响应面法优化莲子真空油炸工艺参数

王为为,赵莹婷,庄玮婧,郑宝东,田玉庭,*

(1.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002;2.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室,福建福州 350002)



响应面法优化莲子真空油炸工艺参数

王为为1，2,赵莹婷1，2,庄玮婧1,2,郑宝东1,2,田玉庭1,2,*

(1.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002;2.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室,福建福州 350002)

本研究采用响应面分析法(RSM)优化莲子真空油炸工艺参数。采用中心组合实验设计,考察油炸温度(85～95 ℃)、油炸时间(12～20 min)和真空度(-0.085～-0.095 MPa)对莲子脆度值(R1)、色差(R2)和含油率(R3)3个指标的影响。结果表明,莲子真空油炸的最佳工艺条件为:油炸温度95 ℃,油炸时间为12 min,油炸真空度为-0.095 MPa。在此条件下进行平行实验得到莲子脆度R1值为6572.57 g,色差R2值为42.80,含油率R3值为9.21%。另外,真空油炸莲子脆度、色差、含油率及感官评价都明显优于常压油炸莲子;通过电镜图可以明显看出真空油炸莲子淀粉凝胶化较严重,没有明显的空隙;常压油炸莲子仍可看到淀粉颗粒且莲子内部较大的空隙。

莲子,响应面法,真空油炸,优化

莲子为睡莲科植物莲(NelumbonuciferaGaertn.)的成熟种子,主要分布在福建、江西、湖北、江苏等地。自古以来,莲子作为一种高级滋补食品,在民间广为食用,据《本草纲目》记载,莲子具有“久服轻身耐苦,不饥延年,益心肾,固精气,强筋骨,补虚损,利耳目”之功效,是首批被我国卫生部列入87种药食两用食物名列[1]。莲子中直链淀粉高达42%,而直链淀粉因缺乏三维网状空间构形,葡萄糖长链易发生扭曲结团,较支链淀粉更易发生老化。因此,莲子加工产品极易发生老化返生[2]。前期研究表明,油炸可很好的抑制莲子淀粉老化。但常压油炸食品的安全性备受质疑,因为淀粉质食品经120 ℃以上高温长时间油炸,会生成丙烯酰胺类物质,此类物质是致癌物[3],严重影响消费者健康。因此,亟待寻找一种新型食品油浴加工技术,突破传统油炸技术瓶颈,以便开发出安全即食莲子新产品,为莲子深加工开辟新的途径和方法。

真空低温油浴脱水技术是国际上近年来兴起的一项食品加工高新技术,被誉为“绿色革命”和“油炸技术革命”。该技术将油炸和脱水有机结合在一起,以抗氧化能力强的植物油为媒介,利用真空状态下水分沸点降低的原理,在负压状态下,食品中的水分低温汽化而蒸发,物料在短时间内迅速脱水,实现低温条件下的油浴脱水过程[4]。相比常压油炸,真空低温油浴脱水技术能够充分保留原料固有的色香味[5]及营养成分[6],形成疏松多孔的结构和酥脆的口感,并且可有效降低产品含油率[4]和油脂氧化劣变程度。更重要的是,真空低温下成功脱水,真空度须在接近0.1 MPa下操作,油温在100 ℃以下,基本排除了产生丙烯酰胺的可能性[7]。目前,真空低温油浴脱水技术已成功应用到许多果蔬加工中,比如南瓜、青豆、马铃薯等[8-9],但未见莲子真空低温油浴脱水技术的相关研究报道。基于此,本论文将真空油炸技术运用到莲子加工领域,选取油炸时间、油炸温度和真空度为实验因素,采用中心组合实验设计并结合响应面分析法,探讨油炸时间、油炸温度和真空度对莲子脆度、色差及含油率3个指标的影响,优化莲子真空油炸工艺参数,为工厂化真空油炸莲子提供一定的理论依据和技术支持。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

莲子新鲜通心建莲,由福建闽江源绿田实业投资发展有限公司提供;棕榈油市售。

QS-05型真空油炸机全氏食品机械(上海)有限公司;YY-4000型连续式油炸机北京市益友公用设备公司;TA-XT2型质构仪英国Stable Micro System公司;CS-10型色差仪杭州彩谱科技有限公司;AB204-N型电子分析天平梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;725型紫外可见分光光度计上海光谱仪器有限公司;TDL-5-A型低速台式离心机上海安亭科学仪器厂;RE-52A型旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1真空油炸工艺工艺流程:鲜莲→筛选清洗→熟化→真空浸渍→沥水→速冻→真空油炸

常压油炸→真空脱油→成品。

筛选清洗:选取无虫眼、无霉变、大小均一的通心冻莲,用自来水清洗三遍。

熟化:采用沸水加热熟化,水温控制在90～100 ℃,熟化15 min。

真空浸渍:将清洗过的莲子投入装有20%果葡糖浆、3%食盐和8%蔗糖的溶液中,在真空下浸渍20 min。

速冻:浸渍后的莲子置于-40 ℃条件下进行速冻,直到莲子中心温度达到-15 ℃。

真空油炸:在油炸前1 h,先对真空油炸设备温度设定进行升温,当温度分别达到85、90、95 ℃时,将莲子投入油炸筐中,抽真空,真空度达到-0.085、-0.090和-0.095 MPa后开始油炸。

常压油炸:在油炸前将油温升至180 ℃,将莲子浸入油中,油炸15 min。

真空脱油:经油炸过的莲子,表面附着一层油脂,在冷却过程中,莲子表面的油脂会渗入内部,故油炸后的莲子需及时脱油,在真空度为-0.095 MPa、离心机转速为2000 r/min、离心时间10 min,得到脱油莲子。

1.2.2响应面设计在前期单因素实验基础上,选取油炸温度(A)、油炸时间(B)和真空度(C)3个因素为自变量,以油炸莲子脆度(R1)、色差(R2)和含油量(R3)分别为因变量,选取N=15的中心组合实验设计,因素水平编码见表1。

表1　中心组合实验因素及水平编码表

1.2.3指标测定脆度:本实验用脆度为指标表示产品质构变化。使用质构仪在TPA模式下,采用2N探头,测前速度2 mm/s,测中速度0.5 mm/s,测后速度10.0 mm/s,测试通过距离5 mm,二次压缩间隔时间3 s。取20粒莲子多次测试,取平均值。

含油率:采用索式提取法提取油脂,参考GB/T5009.6-2003《食品中脂肪的测定方法》测定莲子中的含油率。

色差:随机选取莲子外表侧面的一部分,用色差计测出该部分的L*值(亮度)、a*值(红度)和b*值(黄度)根据公式计算出莲子色差ΔE。重复测试三次,取平均值。

式(1)

电镜扫描:油炸后的样品(真空油炸莲子和常压油炸莲子)切片,切片后喷一层薄金,然后放在电镜下观察其微观结构。

感官评价:由中国-爱尔兰国际合作感官实验室对样品(真空油炸莲子和常压油炸莲子)评定。根据莲子的外观、色泽、质构、含油量、口感对编号的莲子以十分制进行评分,评分标准见表2。

1.2.4统计分析所有实验分析重复3次,结果取平均值,采用Design Expert 7.1统计软件进行实验设计和数据分析。

2　结果与分析

2.1模型的建立及参数分析结果

莲子真空油炸中心组合实验设计矩阵及实验结果见表3。分别以莲子脆度、色差和含油率为响应值,利用Design Expert 7.1 统计软件对实验结果(表3)进行多元回归拟合,得到真空油炸温度、真空油炸时间和真空度对莲子脆度、色差和含油率的二次多元多项回归式模型:

表2　感官评分表

表3　响应面分析实验设计与结果

R1=7637-1761.75A-380.88B+975.88C+264AB+312.5AC-77.75BC-61.87A2-374.12B2-336.63C

式(2)

R2=50.47-9.3A-3.33B+0.53C+0.75AB-0.85AC+0.5BC-0.38A2+0.62B2-2.28C2

式(3)

R3=12.29+0.9A+0.7B-0.25C+1.5AB-0.7AC-0.57BC-0.24A2-0.37B2-0.8C2

式(4)

对于上述各回归模型进行方差分析,并对模型系数进行显著性检验(表4)。由各模型方差分析结果显示,莲子脆度、色差和含油率3个模型p值均小于0.01,故上述3个模型均极显著;各模型失拟项p值分别为0.2607、0.3525和0.3220,均不显著(p>0.05);同时各模型的R2均接近1,表明实验数据与回归数学模型拟合性良好[10],能够用上述模型较好地预测各指标的实际值。

表4　回归模型的方差分析

表5　不同实验因素回归系数的检验

各模型回归系数显著性检验结果见表5。由表5可知,真空油炸温度和真空油炸时间分别对莲子脆度、色差和含油率3个指标线性效应均极显著(p<0.01);真空度对莲子脆度线性效应极显著(p<0.01),对莲子色差线性效应显著(p<0.05),对莲子含油率线性效应不显著(p>0.05);油炸温度和油炸时间的交互作用对莲子脆度和含油率影响均极显著(p<0.01),对莲子色差影响显著(p<0.05);油炸温度和真空度的交互作用对莲子脆度和含油率影响均极显著(p<0.01),对莲子色差影响显著(p<0.05);油炸时间和真空度的交互作用对莲子含油率影响显著(p<0.05),对莲子脆度和色差影响不显著(p>0.05);真空油炸温度的二次项对莲子脆度、色差和含油率的影响均不显著(p>0.05);真空油炸时间的二次项对莲子脆度的影响极显著(p<0.01),对莲子色差和含油率的影响都不显著(p>0.05);真空度的二次项对莲子脆度、色差和含油率的影响均极显著(p<0.01)。

2.2响应曲面分析结果

根据各模型分析各因素交互作用对响应值的显著性,分别对回归方程式(2)～式(4)绘制各自的3D响应面分析图,考察各实验因子对莲子脆度、莲子色差和含油率的交互作用。

响应面优化模型A、B、C(油炸温度、油炸时间、真空度)交互作用对莲子脆度的影响如图1所示。由图1可知,在实验范围内,在油炸时间和真空度保持不变下,莲子脆度随油炸温度的升高而降低。这有可能是在高温下,产品易快速脱水变硬,不利于形成松脆的口感[11]。在固定温度和真空度下,在实验范围内莲子脆度随时间的加长先稍降低然后升高。这主要是在油炸初期由于破坏了细胞的完整性,细胞成分流出,细胞之间黏粘性增大,淀粉凝胶化导致莲子变软。在油炸一段时间后,莲子由于细胞间的脱水变脆[12]。在同一油炸温度和时间下,随真空度的增加,莲子内部易形成多孔结构,导致莲子体积膨大,脆度增加。

图1　交互作用对脆度(R1)影响的响应面Fig.1　Response surface plots of interaction effects on brittleness(R1)

图2为本实验下在真空油炸过程中,莲子色差的变化。在油炸过程中,莲子表面会发生颜色的变化,这些色泽的变化,主要是来源于莲子表面物质的一些非酶褐变如美拉德反应、焦糖化反应及化学氧化等[13]。由图2可知,在同一油炸时间和真空度下,随着油炸温度升高莲子会越来越黑,亮度减小,但红度和黄度不断增大,最终色差ΔE越来越大。在同一油炸温度和油炸真空度下,随着油炸时间的增加,莲子色差也越来越大。虽有报道表明真空油炸产品会比常压油炸的产品色差变化更小，ΔE更大[4]。但在一定范围内的真空度下,保持油炸温度和时间不变,增加真空度对莲子色差的改变不显著,正如响应面图2所示。

图2　交互作用对色差(R2)影响的响应面Fig.2　Response surface plots of interaction effects on color(R2)

表6　最优水平条件下的预测值及实验值

成分比例不同等,油炸条件对最终产品中含油率也有不同影响。本实验中以莲子为材料,不同实验条件对其含油率的影响如图3所示。由图3可知,在同一油炸时间和真空度下,莲子含油量会随着油炸温度增加而不断增加;在同一油炸温度和真空度下,莲子含油量会随着油炸时间增加而不断增加;在同一油炸温度和油炸时间下,油炸真空度的逐渐升高导致莲子含油率先降低后升高。其原因是在较小的真空度下,莲子在油炸中莲子表面淀粉凝胶化[13],增大真空度,会使得莲子内部形成更多的空隙[14],导致油炸的附着,随着油炸时间的增加这些附着的油脂会渗入莲子内部,导致莲子的含油率升高[15-16]。

图3　交互作用对含油率(R3)影响的响应面Fig.3　Response surface plots of interaction on the oil content(R3)

2.3真空油炸莲子工艺参数优化结果

采用DX7.1数据处理软件对数据进行分析,以莲子脆度最大、色差最小、含油率最低为优化目标,得到真空油炸莲子的最优工艺为:真空油炸温度94.95 ℃,油炸时间为12.05 min,油炸真空度为-0.094 MPa,此条件下模型预测莲子脆度、色差和含油率分别为:6585.72 g、40.9和9.18%。根据实际情况进行修正后为:真空油炸温度95 ℃,油炸时间为12 min,油炸真空度为-0.095 MPa。

2.4实验验证结果

为了检验模型预测的准确性,以2.3确定的最优工艺参数进行3次重复实验,结果见表6。由表6可知,当真空油炸温度95.00 ℃,油炸时间为12.00 min,油炸真空度为-0.095 MPa时,各指标为:莲子脆度6572.57 g、色差42.80、含油率9.21%,与模型预测值相近,说明本实验优化的工艺参数可行。

2.5对比实验

将真空的油炸优化后莲子与常压油炸莲子的品质进行对比。常压油炸后的莲子经测量指标其脆度、色差、含油率分别为2893 g、67.17、28.9%,显然不如真空优化油炸莲子指标理想。感官评价如表7所示,采用工艺优化的真空油炸莲子的感官值高于常压油炸的莲子,感官测试者中反应常压油炸莲子咀嚼生硬,不适于食用。由图4可知,真空油炸莲子淀粉凝胶化较严重,没有明显的空隙;常压油炸莲子仍可看到淀粉颗粒且莲子内部较大的空隙。正是常压油炸莲子较大的空隙导致常压油炸莲子的含油率高于真空油炸莲子。

表7　真空油炸优化莲子和常压油炸莲子感官差异

图4　真空油炸优化莲子(A)和常压油炸莲子(B)电镜扫描图Fig.4　SEM images of fried lotus seedsusing vacuum frying(A)and atmospheric frying(B)

3　结论

本研究将响应面分析法引入到真空油炸莲子工艺优化实验中,确定了真空油炸莲子最佳工艺参数:真空油炸温度95 ℃,油炸时间为12 min,油炸真空度为-0.095 MPa。经验证实验得到莲子成品脆度、色差和含油率分别为6572.57 g、42.80、9.21%与预测值的莲子成品脆度、色差和含油率6585.72 g、40.9、9.18%相近说明建立的数学模型可靠性高,可用于油炸真空油炸莲子工艺优化。经对比实验:真空油炸莲子脆度、色差、含油率及感官评价都明显优于常压油炸莲子;由电镜图也可以明显看出真空油炸莲子淀粉凝胶化较严重,没有明显的空隙;常压油炸莲子仍可看到淀粉颗粒且莲子内部较大的空隙。

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Optimization of processing parameters for vacuum frying of lotus seeds using response surface methodology

WANG Wei-wei1，2,ZHAO Ying-ting1，2,ZHUANG Wei-jing1，2,ZHENG Bao-dong1，2,TIAN Yu-ting1，2,*

(1.College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Quality Science and Processing Technology in Special Starch,Fuzhou 350002,China)

In this study,response surface methodology(RSM)was used to optimize vacuum frying procession of lotus seeds. A central composite design(CCD)with three important factors of frying temperature(85～95 ℃),frying time(12～20 min)and vacuum degree(-0.085～-0.095 MPa),was used to study the response variables of fracturability(R1),color change(R2)and oil content(R3). Frying temperature 95 ℃,frying time 12 min and vacuum degree -0.095 MPa were the optimum frying conditions. Under these conditions,fracturability,color change and oil content reached to 6572.57 g,42.80 and 9.21% respectively.In addition,compared with the atmospheric fried lotus seed,brittleness,color difference,oil content and sensory evaluation of the vacuum fried lotus seed were significantly better.Fried lotus seed starch was highly gelatinization without obvious gap through electron microscopy.But the starch granules and the larger gap inside lotus seeds could be clearly seen in atmospheric fried lotus seed.

lotus seeds;response surface methodology;vacuum frying;optimize processing

2015-12-25

王为为(1989-)，女，硕士研究生，主要从事农产品加工方面的研究，E-mail:weiweiwang370@163.com。

田玉庭(1979-)，男，副教授，主要从事农产品加工方面的研究，E-mail:tytfst@163.com。

国家自然科学基金(31401616)；福建省高校产学合作科技重大项目(2015N501)；福建农林大学“校杰出青年科研人才”专项基金(xjq201418)；福建农林大学科技创新团队支持计划(cxtd12009)。

TS205.1

B

1002-0306(2016)12-0261-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.041