響應面法優化番木瓜變溫壓差膨化干燥工藝

高 鶴，易建勇，劉 璇，畢金峰,*，鄧放明，吳昕燁

（1.中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工重點實驗室，北京 100193；2.湖南農業大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128）

響應面法優化番木瓜變溫壓差膨化干燥工藝

高 鶴1,2，易建勇1，劉 璇1，畢金峰1,*，鄧放明2，吳昕燁1

（1.中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工重點實驗室，北京 100193；2.湖南農業大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128）

優化對番木瓜變溫壓差膨化干燥工藝，基于響應面的中心組合設計方法，分析預干燥時間、膨化溫度、抽空時間3 個因素對番木瓜膨化產品含水率、硬度、脆度、色澤和復水比5 個指標的影響。采用因子分析法確定5 個指標的權重，通過綜合評分得到番木瓜變溫壓差膨化干燥的最佳工藝參數范圍。結果表明：預干燥時間、膨化溫度、抽空時間三因素對產品的含水率、硬度、脆度、色澤和復水比均有顯著影響（P＜0.05），且三因素交互作用對產品品質影響顯著；番木瓜變溫壓差膨化最優干燥參數為：預干燥時間4.96～6.00 h、膨化溫度80.00～97.23 ℃、抽空時間2.02～3.00 h。

響應面法；番木瓜；變溫壓差膨化干燥

番木瓜（Carica papaya Linn.）俗稱木瓜、滿山柚、萬壽果、樹冬瓜，屬于番木瓜科番木瓜屬，原產于墨西哥南部和中美洲地區，在中國的廣東、海南、廣西等多省均有栽培。番木瓜含有木瓜蛋白酶、萜類化合物、糖分、黃酮類、色素、生物堿等多種成分，具有抗癌、抗菌、抗腫瘤、保肝、免疫調節、美容等功效[1-3]。但番木瓜屬于呼吸躍變型果實，采后在氣候、病蟲害等因素的作用下，容易軟化后熟、發病腐爛，失去商品價值和食用價值[4-6]。

干燥是一種傳統的食品保藏方法，通過去除物料中的水分，延長產品的貨架期，減少運輸成本[7]。目前國內番木瓜干燥加工技術較為單一，其中以傳統的日曬和熱風干燥為主，但這種方法生產的產品存在著口感較差、干燥時間長等問題。如Lemus-Mondaca[8]和Nimmanpipug[9]等研究滲透脫水預處理對番木瓜熱風干燥后的品質影響。加強對番木瓜干燥加工技術的研究，有助于延長番木瓜產業鏈、提高產品附加值、增加果農收入。

變溫壓差膨化干燥是一種新型、節能、環保的干燥技術，可以有效地克服油炸果蔬脆片含油量高、風味差以及難貯藏等問題[10-12]。該技術通過在高溫環境中對物料進行加熱，不斷給物料內部水分子提供能量，再對膨化罐瞬間抽真空使得物料內的水分迅速遷移，并帶動周圍的大分子物質引起結構變化，從而使得物料內部形成多孔、疏松的結構[10,13-14]。同時，高溫真空的環境也有助于對物料中微生物的控制[10]。利用變溫壓差膨化干燥生產的產品具有營養價值高、口感酥脆、貯藏性好等特點，且已被證實多種果蔬可應用變溫壓差膨化干燥技術進行生產，如哈密瓜[10]、棗[11]、蘋果[12]、芒果[13]、香蕉[14]、菠蘿[15]、胡蘿卜[16]、桃[17]、甘薯[18-19]等。而以番木瓜為原料進行變溫壓差膨化干燥的研究還未見報道。本實驗就番木瓜變溫壓差膨化干燥選擇預干燥時間、膨化溫度、抽空時間為影響因素，以含水率、硬度、脆度、總色差值和復水比為目標值進行響應面的中心組合試驗，并根據試驗數據建立了5 個指標的多元二次項回歸模型，進而得到番木瓜變溫壓差膨化干燥的最佳工藝參數。

1 材料與方法

1.1 材料

番木瓜（海南三亞大白），購于北京市上地小營果品批發市場。選擇大小、形狀相近的果實，質量約為1 kg，七八成熟，沒有損傷，表皮顏色開始由綠變黃的硬熟的果實。

1.2 儀器與設備

FA-200切片機 廣東省南海市德豐電熱設備廠；DHG-9203電熱恒溫干燥箱 上海一恒科技有限公司；QDPH10-1變溫壓差膨化干燥設備 天津市勤德新材料科技有限公司；Ta.XT2i/50物性分析儀 英國SMS公司；FW100萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；D25LT色彩色差儀 美國HunterLab公司；AUW220電子天平 日本Shimadzu公司。

1.3 方法

1.3.1 含水率的測定

直接干燥法[20]，將物料放入105 ℃熱風干燥箱中烘至恒質量。實驗中含水率為物料的干基含水率。

1.3.2 硬度和脆度的測定

用TA-XT2i/50型物性測定儀測定，選取形狀、大小相近的番木瓜脆片進行質構測定。從袋中迅速取出樣品后，用物性測定儀做削切實驗，重復10 次，最后取平均值[21]。其中，硬度用Force 2的數值表示，單位是g；脆度用測試產生峰數的多少來表示，單位為個[15]。Force 2數值在一定范圍內呈正相關增長，峰數越多，則產品的酥脆度越好，反之則產品的酥脆度越差。

1.3.3 色澤的測定

采用色彩色差儀測定番木瓜的色澤，本實驗用ΔE代表被測物體的色澤（L、a、b）與鮮樣的（L*、a*、b*）的色差值[21]。ΔE按公式（1）計算：

式中：L、a、b和L*、a*、b*分別代表樣品和鮮樣的明度值、紅綠值、黃藍值；ΔE為總色差值。

1.3.4 復水比的測定

取干燥后樣品5 g，復水容器為300 mL燒杯，用水量20 倍，即100 mL，使試樣浸漬其中，在室溫條件下浸漬30 min后撈出試樣置竹篩上，自然瀝干5 min，稱質量[9]。復水比（rehydration ratio，RR）按公式（2）計算，每組實驗3 次平行，結果取平均值。

式中：RR為復水比/（g/g）；m0為復水前樣品的質量/g；m1為復水后樣品的質量/g。

1.3.5 優化試驗

1.3.5.1 工藝流程

番木瓜去皮去籽→切分→熱風預干燥→變溫壓差膨化干燥→分級→包裝→產品

具體操作為：首先將鮮樣去皮、去籽，切分為8 mm的片狀，然后將樣品放到熱風干燥箱中進行預干燥，溫度為70 ℃。將預干燥后的樣品放入膨化罐中進行膨化干燥，停滯時間10 min，抽真空溫度70 ℃，膨化罐真空度0.1 MPa。預干燥時間、膨化溫度以及抽空溫度參照表1。抽空結束后，關閉真空閥，用冷卻水將罐體迅速冷卻值室溫，維持5 min，取出膨化產品，并測定含水率、硬度、脆度、色澤和復水比。

1.3.5.2 優化試驗設計

在前期單因素試驗中，選擇預干燥時間（3、4、5、6、7 h）、膨化溫度（70、80、90、10、110 ℃）、抽空溫度（50、60、70、80、90 ℃）和抽空時間（0、1、2、3、4 h）進行四因素五水平試驗，得出各因素最優的參數為預干燥時間5 h、膨化溫度90 ℃、抽空溫度70 ℃、抽空時間2 h。根據單因素試驗結果，采用響應面的中心組合設計方法，選擇預干燥時間、膨化溫度、抽空時間3 個因素，研究其對產品含水率、硬度、脆度、色澤、復水比的影響。因素水平編碼見表1。

表1 中心組合試驗設計的因素和水平Table 1 Factors and levels used in central composite design of response surface methodology

1.4 統計分析

采用Design Expert 8.0、SPSS 19.0軟件進行數據分析處理。

2 結果與分析

2.1 響應面中心組合試驗

根據響應面的中心組合試驗設計方法，選擇預干燥時間X1、膨化溫度X2和抽空時間X3三因素，進行番木瓜變溫壓膨化干燥優化試驗，其試驗結果見表2。

表2 中心組合試驗設計及結果Table 2 Results of central composite design of response surface methodology

2.2 方程建立及變量分析

采用Design Expert 8.0軟件對實驗數據進行分析，可得到各個因素對產品含水率、硬度、脆度、總色差值以及復水比之間的多元二次方程（1）～（5），方程回歸系數及變量分析見表3。

表3 回歸系數及顯著性分析Table 3 Significance analysis of regression coefficients

除了產品的含水率和復水比的決定系數R2小于0.9，其余的R2大于0.9，表明其應變量與全體自變量之間的多元回歸關系顯著，即表明改回歸方程對試驗的擬和情況較好。抽空時間除對色澤無顯著性影響外，對其他4 個指標均有顯著性影響，預干燥時間與膨化溫度除了對色澤、復水比無顯著性影響外，對其他3 個指標均有顯著性影響。類似研究結果也出現在畢金峰等[10]研究哈密瓜變溫壓差膨化干燥工藝優化的過程中，并發現預干燥后含水率、膨化溫度以及抽空時間對膨化產品的脆度均有極顯著影響。

2.3 交互作用分析

從表3可知，三因素之間對產品含水率均有顯著影響，膨化溫度和抽空時間的交互作用對硬度影響極顯著，預干燥時間和膨化溫度的交互作用以及膨化溫度和抽空時間的交互作用對脆度影響極顯著，預干燥時間和膨化溫度的交互作用對色澤影響顯著。此處，只對有極顯著交互作用的情況進行分析，其他交互作用暫不予討論。

固定X1為0水平，觀察X2和X3的交互作用對產品Y2的影響，得到交互效應方差（6）。依次固定X3和X1為0水平，分別觀察X1和X2、X2和X3的交互作用對產品Y3的影響，得到交互效應方差（7）、（8）。

根據以上交互作用方程作響應面圖如圖1。

圖1 三因素對番木瓜脆片品質的影響Fig.1 Effects of three factors on texture properties of explosion puffed products

由圖1a可知，當預干燥時間一定，膨化溫度為90 ℃以下一個固定值，番木瓜脆片的硬度隨著抽空時間的延長先快速上升；膨化溫度為90 ℃以上一個固定值，番木瓜脆片的硬度隨著抽空時間的延長十分緩慢的上升；抽空時間為2 h以下一個固定值，番木瓜脆片的硬度隨著膨化溫度的升高快速上升；抽空時間為2 h以上一個固定值，番木瓜脆片的硬度隨著膨化溫度升高緩慢減少后上升。原因可能是物料隨著膨化溫度的升高以及抽空時間的延長，增加了干燥過程中熱量的傳遞，使得物料受到更多的熱能加劇了硬化。從圖1b可以看出，當抽空時間一定時，番木瓜脆片的脆度隨著預干燥時間的延長、膨化溫度的升高呈先增加后緩慢減小的趨勢，并在預干燥時間4～6 h、膨化溫度75～105 ℃范圍內出現極值。從圖1c可以看出，當預干燥時間一定時，產品的脆度隨著膨化溫度的升高、抽空時間的延長呈先增加后減小的趨勢，并在膨化溫度75～105 ℃、抽空時間1.5～3 h范圍內出現極值。

2.4 番木瓜熱風-變溫壓差膨化干燥最佳工藝的確定

通過對結果分析可知，在試驗設定的因素水平范圍內，隨著預干燥時間的延長，膨化產品的含水率總體呈下降的趨勢，硬度和復水比則逐漸增大，脆度先增大后減小，色澤先減小后增大。隨著膨化溫度的升高，含水率呈下降趨勢，硬度和復水比呈上升的態勢，脆度先增大后減小，色澤呈先減小后增加的趨勢。隨著抽空時間的增加含水率基本呈下降趨勢，硬度和復水比逐漸增大，脆度先增大后減小，色澤呈先減小后增加的趨勢。由此可見，每個輸入變量對產品評價指標影響的先后順序、顯著性以及交互作用也各不相同，因此利用相關性分析對三因素進行分析。

2.4.1 相關性分析

采用SPSS 19.0軟件對數據進行分析處理，結果見表4。

表4 評價指標間的相關系數Table 4 Correlation coefficients among evaluation indexes

由表4可以看出，產品評價指標間存在一定相關關系，產品的含水率與硬度、脆度、復水比呈負相關，和色澤呈正相關；產品的硬度與脆度、色澤、復水比呈正相關；產品的脆度與色澤呈負相關，與復水比呈正相關；產品的色澤與復水比呈負相關。

2.4.2 因子分析

基于因子分析原理和相關性分析的結果[11]，對響應值進行降維處理，得到目標參數的因子載荷矩陣，并求出相關系數矩陣的特征值、特征貢獻率和特征累積貢獻率，結果見表5。

表5 目標參數相關矩陣的特征值及其累積貢獻率Table 5 Eigenvalues and cumulative contribution rate of correlated matrix

表6 方差極大正交旋轉因子載荷矩陣Table 6 Rotated factor loading matrix

由表5可知，在取2 個公因子時，其方差累積貢獻率已達到88.522%。因此，選取2 個公因子構建因子載荷矩陣，并用方差極大正交旋轉法得到的因子載荷矩陣，結果見表6。

由表6可知，公因子f1對番木瓜脆片的含水率、硬度、復水比起支配作用，而這些指標反應了產品的綜合質地，因此可稱f1為綜合質地因子；公因子f2對產品的脆度、色澤起支配作用，因此可稱f2為脆度、色澤因子。

從商品的角度出發，番木瓜膨化產品的評價指標應優先考慮產品的色澤（ΔE盡可能小一些），其次考慮酥脆度（硬度盡可能在一定范圍內大一些），最后考慮含水率（干基含水率在8%以下）和復水比（盡可能大一些）。鑒于上述分析及實驗數據，分別將公因子f1和公因子f2，賦予權重0.65、0.35。并將樣本因子得分與所賦權重加權求和即得到各樣本得綜合評分見表7。

表7 樣本因子得分與綜合評價Table 7 Component score coefficient matrix and comprehensive evaluation value of samples

2.4.3 回歸模型分析

以綜合評分為目標值，用響應面法，得到對綜合評分的回歸方程如下：

由回歸方程（9）可以看出，預干燥時間（X1）和抽空時間（X3）是影響產品綜合評分的最主要因素，并且可以看出其一次項均為正效應，二次項皆為負效應；而膨化溫度（X2）其一次項、二次項皆為負效應。這說明預干燥時間（X1）和抽空時間（X3）對產品得綜合評分的影響會因其取值高低而不同。

2.4.4 工藝優化

基于對產品品質的綜合考慮，當綜合評分大于0.8時，產品的色澤、硬度、脆度、含水率、復水比品質比較理想。因此，選擇綜合評分大于0.8，并應用頻數分析法，通過計算機模擬，得到各因素最優工藝范圍。結果見表8。

表8 應用頻數分析法對工藝參數的優化結果Table 8 Optimization results based on frequency analysis

通過對結果分析可知，番木瓜變溫壓差膨化干燥的工藝優化結果為預干燥時間4.96～6.00 h，膨化溫度80.00～97.23 ℃，抽空時間2.02～3.00 h，綜合評分由得可能性高于0.8。經過實驗重復驗證，在預干燥時間5.2 h、膨化溫度90.2 ℃，抽空時間2.1 h的條件下進行番木瓜變溫壓差膨化干燥，得到產品含水率為5.89%，色澤ΔE值為13.15，硬度為3 438.90 g，脆度為39，復水比為4.12。在溫度70 ℃條件下，進行熱風干燥8.5 h后，得到產品含水率為9.2%，色澤ΔE值為11.56，硬度為4 752.00 g，脆度為37，復水比為3.81。通過比較變溫壓差膨化干燥相比熱風干燥，發現前者比后者所需的干燥時間縮短了14.12%，總色差值增加了1.59，擁有更好的酥脆度，復水性更好。因此，在優化參數的范圍內，變溫壓差膨化干燥可以得到綜合品質良好的番木瓜干燥產品。

3 結 論

研究預干燥時間、膨化溫度、抽空時間對番木瓜膨化產品含水量、硬度、脆度、ΔE值和復水比的影響，采用中心組合試驗設計優化番木瓜干燥工藝，結果表明，大多回歸模型得決定系數均較高，依據回歸分析法建立的統計模型，可用于膨化過程的控制和膨化結果的預測。

通過Design Expert 8.0軟件對數據進行處理分析建立5 個指標的二次多項式模型。根據各指標間的關系，對其進行因子分析，并從產品的品質出發賦予其權重，最終得到綜合評分，并建立模型回歸方程。

番木瓜熱風-變溫壓差膨化干燥的最優工藝參數范圍是：預干燥時間4.96～6.00 h、膨化溫度80.00～97.23℃、抽空時間2.02～3.00 h。

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Optimization of Explosion Puffing Drying Process for Papaya at Variable Temperatures and Pressure Difference

GAO He1,2, YI Jian-yong1, LIU Xuan1, BI Jin-feng1,*, DENG Fang-ming2, WU Xin-ye1
(1. Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-Products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; 2. College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

The explosion puffi ng drying of papaya was optimized by central composite design coupled with response surface methodology. The effect of pre-drying time, puffi ng temperature and vacuum drying time on fi ve product quality parameters including moisture content, hardness, crispness, color and rehydration ratio were examined. In the final experiment, the suitable parameters were obtained by comprehensive scores through factorial analysis of these five quality parameters. The results indicated that pre-drying time, puffi ng temperature and vacuum drying time had a great impact on the moisture content, hardness, friability, color and rehydration rate of dehydrated products, and the infl uence of interactions among three factors on the quality of dried papaya was signifi cant (P < 0.05). The best drying conditions were determined as follows: predrying time, 4.96-6.00 h; puffi ng temperature, 80.00-97.23 ℃; and vacuum drying time, 2.02-3.00 h.

response surface methodology; papaya; explosion puffi ng drying at variable temperatures and pressure difference

TS255.36

A

1002-6630（2014）24-0051-06

10.7506/spkx1002-6630-201424010

2014-03-25

公益性行業（農業）科研專項（201303077）；新疆生產建設兵團科技支疆計劃項目（2013AB020）

高鶴（1990—），男，碩士研究生，研究方向為果蔬加工。E-mail：mustgh@sina.cn

*通信作者：畢金峰（1970—），男，研究員，博士，研究方向為果蔬精深加工與綜合利用技術。E-mail：bijinfeng2010@163.com