響應面法優化蓮子真空油炸工藝參數

王為為,趙瑩婷,莊瑋婧,鄭寶東,田玉庭,*

(1.福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002;2.福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室,福建福州 350002)

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響應面法優化蓮子真空油炸工藝參數

王為為1，2,趙瑩婷1，2,莊瑋婧1,2,鄭寶東1,2,田玉庭1,2,*

(1.福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002;2.福建省特種淀粉品質科學與加工技術重點實驗室,福建福州 350002)

本研究采用響應面分析法(RSM)優化蓮子真空油炸工藝參數。采用中心組合實驗設計,考察油炸溫度(85～95 ℃)、油炸時間(12～20 min)和真空度(-0.085～-0.095 MPa)對蓮子脆度值(R1)、色差(R2)和含油率(R3)3個指標的影響。結果表明,蓮子真空油炸的最佳工藝條件為:油炸溫度95 ℃,油炸時間為12 min,油炸真空度為-0.095 MPa。在此條件下進行平行實驗得到蓮子脆度R1值為6572.57 g,色差R2值為42.80,含油率R3值為9.21%。另外,真空油炸蓮子脆度、色差、含油率及感官評價都明顯優于常壓油炸蓮子;通過電鏡圖可以明顯看出真空油炸蓮子淀粉凝膠化較嚴重,沒有明顯的空隙;常壓油炸蓮子仍可看到淀粉顆粒且蓮子內部較大的空隙。

蓮子,響應面法,真空油炸,優化

蓮子為睡蓮科植物蓮(NelumbonuciferaGaertn.)的成熟種子,主要分布在福建、江西、湖北、江蘇等地。自古以來,蓮子作為一種高級滋補食品,在民間廣為食用,據《本草綱目》記載,蓮子具有“久服輕身耐苦,不饑延年,益心腎,固精氣,強筋骨,補虛損,利耳目”之功效,是首批被我國衛生部列入87種藥食兩用食物名列[1]。蓮子中直鏈淀粉高達42%,而直鏈淀粉因缺乏三維網狀空間構形,葡萄糖長鏈易發生扭曲結團,較支鏈淀粉更易發生老化。因此,蓮子加工產品極易發生老化返生[2]。前期研究表明,油炸可很好的抑制蓮子淀粉老化。但常壓油炸食品的安全性備受質疑,因為淀粉質食品經120 ℃以上高溫長時間油炸,會生成丙烯酰胺類物質,此類物質是致癌物[3],嚴重影響消費者健康。因此,亟待尋找一種新型食品油浴加工技術,突破傳統油炸技術瓶頸,以便開發出安全即食蓮子新產品,為蓮子深加工開辟新的途徑和方法。

真空低溫油浴脫水技術是國際上近年來興起的一項食品加工高新技術,被譽為“綠色革命”和“油炸技術革命”。該技術將油炸和脫水有機結合在一起,以抗氧化能力強的植物油為媒介,利用真空狀態下水分沸點降低的原理,在負壓狀態下,食品中的水分低溫汽化而蒸發,物料在短時間內迅速脫水,實現低溫條件下的油浴脫水過程[4]。相比常壓油炸,真空低溫油浴脫水技術能夠充分保留原料固有的色香味[5]及營養成分[6],形成疏松多孔的結構和酥脆的口感,并且可有效降低產品含油率[4]和油脂氧化劣變程度。更重要的是,真空低溫下成功脫水,真空度須在接近0.1 MPa下操作,油溫在100 ℃以下,基本排除了產生丙烯酰胺的可能性[7]。目前,真空低溫油浴脫水技術已成功應用到許多果蔬加工中,比如南瓜、青豆、馬鈴薯等[8-9],但未見蓮子真空低溫油浴脫水技術的相關研究報道。基于此,本論文將真空油炸技術運用到蓮子加工領域,選取油炸時間、油炸溫度和真空度為實驗因素,采用中心組合實驗設計并結合響應面分析法,探討油炸時間、油炸溫度和真空度對蓮子脆度、色差及含油率3個指標的影響,優化蓮子真空油炸工藝參數,為工廠化真空油炸蓮子提供一定的理論依據和技術支持。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

蓮子新鮮通心建蓮,由福建閩江源綠田實業投資發展有限公司提供;棕櫚油市售。

QS-05型真空油炸機全氏食品機械(上海)有限公司;YY-4000型連續式油炸機北京市益友公用設備公司;TA-XT2型質構儀英國Stable Micro System公司;CS-10型色差儀杭州彩譜科技有限公司;AB204-N型電子分析天平梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;725型紫外可見分光光度計上海光譜儀器有限公司;TDL-5-A型低速臺式離心機上海安亭科學儀器廠;RE-52A型旋轉蒸發儀上海亞榮生化儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1真空油炸工藝工藝流程:鮮蓮→篩選清洗→熟化→真空浸漬→瀝水→速凍→真空油炸

常壓油炸→真空脫油→成品。

篩選清洗:選取無蟲眼、無霉變、大小均一的通心凍蓮,用自來水清洗三遍。

熟化:采用沸水加熱熟化,水溫控制在90～100 ℃,熟化15 min。

真空浸漬:將清洗過的蓮子投入裝有20%果葡糖漿、3%食鹽和8%蔗糖的溶液中,在真空下浸漬20 min。

速凍:浸漬后的蓮子置于-40 ℃條件下進行速凍,直到蓮子中心溫度達到-15 ℃。

真空油炸:在油炸前1 h,先對真空油炸設備溫度設定進行升溫,當溫度分別達到85、90、95 ℃時,將蓮子投入油炸筐中,抽真空,真空度達到-0.085、-0.090和-0.095 MPa后開始油炸。

常壓油炸:在油炸前將油溫升至180 ℃,將蓮子浸入油中,油炸15 min。

真空脫油:經油炸過的蓮子,表面附著一層油脂,在冷卻過程中,蓮子表面的油脂會滲入內部,故油炸后的蓮子需及時脫油,在真空度為-0.095 MPa、離心機轉速為2000 r/min、離心時間10 min,得到脫油蓮子。

1.2.2響應面設計在前期單因素實驗基礎上,選取油炸溫度(A)、油炸時間(B)和真空度(C)3個因素為自變量,以油炸蓮子脆度(R1)、色差(R2)和含油量(R3)分別為因變量,選取N=15的中心組合實驗設計,因素水平編碼見表1。

表1　中心組合實驗因素及水平編碼表

1.2.3指標測定脆度:本實驗用脆度為指標表示產品質構變化。使用質構儀在TPA模式下,采用2N探頭,測前速度2 mm/s,測中速度0.5 mm/s,測后速度10.0 mm/s,測試通過距離5 mm,二次壓縮間隔時間3 s。取20粒蓮子多次測試,取平均值。

含油率:采用索式提取法提取油脂,參考GB/T5009.6-2003《食品中脂肪的測定方法》測定蓮子中的含油率。

色差:隨機選取蓮子外表側面的一部分,用色差計測出該部分的L*值(亮度)、a*值(紅度)和b*值(黃度)根據公式計算出蓮子色差ΔE。重復測試三次,取平均值。

式(1)

電鏡掃描:油炸后的樣品(真空油炸蓮子和常壓油炸蓮子)切片,切片后噴一層薄金,然后放在電鏡下觀察其微觀結構。

感官評價:由中國-愛爾蘭國際合作感官實驗室對樣品(真空油炸蓮子和常壓油炸蓮子)評定。根據蓮子的外觀、色澤、質構、含油量、口感對編號的蓮子以十分制進行評分,評分標準見表2。

1.2.4統計分析所有實驗分析重復3次,結果取平均值,采用Design Expert 7.1統計軟件進行實驗設計和數據分析。

2　結果與分析

2.1模型的建立及參數分析結果

蓮子真空油炸中心組合實驗設計矩陣及實驗結果見表3。分別以蓮子脆度、色差和含油率為響應值,利用Design Expert 7.1 統計軟件對實驗結果(表3)進行多元回歸擬合,得到真空油炸溫度、真空油炸時間和真空度對蓮子脆度、色差和含油率的二次多元多項回歸式模型:

表2　感官評分表

表3　響應面分析實驗設計與結果

R1=7637-1761.75A-380.88B+975.88C+264AB+312.5AC-77.75BC-61.87A2-374.12B2-336.63C

式(2)

R2=50.47-9.3A-3.33B+0.53C+0.75AB-0.85AC+0.5BC-0.38A2+0.62B2-2.28C2

式(3)

R3=12.29+0.9A+0.7B-0.25C+1.5AB-0.7AC-0.57BC-0.24A2-0.37B2-0.8C2

式(4)

對于上述各回歸模型進行方差分析,并對模型系數進行顯著性檢驗(表4)。由各模型方差分析結果顯示,蓮子脆度、色差和含油率3個模型p值均小于0.01,故上述3個模型均極顯著;各模型失擬項p值分別為0.2607、0.3525和0.3220,均不顯著(p>0.05);同時各模型的R2均接近1,表明實驗數據與回歸數學模型擬合性良好[10],能夠用上述模型較好地預測各指標的實際值。

表4　回歸模型的方差分析

表5　不同實驗因素回歸系數的檢驗

各模型回歸系數顯著性檢驗結果見表5。由表5可知,真空油炸溫度和真空油炸時間分別對蓮子脆度、色差和含油率3個指標線性效應均極顯著(p<0.01);真空度對蓮子脆度線性效應極顯著(p<0.01),對蓮子色差線性效應顯著(p<0.05),對蓮子含油率線性效應不顯著(p>0.05);油炸溫度和油炸時間的交互作用對蓮子脆度和含油率影響均極顯著(p<0.01),對蓮子色差影響顯著(p<0.05);油炸溫度和真空度的交互作用對蓮子脆度和含油率影響均極顯著(p<0.01),對蓮子色差影響顯著(p<0.05);油炸時間和真空度的交互作用對蓮子含油率影響顯著(p<0.05),對蓮子脆度和色差影響不顯著(p>0.05);真空油炸溫度的二次項對蓮子脆度、色差和含油率的影響均不顯著(p>0.05);真空油炸時間的二次項對蓮子脆度的影響極顯著(p<0.01),對蓮子色差和含油率的影響都不顯著(p>0.05);真空度的二次項對蓮子脆度、色差和含油率的影響均極顯著(p<0.01)。

2.2響應曲面分析結果

根據各模型分析各因素交互作用對響應值的顯著性,分別對回歸方程式(2)～式(4)繪制各自的3D響應面分析圖,考察各實驗因子對蓮子脆度、蓮子色差和含油率的交互作用。

響應面優化模型A、B、C(油炸溫度、油炸時間、真空度)交互作用對蓮子脆度的影響如圖1所示。由圖1可知,在實驗范圍內,在油炸時間和真空度保持不變下,蓮子脆度隨油炸溫度的升高而降低。這有可能是在高溫下,產品易快速脫水變硬,不利于形成松脆的口感[11]。在固定溫度和真空度下,在實驗范圍內蓮子脆度隨時間的加長先稍降低然后升高。這主要是在油炸初期由于破壞了細胞的完整性,細胞成分流出,細胞之間黏粘性增大,淀粉凝膠化導致蓮子變軟。在油炸一段時間后,蓮子由于細胞間的脫水變脆[12]。在同一油炸溫度和時間下,隨真空度的增加,蓮子內部易形成多孔結構,導致蓮子體積膨大,脆度增加。

圖1　交互作用對脆度(R1)影響的響應面Fig.1　Response surface plots of interaction effects on brittleness(R1)

圖2為本實驗下在真空油炸過程中,蓮子色差的變化。在油炸過程中,蓮子表面會發生顏色的變化,這些色澤的變化,主要是來源于蓮子表面物質的一些非酶褐變如美拉德反應、焦糖化反應及化學氧化等[13]。由圖2可知,在同一油炸時間和真空度下,隨著油炸溫度升高蓮子會越來越黑,亮度減小,但紅度和黃度不斷增大,最終色差ΔE越來越大。在同一油炸溫度和油炸真空度下,隨著油炸時間的增加,蓮子色差也越來越大。雖有報道表明真空油炸產品會比常壓油炸的產品色差變化更小，ΔE更大[4]。但在一定范圍內的真空度下,保持油炸溫度和時間不變,增加真空度對蓮子色差的改變不顯著,正如響應面圖2所示。

圖2　交互作用對色差(R2)影響的響應面Fig.2　Response surface plots of interaction effects on color(R2)

表6　最優水平條件下的預測值及實驗值

成分比例不同等,油炸條件對最終產品中含油率也有不同影響。本實驗中以蓮子為材料,不同實驗條件對其含油率的影響如圖3所示。由圖3可知,在同一油炸時間和真空度下,蓮子含油量會隨著油炸溫度增加而不斷增加;在同一油炸溫度和真空度下,蓮子含油量會隨著油炸時間增加而不斷增加;在同一油炸溫度和油炸時間下,油炸真空度的逐漸升高導致蓮子含油率先降低后升高。其原因是在較小的真空度下,蓮子在油炸中蓮子表面淀粉凝膠化[13],增大真空度,會使得蓮子內部形成更多的空隙[14],導致油炸的附著,隨著油炸時間的增加這些附著的油脂會滲入蓮子內部,導致蓮子的含油率升高[15-16]。

圖3　交互作用對含油率(R3)影響的響應面Fig.3　Response surface plots of interaction on the oil content(R3)

2.3真空油炸蓮子工藝參數優化結果

采用DX7.1數據處理軟件對數據進行分析,以蓮子脆度最大、色差最小、含油率最低為優化目標,得到真空油炸蓮子的最優工藝為:真空油炸溫度94.95 ℃,油炸時間為12.05 min,油炸真空度為-0.094 MPa,此條件下模型預測蓮子脆度、色差和含油率分別為:6585.72 g、40.9和9.18%。根據實際情況進行修正后為:真空油炸溫度95 ℃,油炸時間為12 min,油炸真空度為-0.095 MPa。

2.4實驗驗證結果

為了檢驗模型預測的準確性,以2.3確定的最優工藝參數進行3次重復實驗,結果見表6。由表6可知,當真空油炸溫度95.00 ℃,油炸時間為12.00 min,油炸真空度為-0.095 MPa時,各指標為:蓮子脆度6572.57 g、色差42.80、含油率9.21%,與模型預測值相近,說明本實驗優化的工藝參數可行。

2.5對比實驗

將真空的油炸優化后蓮子與常壓油炸蓮子的品質進行對比。常壓油炸后的蓮子經測量指標其脆度、色差、含油率分別為2893 g、67.17、28.9%,顯然不如真空優化油炸蓮子指標理想。感官評價如表7所示,采用工藝優化的真空油炸蓮子的感官值高于常壓油炸的蓮子,感官測試者中反應常壓油炸蓮子咀嚼生硬,不適于食用。由圖4可知,真空油炸蓮子淀粉凝膠化較嚴重,沒有明顯的空隙;常壓油炸蓮子仍可看到淀粉顆粒且蓮子內部較大的空隙。正是常壓油炸蓮子較大的空隙導致常壓油炸蓮子的含油率高于真空油炸蓮子。

表7　真空油炸優化蓮子和常壓油炸蓮子感官差異

圖4　真空油炸優化蓮子(A)和常壓油炸蓮子(B)電鏡掃描圖Fig.4　SEM images of fried lotus seedsusing vacuum frying(A)and atmospheric frying(B)

3　結論

本研究將響應面分析法引入到真空油炸蓮子工藝優化實驗中,確定了真空油炸蓮子最佳工藝參數:真空油炸溫度95 ℃,油炸時間為12 min,油炸真空度為-0.095 MPa。經驗證實驗得到蓮子成品脆度、色差和含油率分別為6572.57 g、42.80、9.21%與預測值的蓮子成品脆度、色差和含油率6585.72 g、40.9、9.18%相近說明建立的數學模型可靠性高,可用于油炸真空油炸蓮子工藝優化。經對比實驗:真空油炸蓮子脆度、色差、含油率及感官評價都明顯優于常壓油炸蓮子;由電鏡圖也可以明顯看出真空油炸蓮子淀粉凝膠化較嚴重,沒有明顯的空隙;常壓油炸蓮子仍可看到淀粉顆粒且蓮子內部較大的空隙。

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Optimization of processing parameters for vacuum frying of lotus seeds using response surface methodology

WANG Wei-wei1，2,ZHAO Ying-ting1，2,ZHUANG Wei-jing1，2,ZHENG Bao-dong1，2,TIAN Yu-ting1，2,*

(1.College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Quality Science and Processing Technology in Special Starch,Fuzhou 350002,China)

In this study,response surface methodology(RSM)was used to optimize vacuum frying procession of lotus seeds. A central composite design(CCD)with three important factors of frying temperature(85～95 ℃),frying time(12～20 min)and vacuum degree(-0.085～-0.095 MPa),was used to study the response variables of fracturability(R1),color change(R2)and oil content(R3). Frying temperature 95 ℃,frying time 12 min and vacuum degree -0.095 MPa were the optimum frying conditions. Under these conditions,fracturability,color change and oil content reached to 6572.57 g,42.80 and 9.21% respectively.In addition,compared with the atmospheric fried lotus seed,brittleness,color difference,oil content and sensory evaluation of the vacuum fried lotus seed were significantly better.Fried lotus seed starch was highly gelatinization without obvious gap through electron microscopy.But the starch granules and the larger gap inside lotus seeds could be clearly seen in atmospheric fried lotus seed.

lotus seeds;response surface methodology;vacuum frying;optimize processing

2015-12-25

王為為(1989-)，女，碩士研究生，主要從事農產品加工方面的研究，E-mail:weiweiwang370@163.com。

田玉庭(1979-)，男，副教授，主要從事農產品加工方面的研究，E-mail:tytfst@163.com。

國家自然科學基金(31401616)；福建省高校產學合作科技重大項目(2015N501)；福建農林大學“校杰出青年科研人才”專項基金(xjq201418)；福建農林大學科技創新團隊支持計劃(cxtd12009)。

TS205.1

B

1002-0306(2016)12-0261-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.041