層次分析法多指標(biāo)評(píng)價(jià)優(yōu)選檸檬真空干燥工藝

徐 磊，崔秀明，熊 吟，楊 野，曲 媛，王承瀟*

(1.昆明理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650500；2.國家中醫(yī)藥管理局三七資源可持續(xù)發(fā)展利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650500；3.云南省三七資源可持續(xù)發(fā)展利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650500)

檸檬是蕓香科柑橘屬的常綠小喬木，富含維生素C、維生素B1、維生素B2、檸檬酸、蘋果酸、檸檬烯及鈣、磷、鐵等多種微量元素[1]，具有極高的營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值。近年來，干制檸檬片受到眾多消費(fèi)者的青睞，但目前市場上銷售的檸檬片多通過烘干或曬干法加工，產(chǎn)品不但出現(xiàn)干縮、變形及褐變現(xiàn)象，維生素等多種熱敏性成分含量也大大降低。而真空干燥由于在真空負(fù)壓條件下進(jìn)行，不僅能使水的沸點(diǎn)降低，使檸檬干燥所需要的溫度降低，保護(hù)了一些揮發(fā)性和熱敏性成分；還能減少物料與空氣的接觸機(jī)會(huì)，能避免污染和氧化變質(zhì)，大大增加其商品價(jià)值，還能降低能耗[2]。而且近年來對(duì)檸檬干燥工藝的研究，往往只是以檸檬單一有效成分如總黃酮、檸檬精油[3]、維生素C[4]等來評(píng)價(jià)檸檬干燥工藝，以單一有效成分優(yōu)化的工藝條件并不能使低溫真空干燥檸檬的價(jià)值達(dá)到最高。

層次分析法(AHP)[5]是美國著名運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授于20世紀(jì)70年代初提出的一種多指標(biāo)權(quán)重決策分析方法，能夠有效地將決策者的判斷推理與實(shí)際情況結(jié)合起來，對(duì)所有因素相對(duì)于上一級(jí)的總目標(biāo)按重要性進(jìn)行加權(quán)。其基本思想與中藥不同有效成分對(duì)中藥發(fā)揮療效及質(zhì)量評(píng)價(jià)的不同重要性相同。顧志榮等[6]用AHP和BPNN結(jié)合模型優(yōu)化當(dāng)歸煙熏加工工藝；李慧等[7]利用層次分析法結(jié)合多指標(biāo)正交試驗(yàn)優(yōu)選酒燉女貞子炮制工藝；牛廣俊等[8]用層次分析法多指標(biāo)評(píng)價(jià)優(yōu)選金花茶超聲提取工藝；楊銘等[9]用層次分析法結(jié)合CRITIC法研究復(fù)方自身清顆粒提取工藝；石振武等[10]則詳細(xì)介紹了如何運(yùn)用層次分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。這表明層次分析法在中藥等加工評(píng)價(jià)中起到了至關(guān)重要的作用，將這種方法運(yùn)用到食品加工多指標(biāo)評(píng)價(jià)中，對(duì)食品加工綜合評(píng)價(jià)也能得到較好的應(yīng)用。筆者以新鮮檸檬為原料，系統(tǒng)地研究了真空干燥溫度、真空度及檸檬片厚度對(duì)檸檬片真空干燥特性和理化品質(zhì)的影響，主要考察指標(biāo)包括總黃酮[11]、總酚[12]、檸檬香精油[13-14]及維生素C[15]，以層次分析法多指標(biāo)評(píng)價(jià)確定檸檬真空干燥最優(yōu)工藝條件。

1 材料與方法

1.1材料新鮮檸檬購自云南省昆明市水果市場；福林酚、沒食子酸、蘆丁、甲醇、無水乙醇、亞硝酸鈉、硝酸鋁、氫氧化鈉等(分析純)，購自云南澤浩商貿(mào)有限公司。

1.2儀器HWS24型電熱恒溫水浴鍋(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，QY切片機(jī)(浙江溫州頂歷醫(yī)療器械有限公司)，DZF-6020型真空干燥箱(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)，TDZ5-WS離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司)，RE-5205旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)，電子天平(上海浦春計(jì)量儀器有限公司)，DGG-9123AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，BL10-250A超聲波清洗機(jī)(上海比朗儀器有限公司)，UV-2600紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津公司)。

1.3方法

1.3.1工藝流程。檸檬清洗→晾干表面水分→切片→稱重→均勻平鋪于物料盤上→真空干燥。操作要點(diǎn)：檸檬初始含水量采用GB 50093—2010法進(jìn)行測(cè)定，3組平行試驗(yàn)的濕基含水量分別為89.5%、91.1%、91.1%，故取平均含水量為90.57%。在試驗(yàn)中不斷觀察檸檬片干燥情況，當(dāng)檸檬片干燥至含水率10%[16]時(shí)停止干燥。

1.3.2單因素考察。從真空干燥溫度、真空度和檸檬片厚度3個(gè)方面對(duì)檸檬進(jìn)行了單因素試驗(yàn)考察，試驗(yàn)條件見表1。

表1檸檬真空干燥工藝單因素考察試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Table1Thedesigntableforlemonvacuumdryingprocessofsinglefactorexperiment

水平Level因素Factor溫度Temper?ature∥℃真空度Vacuumpressure∥MPa切片厚度Slicethick?ness∥mm1500．0522600．0633700．0744800．085

1.3.3正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在單因素試驗(yàn)考察的基礎(chǔ)上，以Central-composite試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用3因素3水平的正交分析方法[17]優(yōu)化檸檬真空干燥工藝。

1.3.4指標(biāo)測(cè)定。

1.3.4.1總黃酮含量測(cè)定。取1 g干燥檸檬粉末，加入200 mL 70%乙醇溶液，浸泡30 min，50 ℃回流提取60 min，過濾，濾渣再加入150 mL 70%乙醇溶液，50 ℃回流提取45 min，過濾。合并2次濾液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至100 mL以內(nèi)，再用70%乙醇定容至100 mL，備用[18]。以蘆丁作標(biāo)準(zhǔn)品，采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH方法，在500 nm波長處以70%乙醇空白試劑為參比測(cè)定吸光度。

1.3.4.2總酚含量測(cè)定。稱取1 g干燥檸檬粉末，加入20 mL 95%甲醇溶液，于30 ℃、250 W條件下超聲提取30 min，4 ℃、10 000 r/min離心10 min，取上清液，濾渣再加入20 mL 95%甲醇溶液，重復(fù)上述步驟，合并濾液，用95%甲醇溶液定容至50 mL，備用[16]。以沒食子酸作標(biāo)準(zhǔn)品，采用福林-酚比色法[19]，在765 nm波長處以95%甲醇溶液為空白對(duì)照測(cè)定吸光度。

1.3.4.3檸檬皮香精油含量測(cè)定。稱取3 g破碎度為3 mm的干燥檸檬皮，采用索氏提取法，用適量石油醚60 ℃回流提取30 min，比較提取前后圓底燒瓶質(zhì)量差值(試驗(yàn)前后的圓底燒瓶在103 ℃下烘干至恒重)[20]。

1.3.4.4維生素C含量測(cè)定。稱取1 g干燥檸檬粉末于研缽中，加入10 mL 1%HCl,勻漿，轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中，定容，混勻，移至離心管中，離心10 min，上清液即為待測(cè)檸檬提取液。以維生素C作為標(biāo)準(zhǔn)品，在243.4 nm波長處以蒸餾水為參比測(cè)定吸光度[21]。

1.3.5AHP法確定檸檬真空干燥的多指標(biāo)權(quán)重[22]及工藝。

1.3.5.1建立評(píng)價(jià)目標(biāo)樹。評(píng)價(jià)目標(biāo)可以通過多指標(biāo)性成分來反映，而多指標(biāo)性成分主要包括總黃酮、總酚、檸檬香精油及維生素C這4個(gè)指標(biāo)，由此建立檸檬真空干燥工藝評(píng)價(jià)的目標(biāo)樹見圖1。

圖1 檸檬真空干燥工藝評(píng)價(jià)目標(biāo)樹Fig.1 The target tree for lemon vacuum drying process evaluation

1.3.5.2構(gòu)成兩兩比較優(yōu)先矩陣。比較統(tǒng)一層次目標(biāo)的相對(duì)重要性，并構(gòu)成兩兩比較矩陣。目標(biāo)樹圖各層次評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。目標(biāo)樹中4項(xiàng)目標(biāo)成對(duì)比較的判斷優(yōu)先矩陣見表3。

表2 目標(biāo)樹圖各層次評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表3 成對(duì)比較的判斷優(yōu)先矩陣

1.3.5.3計(jì)算初始權(quán)重系數(shù)及歸一化權(quán)重系數(shù)。初始權(quán)重系數(shù)wi′及歸一化權(quán)重系數(shù)wi計(jì)算公式為：

1.3.5.4權(quán)重系數(shù)隨機(jī)一致性檢驗(yàn)。為了檢驗(yàn)各指標(biāo)權(quán)重有無邏輯性混亂，引入一致性指標(biāo)CI進(jìn)行檢驗(yàn)。

式中,λmax為最大特征根，計(jì)算公式為：

相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI[23]如下：矩陣階數(shù)為1、2、3、4、5、6、7、8、9時(shí)，RI分別為0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41和1.45。

當(dāng)CR<0.1時(shí)，說明各指標(biāo)判斷優(yōu)先矩陣滿足一致性要求，即求得的權(quán)重系數(shù)合理有效。

1.3.5.5計(jì)算指標(biāo)綜合評(píng)分(V)。綜合評(píng)分按如下公式計(jì)算：綜合評(píng)分(V)=香精油含量×100×w1+維生素C含量×100×w2+總黃酮含量×100×w3+總酚含量×100×w4。

2 結(jié)果與分析

2.1各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)經(jīng)計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)為：w1=0.487 2，w2=0.274 0，w3=0.133 0，w4=0.105 8。而CR=0.012(<0.1)，說明求得的權(quán)重系數(shù)合理有效。

2.2檸檬真空干燥的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1溫度對(duì)檸檬真空干燥的影響。固定真空壓力和切片厚度分別為0.06 MPa、3 mm，由表4可知，檸檬真空干燥最優(yōu)溫度為60 ℃。

表4 溫度對(duì)檸檬真空干燥的影響

2.2.2真空度對(duì)檸檬真空干燥的影響。固定溫度和切片厚度分別為70 ℃、3 mm，由表5可知，檸檬真空干燥最優(yōu)真空壓為0.07 MPa。

表5 真空壓對(duì)檸檬真空干燥的影響

2.2.3切片厚度對(duì)檸檬真空干燥的影響。固定溫度和真空壓分別為70 ℃、0.06 MPa，由表6可知，檸檬真空干燥最優(yōu)切片厚度為4 mm。

表6 切片厚度對(duì)檸檬真空干燥的影響

2.3正交試驗(yàn)優(yōu)化檸檬真空干燥工藝結(jié)果選擇真空干燥溫度、真空度及切片厚度作為考察因素(表7)，以檸檬總黃酮、總酚、香精油和維生素C作為考察指標(biāo)， 結(jié)合單因素考察的測(cè)試范圍，采用Minitab 16設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)優(yōu)化方案。

由表8可知，3個(gè)因素對(duì)檸檬真空干燥影響為C>A>B。方差分析表明，因素A和C對(duì)檸檬真空干燥的影響具有顯著性(P<0.05)，且切片厚度對(duì)其影響最大，溫度次之。結(jié)合極差分析，選擇A3和C2水平；因素B在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)對(duì)其影響不顯著，從材料成本和設(shè)備要求考慮，選擇B1水平。

表7檸檬真空干燥正交試驗(yàn)因素與水平

Table7Thefactorsandlevelsforlemonvacuumdryingorthogonalanalysis

水平Level溫度(A)Temperature℃真空壓(B)VacuumdegreeMPa厚度(C)Slicethick?ness∥mm1500．0632600．0743700．085

表8 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

故確定檸檬真空干燥最佳工藝為A3B1C2，即溫度70 ℃，真空壓0.06 MPa，切片厚度4 mm。為了驗(yàn)證最優(yōu)工藝的可行性，按優(yōu)選的最優(yōu)工藝條件再次進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。結(jié)果表明：香精油含量為(5.4±0.2)μg/g；維生素C為(598.9±12.6)μg/g；總黃酮為(11.46±0.18)mg/g；總酚為(19.07±0.11)mg/g。該結(jié)果與正交試驗(yàn)結(jié)果吻合，證明優(yōu)選的工藝條件穩(wěn)定、可行。

2.4檸檬真空干燥與熱風(fēng)干燥樣品外觀和含量比較采用溫度70 ℃、切片厚度4 mm條件對(duì)檸檬樣品進(jìn)行熱風(fēng)干燥處理，測(cè)定干燥樣品4種組分含量：香精油為(8.1±0.2)μg/g；維生素C為(389.6±10.8)μg/g；總黃酮為(12.75±0.09)mg/g；總酚為(13.81±0.05)mg/g。按上述綜合評(píng)分為326.75，顯著低于真空干燥。檸檬真空干燥和熱風(fēng)干燥樣品橫切和縱切面見圖2、3。

圖2 檸檬真空干燥Fig.2 The vacuum drying for lemon

圖3 檸檬熱風(fēng)干燥Fig.3 The hot air drying for lemon

由圖2、3可知，與真空干燥相比，相同條件下，采用熱風(fēng)干燥的檸檬由于直接暴露在空氣環(huán)境中，被氧化而導(dǎo)致褐變更嚴(yán)重，加工的檸檬片顏色更深。而且其細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，產(chǎn)品表面發(fā)生嚴(yán)重變形，檸檬片體重收縮較大。故與熱風(fēng)干燥相比，采用真空干燥加工的檸檬片具有更好的產(chǎn)品外觀，商業(yè)價(jià)值更高。

3 結(jié)論與討論

烘干法加工的檸檬，產(chǎn)品外表不但出現(xiàn)干縮、變形及褐變現(xiàn)象，且維生素等多種熱敏性成分含量也大大降低。該研究表明，采用真空干燥工藝，可有效避免變形、褐變[24]等問題，同時(shí)大幅保留了檸檬中有效成分含量，能夠很好地替代傳統(tǒng)干燥方式，適合工業(yè)及商品需求[25]。

層次分析法是一種多指標(biāo)多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法，它將一個(gè)大的評(píng)估目標(biāo)分解為一個(gè)多級(jí)指標(biāo)，對(duì)于每級(jí)中各因素的相對(duì)重要性給出判斷。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠綜合考慮評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)重要性而使各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)趨于合理，從而對(duì)評(píng)估目標(biāo)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)以檸檬中的主要活性成分總黃酮、總酚、檸檬香精油及維生素C為考察指標(biāo)，采用層次分析法結(jié)合正交試驗(yàn)，對(duì)檸檬真空干燥工藝，如干燥溫度、真空壓、切片厚度進(jìn)行了系統(tǒng)的考察和優(yōu)化。在單因素試驗(yàn)中，真空干燥溫度對(duì)所考察的4種有效成分的影響結(jié)果表明，隨著溫度升高，香精油和維生素C的含量基本呈降低的趨勢(shì)。檸檬香精油的主要成分為檸檬烯和檸檬醛，同維生素C一樣均為易氧化和易揮發(fā)性成分，故其含量都隨真空干燥溫度的升高而逐漸降低；而黃酮類成分對(duì)熱的穩(wěn)定性較差，其含量隨溫度升高而降低；總酚含量隨溫度升高基本呈增加的趨勢(shì)，一方面可能是由于溫度相對(duì)升高使多酚氧化酶活性降低，另一方面可能是由于高溫會(huì)打破高聚物間的共價(jià)鍵，促使結(jié)合態(tài)的總酚轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，更易釋放[16]。真空干燥壓力對(duì)其影響結(jié)果表明，隨著真空壓增大，香精油和維生素C的含量逐漸增大，是由于真空度越高，易氧化成分越不易被氧化；真空度越高，熱不穩(wěn)定性成分相同溫度下更不穩(wěn)定，所以其總黃酮含量隨真空度升高而降低；真空度對(duì)總酚含量變化的影響基本同溫度。切片厚度對(duì)其影響結(jié)果表明，香精油和維生素C等易氧化、易揮發(fā)性成分含量隨切片厚度增大而呈降低的趨勢(shì)，而總黃酮和總酚含量隨切片厚度增大而升高。研究表明，在溫度70 ℃、真空壓0.06 MPa、切片厚度4 mm的條件下，檸檬片中活性成分含量較高，且顯著高于常規(guī)干燥產(chǎn)品。該研究表明，采用多指標(biāo)加權(quán)評(píng)價(jià)法，可對(duì)檸檬的干燥工藝做出全面和完整的評(píng)估，在很大程度上規(guī)避了單指標(biāo)考察的局限性和片面性，是一種合理和精準(zhǔn)的食品加工工藝研究方法。

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科技論文寫作規(guī)范——結(jié)果

利用圖、表及文字進(jìn)行合乎邏輯的分析。務(wù)求精練通順。不需在文字上重復(fù)圖或表中所具有的數(shù)據(jù)，只需強(qiáng)調(diào)或闡述其重要發(fā)現(xiàn)及趨勢(shì)。