響應面試驗優化胡椒鮮果油炸工藝

楊繼敏，周雪敏，朱科學，谷風林,*，房一明，吳桂蘋（1.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所，海南 萬寧　571533；2.黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶　163319；3.華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢　430070；4.國家重要熱帶作物工程技術研究中心，海南 萬寧　571533）

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響應面試驗優化胡椒鮮果油炸工藝

楊繼敏1,2，周雪敏1,3，朱科學1,4，谷風林1,4,*，房一明1,4，吳桂蘋1,4
（1.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所，海南 萬寧571533；2.黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶163319；3.華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢430070；4.國家重要熱帶作物工程技術研究中心，海南 萬寧571533）

摘 要：為優化胡椒鮮果油炸的工藝，選取油炸溫度、油炸時間、料油比為影響因素，以油炸胡椒鮮果中胡椒堿和胡椒精油含量為指標進行研究。在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken試驗設計構建多項式回歸方程的模型，通過響應面分析得到胡椒鮮果最優油炸工藝為：油炸溫度92 ℃、油炸時間3 min、料油比1∶1。此條件下胡 椒鮮果油炸品質最優，胡椒堿含量預測值為4.28 g/100 g，胡椒精油含量預測值為1.73 mL/100 g，而胡椒堿含量真實值為4.23 g/100 g，胡椒精油含量真實值為1.71 mL/100 g，與預測結果相對偏差僅為1.27%和1.24%。

關鍵詞：響應面；胡椒鮮果；胡椒堿；胡椒精油

引文格式：

楊繼敏, 周雪敏, 朱科學, 等. 響應面試驗優化胡椒鮮果油炸工藝[J]. 食品科學, 2016, 37(12): 52-58. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201612009. http://www.spkx.net.cn

YANG Jimin, ZHOU Xuemin, ZHU Kexue, et al. Optimization of frying process of fresh peppers by using response surface methodology[J]. Food Science, 2016, 37(12): 52-58. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201612009. http://www.spkx.net.cn

胡椒（Piper nigrum L.）又名古月、黑川、白川、浮椒及王椒，是胡椒科胡椒屬多年生常綠藤本植物，且是世界上重要的熱帶香辛料作物。胡椒果實主要化學成分包括：生物堿（主要是吡咯烷類酰胺生物堿）、揮發油、有機酸、木脂素、酚類化合物、脂肪、蛋白質、淀粉和微量元素等[1]。胡椒堿是生物堿中含量最大且活性最高的物質，也是胡椒中最有價值的一種化學成分，具有鎮靜安神、溫中散寒、開胃下氣、消痰、調五臟、壯腎氣以及減肥、美容、解毒等獨特功效；胡椒精油香氣濃郁，包含胡椒特有的香味和辛辣味，可作為飲（食）品的香料添加劑、保鮮和防腐劑，有抑菌、改善食物香味、促進胃腸蠕動、加速血液循環的作用[2]。此外，胡椒有鎮痛、鎮靜、抗炎、抗驚厥、殺蟲與抗癌等多方面的功效，是深受人們喜愛的調味品，在醫學工業和食品工業都有廣泛用途。

目前，油炸食品因其具有良好的風味特征而被消費者所喜愛。油炸食品的風味是原料在油脂中發生復雜理化反應的結果，油脂的熱降解反應為油炸食品香氣提供了物質基礎；蛋白質和糖類發生的美拉德反應形成了油炸食品主要的香氣和色澤[3]。此外，研究[4]還發現深度油炸中形成的多種揮發性物質，包括很多酸、醇、醛、烴、酮、酯、內酯、芳香化合物及其雜環化合物（例如戊基呋喃和1,4-二氧雜環乙烷等）。

近年來國內外已研發出胡椒系列深加工產品，如胡椒堿、胡椒油、胡椒油樹脂和胡椒精油等，主要用于醫藥及食品工業[5]。然而在胡椒產品加工中極少進行油炸處理，胡椒在油炸過程中可以增加香味，使加工的胡椒產品中伴隨著油脂的香氣，減少胡椒鮮果本身的青雜氣和辛辣味，進而增加胡椒食用過程中人們的嗅覺感官。因此，本研究根據影響胡椒油炸的主要因素油炸溫度、油炸時間及料油比進行實驗，在單因素試驗的基礎上，以胡椒中胡椒堿、胡椒精油含量為響應值進行響應面試驗，得到胡椒鮮果油炸最優工藝，以期為胡椒深加工提供理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

胡椒鮮果由中國熱帶農業科學院香料飲料研究所提供；95%乙醇溶液（分析純）西隴化工股份有限公司；胡椒堿標準品北京世紀奧科生物技術有限公司；金龍魚食用調和油廣州市源廣貿易有限公司。

1.2儀器與設備

AL104電子天平上海梅特勒-托利多儀器有限公司；QE-300g高速萬能粉碎機浙江屹立工貿有限公司；FD-2真空冷凍干燥機北京博醫康實驗儀器有限公司；TC-15型套式恒溫器海寧市新華醫療器械廠；DLSB-低溫冷卻循環泵鞏義市予華儀器有限責任公司；HHS-8S電子恒溫不銹鋼水浴鍋上海宜昌儀器紗篩廠；紅外測溫儀深圳市聚茂源科技有限公司；1260高效液相色譜儀美國安捷倫科技有限公司。

1.3方法

1.3.1單因素試驗

將采摘的八成熟青胡椒挑選、清洗后，選取胡椒鮮果油炸溫度、油炸時間和料油比因素，依據表1中的因素水平和試驗條件油炸鮮胡椒，胡椒鮮果油炸后用卷紙吸除表面油脂，然后按照青胡椒真空冷凍干燥工藝[6]進行干燥，粉碎后過20 目篩，然后檢測其胡椒堿和胡椒精油含量。考察以上因素對油炸鮮胡椒中胡椒堿和胡椒精油含量的影響。每個試驗處理重復3 次，取平均值。

表1　單因素試驗條件Table 1 Factors and levels used in OFAT experiments

1.3.2響應面法對胡椒鮮果油炸工藝的優化

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計原理[7]，以胡椒鮮果油炸后胡椒堿和胡椒精油含量為響應值，設計三因素三水平響應面分析試驗，其因素與水平見表2。

表2　響應面試驗因素與水平Table 2 Factors and levels used in response surface analysis

1.3.3胡椒堿含量測定

根據GB/T 17528—2009《胡椒堿含量的測定：高效液相色譜法》規定的方法測定。即準確稱取0.2 g胡椒粉，精確至0.000 1 g，用95%乙醇溶液回流提取3 h，提取液經過濾并定容至100 mL棕色容量瓶中，取1 mL濾液稀釋至25 mL容量瓶中并用95%乙醇溶液定容，所有過程均避光處理。稀釋液過0.45 μm膜后用高效液相色譜測定，外標法定量。平行3 次，取平均值。

色譜條件：Z O R B A X S B-C1 8色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相：體積分數77%甲醇溶液；流速：1.0 mL/min；色譜柱溫度：30 ℃；檢測波長：343 nm；進樣量：10 μL。

1.3.4胡椒精油的制備及含量測定

參考GB/T 17527—2009《胡椒精油含量的測定》提取胡椒精油。稱取約40 g粉末加入1 000 mL圓底燒瓶中，加入防爆沸玻璃珠，加入400 mL蒸餾水，冷凝泵回流，保持5滴/min的蒸餾速率，4 h后，待冷卻到室溫，讀取精油體積，收集精油。 平行3 次，取平均值。

1.4數據分析

實驗數據用Design-Expert 8.0.5b、Origin、SAS軟件及儀器自帶軟件處理，差異顯著性水平P＜0.05，平均數之間的比較采用極差檢驗。

2　結果與分析

2.1單因素試驗結果

2.1.1油炸溫度對油炸胡椒鮮果中胡椒堿及胡椒精油含量的影響

圖1　油炸溫度對胡椒堿（A）和胡椒精油（B）含量的影響Fig. 1　Effects of different frying temperatures on the contents of piperine and pepper essential oil

胡椒堿具有一定的抗氧活性，在酸性介質中穩定存在，但是見光容易分解[8]。胡椒精油成分主要是一些不同結構的單萜類化合物、單萜類氧化物和倍半萜類化合物，含量較多的是蒈烯、檸檬烯、可巴烯和石竹烯等[9]。油炸溫度太低胡椒原料青雜氣和生辣味嚴重，油炸溫度太高對油炸胡椒鮮果中胡椒堿和胡椒精油含量影響較大，且油炸溫度越高胡椒堿、胡椒精油含量的損失越大，可能是由于高溫使胡椒堿受熱分解，胡椒精油中低沸點香氣物質揮發損失。如圖1A所示，在油炸溫度為100、110、120 ℃時，胡椒堿含量較高，且與未經油炸的胡椒鮮果中胡椒堿含量差異不顯著；油炸溫度為90、130 ℃時，胡椒堿含量較低，且與胡椒鮮果中胡椒堿含量的差異顯著（P＜0.05）。如圖1B所示，油炸溫度為110 ℃時，胡椒精油含量最高，與胡椒鮮果中胡椒精油含量不存在顯著差異；油炸溫度為120、130 ℃時，胡椒精油含量最低，且與其他處理胡椒精油含量的差異顯著（P＜0.05）。綜合考慮油炸溫度對胡椒堿和胡椒精油含量的影響，油炸溫度為90、100、110 ℃時，胡椒堿和胡椒精油的含量損失相對較少。選定油炸溫度90、100、110 ℃進行響應面優化試驗。

2.1.2油炸時間對油炸胡椒鮮果中胡椒堿及胡椒精油含量的影響

圖2　油炸時間對胡椒堿（A）和胡椒精油（B）含量的影響Fig. 2　Effects of different frying times on the contents of piperine and pepper essential oil

如圖2A所示，油炸時間為1 min和2 min時，胡椒堿含量較高，且與胡椒鮮果中胡椒堿含量差異不顯著；油炸時間3、4 min和5 min時，胡椒堿含量較低，且與胡椒鮮果中胡椒堿含量差異顯著（P＜0.05），但各油炸處理時間胡椒堿含量不存在顯著性差異。不同油炸時間胡椒精油含量沒有顯著性差異（圖2B），但以油炸時間4 min時，胡椒精油含量最低，與胡椒鮮果中胡椒精油含量差異顯著（P＜0.05）。然而，不同的油炸時間對食用油 的酸值和過氧化值影響較大，而油炸時間為2 min時，胡椒堿和胡椒精油損失最少。綜合不同油炸時間對胡椒堿和胡椒精油含量的影響，選定油炸時間1、2、3 min進行響應面優化試驗。

2.1.3料油比對油炸胡椒鮮果中胡椒堿及胡椒精油含量的影響

油添加量過多不僅會對油炸胡椒鮮果中胡椒堿和胡椒精油的含量產生影響，還會造成食用油的浪費。此外，不同的料油比還會造成初始原料加入時的溫度發生變化。由圖3A可知，料油比為1∶1時，胡椒堿含量損失最少，與胡椒鮮果中胡椒堿含量差異不顯著，其他料油比處理與胡椒鮮果中胡椒堿含量差異顯著（P＜0.05）。由圖3B可知，當料油比為1∶2.5時，胡椒精油含量最高，與胡椒鮮果中精油含量差異不顯著，而其他處理料油比與胡椒鮮果中胡椒精油含量差異顯著（P＜0.05）。各料油比對胡椒堿和胡椒精油含量的影響差異較明顯，綜合考慮油炸后胡椒堿和胡椒精油的含量，選定料油比1∶1、1∶2、1∶3進行響應面優化試驗。

圖3　料油比對胡椒堿（A）和胡椒精油（B）含量的影響Fig. 3　Effects of different material-to-oil ratios on the contents of piperine and pepper essential oil

2.2響應面試驗結果

2.2.1響應面試驗方案及結果

在單因素試驗的基礎上，選取油炸溫度、油炸時間、料油比三因素為自變量，以胡椒堿、胡椒精油含量為響應值，采用Box-Behnken設計進行響應面試驗，均取單因素試驗中胡椒堿、胡椒精油含量較高點作為因素水平，試驗結果見表3。

表3　響應面分析試驗設計方案及結果Table 3 Experimental design and corresponding results for response surface analysis

2.2.2回歸方程的建立與分析

利用Design-Expert 8.0.5b統計軟件對表3試驗數據進行回歸擬合，得到胡椒堿含量與三因素之間的多項回歸模型：Y1=4.12－0.028A＋0.014B－0.024C－0.050AB＋0.055AC－0.032BC＋7.500×10－4A2－0.062B2＋0.053C2，對模型進行方差分析，結果見表4。

表4　回歸方程模型方差分析及其系數的顯著性檢驗（胡椒堿含量）Table 4 Analysis of variance for the fitted quadratic model of piperine content and significance test of its regression coefficients

由表4可知，一次項A和C對油炸胡椒鮮果中胡椒堿含量的影響顯著；一次項B對油炸胡椒鮮果中胡椒堿含量沒有顯著影響。試驗中三因素對油炸胡椒鮮果中胡椒堿含量的影響次序為：A（油炸溫度）＞C（料油比）＞B（油炸時間）。交互項AB、AC對胡椒堿含量影響極顯著；交互項BC對胡椒堿含量影響顯著。二次項中B2和C2對油炸胡椒鮮果中胡椒堿含量的影響極顯著；二次項A2對油炸胡椒鮮果中胡椒堿含量沒有顯著影響。

利用Design-Expert 8.0.5b統計軟件對表3試驗數據進行回歸擬合，得到胡椒精油含量與三因素之間的二次多項回歸模型：Y2=1.75＋5.000×10－3A＋0.031B－0.074C＋0.020AB－0.015AC－0.067BC－0.049A2－1.250×10－3B2－0.13C2，對模型進行方差分析，結果見表5。

由表5可知，一次項C對油炸胡椒鮮果中胡椒精油含量影響極顯著；一次項B對油炸胡椒鮮果中胡椒精油含量影響顯著；一次項A對油炸胡椒鮮果中胡椒精油含量沒有顯著影響。試驗中三因素對油炸胡椒鮮果中胡椒精油含量的影響順序為：C（料油比）＞B（油炸時間）＞A（油炸溫度）。交互項BC對胡椒精油含量影響極顯著；交互項AB、AC對胡椒精油含量沒有顯著影響。二次項C2對油炸胡椒鮮果中胡椒精油含量的影響極顯著；二次項A2對油炸胡椒鮮果中胡椒精油含量影響顯著；二次項B2對油炸胡椒鮮果中胡椒精油含量沒有顯著影響。

表5　回歸方程模型方差分析及其系數的顯著性檢驗（胡椒精油含量）Table 5 Analysis of variance for the fitted quadratic model of pepper essential oil content and significance test of its regression coefficients

模型失擬項表示模型預測值與實際值不擬合的概率[10]，本實驗中胡椒堿含量模型失擬項的P值為0.714 8，胡椒精油含量模型失擬項的P值為0.387 3，模型失擬項都不顯著，進而說明這兩個模型的擬合度良好。變異系數反映模型的置信度，值越低模型的置信度越高[11]，本實驗中變異系數分別為0.56%和2.07%，說明模型方程能夠較好地反映真實值。綜合分析胡椒堿和胡椒精油含量模型可知，兩個模型的擬合程度良好，因此可用該模型來分析和預測胡椒鮮果最佳油炸工藝。

2.2.3響應面分析

圖4　各因素交互作用對胡椒堿含量影響的響應面Fig. 4　Response surface plots for peperine contents as a function of three processing parameters

圖5　各因素交互作用對胡椒精油含量影響的響應面Fig. 5　Response surface plots for pepper essential oil content as a function of three processing parameters

利用Design-Expert 8.0.5b繪制響應面圖，考察所擬合的響應面形狀，分析油炸溫度、油炸時間、料油比對油炸胡椒鮮果中胡椒堿、胡椒精油含量的具體影響方式，其響應面見圖4和圖5。

通過軟件Design-Expert對響應面試驗優化分析，得到在油炸溫度92 ℃、油炸時間3 min、料油比1∶1（g/mL）時，油炸胡椒鮮果的胡椒堿和胡椒精油含量同時可達到最大值。

2.2.4驗證實驗結果

在最優條件下胡椒堿含量預測值為4.28 g/100 g，胡椒精油含量預測值為1.73 mL/100 g，為驗證響應面法優化結果的可靠性，在響應面優化試驗所得最佳條件下重新油炸胡椒鮮果，經過3 組平行實驗，檢測出油炸胡椒鮮果中胡椒堿含量真實值為4.23 g/100 g，胡椒精油含量真實值為1.71 mL/100 g，預測值與實際測量值吻合度分別為98.73% 和98.76%，與預測結果相對偏差僅為1.27%和1.24%，說明響應值的實驗值與回歸方程預測值吻合良好。

3　討論與結論

油炸作為古老的食品加工方法，隨著人們對油炸食品的喜愛，油炸食品逐漸深入到人們的生活中，而對于油炸食品的研究也逐漸深入。目前，Pedreschi等[12]研究了在85 ℃水中熱燙3.5 min和未處理的土豆片，在120、150、180 ℃的油溫條件下油炸過程中的油脂攝入和質構變化情況，發現油炸溫度和預處理方法能夠顯著影響油炸土豆片最終的脂肪含量，而溫度越高油脂含量越低，但油炸溫度以及預處理方法對油炸土豆片最終質構沒有顯著影響。劉婷婷等[13]通過L16（43）正交試驗得到常壓油炸馬鈴薯原薯片低丙烯酰胺含量的最佳工藝組合：檸檬酸溶液質量分數0.20%、預干燥時間30 min、油炸溫度180 ℃。Jeleń等[14]利用黃豆發酵5 d所制成的豆豉進行油炸，然后檢測其風味物質，發現主要有2-乙酰基-1-吡咯啉、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、二甲基三硫醚、甲硫、2-甲基丙醛、（E,E）-2,4-癸二烯醛等，從而表明油炸過程產生了增加豆豉風味的活性物質。李俊等[15]用感官評定方法優化了青色美人椒油炸條件，通過正交試驗得到青色美人椒最佳油炸條件為油炸時間20 s、油炸溫度200℃，此時為大多數人所喜愛。Kita等[16]研究油的種類對油炸薯片質構的影響，在170 ℃的油溫條件下，發現不同油脂對油炸薯片脆度的影響由大到小為：菜籽油≥花生油≥棕櫚油≥橄欖油≥葵花籽油≥大豆油。

油炸鮮胡椒的品質嚴格受到各種油炸參數的影響，即與油炸時間、油炸溫度、油炸料油比等密切相關。王修俊等[17]研究發現，隨著加熱溫度的上升，油脂的過氧化值與酸值亦隨之上升，且溫度愈高（控制在150 ℃以下），過氧化值與酸值的數值愈大，這是因為高溫既可促進游離基的產生，又能促進氫過氧化物的分解與聚合，使得油脂氧化反應速率加快。然而，本研究在單因素試驗設計的基礎上，綜合考慮油炸胡椒鮮果中胡椒堿、胡椒精油含量，對胡椒鮮果油炸工藝進行了三因素三水平的Box-Behnken響應面試驗設計，建立了響應值和各個因素之間的數學模型，依據此數學模型確定的最佳胡椒鮮果油炸工藝為：油炸溫度92 ℃、油炸時間3 min、料油比1∶1。

目前，國內外對于胡椒葉、胡椒果、黑胡椒、白胡椒等香氣物質成分或胡椒精油的化學成分分析較多[18-22]，近來對于胡椒產品加工的研究也逐漸增加[23-25]，如譚樂和等[26]對不同加工處理胡椒精油化學成分進行了分析。油炸處理會使胡椒中主要有效成分胡椒堿、胡椒精油的含量有所減少，但是僅有一小部分會溶于食用油中，基本上大多還存在于胡椒鮮果中。油炸工藝不但有利于去除胡椒鮮果中的青雜氣，降低胡椒中的生辣味 感，而且有利于萜烯氧化物、酯類化合物等生成，對胡椒的整體香氣品質有利。因此，可在本研究的基礎上進一步對油炸處理后胡椒精油的香氣物質成分進行分析，并對油炸處理后胡椒加工產品進行開發研究。

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Optimization of Frying Process of Fresh Peppers by Using Response Surface Methodology

YANG Jimin1,2, ZHOU Xuemin1,3, ZHU Kexue1,4, GU Fenglin1,4,*, FANG Yiming1,4, WU Guiping1,4
(1. Spice and Beverage Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wanning571533, China; 2. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing163319, China; 3. College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan430070, China; 4. National Center of Important Tropical Crops Engineering and Technology Research, Wanning571533, China)

Abstract:This study investigated the optimization of the frying process of fresh peppers using combination of one-factor-ata-time method (OFAT) and response surface methodology (RSM). The independent variables were frying temperature, frying time and the ratio of material to oil. The responses were the contents of piperine and pepper essential oil. A polynomial regression model equation was constructed using a Box-Behnken design. The response surface analysis showed that the optimal frying conditions that provided the best quality of fried peppers were obtained as follows: temperat ure, 92 ℃; time, 3 min and the ratio of material to oil, 1:1. Under these con ditions, the predicted contents of piperine and pepper essential oil were 4.28 g/100 g and 1.73 mL/100 g, respectively, and the corresponding experimental values were 4.23 g/100 g and 1.71 mL/100 g, respectively.

Key words:response surface methodology; fresh pepper; piperine; pepper essential oil

收稿日期：2015-10-08

基金項目：海南省工程技術研究中心建設項目（gczx2014003）；海南省應用技術研發與示范推廣專項（ZDXM2014054）

作者簡介：楊繼敏（1990—），女，碩士研究生，研究方向為食品工程。E-mail：yangjimin201314@163.com

*通信作者：谷風林（1976—），男，副研究員，博士，研究方向為食品化學。E-mail：xiaogu4117@163.com

DOI:10.7506/spkx1002-6630-20161209

中圖分類號：TS255.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6630（2016）12-0052-07