响应面法优化鱼藕脆片微波真空-烤制加工条件

王应强,张　慜,赵红霞

(1.陇东学院农林科技学院,甘肃庆阳 745000;2.江南大学食品学院,江苏无锡 214122)



响应面法优化鱼藕脆片微波真空-烤制加工条件

王应强1,张慜2,赵红霞1

(1.陇东学院农林科技学院,甘肃庆阳 745000;2.江南大学食品学院,江苏无锡 214122)

采用响应面方法研究了微波真空干燥时间、烤制温度和烤制时间对鱼藕脆片水分含量、脆度、色差和感官品质的影响。结果表明,脆片水分含量和脆度值随着加工时间的延长和烤制温度的升高而降低,色差值增大,感官得分随着烤制时间的延长和烤制温度的升高而增大,随着微波真空干燥时间的延长先增大后减小,各因素之间存在不同程度的交互效应。建立的模型方程决定系数(R2)均大于0.8846,并且极显著(p<0.01),因此能够用来预测产品的品质参数,通过建立总体期望函数优化得到的最佳组合处理条件为:微波真空干燥时间为15.3 min,烤制温度为94.2 ℃,烤制时间为37 min,所对应的响应值为水分含量3.22%,感官得分7.2,脆度值390 g,色差值25.19。

鱼藕,脆片,响应面,微波真空-烤制

干制脆片类休闲食品由于口感松脆、储运方便、货架期长深得消费者喜爱。其品质参数如脆性、色泽、营养成分的保留、感官和孔隙率等与水分的脱除方式、最终产品的水分含量密切相关。其期望的品质可以通过各种干燥技术的合理应用和工艺条件的控制,在物料快速脱水的同时而形成。

微波真空干燥技术是一种以微波能供给热量的强力脱水技术,在食品物料快速脱水的同时可阻止物料干缩或产生膨化效应,形成多孔性的结构,从而使被干燥物料获得松脆的质构与良好的复水性。但在微波真空干燥过程中,由于微波场的不均匀分布常常引起不均匀干燥,即存在局部冷点和过热点,导致物料局部烧焦或局部未充分干燥[1-2];另外,在干燥过程中,被干燥物料持续吸收微波能,致使干燥后期由于没有足够的水分蒸发带走热量极易引起物料温度迅速升高同样导致物料被烧焦[3],同时在微波真空干燥过程中干燥终点也难以判断[4],因此,在微波真空干燥中,干燥的后期对产品质量产生严重的破坏性影响。Han[5]等报道,高的微波功率以及低微波功率的长时间处理都可引起过热现象,导致苹果片质量劣化。除此之外,在后期水分较难除去,使用微波真空干燥也需要较长的时间,维持高真空以及微波输入使生产成本提高。

表1　变量代码、水平及其对应的真实值

烤制本质上讲是对流干燥过程并伴随有香味和脆性形成的过程。A.Nath[6]等报道重组土豆-大豆湿片高温短时气流膨化(231 ℃,25 s)至水分含量为11.53%(干基)时在104.4 ℃烤制27.9 min可进一步降低产品的水分含量,提高产品的脆性和总体可接受性,将脱水土豆丁在121.21 ℃烤制16.55 min可提高其脆性。由于在干燥过程中,干燥后期水分的脱除主要受内部扩散控制,升高温度可提高水分扩散系数,加速水分向外迁移,因此,在微波真空干燥的后期采用烤制不论在实际生产中还是在理论上都是行之有效的办法。Cui[3]等的研究表明,微波真空将蒜片干燥至水分含量为10%时,紧接着45 ℃热风干燥至水分含量为5%,所得产品质量与冷冻干燥接近,显著好于纯热风干燥的样品。

因此,本研究以鲜有报道的重组型鱼藕湿片为原料,采用中心组合旋转响应面实验设计方法研究了微波真空干燥时间、烤制温度和烤制时间对鱼藕脆片水分含量、脆度、色差和感官品质的影响,并优化得到最佳的组合处理条件。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

鲜活草鱼、糯米粉以及鲜藕均购于江苏无锡市雪浪市场。

FA1104型电子天平上海天平仪器厂生产;LG,GR-268BTQ冰箱LG电子(中国)有限公司;CM-14型斩拌机；EM-20型真空灌肠机西班牙MAINLA公司;TA-XT2质构仪英国Stable Micro System Co;CR-400色差计日本Onica Minolta公司;微波真空干燥器江南大学机械学院设计制造;Model 101-1烤箱上海实验仪器厂有限公司。

1.2实验方法

1.2.1鱼藕重组湿片的制备将莲藕去皮后切成5 mm厚的薄片,在沸水中煮制20 min后打浆。草鱼采肉后漂洗干净,将鱼碎肉加1%盐斩拌4 min,之后与藕泥、糯米粉以及调味料(1%糖与0.3%味精)加入再和鱼肉一起斩拌4 min,鱼肉,糯米粉和莲藕泥的比例为5∶2∶3,将混合好的糊状物用灌肠机灌入耐高温塑料肠衣中,肠衣直径为4～6 cm。成型的糊状为在100 ℃蒸30 min。熟化后在流动水中冷却至室温,在4 ℃储藏老化12 h。老化后切成2 mm的薄片用于干燥实验。

1.2.2干燥250 g重组鱼藕湿片在微波功率为360 W,真空度为90 kPa的条件下干燥一定时间后,再在烤箱内按照实验设计的温度和时间烤制。

1.2.3实验设计选用中心旋转组合响应面设计来研究三个变量微波真空干燥时间,烤制温度与时间对四个响应值水分含量,脆性,色差以及感官品质的影响。在预实验的基础上选定的三个变量的范围见表1,由Design Expert 7.0生成的20个实验处理见表2,包括6个轴点,8个全因子点,在中心点重复6次以评估实验误差。通过回归分析来建立响应值与变量之间的二次多项式模型,模型方程如下:

式(1)

式中:Yk,Xki分别代表响应值与变量,ak0、akiakii和akij分别是第k个影响值的零次项、线性项、二此项和交互项系数,k是响应值数目。

1.2.4数值优化在本实验中,存在多个响应值,它们获得最佳值的条件并不一致,因此通过建立如下的总体期望函数D(x)来确定脆片生产的最佳工艺条件[7-8]:

式(2)

式中:d1,d2…dn为各响应值的期望值,n为响应值数目。

在实验所选定的各变量范围内,通过指定单个响应值的权重,将所有的响应值根据如下方程转化为单一期望函数di,在按照上面的总体期望函数求几何平均数,再根据几何平均数在响应面图中寻找最大期望函数值所对应条件即为最佳工艺条件。独立响应值的期望值按如下方程计算:

当独立响应目标值为最小时:

式(3)

当独立响应目标值为最大时:

表2　实验设计及响应值结果

式(4)

当独立响应目标值为某一特定值时Ti时:

式(5)

w为权重系数(1-5),Li,Hi,Ti分别代表最小、最大和目标响应值。

1.2.5实验指标与测定

1.2.5.1水分含量参照GB 5009.3-2010[9]的方法。

1.2.5.2色差测定干燥样品研碎后用色差计测定亨特尔L*值,a*值,b*值,标准白板调零,以湿片的色值为基准,总色差通过下面的公式计算:

ΔE=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2

式(6)

1.2.5.3质构测定在TA-XT2质构仪上进行测试,使用直径为5 mm的圆柱形探头,测前速度、测试速度和测后速度分别为2.0,1.0,3.0 mm/s,压缩比50%,触发力20 g,质构仪记录的力-时间曲线中的第一个峰即为脆度值,结果以g表示。

1.2.5.4感官评定采用9点快乐评分法对干燥的脆片由15个经验丰富的感官鉴评员分别从色泽、脆性、风味和外观四个方面分别评分,然后计算加权平均数即为感官得分,9分为非常好,1分为最差[10]。

1.3统计分析

采用Design Expert 7.0软件包作图,回归分析和数值优化。拟合模型的质量由决定系数R2值评估,当其大于0.75时认为模型有效,统计显著性通过F-检验评估,当p<0.05时认为存在统计学上显著的差异。

2　结果与讨论

2.1模型拟合与检验

不同组合处理下各响应值的测定结果见表2,二次多项式模型用来拟合实验数据,模型方差分析结果见表3。从表可知,四个响应值的二次多项式回归模型p值均小于0.01,所见模型极显著,所有模型的决定系数R2值均大于0.88,这说明88%以上的变异可以通过模型来解释,因此,所建立的模型能够预测加工期间各响应值的变化。

表3　模型系数与方差分析结果

注:*p<0.05,**p<0.01。

2.2加工参数对水分含量的影响

干燥前样品的水分含量为67.45%,干制食品的最终水分含量影响产品的脆性和货架期。干燥后不同处理鱼藕脆片的最终水分含量在2.56%到8.23%之间变化,最小的水分含量所对应的工艺参数为微波真空干燥时间22 min,115 ℃和炉烤30 min,最大水分含量所对应的工艺参数为微波真空干燥时间18.5 min,烤炉温度100 ℃和烤制时间5.86 min。响应曲面图1和图2显示了水分含量随加工参数的变化情况,由图可知,随着微波真空干燥时间和烤制时间的延长,烤炉温度的升高,水分含量逐渐减小,而且烤制时间对水分含量具有极其显著的影响。回归系数的方差分析结果表明,微波真空干燥时间的线性项,烤制时间的线性项对水分含量具有极显著的影响(p<0.01),烤制温度的线性项以及微波真空干燥时间和烤制时间的二次项对水分含量有显著的影响(p<0.05),各参数之间的交互作用无显著影响(p>0.05),忽略不显著项,预测水分含量随微波真空干燥时间,烤制温度与烤制时间变化的方程为:

Y1=4.43+0.17X1+0.08X2+0.18X3-0.04X12-5.01X32

图1　微波真空干燥时间和烤制温度对水分含量影响Fig.1　Effect of microwave vaccum drying time and toasting temperature on moisture content

图2　烤制时间和烤制温度对水分含量的影响Fig.2　Effect of toasting time and toastingtemperature on moisture content

2.3加工参数对脆度的影响

干燥后不同处理鱼藕脆片的脆度值在411 g到955 g之间变化,最小的脆度值所对应的工艺参数为微波真空干燥时间15 min,115 ℃和炉烤30 min,最大脆度值所对应的工艺参数为微波真空干燥时间18.5 min,烤炉温度100 ℃和烤制时间5.86 min。响应曲面图3和图4显示了鱼藕脆片脆性随脆度值加工参数的变化情况,由图可知,随着微波真空干燥时间和烤制时间的延长,烤炉温度的升高,脆度逐渐降低,而且,在较高的微波真空干燥时间下,无论烤制温度高低对产品的脆性的影响极小。Katz and Labuza报道当水分活度超过0.35～0.50时,休闲食品将失去脆性[11]。因此,本研究中脆性的升高可由水分的失去来解释。回归系数的方差分析结果表明,微波真空干燥时间的线性项对脆性具有极显著的影响(p<0.01),烤制时间的线性项与二次项、微波真空干燥时间的二次项以及微波真空干燥时间和烤制温度的交互作用对脆性有极显著的影响(p<0.01),忽略不显著项,预测脆性随微波真空干燥时间,烤制温度与烤制时间变化的方程为:

Y2=2363-33.25X1+8.62X3+1.24X1X3-3.87X12-0.58X32

图3　微波真空干燥时间和烤制温度对脆度值影响Fig.3　Effect of microwave vaccum drying time and toasting temperature on crispness value

图4　烤制时间和烤制温度对脆度值的影响Fig.4　Effect of toasting time and toastingtemperature on crispness value

2.4加工参数对色差的影响

不同处理鱼藕脆片的色差值在11.52到35.89之间变化,最小的色差值所对应的工艺参数为微波真空干燥时间15 min,烤炉温度85 ℃和烤制时间12 min,最大色差值所对应的工艺参数为微波真空干燥22 min,烤炉温度115 ℃和炉烤30 min。响应曲面图5和图6显示了色差值随加工参数的变化情况,由图可知,随着微波真空干燥时间和烤制时间的延长,烤炉温度的升高,色差值变大,其中微波真空干燥时间具有及其显著的影响,尤其在大于18.5 min时,在所有的温度范围内色差迅速升高。这表明强度逐渐增大的组合处理使鱼藕脆片发生了显著的褐变,这主要是由美拉德反应以及物料在微波场中烧灼所引起[5-6,12]。感官评估的结果表明,色差值为20时,感官品质最好,回归系数的方差分析结果表明,微波真空干燥时间的线性项,二次项以及烤制时间的线性项对色差具有极显著的影响(p<0.01),烤制温度的线性项和烤制时间的二次项对色差具有极显著的影响(p<0.01),微波真空干燥时间和烤制时间以及烤制时间和烤制温度的交互作用也对色差具有显著影响(p<0.05),忽略不显著项(p>0.05),预测色差随微波真空干燥时间,烤制温度与烤制时间的回归方程为:

Y3=42.75-3.07X1-0.27X2-0.88X3-0.052X1X3+0.012X2X3+0.23X12+0.02X32

图5　微波真空干燥时间和烤制温度对色差的影响Fig.5　Effect of microwave vaccum drying time and toasting temperature on chromatic aberration

图6　烤制时间和烤制温度对色差的影响Fig.6　Effect of toasting time and toastingtemperature on chromatic aberration

2.5加工参数对感官品质的影响

不同处理鱼藕脆片的感官得分在3.25到7.76之间变化,最小的感官得分所对应的工艺参数为为微波真空干燥18.5 min,烤炉温度100 ℃和烤制时间5.86 min,最大的感官得分所对应的工艺参数为微波真空干燥时间15 min,烤炉温度115 ℃和炉烤30 min。响应曲面图7和图8显示了感官得分值随加工参数的变化情况,由图可知,感官得分随着烤炉温度的升高和烤制时间的延长逐渐增大,随着微波真空干燥时间的延长,感官得分先增加后降低,而且在处理时间大于18.5 min时,感官得分不受烤制时间的影响显著降低,这表明长时间的微波处理损坏了产品的感官质量,这主要是由于物料在微波场中过度加热所致。回归系数的方差分析结果表明,微波真空干燥时间的线性项对感官得分具有极显著的影响(p<0.01),烤制温度和烤制时间的线性项、微波真空干燥时间的二次项对感官得分具有极显著的影响(p<0.01),各参数之间不存在明显的交互作用(p>0.05),忽略不显著项,预测感官得分随微波真空干燥时间,烤制温度与烤制时间的回归方程为:

Y4=-4.24+1.17X1-0.083X2+0.34X3-0.045X12

图7　微波真空干燥时间和烤制温度对感官的影响Fig.7　Effect of microwave vaccum drying time and toasting temperature on sensor score

图8　烤制时间和烤制温度对感官的影响Fig.8　Effect of toasting time and toasting temperature on sensor score

2.6加工参数优化与验证

2.6.1数值优化在研究的变量范围内设定各响应值的最佳目标值为水分含量与脆性最小,感官得分最大,色差为20,各响应值的权重均为3。运行Design Expert 7.0软件数值优化程序所得的最佳工艺条件为:微波真空干燥时间为15.34 min,烤制温度为94.21 ℃,烤制时间为37 min,此时预期目标函数值为0.849,所对应的响应值为水分含量为3.22%,感官得分为7.2,脆性为390 g力,色差值为25.19。图9和图10显示了总体期望函数值随加工参数的变化情况,由图9可知,微波真燥干燥时间和烤制温度的交互作用对总体期望函数值有较大影响,在高温较短的微波真空干燥时间以及较长微波真空干燥时间的处理都可获得较大的总体期望函数值。当微波真空干燥时间超过某一值后,不论烤制温度如何变化,总体期望函数值将迅速降低并接近于零。由图10可知,总体期望函数值随烤制温度升高和时间的延长呈线性增大。

图9　烤制时间和烤制温度对D(x)的影响Fig.9　Effect of microwave vaccum drying time and toasting temperature on D(x)

图10　微波真空干燥时间和烤制温度对D(x)的影响Fig.10　Effect of microwave vaccum drying time and toasting temperature on D(x)

2.6.2验证在上述数值优化获得的最佳工艺条件下干燥鱼藕脆片,所得产品水分含量、脆度、色差以及感官得分见表4。所得结果的相对误差在5%以内,说明上述优化的条件用于鱼藕脆片的加工是有效的。

表4　最佳工艺条件下产品质量的理论值与实际值

3　结语

微波真空干燥时间是对产品色差和感官品质产生不利影响的关键因素,而烤制温度和时间能够改善脆性和感官品质,通过两者的组合应用,可避免微波真空干燥过程中产生的不利影响,并可提高产品的脆性。通过数值优化技术所获得的最佳工艺条件为:微波真空干燥时间为15.3 min,烤制温度为94.2 ℃,烤制时间为37 min,所得产品的水分含量为3.22%,感官得分为7.2,脆度值为390 g力,色差值为25.19,验证实验表明该工艺条件用于鱼藕脆片的生产是有效的。

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Optimization of fish-lotus root chips microwave vacuum-toasting processing parameter by response surface analysis

WANG Ying-qiang1,ZHANG Min2,ZHAO Hong-xia1

(1.College of Agriculture and Forestry,Longdong University,Qingyang 745000,China;2.School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Surface response methodology was employed to study the effect of microwave vacuum drying time,toasting temperature and toasting time on moisture content,crispness,chromatic aberration and sensory score of re-structured fish-lotus root chips.The results showed the moisture content and crispness decreased,but the chromatic aberration increasee with increase of time and temperature,sensory score increased with increase of toasting time and temperature,but presented an increase followed by a decrease with added time of microwave vacuum drying time.The combined effect of these variables exists to varying degrees. All the proposed models with a coefficient of determination(R2)of great than 0.8864 and significant level(p<0.01)could be used for predicting the responses. The optimized conditions obtained by constructing overall desirability functions were determined to be microwave vaccum drying time of 15.3 min,toasting temperature of 94.21 ℃ and toasting time of 37 min. The corresponding responses were moisture content of 3.22%,sensory scores of 7.2,crispness of 390 g,chromatic aberration of 25.19.

fish-lotus root chips;response surface methodology;microwave vacuum-toasting

2015-12-08

王应强(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：食品工程与工艺，E-mail:sxxds2008@163.com。

陇原青年创新人才扶持计划项目；陇东学院博士科研启动基金(XYBY11)。

TS205.1

B

1002-0306(2016)13-0215-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.035