖液浓度、渗透脱水温度和浸渍时间为自变量，失水率（WL）和固形物增加率（SG）作为响应值。各因素的取值范围为蔗糖糖液浓度40%～60%、渗透温度30～60 ℃、时间2～8 h。因素水平编码表见表1。

1.3 统计分析

2 结果与分析

2.1 失水率的影响因素分析

番木瓜的初始含水率为（89.15±0.36）%。由表2可知，番木瓜渗透脱水的失水率最大值为67.04%，最小值为18.64%。采用Design-Expert软件建立失水率与各因素的关系式，得到失水率的二次多项式回归方程为Y1=43.70+6.96x1+11.47x2+13.05x3+1.73x1x2+1.47x1x3+2.48x2x3-1.47x12+0.058x22-3.40x32。由表3可知，根据方差分析，失水率二次回归模型极显著（p<0.01），而失拟项不显著（p>0.05），说明拟合程度很好（R2=0.999 0）。所有因素的一次项、糖液浓度与温度的交互项、温度与时间的交互项、时间的二次项对失水率的影响极显著（p<0.01），糖液浓度与时间的交互项、浓度的二次项对失水率的影响显著（p<0.05），而温度的二次项对失水率的影响不显著（p>0.05）。各因素对失水率影响程度的大小依次为：时间>温度>糖液浓度。

糖液浓度、渗透温度和时间对失水率影响的响应面图和等高线图见图1。由图1-A可知，失水率随糖液浓度的增加而增加，失水率随温度的升高而增加；当糖液浓度和温度同时增加时，番木瓜条的脱水效果更显著，表明二者的交互作用促进了渗透脱水。由图1-B可知，失水率随着糖液浓度的增加和时间的延长而增加。高浓度糖液比低浓度糖液的脱水速率快，所需时间短。糖液浓度和时间的交互作用对渗透脱水有促进作用。由图1-C可知，失水率随着温度的升高和时间的延长而增加，温度较高时渗透脱水所需的时间较短。温度和时间的交互作用对渗透脱水有促进作用。

2.2 固形物增加率的影响因素分析

由表2可知，番木瓜渗透脱水的固形物增加率最大值为15.97%，最小值为6.46%。建立固形物增加率与各因素的关系式，得到固形物增加率的二次多项式回归方程为Y2=10.86-2.22x1+1.81x2+1.86x3-0.57x1x2-0.79x1x3-0.062x2x3-0.20x12-0.014x22-0.43x32。由表3可知，根据方差分析，失水率二次回归模型极显著（p<0.01），而失拟项不显著（p>0.05），说明拟合程度很好（R2=0.951 9）。所有因素的一次项对固形物增加率的影响极显著（p<0.01），其他项则影响不显著（p>0.05）。各因素对固形物增加率影响程度的大小依次为：糖液浓度>时间>温度。

糖液浓度、渗透温度和时间对固形物增加率影响的响应面图和等高线图见图2。由图2可知，固形物增加率随糖液浓度的增加而降低；固形物增加率随着渗透液温度的升高而加快；固形物增加率随着温度和时间的增加而增加。

2.3 番木瓜渗透脱水条件的优化

番木瓜经过渗透脱水后，还需采用干燥技术进行后续脱水，所以希望渗透脱水过程能得到较高的失水率和较低的固形物增加率。将失水率和固形物增加率方程中的差异不显著项剔除，并将规范变量回代后，得到失水率和固形物增加率的方程分别为：

WL=-43.047+1.412A-0.087B+3.195C+0.012AB +0.049AC+0.055BC-0.015A2-0.378C2（R2=0.999 0）

SG=6.475-0.090A+0.121B+1.942C-0.026AC （R2=0.931 6）

以失水率最大和固形物增加率最小为目标，运用Design-Expert软件对试验结果进行多目标优化分析，得到番木瓜渗透脱水的最优工艺条件为：糖液浓度60%、温度52.95 ℃、渗透时间7.33 h。在此条件下，番木瓜失水率和固形物增加率的预测值分别为66.4%和10.1%，而试验验证值为67.1%和9.86%，说明优化得到的番木瓜渗透脱水工艺条件是可行的，效果较好。

3 讨论与结论

本研究结果中失水率随糖液浓度的增加而增加，失水率随温度的升高而增加，可能因为糖液浓度增大时，番木瓜组织细胞和渗透液之间的压力梯度越大，促进番木瓜的脱水；随着温度的升高，渗透液的黏度下降，降低了番木瓜表面传质的外部阻力，使水更容易穿过细胞膜而流出[9]。

本研究结果中固形物增加率随糖液浓度的增加而降低，这可能是由于在渗透脱水中，番木瓜表面形成的溶质层阻碍了溶质的扩散。此外，高浓度的糖溶液具有较高的黏度，会形成较大的传质阻力。研究表明，糖液浓度对番石榴[9]、甜瓜[10]和芒果[11]等果实渗透脱水的固形物增加率也有负影响，即糖液浓度的增加会导致固形物增加率的下降。本研究结果中固形物增加率随着渗透液温度的升高而加快，可能是因为较高的温度会破坏膜的渗透性，引起通透性增大，以及温度的升高会导致渗透液黏度的下降，降低外部的传质阻力，使溶质的传递更加容易[12]。渗透脱水的时间对固形物增加率有促进作用。固形物增加率随着温度和时间的增加而增加，还可能因为渗透脱水期间的搅拌，降低了番木瓜表面和渗透液之间的传质阻力[13]。

本研究以失水率最大和固形物增加率最小为目标，采用响应面法优化番木瓜渗透脱水工艺参数。方差分析表明，糖液浓度、温度和时间对渗透脱水过程的影响都是极显著的（p<0.01）。建立了二阶多项式回归方程用于预测番木瓜失水率和固形物增加率。通过多目标优化分析，得到番木瓜渗透脱水的最优工艺条件为：糖液浓度60%、温度52.95 ℃、渗透时间7.33 h。

参考文献

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