冬瓜熱風(fēng)干燥工藝優(yōu)化*

李瑜，李娜，李曉利

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450002)

冬瓜是葫蘆科一年生蔓性草本植物，原產(chǎn)于我國南部和印度，是盛夏主要蔬菜之一。冬瓜富含VC、煙酸、胡蘿卜素、膳食纖維、鉀鈣磷等礦物質(zhì)，具有清熱解暑、祛濕、消腫、去除體內(nèi)多余脂肪、防高血壓等功效［1-4］。目前冬瓜以鮮食為主，新鮮冬瓜含水量高達(dá)90%以上，貯藏存在一定的困難，易引起腐敗變質(zhì)，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。熱風(fēng)干燥是食品保藏和加工的常見手段［5］，是一種有效控制水分，延長冬瓜保存期的方法之一。

本文以新鮮袖珍冬瓜為研究對(duì)象，選取切片厚度、燙漂時(shí)間、干燥溫度為研究內(nèi)容，在單因素的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法研究干燥過程中干燥產(chǎn)品的復(fù)水性、色澤、Vc含量以及干燥時(shí)間，從而優(yōu)化冬瓜熱風(fēng)干燥工藝組合。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料:市售新鮮袖珍冬瓜(以下簡稱冬瓜)。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9143BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司;JA6102電子天平，上海精天電子儀器廠;FA2004A電子天平，上海精天電子儀器廠，CR-400色彩色差計(jì)，日本柯尼卡美能達(dá)光學(xué)公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將冬瓜洗凈后去皮、去籽后，切成片狀，固定每份樣品100 g，置于沸水中燙漂后，置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥。試驗(yàn)開始后，每隔15 min稱取質(zhì)量，直至干燥至干基含水率為13%以下。每次試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

1.3.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

熱風(fēng)干燥工藝的優(yōu)化主要包括切片厚度、燙漂時(shí)間、干燥溫度等因素。針對(duì)以上因素，分別在保持其他因素相同的條件下，選取切片厚度為2、5、8 mm，燙漂時(shí)間為 0、20、40、60、80 s，干燥溫度為 50、60、70、80、90℃進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察各因素對(duì)干燥時(shí)間以及對(duì)冬瓜干制產(chǎn)品復(fù)水比、色澤、Vc保留率的影響，選取最佳熱風(fēng)干燥條件。

1.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，以切片厚度、燙漂時(shí)間、干燥溫度為自變量，復(fù)水比、色澤、Vc保留率和干燥時(shí)間為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)［6］，并利用Design Exper8.0.6統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。試驗(yàn)因素水平編碼設(shè)計(jì)及自變量水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Factors and the levels of experiment of response surface analysis

1.4 干燥品質(zhì)特性評(píng)價(jià)方法

對(duì)冬瓜干制品特性的評(píng)價(jià)主要是通過對(duì)新鮮冬瓜干燥過程中的含水率、干燥速率、干制品的復(fù)水比、色澤、Vc保留率等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，進(jìn)而選取較好的干制工藝，為提高冬瓜干制品的品質(zhì)提供一定理論依據(jù)。

按食品中水分的測定方法測定產(chǎn)品的水分，干基含水率 ω =(mt-mg)/mg;干燥速率η =Δω/Δt;其中mg表示物料絕干的質(zhì)量，mt表示t時(shí)刻物料的質(zhì)量，Δω表示相鄰2次測定的干基含水率之差，Δt表示相鄰2次測定的時(shí)間間隔［7-9］。

復(fù)水比Rf=G1/G2，其中Rf表示復(fù)水比，G1表示樣品復(fù)水后的質(zhì)量，G2表示干制樣品的質(zhì)量。稱取干制樣品于含有100 mL、60℃蒸餾水的燒杯中，將燒杯置于60℃的水浴鍋中，待1 h后取出試樣瀝干3 min后稱量，重復(fù)3次取平均值［10］。

采用碘量法測定Vc保留率，Vc保留率Qα=(β/α)×100，其中β為干制產(chǎn)品Vc含量，mg/100 g，α為干制前物料 Vc 含量［11］，mg/100 g。

利用色差計(jì)，依據(jù)CIELAB表色系統(tǒng)測定冬瓜的明度指數(shù)L*，L*=0表示黑色，L*=100表示白色。產(chǎn)品評(píng)價(jià)L*值越大，產(chǎn)品色澤越好［12］。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 燙漂時(shí)間對(duì)干燥過程的影響

當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為70℃，切片厚度為2 mm時(shí)，不同燙漂時(shí)間下冬瓜的干燥曲線及干燥速率曲線如圖1所示。由圖1-a可知，燙漂時(shí)間越長曲線越陡，但曲線變化幅度不大。圖1-b顯示，冬瓜失水主要是在恒速干燥和降速干燥過程，在恒溫階段隨著燙漂時(shí)間的加長失水加快。

圖1 不同燙漂時(shí)間下冬瓜干燥曲線和干燥速率曲線Fig.1 Drying curves and dehydrating rate curves under different blanching time

不同燙漂時(shí)間下干燥產(chǎn)品的各指標(biāo)測定結(jié)果見表2。隨著燙漂時(shí)間的增加，復(fù)水比、Vc保留率呈先增加后減小的趨勢，ΔL呈逐漸上升趨勢。其原因在于，隨著燙漂時(shí)間的增長，樣品組織被破壞，導(dǎo)致其復(fù)水性減小，Vc保留率下降，但熱燙使其酶類失活，驅(qū)除組織內(nèi)的空氣，以及殺菌等作用，從而達(dá)到護(hù)色的效果［13］。綜合以上分析選取燙漂時(shí)間為40 s為最佳干燥條件。

表2 不同燙漂時(shí)間下冬瓜各指標(biāo)測試結(jié)果Table 2 The test results of different blanching time

2.1.2 切片厚度對(duì)干燥過程的影響

在熱風(fēng)干燥溫度為70℃，燙漂時(shí)間為40 s條件下，不同切片厚度下冬瓜的干燥曲線及干燥速率曲線如圖2所示。由圖2-a可知，在燙漂時(shí)間和干燥溫度恒定的條件下，切片厚度越大，干燥周期越長。圖2-b顯示，切片厚度對(duì)冬瓜的熱風(fēng)干燥影響程度大于燙漂時(shí)間的影響，且切片厚度對(duì)干燥前含水率有一定影響。

圖2 不同切片厚度下的干燥曲線和干燥速率曲線Fig.2 Drying curves and dehydrating rate curves under different thickness of the slice

不同切片厚度干燥產(chǎn)品的各指標(biāo)測定結(jié)果見表3。隨著切片厚度的增加，復(fù)水比、Vc保留率、色差值ΔL均呈逐漸減小趨勢。分析其原因在于隨著切片厚度的增加，干燥時(shí)間增長，導(dǎo)致干制品組織恢復(fù)能力降低，營養(yǎng)物質(zhì)損失增加，加快褐變程度［14］，因此，選取切片厚度為2 mm為最佳干燥條件。

表3 不同切片厚度冬瓜各指標(biāo)測試結(jié)果Table 3 The test results of different slice thickness

2.1.3 干燥溫度對(duì)干燥過程的影響

當(dāng)切片厚度為2 mm，燙漂時(shí)間為40 s時(shí)，不同干燥溫度下冬瓜干基含水量和干燥速率曲線見圖3。由圖3-a可知，在切片厚度和燙漂時(shí)間恒定的條件下，隨著干燥溫度的增加，干燥時(shí)間縮短。分析圖3-b可知，冬瓜失水在恒速和降速干燥過程，且在恒速過程中干燥溫度越高干燥速率越大。

圖3 不同干燥溫度冬瓜干燥曲線和干燥速率曲線Fig.3 Drying curves and dehydrating rate curves under different temperatures

不同干燥溫度下干燥產(chǎn)品的各指標(biāo)測定結(jié)果見表4。隨著干燥溫度的增加，復(fù)水比、Vc保留率、色差值ΔL均呈先增加后減小的趨勢，且在干燥溫度為60℃時(shí)達(dá)最大值。溫度越高，物料內(nèi)部組織被破壞，營養(yǎng)損失較高，影響其色澤，故選擇60℃作為最佳干燥溫度。

表4 不同干燥溫度冬瓜各指標(biāo)測試結(jié)果Table 4 The test results of different drying temperature

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，在單因素的基礎(chǔ)上，采用三因素三水平共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)分析，其中試驗(yàn)序號(hào)1～13為析因試驗(yàn)，14～17為中心試驗(yàn)，用來估計(jì)試驗(yàn)誤差。具體試驗(yàn)方案及結(jié)果見表5。

2.2.1 模型的建立

通過Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析，回歸系數(shù)及顯著性分析結(jié)果見表6。

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Program and experimental results of RSA

表6 回歸系數(shù)及顯著性分析Table 6 Significance analysis of regression coefficient

由表6可知，各模型的P值均小于0.01，說明該模型及其顯著，各方程的決定系數(shù)R2均大于0.90，說明預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值之間有較好的相關(guān)性，模型擬合程度較好。此方程可以對(duì)切片厚度、燙漂時(shí)間、干燥溫度條件下冬瓜產(chǎn)品的復(fù)水性、色澤、Vc含量以及干燥時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。

通過顯著性檢驗(yàn)可知，在建立的模型中，X1、X3、X12在冬瓜熱風(fēng)干燥過程中復(fù)水性的影響均達(dá)到極顯著水平，X1X3、X2X3、X32對(duì)產(chǎn)品的復(fù)水性影響顯著;X3在冬瓜熱風(fēng)干燥過程中對(duì)產(chǎn)品的色澤影響達(dá)到極顯著水平;X1、X2、X3、X12在冬瓜熱風(fēng)干燥過程中對(duì)冬瓜Vc含量影響達(dá)到極顯著水平，X1X2、X22對(duì)產(chǎn)品 Vc 含量影響顯著;X1、X3、X1X3、X12對(duì)干燥時(shí)間影響達(dá)極顯著水平，X2X3、X22、X32對(duì)干燥時(shí)間影響顯著。

2.2.2 響應(yīng)面分析

根據(jù)回歸方程所作切片厚度、燙漂時(shí)間、干燥溫度對(duì)響應(yīng)值復(fù)水比、色差變化量、Vc保留率、干燥時(shí)間的影響的響應(yīng)面圖，如圖4～圖6所示。

圖4顯示了切片厚度、燙漂時(shí)間和干燥溫度3種因素兩兩交互對(duì)產(chǎn)品復(fù)水性的影響。由圖4可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，復(fù)水比隨著干燥溫度的升高而減小，隨著切片厚度的增加呈先增大后逐漸減小的趨勢。原因可能是干燥溫度過高組織結(jié)構(gòu)被破壞，難以恢復(fù)原狀復(fù)水性降低［10］。由圖4可知燙漂時(shí)間和切片厚度的交互作用不顯著，其他因素交互作用顯著。在試驗(yàn)范圍內(nèi)各因素對(duì)復(fù)水比影響強(qiáng)度依次為干燥溫度、燙漂時(shí)間、切片厚度。

圖4 復(fù)水比的響應(yīng)曲面Fig.4 Response surface of the after water ratio

圖5顯示了切片厚度、燙漂時(shí)間和干燥溫度3種因素兩兩交互對(duì)Vc保留率的影響，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，Vc保留率隨著切片厚度、燙漂時(shí)間的增加而減小，隨干燥溫度的升高而增大?？赡艿脑蛴?切片厚度增加使干燥的時(shí)間延長從而導(dǎo)致Vc破壞較多保留率降低，而溫度升高干燥時(shí)間縮短，Vc保留率增大。由圖5可知燙漂時(shí)間和切片厚度的交互作用顯著，其他因素交互作用不顯著。在試驗(yàn)范圍內(nèi)各因素對(duì)復(fù)水比影響強(qiáng)度依次為干燥溫度、切片厚度、燙漂時(shí)間。

圖5 Vc保留率的響應(yīng)曲面Fig.5 Response surface of vitamin C retention

圖6顯示了切片厚度、燙漂時(shí)間和干燥溫度3種因素兩兩交互對(duì)復(fù)水比的影響，由圖6分析，干燥時(shí)間隨著干燥溫度、燙漂時(shí)間的增加而減短，隨切片厚度的升高而增長?？赡茉蛴?干燥溫度升高和燙漂時(shí)間的加長會(huì)加快冬瓜物料的脫水［15］，干燥至恒重時(shí)間縮短;而切片厚度增大冬瓜不易脫水導(dǎo)致干燥時(shí)間延長。由圖可知燙漂時(shí)間和切片厚度的交互作用不顯著，其他因素交互作用顯著。在試驗(yàn)范圍內(nèi)各因素對(duì)復(fù)水比影響強(qiáng)度依次為切片厚度、干燥溫度、燙漂時(shí)間。

圖6 干燥時(shí)間的響應(yīng)曲面Fig.6 Response surface of the drying time

2.2.3 最佳干燥條件的確定以及驗(yàn)證

通過Design Expert 8.0.6軟件分析得出最佳優(yōu)化工藝為:切片厚度2.17 mm，燙漂時(shí)間60 s，干燥溫度50℃，其響應(yīng)值分別為復(fù)水比為3.43%，色差值ΔL為87.85，Vc保留率為54.91%，干燥時(shí)間為312 min。考慮到實(shí)際情況，將最優(yōu)條件修正為切片厚度2 mm，燙漂時(shí)間60 s，干燥溫度50℃進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù)3次，得到試驗(yàn)結(jié)果是在該試驗(yàn)條件下復(fù)水比為3.47%，色差值ΔL為87.98，Vc保留率為54.83%，干燥時(shí)間為315 min。該試驗(yàn)值與理論預(yù)測值接近，重復(fù)性好，證實(shí)了此模型的可靠性。

3 結(jié)論

本文以冬瓜為原料，在單因素的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面優(yōu)化法研究工藝條件中的切片厚度、燙漂時(shí)間以及干燥溫度對(duì)熱風(fēng)干燥后物料的復(fù)水性、色澤、Vc含量以及干燥時(shí)間的影響，從而優(yōu)化冬瓜熱風(fēng)干燥工藝并建立數(shù)學(xué)模型。綜合實(shí)際情況，確定冬瓜熱風(fēng)干燥的最佳工藝參數(shù)組合為切片厚度2 mm，燙漂時(shí)間60 s，干燥溫度50℃，在此條件下干燥產(chǎn)品的復(fù)水比為3.47%，色差值ΔL為87.98，Vc保留率為54.83%，干燥時(shí)間為315 min?；貧w分析和驗(yàn)證試驗(yàn)表明了該方法的合理性和可行性，該試驗(yàn)為冬瓜制品的深加工及其保藏提供理論依據(jù)。

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