基于灰色关联分析法研究不同干燥方式对芜菁脆片的影响

高 琦，李加恒，韩昊廷，刘梓蘅，张佳慧，刘春菊，刘春泉，薛友林,,*

（1.辽宁大学轻型产业学院，辽宁 沈阳 110036；2.中共辽宁省委党校，辽宁 沈阳 110004；3.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏 南京 210014）

芜菁（Brassica rapa L.）属于十字花科两年生植物，是世界上最古老的栽培蔬菜之一[1]。别名蔓菁、圆根、盘菜等。在中国，芜菁是人们经常食用的一种蔬菜，其根茎扁圆，肉质根中含有大量的VA、VB、VC及多种糖类、氨基酸、钙、铁、磷等矿物质[2]。民间传统还将其用作医药，以缓解缺氧和疲劳症状[3-4]。

干燥作为一种重要的加工操作单元，在现代食品工业中被广泛应用。干燥处理是一种常用而又有效的保藏方法，可在降低水分含量和水分活度来达到抑菌效果的同时[5]，又赋予产品新的感官品质。对芜菁进行干燥处理以生产芜菁脆片，不但可以延长产品的保藏时间，还能够得到一种新的芜菁产品。干燥是一种很好的产品加工形式，干燥赋予了芜菁新的感官品质，使其消费方式多样化、方便化，提高了其附加值。

真空冷冻干燥（freeze drying，FD）过程中物料处于冻结状态，温度较低，在整个过程中几乎不存在营养成分热分解及褐变，可最大程度保留物料原有状态，但操作耗时长、耗能高[6]；变温压差膨化干燥（explosion puffing drying，EPD）利用物料中原有水分汽化生成水蒸气带动物料膨化，其产品绿色天然、酥脆度高[7-8]；红外干燥（infrared drying，ID）是利用红外线辐射器产生的电磁波与物料中分子运动的固有频率相匹配，进而使分子因剧烈振动而引起激烈摩擦产生大量热进行干燥的，物料干燥温度不易受周围空气温度影响，具有节能、干燥均匀的特点[9]；热风干燥（hot air drying，AD）利用热空气为干燥介质与物料进行湿热交换而干燥物料，干燥过程温度较高、时间较长，物料易褐变，营养成分易分解，但干燥速率较快，干燥容量较大[10]。本实验将通过灰色关联分析法比较FD、EPD、ID、AD 4 种不同的干燥方式对芜菁脆片物理性质、营养成分、微观结构和感官评价的影响，以确定芜菁脆片的最佳干燥工艺，以期为芜菁脆片生产加工中干燥方式的选择及产品的开发提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芜菁为白皮白肉圆芜菁（水分质量分数约93%、总糖质量分数约5%、膳食纤维质量分数约1%），产自四川大凉山。

氯化钠、柠檬酸、蔗糖、硝酸、考马斯亮蓝G250等（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

SCIENTZ-10N型真空冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司；QDPH1021型变温压差膨化干燥设备 天津市勤德新材料科技有限公司；HW-10型红外干燥箱巩义市英峪予华仪器厂；GZX-BE型电热鼓干燥箱上海博迅实业有限公司医疗设备厂；BCD-208GT型冷藏冷冻箱 江苏雪龙电器有限公司；NR20XE型精密色差仪深圳市三恩驰科技有限公司；CT3-25K型质构仪美国Brookfield公司；JSM-5610LV型扫描电子显微镜日本电子公司；JFC01600型镀金仪 日本Jeol公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥工艺参数

预处理：芜菁经清洗、去皮、切片（厚度4 mm）、热烫（1.5%（质量分数，下同）氯化钠和0.2%柠檬酸溶液煮制1 min）、冷却、浸糖（置于20%蔗糖溶液1 h（料液比1∶3））、低温预冻（-18 ℃冷冻12 h）。预冻后进行FD，预冻后室温解冻2 h分别进行AD、ID和EPD。干燥后水分质量分数不大于7%即获得芜菁脆片成品，用于理化性质和营养成分的测定。

FD：冷冻干燥过程真空度不高于60 Pa，冷阱表面温度设置为-40～-45 ℃；干燥时间：14 h。

EPD：将芜菁片在70 ℃条件下热风预干燥50 min后，使水分质量分数达到25%。放入膨化罐后密封，在温度为80～85 ℃条件下，加压到0.3 MPa，停留5 min，在温度为70～75 ℃条件下抽空90 min（刚开始抽真空的瞬间即为膨化过程），全程干燥时间：145 min。

ID：温度70 ℃、功率250 W、干燥时间240 min。

AD：温度70 ℃、风速2.3 m/s、干燥时间120 min。

1.3.2 营养成分的测定

营养成分的测定包括：1）水分含量测定：参照GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》[11]；2）可溶性固形物（total soluble solid，TSS）含量测定：参照手持糖度计法[12]；3）蛋白质含量测定：参照GB 5009.5—2010《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》[13]；4）淀粉含量测定：GB 5009.9—2016《食品中淀粉的测定》[14]；5）总糖含量测定：参照王联珠等的方法[15]；6）总酚含量测定：参照Sellappan等的方法[16]；7）VC含量测定：参照赵晓梅等的方法[17]；8）可溶性膳食纤维（soluble dietary fi ber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）含量的测定：参照GB 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》[18]以及Prosky等的方法[19]。

1.3.3 微观结构的测定

使用JFC01600型镀金仪对芜菁脆片样品进行5 min喷金处理，将喷金后的芜菁脆片固定在JSM-5610LV型扫描电子显微镜扫描台上进行观察。

1.3.4 物理性质的测定

1.3.4.1 色差的测定

根据Vega-Gálvez等[20]的方法测定芜菁脆片的L*（亮度）、a*（红绿度）、b*（黄蓝度）值，并按式（1）计算色差（ΔE）。

式中：△a*为干燥前后红绿度的差值；△b*为干燥前后黄蓝度的差值；△L*为干燥前后亮度的差值。

1.3.4.2 复水比的测定

根据Yi Jianyong等[21]的方法测定芜菁脆片在25 ℃下的复水比。

1.3.4.3 体积比和密度的测定

根据Yi Jianyong等[22]的方法测定芜菁脆片体积比和密度。

1.3.4.4 质构的测定

采用CT3-25K型质构仪测定芜菁脆片的硬度。具体测定条件：使用TA7型探头进行测试，探头长度7.0 mm，测试速率为2.0 mm/s，返回速率为2.0 mm/s，触发点负载为10 g，负载单元为25 000 g。每种样品取10 个样测10 次，取平均值。测试过程中，出现的最大峰为样品硬度（H/g）；脆度（C）则由公式（2）得出。

式中：HAV表示得到的所有峰值平均值/g。得到的峰值平均值与初始硬度有关。C越高，则表示样品松脆性越强。

1.3.5 感官评价

选取10 名有感官评价培训经验的人员分别对4 种不同方式干燥的芜菁脆片进行感官评价，对产品的口感、色泽、组织状态、风味4 个方面进行评价，计算平均分，各项满分25 分，总分满分100 分，感官评价表如表1所示。

表 1 芜菁脆片感官评价标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of turnip chips

1.3.6 综合评价

采用变异系数法[23]确定ΔE、体积比、密度、硬度、脆度、水分含量、可溶性固形物含量、淀粉含量、蛋白质含量、总糖含量、VC含量、SDF含量、IDF含量和感官评分14 个指标的影响因子权重，再经过灰色关联分析的一系列数据处理计算各因子的加权关联度，将加权关联结果作为最终综合评价参照依据。

1.3.6.1 因子权重赋予

何承刚等[24]发现各评价指标的变异系数越大，所赋予的权重就应越大。为了更客观地评价各项指标对品质影响的重要性，需要通过变异系数确定权重来反映相对差异程度[25]，如式（3）～（4）所示。

式中：CVi表示第i项的变异系数；σi表示第i项的标准差；µi表示第i项的算术平均数；Wi表示第i项的权重。

1.3.6.2 灰色关联模型分析

参照王轩[26]、刘文静[27]等的灰色关联法分析，通过数据无量纲化、参考序列与比较序列间绝对差值的计算，以及灰色关联系数及李慧等[28]的方法计算加权关联度，进行综合性评价。

1.4 数据统计分析

采用DPS 7.5软件对数据进行处理，通过Duncan’s新复极差法进行显著性分析（P＜0.05表示差异显著）。采用Origin Pro 8软件和Excel 2010软件作图分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式对芜菁脆片营养成分的影响

表 2 不同干燥方式对芜菁脆片营养成分含量的影响Table 2 Effects of different drying methods on the nutritional composition of turnip chips

如表2所示，为改善脆片口味，事先对样品进行了浸糖预处理，故各种产品的TSS与总糖含量均较高。ID产品TSS含量较低，同时其蛋白质及总糖含量较低，这可能是因为ID处理时间（240 min）较长，使糖与蛋白质发生较长时间的美拉德反应，导致产品蛋白及总糖含量较低，尤其是总糖含量；FD产品VC含量最高，ID产品VC含量最低，因为VC对热及氧不稳定，而FD全程低温、低氧，故VC氧化极少，保留较好，EPD、ID、AD 3 种处理温度接近，而ID时间比EPD和AD长，故VC损失最为严重，含量最低；4 种产品均未检出多酚成分，且仅有ID产品因加工时间较长，纤维含量较高。整体来看，FD产品各成分保持最好，EPD产品次之，这是因为EPD、ID、AD三者处理温度相近并且高于FD，故FD产品成分破坏最少。

2.2 不同干燥方式对芜菁脆片物理性质的影响

2.2.1 不同干燥方式对芜菁脆片色泽的影响

表 3 不同干燥方式对芜菁脆片色泽的影响Table 3 Effects of different drying methods on the color of turnip chips

从表3可以看出，4 种干燥产品亮度L*值均显著高于鲜样（P＜0.05），说明4 种脆片的色泽均与鲜样的有较大差距。此外，ID的a*值和b*值显著高于FD产品（P＜0.05），这表明ID产品颜色比FD等其他产品偏黄，与成分测定的结果相符（ID产品美拉德反应最严重）。

2.2.2 不同干燥方式对芜菁脆片微观结构的影响

从图1A中可以看出，FD脆片具有较明显的蜂窝状结构，内部空隙大，整体体积保持较好。从图1B中可以看出，EPD脆片内部可生成一定蜂窝状空隙，但其表面却相对致密，可能是因为在预干燥后水分分布不均，至使膨化不完全。ID脆片则很难看出来其原有结构，其组织紧缩，结构紧密（图1C）。而AD脆片也发生了严重的皱缩，失去了原来饱满而立体的状态，表面形成了模糊的褶皱样形状，但其内部保留了轻微的孔隙结构（图1D）。

图 1 不同干燥方式的芜菁脆片的扫描电子显微镜结果Fig. 1 SEM results of turnip chips with different drying treatments

2.2.3 不同干燥方式对芜菁脆片复水比的影响

图 2 不同干燥方式对芜菁脆片在25 ℃下复水比的影响Fig. 2 Effect of different drying methods on the rehydration rate of turnip chips at 25 ℃

如图2所示，初期FD产品在25 ℃下的复水速率高于其他3 种干燥产品，复水较快，且在5 min后无明显变化，这可能是因为FD脆片会形成疏松多孔蜂窝状结构[29]（图1A）。但随着复水时间延长，脆片中的糖逐渐溶于水中，故最终复水比较低。ID产品内部及表面结构均较为致密（图1C），虽然致密的结构使其糖分在复水过程中难以溶解出去，但水分也难以进入，故最终复水比较低。ID脆片和AD脆片前期复水速率相近，因为二者均有致密的表面结构。另外，EPD脆片内部形成多孔状结构[30]，易于吸水，同时表面致密（图1B），糖分不易溶出；而AD产品同样表面致密，内部也形成了一些毛细孔隙（图1D），利于复水，故两者均有较高的最终复水比。

2.2.4 不同干燥方式对芜菁脆片体积比和密度的影响

图 3 不同干燥方式对芜菁脆片体积比和密度的影响Fig. 3 Effect of different drying methods on the volume ratio and bulk density of turnip chips

如图3所示，FD产品的体积比最大，达到95%，显著高于其他3 组。表明FD可以很好地保持芜菁脆片内部结构的完整，保留其原有外观形态（图1A）；ID和AD产品的体积比无显著差异且最小，表明干燥过程中对芜菁结构造成了较大改变，使其干瘪收缩，外观变化明显（图1C、D）。密度与体积比相反，FD产品密度最小，ID和AD产品密度最大。FD利于产品形状的保持，这是由于在冷冻阶段，过低的温度固化了物料内部的纤维结构，这有利于后期干燥产品形状的保持[31]。

2.2.5 不同干燥方式对芜菁脆片硬度和脆度的影响

图 4 不同干燥方式对芜菁脆片硬度和脆度的影响Fig. 4 Effect of different drying methods on the hardness and brittleness of turnip chips

由图4可见，在ID和AD过程中，产品表面温度较内部高，使其内部水分向表面转移的速度小于表面水分蒸发的速度，在表面形成一层干硬膜，出现干瘪坚硬现象，使其硬度较大，脆度较小；EPD过程中，产品内部的膨化作用使孔道扩充，质地更加酥脆；FD脆片可基本保持其原有形状，形成多孔性结构，因而体积收缩小，硬度最小，质地松软[32]。

2.3 不同干燥方式的芜菁脆片的感官评分

表 4 不同干燥方式对芜菁脆片的品质感官评分Table 4 Quality evaluation of turnip chips subjected to different drying methods

如表4所示，芜菁脆片的感官评价由高到低依次为：EPD＞FD＞AD＞ID。FD、EPD产品感官评价评分接近，均不低于80分，都易于被消费者接受，而ID、AD产品评分较低，食用体验不佳。FD与EPD产品在风味上相差无几，由于EPD是利用内部水分汽化而使物料膨化，故口感最为酥脆，虽干燥温度不是很高，但仍发生褐变；FD产品因水分直接升华，保持原有细胞结构，故酥脆程度不如EPD产品，但干燥过程中始终低温，无褐变反应发生，色泽较好。ID和AD产品，则因干燥过程均为水分受热蒸发过程，温度高、时间长，故产品的外观、口感上均比前两者差。

2.4 不同干燥方式的芜菁脆片品质影响的综合评价

为了避免等权分配的不客观性，消除各评价指标的量纲差异，采用变异系数法对不同评价指标的权重关系进行分配，再利用灰色关联法及综合性评价分析不同干燥方式对芜菁脆片品质的影响。

表 5 各项指标权重分析Table 5 Weights of various indicators used in comprehensive evaluation of turnip chips

如表5所示，根据变异系数法对14 个评价指标确定不同权重。基于不同指标的贡献差异性，将ΔE、体积比、密度、硬度、脆度、水分含量、TSS含量、淀粉含量、蛋白质含量、总糖含量、VC含量、SDF含量、IDF含量、感官评分赋予的权重分别为：7.3%、26.4%、19.0%、6.9%、2.3%、2.4%、3.5%、1.8%、2.8%、2.7%、10.3%、11.5%、1.2%和1.9%。根据已测量数据构造参考数列T0。为了避免各量纲的指数差异，统一根据公式（5）将各指标进行如表6所示的无量纲化。

其式k＝1，2，3，4；i＝1，2，3，…，14。

表6 数据无量纲化结果Table 6 Results of nondimensionalization

根据表6中数据，求出参考数列T0与比较数列Ti各对应点的绝对差值，Δn（i）＝｜T0（i）-Tn（i）︱，计算结果如表7所示。最大和最小差值：Δn（i）max＝4.286、Δn（i）min＝0.000。

表 7 参考序列与比较序列间的绝对差值[Δn（i）]Table 7 Absolute value [Δn(i)] between reference sequence and comparative sequence

采用公式（6）和（7）计算出灰色关联系数ξn（K）和加权灰色关联度Xi，计算结果如表8、9所示。

式中；ξn（K）为各项指标灰色关联系数；ξ为分辨系数，在0～1间，通常为0.5。

式中：ξn（K）为各项指标灰色关联系数；Qn（K）为表5中各项指标权重。

表 8 参考序列与比较序列的灰色关联系数Table 8 Grey relational coefficients and grey correlation degrees between reference sequence and comparative sequence

表 9 加权关联度（Xn）计算结果Table 9 Results of weighted correlation (Xn)

表8、9表明，加权关联度由大到小排序是：FD＞EPD＞ID＞AD。对脆片品质评价的14 项指标进行影响程度权重分配后，再分析不同干燥方式对脆片产品品质的各项指标的联动影响。结果表明，FD、EPD、ID、AD 4 种干燥方式中FD和EPD优于ID和AD。因FD设备复杂、耗时耗能，而EPD处理虽设备成本较高，但生产周期较短，综合能耗及品质多方面考虑，EPD为芜菁脆片生产加工的较合适的备选工艺。

3 结 论

我国新疆、西藏芜菁产量较大，一般以鲜食为主，少部分用来制作腌泡菜，深加工产品较少，为了提升其附加值，丰富其加工方式，尝试将其制作成一种非油炸脆片产品。本实验选择了FD、EPD、ID、AD 4 种干燥方式生产芜菁脆片，并利用灰色关联分析法对其营养成分及感官品质等多项指标进行了综合分析。结果显示FD产品综合得分最高，但其生产耗时耗能，而EPD生产周期较短，综合能耗及品质多方面考虑，EPD为芜菁脆片生产加工较合适的备选工艺。硫代葡萄糖苷是十字花科芸薹属植物中的一类重要的次生代谢产物，能够抑制肿瘤生成和癌细胞转移。其广泛存在于芜菁中，因条件限制本实验并未对脆片中硫代葡萄糖苷的构成进行详细解析，将在后续实验中进行深入研究。