响应面法优化慈姑脆片微波加工工艺

唐小闲,罗艳昕,任爱清,*,段振华,蒙丽雅,韦珍珍

(1.贺州学院食品与生物工程学院,广西贺州 542899;2.贺州学院广西果蔬保鲜和深加工研究人才小高地,广西贺州 542899;3.贺州学院食品科学与工程技术研究院,广西贺州 542899)

慈姑(SagittariasagittifoliaL.)又称慈菇、白地栗,为泽泻科多年生水生宿根草本植物,水生蔬菜,我国有广泛分布和栽培,资源十分丰富[1],长江流域及其以南各省已成为我国慈姑的主要种植地,其中广西是主要产地之一。近年来,广西慈姑种植面积达5333公顷,年总产量约12万吨,直接经济效益达60000万元。慈姑具有药理学价值,药食两用等功能[2],慈姑的多糖有较强的抗氧化能力[3],其秋水仙碱具有良好的抗炎作用[4]。慈姑含有秋水仙碱物质而产生特殊的苦味,以致慈姑菜食越来越不易被人们接受,近年来出现了销量、售价均有下滑趋势,严重制约了慈姑产业的发展。

近五年,国内外对慈姑的研究多集中在种植栽培[5-6]、慈姑淀粉特性[7-8]、多糖提取工艺[3]、慈姑采后贮藏保鲜[9]、挥发性风味成分分析[10],而关于慈姑干燥研究,刘春菊等[1]研究热风干燥、微波干燥、热风联合微波干燥等方式对慈姑挥发性风味化合物的影响,陈梦等[11]开展了慈姑粉的喷雾干燥工艺优化研究。目前慈姑干燥大多数企业仍采用传统方法,如普通晾晒、蒸制、水煮、恒温烘干等,这些方法仅适用于小作坊及家庭制作加工,对于工业化生产远远达不到要求。而将微波技术应用于即食慈姑脆片加工的研究,尚未见报道。微波是指波长范围为1 mm～1 m,频率范围为300 MHz～300 GHz,具有穿透性的电磁波[12]。微波因为具有独特的加热特点和干燥机理,所以已被应用在食品的干燥、烘烤、膨化,解冻等[13-14]方面,为食品的开发与加工提供了一条新的途径,应用前景十分广阔。

本文以慈姑为研究对象,采用微波加工技术,单因素试验以慈姑片装载量、厚度、微波功率为主要因素,考察其对慈姑脆片的脆度、硬度及b*值指标的影响;在单因素实验基础上,采用响应面优化法对慈姑脆片微波加工工艺条件进一步优化,建立慈姑脆片脆度的非线性数学回归模型,分析各因素相互之间对慈姑脆片其主要指标脆度的影响规律,确定最佳工艺参数,旨在为慈姑产业的发展提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜慈姑 贺州市某农贸市场,个体完整均匀、表皮无黑斑的慈姑;食用白砂糖、食用盐、食用味精 市售。

G70D20CN1P-D2(SO)型微波炉 广东格兰仕微波生活电器制造有限公司;CR-10色差仪 日本柯尼卡美能达色彩色差计;MX-50型水分测定仪 日本AND公司;C21-SDHCB15型电磁炉 浙江绍兴苏泊尔生活电器有限公司;TA.XT plus物性测定仪 英国stable micro systems公司;WFO-520W送风定温干燥箱 日本EYELA公司;WRH-100AB 型环闭除湿热泵干燥机 正旭新能源设备科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 慈姑脆片加工工艺流程 新鲜慈姑→清洗→去皮→切片→调味→沥干→微波脆化→装袋→成品

1.2.2 慈姑脆片前处理 挑选新鲜慈姑,清洗表面的泥沙、杂质,去皮,切成一定厚度的慈姑片备用。以慈姑片装载量50 g,100 mL热水为基准。按白砂糖45.0%、食用味精2.5%、食用盐4.5%与70 ℃热水的比例进行调配调味液,加入一定量慈姑片进行调味,2 h后取出,沥干,备用。

1.2.3 单因素实验 将前处理慈姑装盘,放入微波炉内进行干燥,考察装载量、切片厚度、微波功率对慈姑脆片品质的影响。微波结束时间以慈姑脆片干基含水率降为6%左右为准。

1.2.3.1 装载量对慈姑脆片品质的影响 在切片厚度3.0 mm、微波功率350 W条件下,考察装载量30、40、50、60、70 g对慈姑脆片脆度、硬度及b*值的影响。

1)不同压头的压缩曲线有明显的差异，不同压头对圣女果屈服极限、破坏极限与变形量变化都有影响。平板压缩破坏极限值明显大于P6压缩的，平板压头压缩曲线中不会出现屈服极限点，P6压头压缩的曲线中会出现明显屈服极限点。

1.2.3.2 切片厚度对慈姑脆片品质的影响 在装载量50 g、微波功率350 W条件下,考察切片厚度1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mm对慈姑脆片脆度、硬度及b*值的影响。

1.2.3.3 微波功率对慈姑脆片品质的影响 在装载量50 g、切片厚度3.0 mm条件下,考察微波功率210、280、350、420、490 W对慈姑脆片脆度、硬度及b*值的影响。

1.2.4 响应面优化试验设计 在单因素实验结果的基础上,根据Box-Benhnken中心组合试验设计原理,选取慈姑片装载量(A)、切片厚度(B)、微波功率(C)为自变量,硬度与脆度值较为接近,以慈姑脆片的脆度(Y)作为试验设计的响应值,响应面试验设计的因素及水平如表1所示:

表1 响应面试验设计的因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experimental

1.2.5 慈姑脆片中水分的测定方法 通过使用MX-50型快速水分测定仪测定慈姑片的含水量,得到慈姑片平均初始含水量和干燥后含水量。

1.2.6 慈姑脆片色泽测定的方法 本实验主要考查慈姑脆片样品色泽的黄色深浅度。参照文献[15]的方法,采用CR-10色差仪对慈姑脆片样品的色泽进行测定,测定结果用b*表示。b*数值的大小表示样品的黄蓝程度,其负值越大蓝色越浅,正值越小表示黄色越浅。

1.2.7 慈姑脆片酥脆性的测定方法 采用TA.XT Plus物性测定仪对慈姑脆片样品进行硬度和脆度 的测定,设置下压距离7 mm,测前速率1.00 mm/s,测试速率2.00 mm/s,测后返回速率10.00 mm/s。将慈姑脆片放置在指定位置进行测定,每组样品测试5次,取其平均值。

在测试的过程中,样品的硬度以坐标图上最大压力峰值表示,脆度以出现在下压探头第一次冲向样品过程中坐标图上的第一个明显压力峰值表示[16]脆度,峰值越小表明脆性越好,品质越佳[17-19]。

1.2.8 对比干燥方法试验 通过微波干燥、恒温干燥、热风联合微波干燥和热泵干燥方式对样品进行处理,并分别测定这四种干燥方式的慈姑脆片的色泽b*和脆度,比较脆片的主要特性。

1.2.8.2 热风联合微波干燥法 参照文献[1]的方法,对慈姑片进行热风联合微波干燥,干燥结束时间以慈姑脆片干基含水率降为6%左右为准。

1.2.8.3 热泵干燥法 在恒定风速、湿度为25%,干燥温度为65 ℃,慈姑片密度为0.36 g/cm2条件下进行干燥,干燥结束时间以慈姑脆片干基含水率降为6%左右为准。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2013进行处理,用Origin 7.5简体中文版软件进行图表绘制,用Design-Expert-8.0.6软件对试验数据进行线性回归拟合分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果分析

2.1.1 装载量对慈姑脆片品质的影响 由图1可知,微波干燥慈姑片时,在慈姑片装载量30～50 g,随着装载量的增加其b*值逐渐下降,慈姑片色泽慢慢变淡黄,而脆度从1510 g增加至1630 g,硬度和酥脆度越来越好;当装载量达到50 g时,其b*值最小,为32.4,硬度和脆度达到了最大值1630 g,此时脆片色泽接近慈姑原有的颜色,浅黄明亮,硬度和酥脆度口感较佳;当装载量超过50 g时,其b*值趋于上升,硬度、脆度反而下降,脆片发黄,缺乏酥脆感。原因是装载量增加,物料能吸收到的平均微波量减小,达到安全含水率6%所需干燥时间延长,从而造成脆片局部温度过高,脆片产生局部发焦现象,慈姑脆片色泽偏黄色[21],而色泽是评价果蔬干燥产品品质的重要指标之一,且从实际生产上来看,慈姑脆片的硬度过高和过低都会影响其口感,酥脆性也差。综合脆片的b*值、硬度和脆度三项指标,故选择装载量45、50、55 g进行响应面优化试验为宜。

图1 装载量对慈姑脆片品质的影响Fig.1 Effect of loading on quality of arrowhead chips

2.1.2 切片厚度对慈姑脆片品质的影响 由图2可知,微波干燥慈姑片时,脆片的硬度、脆度都随着切片厚度的增加而增大,而其b*值在31.3～32.9范围波动,脆片的色泽变化较不明显,呈淡黄色,有光泽,在切片厚度为2.0 mm时,b*值最小,为+31.3,脆片的硬度1587.096 g,脆度1515.718 g,此时脆片色泽、酥脆性较好。切片厚度为1.0 mm时,厚度过薄,在护色、调味过程中容易破碎,影响脆片整体外观。在切片厚度为5.0 mm时,但脆片的硬度与脆度达到最高值,分别为6000.471、4633.271 g。原因是随着切片厚度的持续增大,物料内部的水分向外表面迁移的阻碍会增大,而物料内部主要靠热传导来升温,物料厚,升温速度慢,膨化不够充分,导致脆片口感变硬且缺乏酥脆性[22]。慈姑脆片脆度值越小,脆片脆性程度越好,慈姑脆片的品质越优。综合以上考虑,选择切片厚度在1.5、2.0、2.5 mm进行响应面优化试验为宜。

2.1.3 微波功率对慈姑脆片品质的影响 由图3可知,微波干燥慈姑片时,慈姑脆片的硬度值和脆度值随着微波功率的增大呈先上升后下降的趋势,在微波功率为350 W时,其硬度值和脆度值最大。b*值随着微波功率增大呈现先增大后减小的趋势,在微波功率210 W时b*值最小,+28.1。在较低功率下的慈姑脆片色泽均匀,呈淡黄色;但在微波功率较高时,慈姑脆片色泽不均匀,中心呈焦黄色,有轻微的焦糊味,品质差。原因是微波功率越大,样品的失水速率越快,脆片的内部水分分布不均匀,会导致样品局部出现焦糊现象,从而影响脆片品质[21]。综合以上三项指标,选择微波功率210、280、350 W进行响应面优化试验为宜。

图3 微波功率对慈姑脆片品质的影响Fig.3 Effect of microwave power on quality of arrowhead chips

2.2 响应面优化试验结果分析

在装载量、切片厚度、微波功率这三个单因素试验中,色泽b*指标变化不明显,而硬度与脆度较为接近,因此,在响应面试验选择脆度作为主要考察指标。根据Box-Benhnken原理设计出三因素三水平的17个试验组进行响应面优化分析试验,响应面试验设计与结果见表2。

用Design-Expert-8.0.6软件对响应面优化试验结果(表2)进行多元回归拟合,最终得到关于装载量、切片厚度、微波功率对慈姑脆片脆度的二次多项式回归模型,并对模型进行方差分析。对各因素进行二次多项式回归拟合后,得到二次多项式回归方程:

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Design and results of response surface test

由表3的回归方程系数显著性检验可知,慈姑脆片的脆度与自变量之间的回归关系达极显著水平(P<0.01),失拟项P=0.6959不显著,模型中的B、C、AC、B2、C2对响应值影响极显著(P<0.01),A、A2对响应值的影响显著(P<0.05),AB、BC对响应值的影响不显著(P>0.05)。从表3可知,3个试验因素(装载量(A)、切片厚度(B)、微波功率(C))对慈姑脆片脆度的影响主次关系顺序为:C>B>A,3个因素之间相互影响的主次关系顺序为:AC>AB>BC。

表3 回归方程方差分析表Table 3 Variance analysis table of regression equation

装载量、切片厚度、微波功率3个因素在反应过程中的相互作用见图4～图6)。如果响应曲面的曲线走势越陡,则表明两个因素相互作用影响越显著,如果响应曲面的曲线走势越平滑,则表明两个因素的相互作用影响较小[23-24];等高线为椭圆形表示两因素交互作用显著,而圆形则说明交互作用不显著[25]。

由图4可知,随着切片厚度和装载量的增加,慈姑脆片的脆度呈现先降低后上升的趋势,在切片厚度不大于2.5 mm装载量小于52.5 g时,脆度值低于1600 g,所以控制好切片厚度和装载量,不宜过厚和过重,否则会增加产品的脆度值。

图4 切片厚度与装载量的响应曲面及等高线Fig.4 Response surface and contour line of loading and slice thickness

由图5可知,微波功率逐渐降低,装载量增加的过程中,慈姑脆片的脆度值是呈现先低水平后上升的趋势,尤其装载量的增加对产品的脆度影响较大,当微波功率在210～350 W,装载量在50 g以下时,产品脆度值在较低范围内。

图5 微波功率和装载量的响应曲面及等高线Fig.5 Response surface and contour line of loading and microwave power

由图6可知,随着微波功率的降低和切片厚度的增加,产品的脆度值也是先呈现先低水平后上升的趋势,从响应曲面图中可以看出,切片厚度对产品的脆度值影响最大,当微波功率在不大于280 W,切片厚度不大于2.4 mm时,慈姑脆片的脆度值在较低范围内。

图6 切片厚度和微波功率的响应曲面及等高线Fig.6 Response surface and contour line of slice thickness and microwave power

通过Design-Expert-8.0.6软件对试验数据进行分析,试验优化目标为选出即食慈姑脆片微波加工的最优工艺,得出以下结论:装载量51.425 g,切片厚度2.3895 mm,微波功率210.7 W,该方案模型预测的慈姑脆片脆度值为1896.17 g。根据实际情况进行修正后为:装载量52 g,切片厚度2.4 mm,微波功率210 W,在此条件下进行验证试验得慈姑脆片脆度为1873.47 g,与预测的脆度值相差仅为1.2%。由此表明,采用响应面优化分析法得到的即食慈姑脆片微波加工工艺的参数具有可行性。

2.3 不同干燥方式的对比

在慈姑片前处理相同条件下,通过微波干燥、恒温干燥、热风联合微波干燥和热泵干燥方式对样品进行处理,这四种干燥方式的慈姑脆片主要特性见表4。

表4 不同干燥处理的慈姑脆片主要特性Table 4 Main characteristics of Sagittaria crisptablets with different drying treatments

由表4可知,四种干燥方式加工慈姑脆片色泽比较,热泵干燥的脆片b*值最大(38.57),样品偏黄,色泽较深,而热风联合微波干燥和微波干燥的脆片b*值分别为30.02和30.06,色差没有明显差别,均为淡黄明亮,色泽均匀;四种干燥方式加工的慈姑脆片脆度值大小顺序为:恒温干燥(2799.32 g)>热泵干燥(2444.54 g)>热风联合微波干燥(2079.81 g)>微波干燥(1897.13 g),脆度值在一定的范围里,慈姑脆片脆度值越小,脆片酥脆程度越好,原因是恒温干燥和热泵干燥的脆片水分迁移慢,干燥时间长,影响脆片的色泽,增加其硬度;微波干燥由内向外的独特加热方式[26],水分蒸发快,时间短,样品脆化效果好色泽保持最好。综合四种干燥方式,微波干燥方式加工慈姑脆片主要特性比较优良。

3 结论

以慈姑片为原料,采用微波加工技术,在单因素试验的基础上,结合回归模型的数学分析,通过响应曲面分析法优化即食慈姑脆片中脆度的微波加工工艺,得到满足慈姑脆片脆度的最佳微波加工工艺参数:装载量52 g、切片厚度2.4 mm、微波功率210 W。通过重复试验对其进行验证得到慈姑脆片脆度为1873.47 g,与预期值的慈姑脆片脆度1896.17 g仅相差为1.2%,表明该数学模型具有较高的可靠性,可用于即食慈姑脆片微波加工实际生产。