正交试验优化热泵-微波联用制取莲藕干工艺条件

李莉峰，叶春苗*，韩艳秋

1. 辽宁省农业科学院（沈阳 110161）；2. 辽阳职业技术学院（辽阳 111000）

莲藕（Nelumbo nuciferaGaertn）又称荷藕、莲菜、芙蓉、水芝、水芸、玉环、君子花、六月春等，为睡莲科多年生植物，富含淀粉、膳食纤维、氨基酸、维生素、矿物质、鞣质以及棉子糖、水苏糖、米糖、多酚化合物等，是集营养及保健于一体的药食同源食品。中国有3 000多年的栽培史，并且栽培面积较为广泛，有着丰富的莲藕资源。鲜莲藕贮藏时极易氧化褐变及腐烂变质，不仅影响莲藕的食用品质，也造成巨大经济损失。将莲藕进行深加工是解决这一问题的有效途径之一，干燥是食品加工中常用的一种方法，也是保藏食品的一种有效方法。食品的干燥方法通常有自然干燥、热风干燥、低温真空油炸脱水等。用干燥法生产的莲藕制品也已问世，如莲藕粉、莲藕脆片、脱水藕片等，但产品出现藕片硬度大、营养损失严重等问题。莲藕干燥方法已取得进展，如李丽娟[1]采用真空微波干燥、气流膨化干燥莲藕工艺，但单一干燥方式均具有产量低、成本高等缺点。联合干燥可使各种干燥技术扬长补短，达到高效、低能耗、优质等效果，邢芳等[2]采用真空冷冻-热风组合干燥莲藕脆片，但此种联合干燥技术出现耗能大的缺点。热泵干燥是一种回收干燥废气中的显热和潜热热量，并转化为高温热能加热的装置，其除湿能耗比可达传统热风干燥的10倍，热泵干燥具有耗能低特点，但是干燥后期速度较慢，微波干燥具有加热速度快、干燥效率高、杀菌等优点，但是单独使用微波干燥产品硬度大，品质下降[3]。因此尝试将热泵-微波组合联合干燥莲藕，以期获得理想的莲藕干。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

莲藕（辽阳市首山早市，要求外观品质均一、形态良好、无病虫害）；柠檬酸（辽宁农科院食品与加工所）。

1.2 仪器设备

WRH-100AB型热泵干燥机（正旭新能源设备科技有限公司）；G70F20CN1L-DG（S0）微波炉（广东格兰仕电器制造有限公司）；WR-10手提式色彩色差仪（福光电科技有限公司）；MA45-000230V1自动水分测定仪（北京赛多利斯仪器有限公司）。

1.3 方法

选取新鲜莲藕，清洗后去皮，切成1.5～3.0 mm薄片，放入0.2%柠檬酸和NaCl复合护色液中浸泡30 min，以保持产品色泽。护色后捞出藕片沥干，称取100 g物料平铺于微波炉中干燥一定时间，然后进行热风干燥，每30 min测1次藕片含水量（含水量接近10%时，改为5 min测1次），直至藕片含水量≤8[4]。

1.3.1 微波-热泵连用制取莲藕干单因素试验

1.3.1.1 微波干燥时间对莲藕干燥品质的影响

选取微波干燥功率6.0 W/g，热泵干燥温度45℃，分别考察微波干燥时间20，40，60，80，100和120 s对莲藕干燥品质的影响[5]。

1.3.1.2 微波干燥功率对莲藕干品质的影响

选取微波干燥时间100 s，热泵干燥温度45℃，分别考察微波干燥功率4.0，4.5，5.0，5.5，6.0和6.5 W/g对莲藕干燥品质的影响[6]。

1.3.1.3 热泵干燥温度对莲藕干燥品质的影响

固定微波干燥功率6.0 W/g、微波干燥时间100 s，分别考察热泵干燥温度30，35，40，45，50和55℃对莲藕干燥品质的影响[7]。

1.3.2 微波-热泵联用

依据微波-热泵单因素试验的结果，以微波干燥时间、功率和热泵温度为自变量，以干燥时间、复水比、色泽、硬度等为相应值，进行三因素三水平正交分析试验，优化微波-热泵联用制取莲藕干工艺条件，试验因素及水平设计见表1[8]。

表1 正交试验因素水平

1.3.3 指标测定

1.3.3.1 总干燥时间

总干燥时间即水分≤8所用的干燥时间，计算如式（1）[9]。

1.3.3.2 复水比

复水比值反映产品复水性是否良好，取5片莲藕干称质量，记为W干（g），浸入300 mL常温蒸馏水中，浸泡1 h后取出，用干净纸巾擦干表面水分，称质量，记为W复（g）。平行3次，取平均值[10]。

1.3.3.3 色差ΔE*

式中：L*为明度指数；a*、b*为彩度指数。每组样品测定3次，取平均值[11]。

1.3.3.4 硬度

选取形状、大小接近的莲藕干测定硬度，硬度采用TA-XTplus型质构仪测定，每组重复5次，取平均值[12]。

1.4 数据分析

使用SPSS 18.0软件进行试验设计和数据分析。

2 结果与分析

2.1 微波-热泵联用制取莲藕干单因素试验

2.1.1 微波干燥时间对莲藕干燥品质的影响

2.1.1.1 微波干燥时间对莲藕干复水比的影响

2018年，为了更好地将精准配肥技术推广应用，由玉稼兴合作社牵头，与华南农业大学作物营养与施肥研究室建立了试验站，并与广东东莞一翔液体肥料有限公司在马卜子村建立起乡村小型智能液体配肥站——乡喜精准配肥站，通过引进公司的智能液体自动施肥机，为种植户提供统测、统配、统供、统施的“四统一”精准技术服务。

由图1可知，不同微波干燥时间对莲藕干复水比影响差异显著，随着微波干燥时间延长，莲藕干复水比逐渐提高，微波干燥时间100 s时复水比最大，达到7.4，微波干燥时间再延长，复水比开始下降，分析原因可能微波干燥时间长使得制品纤维结构发生焦糊，复水性随之下降。

图1 微波干燥时间对复水比的影响

2.1.1.2 微波干燥时间对莲藕干色差的影响

由图2可知，微波干燥时间对莲藕干色差影响显著，微波干燥时间100 s时莲藕干色差最大，分析原因可能是随着干燥时间延长，莲藕中酚类物质逐渐氧化褐变现象较明显，微波干燥时间继续延长，色差变化不显著。

图2 微波干燥时间对莲藕干色差的影响

2.1.1.3 微波干燥时间对莲藕干硬度的影响

由图3可知，微波干燥时间对莲藕干硬度影响差异显著，随着微波干燥时间延长，莲藕组织水分不断流失，不断形成中空网络结构，使得制品硬度下降，微波干燥时间超过100 s后硬度开始增高，分析原因可能是组织中胶体结合水开始蒸发，使得制品硬度升高。

2.1.2 微波干燥功率对莲藕干燥品质的影响

由图4可知，微波干燥功率对莲藕干复水比影响显著，随着干燥功率增加，复水比逐渐下降，微波干燥功率6 W/g时复水比有所提高，之后又开始下降。原因可能是由于微波干燥功率6 W/g使得莲藕干内水分内扩散和外扩散达到平衡，产品复水性较好，微波干燥功率继续提高，使得制品发生焦糊，因此复水性下降。

图3 微波干燥时间对莲藕干硬度的影响

图4 微波干燥功率对复水比的影响

2.1.2.2 微波干燥功率对色差的影响

由图5可知微波干燥功率对莲藕干色差影响显著，随着干燥功率提高色差逐渐增大，微波干燥功率6 W/g时，色差反而下降，微波功率继续升高，色差又开始升高。原因可能是微波功率较小时，干燥时间长，莲藕褐变严重，微波功率6 W/g时温度较高，破坏莲藕中多酚氧化酶，使得色差变小，微波功率继续升高，使得莲藕干组织发生焦糊，色差变大。

图5 微波干燥功率对色差的影响

2.1.2.3 微波干燥功率对硬度的影响

由图6可知微波干燥功率对莲藕干硬度影响显著，随着微波干燥功率提高莲藕干硬度逐渐下降，原因可能是莲藕干燥过程使得组织中水分蒸发，留下疏松的组织结构使得制品硬度下降。

图6 微波干燥功率对硬度的影响

2.1.3 热泵干燥温度对莲藕干燥品质的影响

2.1.3.1 热泵干燥温度对莲藕复水比的影响

由图7可知，热泵干燥温度对莲藕干复水比影响差异显著，热泵干燥温度40℃时，莲藕干复水比最好，原因可能是随着热泵温度提高，莲藕内水分逐渐蒸发，形成疏松的组织结构，复水性较好，温度再升高会使莲藕内果胶物质流失组织结构变得致密，复水性降低。

图7 热泵干燥温度对莲藕复水比的影响

2.1.3.2 热泵干燥温度对莲藕色差的影响

由图8可知，热泵干燥温度对莲藕干色差影响显著，热泵温度低于40℃，莲藕干色差变化不大，热泵干燥温度升到45℃时色差最大，之后开始下降。原因可能是45℃时莲藕内酶促褐变、非酶褐变反应较为迅速，使得莲藕干色差最大。

图8 热泵干燥温度对莲藕色差的影响

2.1.3.3 热泵干燥温度对莲藕硬度的影响

由图9可知，热泵干燥温度对莲藕干硬度影响差异显著，40～50℃时莲藕干硬度较大，之后开始下降，原因可能是由于在此温度下莲藕干内水分蒸发较为迅速，以及莲藕内胶体物质流失较多，使得疏松的莲藕组织结构塌陷，组织变得致密，硬度提高。

2.2 正交试验结果

在单因素试验基础上，进行L9(34)正交试验，结果见表2。结果表明，各因素对莲藕干复水比的影响大小顺序是微波干燥时间＞微波干燥功率＞热泵干燥温度，最优水平组合是B2A2C1。

各因素对莲藕干燥色差影响大小顺序是微波干燥功率＞微波干燥时间＞热泵干燥温度，最优水平组合是A3B3C3。

各因素对莲藕干燥硬度影响大小顺序是微波干燥时间＞微波干燥功率＞热泵干燥温度，最优水平组合是B3A1C1。

表2 正交试验结果

为分析试验过程和结果测定中必然存在的误差，对硬度指标进行方差分析，结果见表3。结果表明，微波干燥功率、微波干燥时间、热泵干燥温度对硬度影响均为显著。因此可以确定莲藕最佳干燥条件为B3A1C1，即微波干燥功率5.5 W/g、微波干燥时间120 s、热泵干燥温度40℃。

表3 硬度方差分析表

2.3 最优干燥条件验证

选择正交试验得到的最优组合条件进行试验，设置微波干燥功率5.5 W/g、微波干燥时间120 s、热泵干燥温度40℃，待干燥结束后测定莲藕干复水比5.8、色差18.15、硬度8 750，证明最优组合对莲藕干燥品质较好。

3 结论

探究微波-热泵联用干燥莲藕的生产工艺，通过单因素试验及正交试验对微波干燥功率、时间及热泵干燥温度对莲藕干复水比、色差及硬度影响的分析，得到制取莲藕干最佳工艺条件为：微波干燥功率5.5 W/g、微波干燥时间120 s、热泵干燥温度40℃。在此条件下得到的莲藕的品质为：复水比5.8、色差18.15、硬度8 750。验证试验证明该工艺具有可靠性，可用于生产预测，对今后莲藕干燥制品生产具有重要意义。